黃酒發酵過程生物化學機理分析

0糖化、發酵、酒化酶黃酒發酵是一種復雜的生物化學過程，由各種微生物和酶參與，如蘑菇、細菌和細菌。糖化,即蒸煮糊化了的淀粉質原料,經霉菌的糖化作用,分解成可發酵性糖等;發酵,即可發酵性糖在厭氧條件下,經酵母細胞內酒化酶的作用,轉化為酒精和CO2。本研究通過跟蹤黃酒生產過程中關鍵性參數總糖、酒精度、總酸和氨基酸態氮的變化,分析黃酒發酵過程及其中相應關鍵點的控制。1材料和方法1.1測試試劑硫酸銅、酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉、無水葡萄糖和濃鹽酸等均為分析純。1.2測試試劑電爐、蒸餾裝置、酒精計、溫度計、量筒、分析天平和酸式滴定管等。1.3實驗方法1.3.1流程圖大米→浸米→蒸煮→淋水→落缸→搭窩→沖漿→喂飯加麥曲→主酵→入壇后酵→壓榨1.3.2主酵發酵過濾分為主酵樣品采集和后酵樣品采集。主發酵樣品采集:主酵發酵時間為48h,每隔6h取樣用紗布過濾后,取清液待用。后酵樣品采集:后酵入壇發酵時間大約20d,每隔1d取樣用紗布過濾后,取清液待用。1.3.3樣品測定1.3.3.1總糖的測定參照GB/T13662-2000《黃酒》中總糖鐵氰化鉀滴定法。1.3.3.2.酒精度的測定參照GB/T13662-2000《黃酒》中酒精度的測定。1.3.3.3.酸和氨基酸態氮的測定參照GB/T13662-2000《黃酒》中總酸及氨基酸態氮的測定。2結果與討論2.1主要發酵過程中成分的變化分析2.1.1酒藥和麥曲中糖化菌的增殖規律黃酒生產是一個邊糖化邊發酵的過程,主酵也不例外。主酵從沖漿喂飯為起點至灌壇結束,其過程總糖的變化曲線如圖1。從圖中看出,總糖含量整體呈現先上升后下降的趨勢。首先沖漿稀釋了原來的發酵醪濃度,解除了之前高濃度糖液對醪液內各菌尤其是酵母菌的抑制作用,沖漿后醪液中酵母細胞數少,所以主酵開始,酵母進行迅速生長繁殖,其繁殖產熱使醪液溫度回升,糖化菌分泌的各種糖化淀粉酶充分作用淀粉,產生大量非發酵性糖和可發酵性糖,使糖濃度在前期含量升高。酵母菌大量增殖后,發酵產酒精速度大于糖化速度,醪液中主體反應表現為酵母菌利用可發酵性糖轉化為乙醇等產物,造成糖濃度的大幅下降。24h以后,糖分降至10g/L左右,基本保持穩定。結果見圖1。由于正常的總糖變化需要酒藥和麥曲中糖化菌分泌的淀粉酶和酵母菌的綜合作用,因此,在生產中要合理控制好酒藥和麥曲的量。如果酒藥和麥曲的含量高,尤其麥曲的量高,會使發酵過程中產糖過快,這不僅會抑制微生物的生長繁殖,同時可能導致酸敗;麥曲含量低則使原料利用率低。除此之外,前酵和主酵溫度也是影響總糖變化的一個重要因素,首先,前酵搭窩時溫度要控制在霉菌和酵母菌等有益微生物的生長繁殖溫度,一般不超過35℃;主酵溫度則應該控制在各種糖化酶以及酵母作用的溫度,以維持正常的總糖變化趨勢。2.1.2主酵和前酵溫度對發酵的影響主酵過程中酒精度變化處于一種不斷上升的趨勢,結果見圖2。由于沖漿前發酵醪濃度高抑制了酵母菌的增殖,而沖漿又對發酵醪進行了稀釋,所以主酵開始時酒精濃度較低。隨著糖化的進行,產生大量可發酵性糖,同時,增殖發酵產熱使溫度逐漸上升,以及厭氧條件等均有利于酵母菌的作用,加快發酵速度,酒精度逐漸升高。因此,主酵可以看作是酵母菌旺盛發酵,釋放大量熱量,可發酵性糖等營養物質被迅速利用,產生大量酒精的階段。黃酒主酵中,正常的酒精變化需要優良的酵母,因此,酒藥的選擇是個重點,若酒藥選擇不好,發酵醪中的酵母不健壯,則會導致發酵緩慢,酒精度上升速度不快,可發酵性糖含量偏高,易于酸敗。除此之外,前酵和主酵溫度的控制同樣也是重點,若前酵溫度過高,不利于酵母菌的生長;主酵溫度偏高,則會使酒精含量上升速度超過一般水平,酵母衰亡快,也易引起雜菌污染。2.1.3酸發酵和酸酶發酵過程從圖3可以看出,由于沖漿對發酵醪液的稀釋,主酵起始時總酸的濃度較低,后迅速增高,并于發酵16h后達到4.0g/L,之后基本保持這一水平。這是因為在沖漿后酵母和一部分產酸菌乳酸菌會迅速增殖,當數量達到一定程度時,代謝旺盛,酵母發酵產酒精和少量有機酸,產酸菌則產生大量有機酸,使總酸不斷上升,當達到4.0g/L的濃度后,酸度和酒精度的升高抑制了產酸菌的活性,當然這是一個逐漸的過程,綜合作用下使總酸的含量穩定在4.0g/L。在黃酒發酵中,雖然有機酸對黃酒的香味和緩沖作用很重要,也存在以酸制酸之說,即利用乳酸菌繁殖產生的微酸環境,抑制產酸細菌繁殖,但是主酵乳酸菌的大量增殖會給后酵酸敗帶來隱患,如若后酵溫度控制不善,乳酸菌會以主酵繁殖的乳酸菌量為基數,利用殘糖進行大量增殖并產乳酸,使總酸含量直線上升。為消除這種酸敗危險,應當在主酵防止乳酸菌的大量增殖,其主要措施就是嚴控主酵溫度,使此溫度不高于酵母生長作用溫度。2.1.4氨基酸態氮的變化從圖4中可以看出,沖漿后由于發酵醪的溫度較低,不利于蛋白酶的作用(蛋白酶的最適溫度為38~45℃),氨基酸態氮含量很低,之后隨著發酵的進行,放熱,溫度升高,蛋白酶開始作用,氨基酸態氮含量有所上升。黃酒生產中,氨基酸態氮主要來自大米中蛋白質的分解,大米中蛋白質含量約為7%,發酵過程中,米中蛋白質在麥曲多種蛋白酶的作用下,分解形成肽和氨基酸。除此之外,麥曲中小麥也含有一定量的蛋白質,在制曲過程被霉菌和細菌所分泌的蛋白酶、羧(基)肽酶分解成氨基酸。從圖4可以看出,在主酵期間,氨基酸態氮的含量維持在一個較低的水平,至主酵結束,氨基酸態氮的含量僅有0.123g/L,盡管這與工藝本身以及麥曲含量等有一定的關系,但也受到部分氨基酸被酵母菌和霉菌等同化為菌體蛋白,或生成高級醇等其它一系列因素的影響。2.2然后，對澄清過程中組分的變化2.2.1后酵期溫度的控制后酵前期(后酵前9d)總糖含量呈下降趨勢,后酵9d之后糖分逐漸穩定在7.2g/L。這是由于經過主酵和后酵前期原料中的糖分已經大部分被酵母消耗,且后酵采用灌壇工藝,溫度無法人為控制,同時,由于酸和其它產物以及環境的抑制作用,酵母發酵作用減弱,糖分維持在一個相對穩定的水平。在黃酒生產中,這部分發酵終了殘存的少量葡萄糖和糊精,使黃酒具有甜味和粘稠感。結果見圖5。在黃酒后酵前期,當殘糖較多未穩定之前,此時溫度的控制仍是重點,尤其對于機械化黃酒生產,后酵前期的溫度應盡可能地控制得低些,以防止酸敗。即使對于灌壇工藝生產黃酒,雖然后酵的溫度無法人為控制,但壇子表面積小,積熱少,且一般這類黃酒的生產多選擇在寒冷的深秋或冬季進行生產,溫度較低。2.2.2后酵期酒精發酵從圖6可以看出,后酵初期,酒精度呈上升趨勢,并在后酵第7d達到最大值;從后酵第9d開始,總體有所下降。這種趨勢與同期糖分變化相對應,后酵初期由于糖含量仍較高,以及溫度環境等因素仍較適宜酵母菌的作用,所以,此時延續主酵的作用,繼續產生酒精,促使酒精含量明顯上升。后酵9d之后酒精度處在一個小范圍的浮動范圍內,這也顯示了黃酒的發酵過程,尤其是后發酵階段是一個復雜的生物化學過程。這一時期之后,酒精度受到各種因素的影響,如:酒(醇)轉化為酯等各種風味物質,還有酒精本身也會在溫度較高時揮發,圖6中,酒精含量出現小幅波動。2.2.3不同菌種對黃油發酵過程中總酸的影響從圖7中可以看出,后酵總酸含量在3.9~5g/L的范圍內波動,呈現出先上升后下降之勢。由于后酵灌壇工藝溫度無法人為控制,殘糖較少,酵母菌的主導地位不再明顯,乳酸菌等一些生酸菌產生各種有機酸,表現在圖中總酸有所上升,當然,這些酸在黃酒發酵過程中也是不可或缺的。因為,在后酵后期,黃酒營養物質和風味酯類物質的產生都需要酸的參與,表現在圖中發酵后期總酸有所下降。但當主酵溫度偏高,積累了大量乳酸菌,后酵溫度稍高,這些乳酸菌就會利用殘糖迅速增殖產酸,即使后期有部分酸參與黃酒風味物質的合成,但生成遠大于消耗,總酸仍會迅速上升,甚至導致酸敗。2.2.4氨基酸態氮含量對酒精發酵的影響后酵9d前氨態氮含量維持在0.21g/L,之后含量逐漸上升,到后酵19d上升至0.43g/L。蛋白質的分解是一個相對較慢的過程,尤其在后酵前期,由于酒精度相對較高,醪液中的酸性蛋白酶受其影響。后酵9d后,酒精度稍有下降,且出現大量的菌體自溶,游離于發酵醪中的菌體蛋白受蛋白酶的作用,分解成肽和氨基酸,因此,后酵9d后,氨基酸態氮含量逐漸升高。結果見圖8。氨基氮含量是黃酒質量的一個重要指標,國家黃酒質量標準中要求黃酒氨基酸態氮的含量在0.4g/L以上。氨基氮的產生主要是在蛋白酶的作用下完成的,因此,除了原料中蛋白質的含量要達到要求外,更要滿足蛋白酶的活力要求。3不同濃度糖化過程中總酸和總酸的變化黃酒發酵過程中,總糖呈現先逐漸下降后保持穩定的趨勢,而酒精度則呈現先迅速升高后小幅波動之勢,兩者基本上表現為此消彼長的關系。當此關系出現異常時,如主酵酒精度上升速度過快時,會導致酵母早衰,易于污染雜菌,此時可能是因為主酵溫度偏高或麥曲中糖化酶不夠,可適當降低溫度或添加糖化酶;又如糖增長較快時,較高的糖濃度不僅會抑制酵母菌等微生物的生長,而且會使糖向有機酸的方向轉化,存在酸敗的危險,此時應采取抑制糖化或促進發酵的措施,如增加酵母用量、提高發酵溫度以及合理調配酒藥和麥曲的用量。黃酒發酵過程中,總酸呈現先上升后下降的趨勢,上升是由于酵母菌在發酵同時會產生少量酸,當然最主要的是當溫度等環境因素適合一些產酸菌生長繁殖時,產酸菌產生大量有機酸;下降則是由于酒精度的升高抑制了產酸菌的繁殖,同時后酵黃酒營養物質和風味酯類物質的產生需要酸的參與。同時由以上對總酸的分析可知,為防止后酵酸敗,應