泡沫陶瓷固定化酵母細胞啤酒連續主發酵工藝

程江峰,王 帥

(青島科技大學化工學院,山東青島 266042)

泡沫陶瓷固定化酵母細胞啤酒連續主發酵工藝

程江峰,王 帥

(青島科技大學化工學院,山東青島 266042)

采用泡沫陶瓷固定化酵母細胞,并對其應用于啤酒連續主發酵進行了實驗研究,獲取了優化的工藝條件：發酵溫度 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的測定結果表明：采用固定化酵母細胞啤酒主發酵工藝不會對啤酒質量造成影響。

泡沫陶瓷,固定化,酵母,啤酒,主發酵

1.1 實驗材料

載體 泡沫陶瓷由景德鎮陶瓷研究所提供;原料 添加酒花并經煮沸冷卻的 11°P麥汁,浙江錢江啤酒廠提供;啤酒酵母 生產用零代酵母,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胞生物催化劑的制備按文獻[9]優化泡沫陶瓷固定化酵母細胞生物催化劑的制備。14℃條件下于反應器中吸附酵母細胞20min,然后在相同溫度條件下連續培養 4h,固定化酵母可達到的細胞密度為：1.1×108個/mL麥汁。

1.2.2 泡沫陶瓷固定化酵母細胞啤酒連續主發酵系統 泡沫陶瓷固定化酵母細胞啤酒連續主發酵系統如圖 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胞填充床反應器 3中,進行啤酒連續主發酵,同時發酵終了的嫩啤酒貯于貯罐 4中。反應器帶有夾套,用酒精制冷,調節其流量可控制發酵溫度。進出口處設取樣口。反應器容積為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 二次通用旋轉中心組合實驗設計方案及結果

通過調節計量泵可改變麥汁流量,從而可調控稀釋率。

圖 1 固定化酵母細胞啤酒連續主發酵系統1.貯罐;2.計量泵;3.固定化酵母細胞填充床反應器;4.貯罐

1.2.3 泡沫陶瓷固定化酵母細胞啤酒連續主發酵實驗 為使固定化連續發酵技術能應用于啤酒的整個發酵過程,在保證主發酵終了時酒液實際濃度較低的前提下,雙乙酰含量也應盡可能的低[10],所以確定主發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,影響因素主要是發酵溫度和稀釋率。

通過預實驗確定中心點 (零水平),應用二次通用旋轉中心組合實驗設計的方法來安排實驗[11]。兩因素(發酵溫度和稀釋率)上、下水平及 r的取值依據是酵母細胞對溫度的要求及預期的發酵時間。

對實驗結果進行回歸分析及優化處理,獲取泡沫陶瓷固定化酵母細胞啤酒連續主發酵優化的工藝條件。

1.2.4 嫩啤酒主要理化指標的測定 對主發酵結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的測定,以考察采用泡沫陶瓷固定化酵母細胞啤酒連續主發酵工藝是否影響啤酒的質量。

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 結果與分析

2.1 泡沫陶瓷固定化酵母細胞啤酒連續主發酵工藝條件的優化

通過計量泵將麥汁輸入固定化酵母填充床反應器,按實驗方案控制發酵溫度 (x1)及稀釋率 (x2),進行連續主發酵實驗。首先在反應器入口處取樣測定原麥汁濃度,反應器起動后,需經一段時間方可達到擬穩態,此時于反應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。二次通用旋轉中心組合實驗設計方案及實驗結果如表 1所示。

利用DPS統計分析軟件,對實驗結果進行回歸分析,可得兩個實驗指標與兩因素之間的回歸關系方程：

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項的回歸系數均在α=0.1水平上不顯著,所以應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胞啤酒連續后發酵的工藝要求,應使濃度的降低大于 7.0%,或者十分接近這一數值;主發酵結束時雙乙酰的含量不應超過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下進行非線性優化。利用DPS統計分析軟件,在和的取值范圍內,對回歸方程式 (3)和式 (4)進行模擬運算,當 y1= 7.0063,y2=0.1415時,x1=0(16.0℃),x2=-1 (0.044h-1)。在發酵溫度 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,實測值非常接近預期值。

2.2 嫩啤酒主要理化指標的測定結果

在優化的工藝條件下,進行泡沫陶瓷固定化酵母細胞啤酒連續主發酵,測定嫩啤酒的主要理化指標,并與采用傳統工藝生產的嫩啤酒進行比較,結果如表2所示。

表2 嫩啤酒的主要理化指標

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

由嫩啤酒主要理化指標的測定結果可知,采用固定化酵母工藝,嫩啤酒的幾項主要理化指標均與傳統工藝比較接近,可以認為該工藝不會對啤酒質量造成影響。

3 討論

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

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[11]唐啟義,馮明光 .實用統計分析及其計算機處理平臺[M].北京：中國農業出版社,1997：85-86.

[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

固定化技術應用于啤酒的工業化生產,主要是實現連續快速發酵的目的,首先在后發酵階段獲得了成功,目前已應用于整個啤酒的發酵過程,包括主發酵階段[1-2]。固定化酵母細胞常采用的方法是在聚合物載體中進行包埋[3-8],將其應用于啤酒的主發酵是較難實現的,由于載體結構及尺寸的原因,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,而包埋于載體內的酵母與氧的接觸少,或因酒精在載體內的積累,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量問題,不易解決。泡沫陶瓷是多孔網絡狀陶瓷材料,其孔徑比酵母細胞大得多,而且采用吸附固定化的方法,吸附于載體表面及多孔網絡內部的酵母細胞與麥汁能夠充分接觸,比較適合應用于啤酒的主發酵。在已完成了固定化酵母細胞制備技術的基礎上,對泡沫陶瓷固定化酵母細胞啤酒連續主發酵工藝進行實驗研究,獲取優化的工藝條件。

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。