酒精发酵

第五章酒精发酵第一节酒精发酵机理一、酵母细胞中的酶系及其特征常规的酒精酵母不含α-淀粉酶及葡萄糖淀粉酶等淀粉酶系统，所以它不能直接利用淀粉进行酒精发酵。常规的酒精酵母不含α-淀粉酶及葡萄糖淀粉酶等淀粉酶系统，所以它不能直接利用淀粉进行酒精发酵。酵母体内含有的酶中，与酒精发酵有关的主要是两类：一类为水解酶，另—类是酒化酶。1.水解酶类(1)蔗糖酶能将蔗糖分解成为一分子葡萄糖和一分子果糖。蔗糖酶能从酵母细胞中分泌出来，传入周围介质中，是一种胞外酶。(1)蔗糖酶能将蔗糖分解成为一分子葡萄糖和一分子果糖。蔗糖酶能从酵母细胞中分泌出来，传入周围介质中，是一种胞外酶。(2)麦芽糖酶可将麦芽糖水解成为二分子葡萄糖。麦芽糖酶的最适pH为6.75~7.25最适温度为40℃。该酶对温度较为敏感，55℃即被破坏。(3)肝糖酶可将酵母体内贮存的肝糖(一种类似支链淀粉，但分子量较小的物质)分解为葡萄糖。肝糖酶是胞内酶，所以它不能参与细胞外介质中淀粉的水解作用。二、酒精生物合成途径及其代谢调控三、酒精发酵中副产物的生成1.甘油的生成酵母在一定条件下了，可以转化糖分为甘油。但是。在正常酒精发酵条件下，发酵醪中只有少量的甘油生成，其含量约为发酵醪量的0.3%~0.5%。如果保持酒精发酵液在弱碱性（pH7.6）条件下，则发酵产生的乙醇也不能作为正常的受氢体，而是两分子乙醛之间发生岐化反应，相互氧化还原，生成等量的乙醇和乙酸。2.杂醇油的生成•除了上述由氨基酸脱氨脱羧形成高级醇的途径以外，也存在其他杂醇油生成途径，例如丙酮酸与胱氨酸作用，生成丙氨醇和-酮基异己酸，后者再脱羧，生成异戊醛，异戊醛还原则可生成杂醇油的主要成分异戊醇。再如，丙酮酸和乙酰CoA相结合，碳链变长，在有蔗糖存在时，也会促进高级醇的生成。•总而言之，杂醇油的生成与酵母的生命活动有关，间接也就与原料的品种和醪液的营养组成有关3.琥珀酸的生成4.乳酸等有机酸的生成5.醛的生成乙醛是酒精发酵的中间产物，提早终止的发酵醪中醛含量高。杂菌污染也会产生醛类。高温发酵和通气时，会促使醛的生成。如果发酵成熟醪长时间搁置，乙醇也会被氧化成乙醛。6.酯的生成第二节传统酒精发酵工艺一、酒精发酵的动态酒精发酵根据酵母菌的生长繁殖和酒精的生成情况，可分为3个不同的阶段。1.前发酵期2.主发酵期3.后发酵期1.前发酵期酒母和糖化醪在发酵罐中混合后，由于醪液中含有一定量的溶解氧，而且醪液中的各种营养分也比较充分，又不存在最终产品的抑制，所以酵母在经过短时期的适应以后，就迅速繁殖。与此同时，后糖化作继续进行，糊化淀粉逐步被糖化酶转化成可发酵性糖。但由于这时醪液中酵母细胞密度不高，发酵作用不强，酒精和二氧化碳生成量很少，所以糖分消耗较慢，温度上升不快，发酵醪的表面显得比较平静，这个时期称作前发酵期。前发酵期的长短与酵母的接种量有很大关系。酵母接种量一般控制在8~10%。进醪温度对前发酵期的长短也有很大的影响，进醪温度高，则前发酵期短，反之则长。前发酵期一般为8~10h。连续发酵时，根本就不再存在前发酵期。由于前发酵期的发酵作用并不强烈，所以醪液温度上升并不快。发酵醪的温度宜控制在28℃~30，超过34℃，容易形起酵母早衰，表现为主发酵的结束早，发酵不彻底。前发酵期也是酵母增殖阶段，应特别注意防上杂菌污染。2.主发酵期主发酵阶段酵母细胞已大量形成，醪液中的细胞数可达l亿个/mL以上。这时随着醪液中的溶氧基本耗完和营养分的减少，酵母已不再大量繁殖，而是主要进行酒精发酵，即进入主发酵期。在间歇发酵时，一旦发酵醪中的酒精度达到4％以上，再加上溶解氧的消耗和营养分的减少，酵母细胞的繁殖基本停止；而连续发酵时，当酒当酒精浓度达7%时，酵母还能出芽。此时期发酵旺盛，糖分含量迅速下降，酒精大量生成。由于产生大量的二氧化碳，二氧化碳的释出带动醪液上下翻动，并发出泡沫破裂的响声。主发酵时，由于大量热量的释放，醪液的温度上升很快，应该及时采用人工冷却。冷却方式有罐内蛇管冷却，喷淋罐壁冷却和罐外热交换器冷却三种类型。普通酵母控制在发酵温度不超过34℃，耐高温酵母控制发酵温度不超过40℃。醪温超过40℃，不仅使酵母早衰，而且容易造成杂菌污染，造成酒精的损失。主发酵期的长短，取决于醪液中可发酵性物质的浓度和其他营养成分的含量，发酵醪中糖分高，主发酵持续时间长，反之则短。主发酵时间一般为12h左右。3.后发酵期后发酵阶段，醪液中的糖分已大部被酵母菌所发酵，但醪液中残存的糊精等继续被淀粉酶系统作用并转化为糖，而酵母则将它转化为酒精。由于后糖化作用的速度比糖的发酵要缓慢得多，所以，这一阶段中酒精和二氧化碳的生成量要少得多。从醪液表面看，虽然仍有气泡不断产生，但醪液上下翻动的情况不再发生，酵母和固形物部分下沉。后发酵阶段的发酵作用减弱，所产生的热量也大为减少，这时应注意控制温度，保持在30℃~32℃。醪液温度太低，糖化作用更弱，发酵周期延长，并影响淀粉出酒率。淀粉质原料生产酒精的后发酵阶段一般需要40h左右才能完成。后发酵时间的长短，决定于糖化剂中糊精酶的活力，而不取决于酵母的数量。酵母菌数量多，只能使主发酵提前，并不能加速后发酵，只有保证糖化剂的质与量，才能有效地缩短后发酵时间。二、间歇酒精发酵工艺间歇式发酵的全过程是在一个发酵罐中完成的。由于是单罐操作，一个罐发生染杂菌情况，不会影响其他罐的正常发酵。根据发酵罐体积和糖化醪流加方式等工艺操作的不同，间歇发酵又可大致分为以下几种方法：（1）一次加满法（2）分次添加法（3）连续添加法（4）分割主发酵醪法三、连续酒精发酵工艺（一）概述1.连续培养的分类（1）全混(均相)连续发酵法：微生物培养是在一个设备中进行的，液体培养基混合搅拌良好，以保证整个发酵液的均—性。均相连续发酵系统根据控制的方法，又可分为恒化培养和恒浊培养两类。（2）级式连续培养法：对于发酵时间要求较长的产品生产来说，—只发酵罐已无法适应，这时就应采用梯级式连续培养法。本方法的微生物培养和发酵过程是在一组罐内进行的，每个罐本身的各种参数保持基本不变，但罐与罐之间则并不相同，且按—定的规律形成一个梯度。酒精连续发酵大都是采用这种形式。2.连续发酵的优点（1）提高设备利用率（2）提高淀粉利用率（3）省去厂酒母工段（4）便于实现自动控制（二）连续发酵基本理论淀粉质原料酒精连续发酵就是把发酵罐串连起来进行发酵，新鲜的糖化醪以一定速率不断地流入首罐，成熟醪从末罐等量的流出，醪液浓度依次逐渐降低，酒精含量依次增高，每个发酵罐内的醪液流量、浓度、酒精分、酵母细胞数、pH值及温度等相对稳定。为了保证连续发酵的正常进行，应控制平衡关系：1．每个罐中的细胞的物料平衡，即进入的细胞-流出的细胞+生长的细胞-死亡的细胞=积累的细胞这一关系可用数学式表示如下：式中x0—进入发酵罐的细胞浓度（g/L）；x—流出发酵罐的细胞浓度（g/L）；F—糖化醪流量(L/h)；V—发酵液体积（L）；μ—细胞比生长速率（h-1）；d—细胞比死亡速率（h-1）；t—时间（h）。dtdxdxxxVFxVF0通常认为进料液是无菌的，即x0=0，而且在大多数连续发酵中，μ〉〉d，所以可把上式简化为：dtdxxxVF当整个发酵系统处于平衡时0dtdx所以VF此时，细胞的比生长速率用培养基的流速除以发酵罐中培养基的体积来表示。在发酵过程中，通常将F/V定义为连续发酵的稀释比，即。所以当连续发酵达到平衡时，比生长速率应该等于培养基的稀释比。VFD2.营养成分的物料平衡发酵过程中限制性营养成分的物料平衡可表示如下：流入的营养成分-流出的营养成分-消耗的营养成分-维持菌体需要量-形成的产物=积累的营养成分这一关系可用数学式表示如下：dtdSyxqmxyxSVFSVFSPPSX0式中yx/S—限制性营养成分的细胞得率系数（g细胞/g基质）；S0—限制性营养成分的进口浓度（g/L）；S—限制性营养成分的出口浓度（g/L）；m—维持需要量（g/L）；qp—产物形成的比速率[g产物/(g细胞•h)]；yp/S—基质变成产物的转化率，（%）。四、半连续酒精发酵工艺半连续发酵工艺是指主发酵阶段采用连续发酵，后发酵阶段采用间歇发酵的方法。