二氧化碳背壓啤酒發酵中高級醇與酯的相關性分析

楊東升，李佳偉，劉婷婷，楊圓圓，李 鵬

（海南大學材料與化工學院生物工程系，海南海口 570228）

酯由醇和有機酸縮合而成，對于乙酸酯，乙酸（酰基COA）是酸殘基，乙醇或高級醇充當醇的部分。中鏈脂肪酸乙酯由中鏈脂肪酸和乙醇或高級醇構成。如上所述，大部分的高級醇形成于發酵的初期，因為這些組分要用來合成酯，所以高級醇要先于酯被合成，酯合成被推遲了。按照乙酰輔酶A池的碳源流向理論，當酵母菌生長開始下降時，酯的形成開始顯著增長[1]。高級醇是酯類的重要合成底物，揮發性酯類是乙酰輔酶A 和高級醇之間通過酶促反應形成的[2]。總醇和總酯是啤酒中最主要的風味物質。它們之間的協調性直接體現了酒體的口感與量化指標。醇與酯之間有著50%的轉化關系，有著相應的線性回歸關系。通過酒體中醇類的總量在一定程度上可以判斷酯產生的總量[3]。

CO2是啤酒發酵過程中生成的氣體物質，與酵母的代謝作用密切相關。由于啤酒發酵工藝的改進，現在大多采用錐底圓柱密封罐取代了原先使用的傳統敞口式發酵罐。CO2在啤酒發酵時對啤酒發酵進程和質量的影響日益突出[1]。CO2還能影響酵母的代謝途徑，改變代謝產物的種類、生成速率和產量[4]。CO2對高級醇產生有抑制作用，即使相同的麥汁和菌種，利用溫度和壓力的共同作用，控制酯的生成，也可以生產出風味不同的啤酒。改變發酵壓力和溫度，可以對酵母生長、CO2產生量、高級醇和酯的最終濃度和生產動力學產生一定的影響，促成最佳的發酵條件，使釀造的啤酒具有適宜的風味。

研究啤酒背壓發酵過程中，高級醇與酯的相關性，能為產品質量調控提供科學依據，有利于啤酒風味改善，具有實際應用價值。

本實驗通過控制比較啤酒背壓發酵與常壓發酵，研究CO2背壓對啤酒中酯和高級醇生成相關性的影響。同時研究了貯藏期中啤酒的酯和高級醇含量的變化規律。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器

菌種：釀酒酵母，Saccharomyces cerevisiaeNCYC 1108，海南大學生物工程綜合實驗室提供。

麥汁：12 °Bx，海南大學生物工程綜合實驗室提供。

發酵設備：100 L 啤酒自釀系統，哈爾濱漢德啤酒有限公司制造。

1.2 實驗方法

背壓發酵：高泡期形成后，關閉排空閥，使壓強自動上升至0.05 MPa，保持，如果壓力繼續升高，則通過排氣保持壓力，發酵溫度10 ℃，時間10 d，貯藏溫度2 ℃，時間18 d。常壓發酵：排空閥保持常開，發酵溫度10 ℃，時間10 d，貯藏溫度2 ℃，時間18 d。

乙醇檢測：采用蒸餾密度瓶法[5]。

高級醇和酯的檢測：采用頂空氣相色譜HP6890N（FID 檢測器）測定正丙醇、異丁醇、異戊醇、乙酸乙酯、乙酸異戊酯、己酸乙酯含量。采用毛細管HP-NIONAX 柱（30 m×0.32 mm×0.25 μ m 膜厚）和頂空采樣器HP7694E。實驗條件如下：注入溫度為225 ℃；柱溫程序，在40 ℃下保持3 min，然后以5 ℃/min升溫到90 ℃；檢測器溫度，300 ℃；載氣，氮氣；載氣流量，30 mL/min；氫氣流量，40 mL/min；空氣流量，400 mL/min；分流比，6∶1；樣品瓶平衡溫度，50 ℃；平衡時間，30 min；循環溫度，60 ℃；傳輸線溫度，65 ℃。工作站軟件PG2070AA[6-7]。

感官評價方法：參照啤酒分析方法（GB/T 4928—2008），按照啤酒DGL-質量檢測標準進行啤酒的感官評價[8]。

1.3 統計方法

數據取3 次平行實驗結果的平均值。相關性分析采用SAS9.0 統計軟件。其中P＜0.01，r 值較大，兩因素極顯著相關；P＜0.05，r 值較大，兩因素顯著相關；P＜0.10，r值較大，兩因素相關[9]。

2 結果與分析

2.1 CO2背壓及常壓啤酒發酵中總酯、高級醇含量變化

主發酵開始時即進行加壓發酵，對啤酒酵母的繁殖和發酵強度進行適當抑制，能夠實現抑制某些發酵副產物的形成，達到保持啤酒風味和質量的目的。本實驗實施CO2背壓及常壓啤酒發酵，總酯、高級醇含量變化如圖1。

圖1 CO2背壓及常壓啤酒發酵中總酯、高級醇含量變化

如圖1 所示，常壓發酵條件下，高級醇和總酯含量在80～100 h 達到高峰，而在背壓條件下，要在180～200 h 才能達到高峰。在240 h 后，高級醇含量減少量達20 %，總酯含量減少量達29 %。背壓發酵可較好地解決溫度、酵母增殖及高級醇等副產物之間的關系，形成合適的醇酯比[10]。背壓發酵能顯著降低高級醇的生成[4，11]和總酯的生成[4]。

圖2 CO2背壓啤酒發酵中總酯、高級醇含量減少率

圖2 顯示，CO2背壓引起總酯、高級醇含量減少率的變化情況。在20～40 h 時，總酯比高級醇減少明顯，40～240 h 時，總酯與高級醇減少率基本同步。文獻指出，高級醇的含量是酯類合成的主要限制因子[12]，因此高級醇減少勢必引起總酯的減少。

2.2 CO2背壓及常壓啤酒發酵中高級醇含量與總酯含量的相關性

背壓發酵使發酵液中飽和二氧化碳的濃度增加，酵母α-氨基氮的同化作用受到抑制，阻礙了酵母的代謝和生長，阻礙高級醇的生長，同時抑制了總酯的生成。圖3 顯示了常壓啤酒發酵過程中，總高級醇含量與總酯含量的相關性。圖4 顯示了CO2背壓啤酒發酵過程中，高級醇含量與總酯含量的相關性。

圖3 顯示，常壓條件下啤酒發酵中總高級醇含量與總酯含量呈極顯著正相關（P＜0.01），相關系數r=0.97199。背壓條件下，啤酒發酵中總高級醇含量與總酯含量同樣呈極顯著正相關（P＜0.01），相關系數r=0.98994。增大發酵壓力，一方面可抑制麥汁中氨基酸經轉氨脫羧還原成高級醇，另一方面可抑制酵母對麥汁中糖的發酵，減少生成高級醇的中間產物——丙酮酸的分解量，從而抑制高級醇類的生成。由于CO2濃度的提高，還可抑制酵母代謝形成過量的酯[13]。圖5 顯示了由于CO2背壓的影響，總高級醇含量減少率與總酯含量減少率的相關性。

圖3 常壓啤酒發酵總高級醇含量與總酯含量的相關性

圖4 CO2背壓啤酒發酵高級醇含量與總酯含量的相關性

圖5 總高級醇含量減少率與總酯含量減少率的相關性

CO2背壓同時使總高級醇和總酯含量減少，它對二者減少的影響程度如圖5 所示。總高級醇含量減少率與總酯含量減少率呈顯著正相關（P＜0.01），r=0.8356。啤酒主發酵期間，CO2背壓使總高級醇和總酯同時減少，幅度相當（圖1）。

2.3 啤酒貯藏期間CO2背壓對總酯含量和總高級醇含量的影響

啤酒貯藏期間，酵母失去活力，保持CO2背壓和常壓對啤酒進行分別貯藏，總酯和總高級醇含量分別發生變化如圖6所示。

圖6 啤酒貯藏期間總酯含量和總高級醇含量的變化

無論常壓還是背壓貯藏，總高級醇含量呈緩慢下降趨勢，總酯含量呈緩慢上升趨勢。常壓下貯藏高級醇含量減少可以解釋為揮發，而背壓下貯藏高級醇含量的減少只能解釋為轉化。高級醇可以通過酯化反應轉化為酯類[14]。

啤酒貯藏期間CO2背壓對總酯含量和總高級醇含量減少率的影響如圖7 所示，在10 ℃溫度下，貯藏14～18 d，0.05 MPa CO2背壓使總酯減少率從18 %下降至13 %，總高級醇減少率從9 %下降至8 %。總量變化如圖6 所示，常壓貯藏使總酯含量增加0.82 %，總高級醇含量減少6.29 %；0.05 MPa背壓貯藏使總酯增加6.98 %，總高級醇減少4.83%。分析表明，雖然啤酒酵母在貯酒期間已失去活力，但總酯在這期間的增加可能仍然是以高級醇為底物合成的結果，CO2背壓可能強化酯化反應。

圖7 啤酒貯藏期間CO2背壓對總酯含量和總高級醇含量減少率的影響

2.4 CO2背壓對啤酒感官質量的影響

啤酒經18 d 貯藏，進行感官評價，綜合氣味、口感、豐滿性、苦味、殺口力等指標得分，結果如表1。CO2背壓發酵有效控制了主發酵期高級醇的生成，并通過后熟和貯藏增加了酯的合成，形成了較合理的醇酯比，使啤酒氣味和口感優于常壓發酵。背壓發酵對啤酒的豐滿性和苦味并無影響，由于增加了CO2的溶解，使殺口力明顯增強。從綜合得分看，CO2背壓對啤酒感官質量的影響是非常大的。通過控制啤酒釀造過程中的一系列條件，高級醇與酯的含量可以大致地控制在人們所希望的濃度范圍內，從而形成較佳的感官質量。

表1 啤酒感官評價表 得分（分）

3 結論

3.1 常壓與CO2背壓條件下啤酒發酵中總高級醇含量與總酯含量呈極顯著正相關（P＜0.01）。

3.2 CO2背壓條件相比于常壓啤酒發酵同時令總高級醇和總酯減少，總高級醇含量減少率與總酯含量減少率呈顯著正相關（P＜0.01）。

3.3 CO2背壓啤酒貯藏期間可能強化酯化反應，使總高級醇含量減少，總酯含量增加，提高啤酒的感官質量。