泡沫陶瓷固定化酵母細(xì)胞啤酒連續(xù)主發(fā)酵工藝

程江峰,王 帥

(青島科技大學(xué)化工學(xué)院,山東青島 266042)

泡沫陶瓷固定化酵母細(xì)胞啤酒連續(xù)主發(fā)酵工藝

程江峰,王 帥

(青島科技大學(xué)化工學(xué)院,山東青島 266042)

采用泡沫陶瓷固定化酵母細(xì)胞,并對其應(yīng)用于啤酒連續(xù)主發(fā)酵進行了實驗研究,獲取了優(yōu)化的工藝條件：發(fā)酵溫度 16℃,稀釋率 0.044h-1。在此工藝條件下,實際測得濃度降低為 7.09%,嫩啤酒雙乙酰含量為 0.144mg/L。嫩啤酒主要理化指標(biāo)的測定結(jié)果表明：采用固定化酵母細(xì)胞啤酒主發(fā)酵工藝不會對啤酒質(zhì)量造成影響。

泡沫陶瓷,固定化,酵母,啤酒,主發(fā)酵

1.1 實驗材料

載體 泡沫陶瓷由景德鎮(zhèn)陶瓷研究所提供;原料 添加酒花并經(jīng)煮沸冷卻的 11°P麥汁,浙江錢江啤酒廠提供;啤酒酵母 生產(chǎn)用零代酵母,浙江錢江啤酒廠提供。

1.2 實驗方法

1.2.1 泡沫陶瓷固定化酵母細(xì)胞生物催化劑的制備按文獻[9]優(yōu)化泡沫陶瓷固定化酵母細(xì)胞生物催化劑的制備。14℃條件下于反應(yīng)器中吸附酵母細(xì)胞20min,然后在相同溫度條件下連續(xù)培養(yǎng) 4h,固定化酵母可達到的細(xì)胞密度為：1.1×108個/mL麥汁。

1.2.2 泡沫陶瓷固定化酵母細(xì)胞啤酒連續(xù)主發(fā)酵系統(tǒng) 泡沫陶瓷固定化酵母細(xì)胞啤酒連續(xù)主發(fā)酵系統(tǒng)如圖 1所示,將麥汁貯存于貯罐 1中,通過計量泵 2將麥汁輸入泡沫陶瓷固定化酵母細(xì)胞填充床反應(yīng)器 3中,進行啤酒連續(xù)主發(fā)酵,同時發(fā)酵終了的嫩啤酒貯于貯罐 4中。反應(yīng)器帶有夾套,用酒精制冷,調(diào)節(jié)其流量可控制發(fā)酵溫度。進出口處設(shè)取樣口。反應(yīng)器容積為84.8L,D=0.3m,L/D=4,ε(床孔隙率)=54%。

本研究中稀釋率的定義及控制：

其中：D為稀釋率,h-1;ε為床孔隙率;VR為反應(yīng)器容積,L;F為麥汁流量,L·h-1;τ為平均停留時間,h。

表 1 二次通用旋轉(zhuǎn)中心組合實驗設(shè)計方案及結(jié)果

通過調(diào)節(jié)計量泵可改變麥汁流量,從而可調(diào)控稀釋率。

圖 1 固定化酵母細(xì)胞啤酒連續(xù)主發(fā)酵系統(tǒng)1.貯罐;2.計量泵;3.固定化酵母細(xì)胞填充床反應(yīng)器;4.貯罐

1.2.3 泡沫陶瓷固定化酵母細(xì)胞啤酒連續(xù)主發(fā)酵實驗 為使固定化連續(xù)發(fā)酵技術(shù)能應(yīng)用于啤酒的整個發(fā)酵過程,在保證主發(fā)酵終了時酒液實際濃度較低的前提下,雙乙酰含量也應(yīng)盡可能的低[10],所以確定主發(fā)酵實驗綜合考察酒液濃度的降低及雙乙酰含量這兩個指標(biāo),影響因素主要是發(fā)酵溫度和稀釋率。

通過預(yù)實驗確定中心點 (零水平),應(yīng)用二次通用旋轉(zhuǎn)中心組合實驗設(shè)計的方法來安排實驗[11]。兩因素(發(fā)酵溫度和稀釋率)上、下水平及 r的取值依據(jù)是酵母細(xì)胞對溫度的要求及預(yù)期的發(fā)酵時間。

對實驗結(jié)果進行回歸分析及優(yōu)化處理,獲取泡沫陶瓷固定化酵母細(xì)胞啤酒連續(xù)主發(fā)酵優(yōu)化的工藝條件。

1.2.4 嫩啤酒主要理化指標(biāo)的測定 對主發(fā)酵結(jié)束后的嫩啤酒進行酒精含量、原麥汁濃度、總酸含量和雙乙酰含量等主要理化指標(biāo)的測定,以考察采用泡沫陶瓷固定化酵母細(xì)胞啤酒連續(xù)主發(fā)酵工藝是否影響啤酒的質(zhì)量。

酒精含量：蒸餾法[12];原麥汁濃度：比重瓶法[12];總酸含量：滴定法[12];雙乙酰含量：蒸餾法[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 泡沫陶瓷固定化酵母細(xì)胞啤酒連續(xù)主發(fā)酵工藝條件的優(yōu)化

通過計量泵將麥汁輸入固定化酵母填充床反應(yīng)器,按實驗方案控制發(fā)酵溫度 (x1)及稀釋率 (x2),進行連續(xù)主發(fā)酵實驗。首先在反應(yīng)器入口處取樣測定原麥汁濃度,反應(yīng)器起動后,需經(jīng)一段時間方可達到擬穩(wěn)態(tài),此時于反應(yīng)器出口處測得的實際濃度和雙乙酰的含量基本保持不變。由進出口處麥汁濃度的測定值計算出濃度的降低,濃度的降低 (%)和雙乙酰的含量(mg/L)分別用 y1和 y2表示。二次通用旋轉(zhuǎn)中心組合實驗設(shè)計方案及實驗結(jié)果如表 1所示。

利用DPS統(tǒng)計分析軟件,對實驗結(jié)果進行回歸分析,可得兩個實驗指標(biāo)與兩因素之間的回歸關(guān)系方程：

對回歸方程式 (1)和式 (2)分別進行顯著性檢驗,方差分析的結(jié)果表明：回歸方程(1)和 (2)均在α =0.001水平上高度顯著,兩方程中 x22和 x1x2項的回歸系數(shù)均在α=0.1水平上不顯著,所以應(yīng)從方程中剔除該不顯著項,得簡化后的回歸方程分別為：

要滿足固定化酵母細(xì)胞啤酒連續(xù)后發(fā)酵的工藝要求,應(yīng)使?jié)舛鹊慕档痛笥?7.0%,或者十分接近這一數(shù)值;主發(fā)酵結(jié)束時雙乙酰的含量不應(yīng)超過0.190mg/L[10]。

可采用模型模擬的方法,對回歸方程式 (3)和式(4)在約束條件 y1＞7.0,y2＜0.190下進行非線性優(yōu)化。利用DPS統(tǒng)計分析軟件,在和的取值范圍內(nèi),對回歸方程式 (3)和式 (4)進行模擬運算,當(dāng) y1= 7.0063,y2=0.1415時,x1=0(16.0℃),x2=-1 (0.044h-1)。在發(fā)酵溫度 16℃,稀釋率 0.044h-1條件下,進行驗證實驗,測得濃度降低為 7.09%,嫩啤酒雙乙酰含量為 0.144mg/L,實測值非常接近預(yù)期值。

2.2 嫩啤酒主要理化指標(biāo)的測定結(jié)果

在優(yōu)化的工藝條件下,進行泡沫陶瓷固定化酵母細(xì)胞啤酒連續(xù)主發(fā)酵,測定嫩啤酒的主要理化指標(biāo),并與采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的嫩啤酒進行比較,結(jié)果如表2所示。

表2 嫩啤酒的主要理化指標(biāo)

傳統(tǒng)工藝主發(fā)酵時間約為 6d左右;采用泡沫陶瓷固定化酵母工藝主發(fā)酵時間很短,在上述優(yōu)化的工藝條件下約為 23h,極大縮短了發(fā)酵時間。

由嫩啤酒主要理化指標(biāo)的測定結(jié)果可知,采用固定化酵母工藝,嫩啤酒的幾項主要理化指標(biāo)均與傳統(tǒng)工藝比較接近,可以認(rèn)為該工藝不會對啤酒質(zhì)量造成影響。

3 討論

文獻[5]的主發(fā)酵時間為 20～26h,嫩啤酒雙乙酰含量為 0.3～0.5mg/L;上述實驗結(jié)果的發(fā)酵時間為23h,嫩啤酒雙乙酰含量為 0.144mg/L。發(fā)酵時間與文獻接近,但主發(fā)酵結(jié)束后嫩啤酒雙乙酰含量要低很多,將有利于后發(fā)酵雙乙酰的還原。

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[12]GB/T4928-2001.啤酒分析方法[S].

Study on the technology of continuous beer primary fermentation by immobilizing yeast cells in the foam ceramic

CHENG Jiang-feng,WANG Shua i
(College of Chemical Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266042,China)

The technology of continuous bee r p r im ary fe rm enta tion by imm ob ilizing yeas t cells in the foam ceram ic was s tud ied.The op t im ized p rocess cond itions were as follows：fe rm enta tive temp e ra ture16℃,and d ilution ra te 0.044h-1.Under these cond itions,the dec rem ent of wort concentra tion was7.09%,and the d iacetyl content of g reen beerwas0.144m g/L.The de term ining results of m ain p hys ical and chem ical ind ica tors of g reen bee r ind ica ted that the technology of continuous beer p r im a ry ferm entation by imm ob ilizing yeas t cells had no any effect on the qua lity of beer.

the foam ce ram ic; imm ob iliza tion;yeas t;bee r;p r im a ry fe rm enta tion

TS262.5

B

1002-0306(2010)02-0263-03

固定化技術(shù)應(yīng)用于啤酒的工業(yè)化生產(chǎn),主要是實現(xiàn)連續(xù)快速發(fā)酵的目的,首先在后發(fā)酵階段獲得了成功,目前已應(yīng)用于整個啤酒的發(fā)酵過程,包括主發(fā)酵階段[1-2]。固定化酵母細(xì)胞常采用的方法是在聚合物載體中進行包埋[3-8],將其應(yīng)用于啤酒的主發(fā)酵是較難實現(xiàn)的,由于載體結(jié)構(gòu)及尺寸的原因,只有固定在載體表面的酵母與麥汁中的溶氧接觸,繁殖旺盛,而包埋于載體內(nèi)的酵母與氧的接觸少,或因酒精在載體內(nèi)的積累,使酵母繁殖受到抑制,因而酵母對α-氨基氮的同化率低,主發(fā)酵完畢的酒液存在著游離α-氨基氮和雙乙酰含量過高的質(zhì)量問題,不易解決。泡沫陶瓷是多孔網(wǎng)絡(luò)狀陶瓷材料,其孔徑比酵母細(xì)胞大得多,而且采用吸附固定化的方法,吸附于載體表面及多孔網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的酵母細(xì)胞與麥汁能夠充分接觸,比較適合應(yīng)用于啤酒的主發(fā)酵。在已完成了固定化酵母細(xì)胞制備技術(shù)的基礎(chǔ)上,對泡沫陶瓷固定化酵母細(xì)胞啤酒連續(xù)主發(fā)酵工藝進行實驗研究,獲取優(yōu)化的工藝條件。

1 材料與方法

2009-04-02

程江峰(1972-),男,博士,副教授,研究方向：生化工程。