第3章 酶制剂在啤酒生产中的应用

LOGO酶技术与应用课程第3章酶制剂在啤酒生产中的应用江南大学生物工程学院2012年2月山东青岛LOGO主要内容3.1麦芽中的酶系统3.2啤酒实验室分析项目中与酶有关的分析指标3.3酶在啤酒糖化过程中的作用3.4外源酶制剂的应用3.5酶制剂的活力单位3.6酶制剂品质对啤酒应用的重要性3.7啤酒生产中使用外加酶制剂的原因LOGO啤酒酿造工艺中三个主要的酶反应器LOGO啤酒生产的各个方面都和酶有关啤酒生产的过程，就是将含有淀粉、蛋白质等物质的原料，转变成含有一定酒精度和二氧化碳，以及低分子的多肽、糊精、各种氨基酸及糖的溶液的过程,这个转变包括了许多的化学反应，而这些化学反应几乎全部是由大麦和酵母这两种生物体所产生的或者由其他生物体产生的各种各样的酶来完成的。啤酒生产的过程是一个产酶、用酶及灭酶的过程。啤酒酿造中的很多工艺条件都是依据酶的特性来决定的。LOGO啤酒生产的各个方面都和酶有关一、麦芽是啤酒的主要原料之一，这是人所尽知的，那为什么不可以用大麦直接制备麦汁而一定要花费很大的精力将大麦制成麦芽呢?其中最主要的原因就是为了酶的产生。通过发芽产生了啤酒酿造所需要的多种酶，如淀粉酶、蛋白酶、半纤维素酶，磷酸酯酶等，因此，可以说麦芽的制造就是酶的制造，同时，在制麦过程中，大麦中的淀粉、蛋白质、半纤维素等物质在酶的作用下进行了初步分解。二、所谓糖化就是将大米及麦芽等原料中的淀粉、蛋白质等大分子物质在酶的作用下变成可溶性的各种水解产物，如麦芽糖、低聚糖、氨基酸及多肽等。而糖化的工艺条件就是为各种酶创造有利的作用条件，在整个糖化过程中，不论是原料的配比，粉碎度的要求，加水的多少，还是温度的控制和pH的调整等都是根据各种酶的作用特性而制定的。三、啤酒发酵是靠添加啤酒酵母而将可发酵性的糖类转变成为酒精和二氧化碳。啤酒酵母为什么有如此大的本领呢？这是因为啤酒酵母细胞内含有多种酶组成的所谓“酒化酶系”的缘故。此外，啤酒酵母中还含有各种各样的其他的酶类，对酵母的生长，繁殖以及啤酒中的各种微量成分的生成起作用，四、啤酒生产中除了利用麦芽及酵母产生的各种酶外，根据工艺要求还经常添加由其他生物产生的酶类。如我国许多啤酒厂为降低成本和原料消耗，增加辅料用量并减少麦芽用量，因此出现酶量不足的现象，而在糖化过程中添加细菌的a—淀粉酶，蛋白酶等。为了增加啤酒的稳定性，防止非生物混浊，有些啤酒厂在后酵时，添加蛋白酶，如木瓜蛋白酶，脯氨酸内切酶等。五、啤酒生产中副产品的综合利用也与酶有关。如有些工厂用酵母提取核糖核酸并酶解为核苷酸等。LOGO3.1麦芽中的酶系统LOGO3.1麦芽中的酶系统LOGO麦芽中的酶系统麦芽的酶系统（Enzymesystem）1）水解酶类：包括淀粉酶、蛋白酶、葡聚糖酶、木聚糖酶和磷酸酯酶等。这类酶的主要作用是将高分子的胚乳内容物水解为不同分子量的麦汁浸出物，同时能在麦汁制造过程中进一步发挥作用，水解麦芽和辅料的高分子物质，形成丰富的、可供酵母利用的麦汁组成份，属于啤酒酿造过程中最重要的酶类。2）氧化还原酶:如脂肪氧化酶、多酚氧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶等。主要对麦芽中含有的脂肪、多酚等进行氧化，生成老化醛类物质和多酚氧化聚合体，影响啤酒的风味与稳定性，属于啤酒酿造过程的有害酶类。多数有害酶具有热不稳定性，经过麦芽焙焦后残留活性相对比较低，因此，合适的焙焦温度和焙焦时间对控制有害酶的数量与作用非常重要。LOGO赤霉酸(GA)与酶的合成关于GA与酶合成的研究主要集中在GA如何诱导谷类种子α-淀粉酶的形成上。大麦种子内的贮藏物质主要是淀粉，发芽时淀粉α-淀粉酶的作用下水解为糖以供胚生长的需要。实验证明，如种子无胚，则不能产生α-淀粉酶，但外加GA可代替胚的作用，诱导无胚种子产生α-淀粉酶。如既去胚又去糊粉层，即使用GA处理，淀粉仍不能水解，这证明GA作用的靶细胞是糊粉层细胞。赤霉酸在糊粉层中起作用，通过这个组织体现它们的效应。GA促进无胚大麦种子合成α-淀粉酶具有高度的专一性和灵敏性，现已用来作为GA的生物鉴定法，在一定浓度范围内，α-淀粉酶的产生与外源GA的浓度成正比。大麦籽粒在萌发时，贮藏在胚中的束缚型GA水解释放出游离的GA，通过胚乳扩散到糊粉层，并诱导糊粉层细胞合成α-淀粉酶，酶扩散到胚乳中催化淀粉水解，水解产物供胚生长需要。GA产生的机理是在发芽开始时，当呼吸作用把胚中可溶性糖贮备物浓度降到很低时，即它的形成这些物质下降的诱导。GA不但诱导α-淀粉酶的合成，也诱导其它水解酶(如蛋白酶、β-1，3葡聚糖酶等)的形成，但以α-淀粉酶为主，约占新合成酶的60%～70%。LOGO3.2麦芽分析项目中与酶有关的指标LOGOLOGOQB/T1686-2008啤酒麦芽淡色麦芽理化要求LOGO麦芽的水解酶类淀粉酶类的评价α-淀粉酶,ASBC,绝干≥30糖化力,WK≥220协定麦汁外观极限发酵度,%≥81-84LOGO蛋白酶类的评价可溶性氮，mg/100g麦芽干物质550-750库值，%38-46游离氨基氮，mg/100g麦芽干物质120-150协定麦汁龙丁区分总氮，mg/L950-1150高分子氮，%22，其中包含2%的可凝固性氮中分子氮，%18低分子氮，%60，其中α-氨基氮22LOGO一些非常规的与麦芽酶活评价有关的指标LOGO哈同值是能直观地鉴别麦芽质量的分析手段，因为哈同值具有分别评价和综合评价两方面的作用，特别是单独评价的价值，包括：1）冷水浸出物：表示了在制麦芽过程中已经形成的可浸出物，与麦芽中含有的各种酶的作用无关，称为20℃哈同值。2）低温酶活性判断：表示了热不稳定性酶的作用可以获得的浸出物部分，包括蛋白酶、多聚糖酶、植酸盐酶等，如果低温酶活性比较高，意味着具有比较强的工艺调节余地，此值与库值既相关，又有一定区别，因为库值不完全反映蛋白酶作用，称为45℃哈同值。3）高温酶活性判断：表示了热稳定性酶的作用可以获得的浸出物部分，而且主要指耐热淀粉水解酶系列，包括部分肽酶，这部分浸出物又是数量最多、最重要的浸出物，可以直接反映糖化室利用率、糖化醪液的粘度、麦汁的可过滤性能等，称为65℃哈同值。4）热水浸出物：表示了在糖化工艺过程中的最高温度段所能获得的浸出物，但主要反映了α-淀粉酶的作用，它与冷水浸出物的区别在于麦芽经过或未经过糖化过程存在的浸出物差别，这个差别既反映了制麦芽过程的好坏，又反映了麦芽的实际利用价值，将其称为80℃哈同值。（1）哈同值LOGO四个不同温度的哈同值的标准及要求与协定糖化浸出物比例要求标准澄清度要求20℃24.024.045℃38.036.065℃98.798.7澄清80℃96.093.7哈同值55LOGO一是45℃哈同值因为其不仅非常直观地反映了麦芽的蛋白溶解度和细胞溶解度，同时反映了糖化过程可能满足的低温水解酶的补偿程度，因为45℃哈同值的测定在一定程度上反映了细胞壁分解酶的活性，也反映了蛋白分解酶的活性，大部分细胞壁分解酶作用活性的适宜温度都在60℃以下，这些酶如能在低温下的游离与分散，在升温过程中就能迅速作用，这种作用对溶解不良的麦芽在酿造过程中有重要的补偿作用。在国外制麦芽工厂中，对两个哈同值的测定是很重视的LOGO哈同45℃比较数(HartongVz45℃值)这是麦芽的重要指标，将麦芽细粉在45℃下糖化1小时，测出此麦汁浸出物含量和协定法糖化麦汁浸出物含量之比值。它反映了麦芽中存在低温酶系统——蛋白酶、二肽酶、磷酸酯酶、-葡聚糖酶等的酶活性，哈同认为Vz45℃的标准值为36%。此值判别如下：Vz45℃30%，麦芽低温酶系统太弱，不堪使用；30～35%，由于错误浸渍或发芽，通风不强烈或发芽温度高于20℃，低温酶不足；36%，标准值；37～40%，此麦芽属低温发芽，低温酶活性强，麦汁糖化时应提高蛋白质休止温度，缩短休止时间，否则-氨基氮会增加太多，不利于泡持性；41%，低温太强，不宜单独投料。LOGO二是65℃哈同值因为其不仅反映了麦芽的最高浸出价值，而且可以用协定法麦汁与65℃哈同值麦汁的差别来判别低温酶作用的有效程度，例如葡聚糖含量之差、麦汁缓冲性能的高低、麦汁的可过滤性能的好坏等，因为，65℃哈同值的测定不像协定法测定有低温条件，直接使用65℃的温度进行保温测定，而且，65℃的温度最接近正常麦汁制造过程中糖化的温度条件，比较容易鉴定麦芽质量对麦汁制造过程可能产生的结果。LOGO△葡聚糖：是指协定法麦汁测定的葡聚糖与65℃哈同值麦汁测定的葡聚糖之差。2）△葡聚糖不同质量麦芽的葡聚糖含量差别质量好的麦芽（mg/100g干物质）质量差的麦芽（mg/100g干物质）β-葡聚糖（协定法）麦汁120-200＞200β-葡聚糖（VZ65℃麦汁）250-350＞400使用协定法麦汁和VZ65℃哈同法麦汁分别测定葡聚糖含量，来鉴别葡聚糖的分解程度，质量良好的麦芽，两者含量差别小于150mg/100g，质量比较差的麦芽，其差别大于150mg/100g。LOGO△粘度（delta-Viscosity）：是指协定法麦汁测定的粘度与65℃哈同值麦汁测定的粘度之差。3）△粘度DeltaViscosityLOGO德国慕尼黑理工大学Back教授2006年提出的控制指标分析项目单位协定麦汁粘度mPa.s(8.6°P%)＜1.56VZ65℃的粘度mPa.s(8.6°P%)＜1.65协定麦汁β-葡聚糖mg/L＜300VZ65℃的β-葡聚糖mg/L＜400LOGOβ-葡聚糖是大麦胚乳细胞壁的组分，它是由β，1-3葡萄糖苷键和β，1-4葡萄糖苷键相结合，其水溶液粘度很高。在制麦芽过程中，虽然有一大部分β-葡聚糖已被降解，但在麦芽中，特别是溶解不良的麦芽中仍有相当数量的β-葡聚糖。在糖化时，这部分β-葡聚糖被溶出。如果没有足够的酶进行分解，会造成麦汁粘度过高，致使麦汁或啤酒过滤困难。大麦含有约4-7%（干物质）的β-葡聚糖，但大麦中β-葡聚糖的含量与麦汁和啤酒中的浓度高低没有关联关系关于β-葡聚糖LOGO麦芽中的β-葡聚糖溶解酶（β-glucansolubiase）能分解蛋白质与β-葡聚糖相结合的酯链，释放β-葡聚糖。β-葡聚糖溶解酶耐温性好，适应温度60-70℃，在此温度麦芽中β-葡聚糖酶（β-glucanases）已失活，而β-葡聚糖溶解酶释放出的β-葡聚糖就会大量保留在醪液中，使醪液中的β-葡聚糖含量较前期高。关于β-葡聚糖“反弹”LOGOβ-葡聚糖胶是β-葡聚糖在一定条件下（剪切力）转换而成的不溶于啤酒的胶体物质。当它在啤酒中的浓度达到20mg/L便可给啤酒过滤性带来极大影响；对于纯生啤酒而言，2mg/L的β-葡聚糖胶便会大大降低过滤速度。关于β-葡聚糖胶Glucangel影响因素:β-葡聚糖浓度，温度，时间，剪切作用影响啤酒β-葡聚糖含量的主要因素除了麦汁β-葡聚糖的含量，另外还有剪切力。剪切力影响着β-葡聚糖的凝聚，因而也影响着最终β-葡聚糖的含量。影响剪切力的因素包括糖化锅搅拌桨的设计，管道的设计(横切面流量，弯头，分支管以及阀体)，煮沸锅和回旋沉淀槽的没计以及一些混匀设备。LOGO剪切力对麦汁粘度的影响LOGO关于β-葡聚糖的检测麦芽中β-葡聚糖含量过高意味着麦芽细胞壁溶解不完全，因而麦芽中的淀粉和蛋白质也就转换不完全，这些溶解不完全的颗粒往往造成过滤筛板的堵塞，从而导致麦汁收得率降低。β-葡聚糖还与蛋白质,多酚,戊聚糖一起参与了麦汁和啤酒中混浊物的构成。因此中国的啤酒企业将麦芽和麦汁的件葡聚糖含量作为重要质量指示因子。事实上,由于β-葡聚糖的特殊地位,各啤酒厂也非常重视对麦芽β-葡聚糖的监控,有些啤酒厂还把β-葡聚糖这一指标定为内控指标。但由于β-葡聚糖的分析方法不同,以及目前中国普遍采用的刚果红法本身的局限性，往往在使用过程中会产生一些问题。LOGO目前国际上公认的方法有酶法，荧光检测法,我国啤酒工业使用较多的则是刚果红方法，使用酶法和荧光检测法的厂家并不多。酶法是使用特异的内β-D