酶制剂在啤酒酿造中的应用

酶制剂在啤酒酿造中的应用王家林韩华(青岛科技大学生物工程与技术系，山东，青岛，266042)摘要：随着啤酒工业的迅速发展，啤酒工业应用酶制剂的领域也在不断拓展，酶制剂的应用不仅对稳定和提高啤酒质量有益，而且对改进啤酒酿造工艺过程、开发新的酿造原料、新产品的研发、降低生产成本具有重大影响。本文就以啤酒酶制剂原理及应用效果进行了简要综述。关键词：酶制剂；啤酒；应用EnzymepreparationsinBeerBrewingWANGJIALIN,HanHua(DepartmentofBioengineeringandTecnology,QingdaoUniversityofScience&Technology,QingdaoShandong,266042)Abstract:Withtherapiddevelopmentofthebeerindustry,beerenzymesforindustrialapplicationshasbeenexpandingtheareas,Applicationofenzymepreparationnotonlyforstabilityandtoimprovethequalityofgoodbeer,butalsotoimprovethebrewingprocess,makingthedevelopmentofnewmaterials,newproductdevelopment,lowerproductioncostshasasignificantimpacton.Thispaperhascarriedoutabriefoverviewofbeereffectprincipleandapplicationofenzymepreparations.Keywords:Enzymes;Beer;Application前言啤酒的生产与酶有着密不可分的联系，传统的啤酒糖化是利用大麦发芽所产生的内源性酶实现物质转化。随着生物技术的发展，利用微生物生产具有工业化利用价值的各类酶制剂，其生产规模日益扩大，酶制剂品种也更加丰富。随着啤酒生产规模的逐渐扩大和消费者对产品质量要求的提高，市场的竞争必然激烈。在这种形势下，如何降低生产成本、缩短生产周期和提高啤酒质量对于各生产企业来说，就变得越来越重要。啤酒生产过程是一个产酶、用酶及灭酶的过程，啤酒酿造中的很多工艺都是依据酶的特性来决定的。将现代酶技术与传统啤酒酿造技术相结合，不仅对稳定和提高啤酒质量有益，而且对降低生产成本、弥补麦芽质量缺陷、增加花色品种、增加效益都大有好处。酶制剂工业的发展，使啤酒工业在一定程度上减轻了对主原料的依赖性，使外加酶制剂逐步成为啤酒生产工艺的补充手段。目前，具有多酶系、多用途的复合酶制剂越来越受到关注和重视[1]。在传统啤酒酿造中，由谷物原料制成啤酒的一个关键因素——酶，来自于大麦芽。在使用高比例辅料酿造啤酒时，显然需要添加一些辅助酶制剂。实际上，从辅料液化、糖化到发酵等整个啤酒生产过程都涉及到酶制剂。目前在啤酒生产过程中常用酶制剂有淀粉分解酶，如耐高温α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、真菌淀粉酶和普鲁兰酶；纤维素和半纤维素分解酶，包括纤维素酶、β-葡聚糖酶和木聚糖酶等。此外还有中性蛋白酶、α-乙酰乳酸脱羧酶等等[2]。1各类酶制剂简介啤酒外加酶制剂在啤酒酿造过程中的添加时段1.1辅料的糊化过程中，添加的酶制剂主要α-淀粉酶。1.1.1α-淀粉酶α-淀粉酶一般分为高温、中温和低温淀粉酶，高温淀粉酶作用温度在95-100℃；中文淀粉酶作用温度在70-90℃；低温淀粉酶作用温度在30-45℃。根据传统工艺特点，一般采用中、高温淀粉酶来液化，目前以高温淀粉酶为主。在高温条件下，淀粉易吸水膨化，细胞壁容易破坏，而酶制剂在高温下活力加剧，使淀粉糊化和液化交替进行、相互促进、协调，使淀粉乳黏度下降，淀粉液化成糊精[3]。1.2在原料的糖化过程中，添加的酶制剂主要有β-淀粉酶、糖化酶、普鲁兰酶、木聚糖酶、戊聚糖酶、β-葡聚糖酶、中性蛋白酶。1.2.1β-淀粉酶β-淀粉酶是将糊精水解为麦芽糖。麦汁的主要成分是麦芽糖，添加β-淀粉酶将糊精转化为麦芽糖。1.2.2糖化酶糖化酶又称葡萄糖淀粉酶，它能将淀粉从非还原性末端水解α-1，4葡萄糖苷键，产生葡萄糖，也能缓解水解α-1，6葡萄糖苷键，转化为葡萄糖。一般在啤酒的生产过程中提高发酵度，生产干净爽快的干啤酒，添加糖化酶是最简单有效的方法[4]。1.2.3普鲁兰酶普鲁兰酶能水解淀粉和糊精中的支链α-D-1，4葡萄糖苷键的直链低聚糖。由于α-淀粉酶和β-淀粉酶对支链淀粉不起作用，这使得麦汁中存在一定量的界限糊精，界限糊精酶的最佳温度是55～60℃，失活温度是65℃，而外加普鲁兰酶在65℃时仍有较好的活性，能起到提高发酵度的作用[5]。所以，该酶可以和糖化酶或者β-淀粉酶一起使用，生产高麦芽糖浆[6]。1.2.4半纤维素酶一般都将戊聚糖与木聚糖统称为半纤维素，半纤维素是麦芽细胞的支撑物，存在于谷物或麦芽的皮壳中。半纤维素亲水性极强，它是造成麦汁过滤困难，不易被冼糟水渗透的主要原因，它使麦汁吸附于麦糟中，从而降低了麦汁收得率。在发芽中，皮壳细胞中的半纤维素物有少部分被分解，但终归麦芽本身所含半纤维素酶活力极小。因此，胚乳细胞内容不易充分释放，一定程度上影响了各类酶系的作用效果，造成原料利用率的降低。在啤酒复合酶中复合半纤维素酶，能充分释放麦芽中的各类酶活力，降低半纤维素的持水力，提高过滤速度，过滤后麦糟更干，从而提高麦汁收得率。半纤维素酶一般在pH4.5～6.5，温度5O～65℃范围内活性最佳。1.2.5β-葡聚糖酶β-葡聚糖存在于麦芽(大麦)胚乳细胞壁中，在制麦中，溶解良好的麦芽有80％的β-葡聚糖被分解。但是，溶解不良的麦芽只有不到35％的β-葡聚糖被分解。β-葡聚糖是造成麦汁粘度过高，使麦汁过滤和啤酒过滤困难，严重的还会造成啤酒浑浊沉淀。糖化醪黏度过高而影响麦汁过滤的因素中有60％以上是由β-葡聚糖引起的。糖化时，45～65℃原料中残留的β-葡聚糖会最大程度的溶出，并与醪液中的水发生吸收-水化反应，引起醪液粘度的极大上升。发生这种现象时说明原料在发芽时产生的内源性β-葡聚糖酶活力不足或者细胞溶解情况不佳(麦尖部分残留过多的β-葡聚糖)[7]。在工艺上可以改变粉碎条件(如麦芽湿法粉碎)和调整糖化条件(如低温和延长休止时间)来降低β-葡聚糖的含量。实践证明，麦芽溶解不好，调整任何糖化条件都是无济于事，因此必须外加β-葡聚糖酶。来源不同的β-葡聚糖酶有不同的最佳pH和温度，由于麦芽中β-葡聚糖酶耐温性差，因此外加酶应使用耐高温性能的β-葡聚糖酶，或者中温、耐高温β-葡聚糖酶同时使用。在啤酒复合酶中，β-葡聚糖酶和半纤维素酶是最重要的组成部分。它的补充加入，有效地降低了糖化中的β-葡聚糖含量，降低麦汁粘度，提高过滤速度和麦汁清亮度，同时改善了啤酒的过滤性能，提高了啤酒的非生物稳定性。1.2.6蛋白酶在啤酒酿造中，蛋白质的分解非常重要。为了保障啤酒酵母的繁殖和正常发酵的需要，麦汁中的α-氨基氮应不低于160mg／L(11。P麦汁)。在制麦过程中，大麦中蛋白质得到了良好的分解，在糖化时是蛋白质分解的延续。全麦芽或低辅料比酿造啤酒时，麦芽中丰富的蛋白酶作用在蛋白休止时足以生成符合工艺要求的泡沫蛋白和氨基酸。但是，在使用溶解不良的麦芽及辅料比高的酿造工艺时，补充蛋白酶的活力就显得非常必要。啤酒复合酶使用中性蛋白酶复配，中性蛋白酶对谷物蛋白最为有效，它的最佳pH为6.5～7.5，最适温度在40～60℃之间。因此，一般啤酒复合酶添加在糖化锅时的温度为45～5O℃之间，以利于蛋白酶的作用发挥[8]。中性蛋白酶，分解麦芽中蛋白质的过程中在增加总氮的同时,还分解麦汁中的高分子氮的含量，从而增加了低分子氮的含量。所以中性蛋白酶的使用，使麦汁中含氮物质在各种组分比例中更合理，有助于提高啤酒的品质。据童静荣报道[9]，添加中性蛋白酶可以提高麦汁中α-氨基氮的含量，从麦汁隆丁区分结果看，使用国产麦芽并添加中性蛋白酶能有效地提高总氮含量，改善隆丁区分比例。蛋白酶常以来源来命名，菠萝蛋白酶、木瓜蛋白酶和生姜蛋白酶、无花果蛋白酶(植物蛋白酶)、细菌蛋白酶和霉菌蛋白酶(微生物蛋白酶)等[10]。在国外啤酒生产中,植物来源的蛋白酶应用更普遍,其中最常用的是木瓜蛋白酶和无花果蛋白酶,其他植物蛋白酶如从磨菇和大麦中提取的蛋白酶应用普遍程度略低于前两种[11].蛋白酶能水解啤酒中的蛋白质，而且还能部分水解一些已形成的复合物，生成更多的多肽或氨基酸，保证啤酒在冷冻贮存过程中的高澄清度，也能改善啤酒的口感、调节原有多肽和氨基酸的组成和比例，提高啤酒泡沫覆盖度。生姜蛋白酶[12]将酒中大分子蛋白质和蛋白类色素等物质分解为稳定性高并能与考马斯亮蓝呈色的多肽、氨基酸等物质所致，提高了澄清度；生姜蛋白酶可减少啤酒中含有的少量蛋白质类色素或与蛋白质结合的色素，使色度下降。1.3在发酵过程中，添加的酶制剂主要有真菌淀粉酶、糖化酶、α-乙酰乳酸脱羧酶、溶菌酶。1.3.1真菌淀粉酶从米曲霉菌株中制成的真菌淀粉酶，是一种内切酶，从淀粉内部切割α-1，4糖苷键，不能切割α-1，6糖苷键但可以绕过α-1，6糖苷键继续作用能水解直链淀粉和支链淀粉中的葡萄糖苷键，将未分解的部分淀粉和糊精分解成低聚糖、麦芽糖，从而弥补了由于麦汁组成不佳带来的缺陷，提高了成品酒的发酵度，解决了酒精度低的问题，降低了由于碳水化合物所引起的“冷浑浊”，提高了成品酒的质量。1.3.2溶菌酶溶菌酶是一种催化细菌细胞壁中的肽多糖水解酶，它破坏细菌的细胞壁，使细胞溶解死亡。溶菌酶专性抑制革兰阳性菌，对酵母等真核生物细胞不产生任何作用。溶菌酶应用在酵母的重复使用、发酵初期、清酒罐、大包装啤酒、鲜啤、生啤、纯生啤酒等方面。由于添加量少，作用效果好，是一种防腐保鲜的有效方法。1.3.3α-乙酰乳酸脱羧酶啤酒成熟的一个重要方面是啤酒风味物质的成熟,双乙酰是主要指标之一。双乙酰含量是成熟期的时间限制因子,双乙酰在啤酒罐装后的回升问题也不容忽视。双乙酰的口味界限值为0.1mg／L-0.15mg／L，一般成品啤酒的双乙酰含量应控制在0.1mg／L以下，才能控制双乙酰对啤酒风味的影响。啤酒酿造中控制双乙酰的一个主要方法是以α-乙酰乳酸脱羧酶来改变代谢支路,将双乙酰的前体物质α-乙酰乳酸直接快速地转化为乙偶姻,从而降低α-乙酰乳酸转变为双乙酰的量,缩短啤酒发酵时间,减少成品啤酒中双乙酰的回升,提高啤酒风味稳定性[13]。1.4在发酵成清酒后，外加酶制剂主要有β-葡聚糖酶、真菌淀粉酶、中性蛋白酶、溶菌酶、葡萄糖氧化酶、LLS催代酶。1.4.1葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶是一种天然食品添加剂，食用安全。主要作用是除去啤酒中的溶解氧和瓶颈氧，阻止啤酒的氧化变质过程，它可以使氧与啤酒中的葡萄糖生成葡萄糖酸内酯而消耗溶解氧。葡萄糖酸内酯较稳定，没有酸味、无毒副作用，对啤酒的质量没有什么影响，而且不具有氧化能力。葡萄糖氧化酶具有高度专一性，不会对啤酒其它物质产生作用，所以，使用葡萄糖氧化酶有很好的安全性。葡萄糖氧化酶在防止啤酒老化、保持啤酒原有风味、延长保质期方面有显著效果。经试验证明，葡萄糖氧化酶与亚硫酸盐联合使用，去氧效果更好[14]。葡萄糖氧化酶的价格适宜，添加量少，去氧效果佳，成本低，不需要增添任何设备，不需改变原生产工艺，使用方便，适合大生产使用。1.4.2LLS催代酶LLS催代酶是由青岛海洋大学李兰生首次发现并应用于啤酒生产中[15]的，一种来自海洋的纯天然环保型、使用安全的添加剂。催代酶是含有[-C=C-]、[-COOH]、[-NH2-]等活性基团的高分子物质，其功能主要是加快α-乙酰乳酸转化成双乙酰的非酶氧化速度，使双乙酰尽快生成，同时还可以激活酵母活性，然后再通过快速的酶促反应提高双乙酰的还原速度，使其快速还原成3-羟基-2-丁酮，最终达到降低双乙酰含量、缩短啤酒生产周期的目的，并避免了包装后双乙酰的回升[16]。1.5复合酶制剂