啤酒工厂毕业设计----年产15万KL-啤酒工厂的初步设计(5)

萄糖的。反应需Mg2+激活。 己糖激酶

葡萄糖+ATP 6-磷酸葡萄糖+ADP （2）6-磷酸葡萄糖与6-磷酸果糖的互变。6-磷酸葡萄糖在磷酸异构酶的催化下，转化为6-磷酸果糖。

磷酸己糖异构酶

6-磷酸葡萄糖 6-磷酸果糖

（3）6-磷酸果糖生成1,6-二磷酸果糖。6-磷酸果糖在磷酸果糖激酶催化下，由ATP供给磷酸基和能量，生成1,6-二磷酸果糖。反应需Mg2+激活。

磷酸果糖激酶

6-磷酸果糖+ATP 1,6-二磷酸果糖+ADP Mg2+

第二阶段：磷酸己糖分裂为2个磷酸丙酮（磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛） （4）1,6-二磷酸果糖分解生成2分子三碳糖。在醛缩酶的催化下，1,6-二磷酸果糖在第三与第四碳原子之间断开，分裂成2个磷酸丙酮，即磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛。

醛缩酶

1,6-二磷酸果糖 磷酸二羟丙酮+ 3-磷酸甘油醛 （5）磷酸二羟丙酮与3-磷酸甘油醛互变。磷酸二羟丙酮与3-磷酸甘油醛是同分异构体，两者可以磷酸丙酮异构酶的催化下互相转化。

磷酸丙酮异构酶

磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛

反应达到平衡时，磷酸二羟丙酮占据96%，3-磷酸甘油醛占4%。正常情况下反应倾向于生成-磷酸甘油醛，由于其在后一步反应中不断被消耗而逐渐减少。 第三阶段：3-磷酸甘油醛生成丙酮酸

3-磷酸甘油醛经脱氢、磷酸化、高能磷酸键转移、磷酸基变位和分子内重排等反应，生成丙酮酸。

（6）3-磷酸甘油醛在磷酸丙酮脱氢酶催化下，进行脱氢反应并磷酸化生成1，3-二磷酸甘油酸。 磷酸丙酮脱氢酶

3-磷酸甘油醛+NAD+H3PO4 1，3-二磷酸甘油酸+NADH2

脱氢过程中产生的能量集中在磷酸和羟基结合成的酸酐键上，形成高能磷酸键，生物由此反应获得能量。

（7）1，3-二磷酸甘油酸的形成。1，3-二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的催化下，将高能磷酸键转移给ADP，以ATP的形式贮藏起来，其本身变为3-磷酸甘油酸。反应需要Mg2+激活。

磷酸甘油酸激酶

1，3-二磷酸甘油酸+ADP 3-磷酸甘油酸+ATP

- -

20

Mg2+

(8) 3-磷酸甘油酸与2-磷酸甘油酸的互变。在磷酸甘油酸变位酶的催化下，3-磷酸甘油酸变为2-磷酸甘油酸。反应中有2,3-二磷酸甘油醛中间产物形成。

磷酸甘油醛变位酶

3-磷酸甘油酸+酶-磷酸（磷酸化型） 2,3-二磷酸甘油酸+酶（非磷酸化型）

磷酸甘油酸变位酶

2-磷酸甘油酸+酶-磷酸（磷酸化型）

（9）2-磷酸烯醇式丙酮酸的生成。在烯醇化酶的催化下，2-磷酸甘油酸脱去1

2+

分子水，生成2-磷酸烯醇式丙酮酸。反应需Mg激活。 烯醇化酶

2-磷酸甘油酸 2-磷酸烯醇式丙酮酸+H2O Mg2+

反应过程中分子内部的能量经过重新分布，集中到磷酸键上，形成１个高能键。 （10）丙酮酸的形成。在丙酮酸激酶的催化下，2-磷酸烯醇式丙酮酸分子上的高能磷酸键转移到ADP 分子上，形成ATP贮藏起来，并生成烯醇式丙酮酸。此步反应为不可逆反应。

丙酮酸激酶

2-磷酸烯醇式丙酮酸+ADP 烯醇式丙酮酸+ATP Mg2+或K+

烯醇式丙酮酸不稳定，自动转变为稳定地丙酮酸。

烯醇式丙酮酸 丙酮酸

上述十步反应由葡萄糖生成丙酮酸，称为EMP途径。葡萄糖在有氧或无氧条件下，通过EMP途径生成丙酮。丙酮酸继续降解，在有氧条件下被彻底氧化分解为水和CO2；在无氧条件下生成乳酸或乙醇等不同代谢产物。

第四阶段：丙酮酸在无氧条件下，将丙酮酸继续降解，通过脱羧、还原等反应，生成乙醇。

（11）丙酮酸脱羧生成乙醛。丙酮酸经丙酮酸脱羧酶的催化，脱去CO2，生成乙醛。反应中需要焦磷酸硫胺（TPP）为辅酶，并需Ｍg2+激活。此反应为不可逆反应。

丙酮酸脱羧酶

丙酮酸 乙醛+CO2 TPP，Ｍg2+

（12）乙醛还原生成乙醇：乙醛通过醇脱氢酶的催化，接受了还原型辅酶Ⅰ上的H，还原为乙醇。还原型辅酶Ⅰ（NADP2）是在第（6）步反应中形成的。 乙醇脱氢酶

乙醛+NADP2 乙醇+NAD

- -

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3.6.2发酵过程的物质变化 a.糖类的发酵

麦芽汁中糖类的成分占90%左右，其中葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、麦芽三糖和棉子糖等称为可发酵性糖，为啤酒酵母的主要碳素营养物质。麦芽汁中麦芽四糖以上的寡糖、戊糖、异麦芽糖等不能被酵母利用称为非发酵性糖。啤酒酵母对糖的发酵顺序为：葡萄糖>果糖>蔗糖>麦芽糖>麦芽三糖。葡萄糖果糖可以直接透过酵母细胞壁，并受到磷酸化酶作用而被磷酸化。蔗糖要被酵母产生的转化酶水解为葡萄糖和果糖后才能进入细胞内。麦芽糖和麦芽三糖通过麦芽糖渗透酶和麦芽三糖渗透酶的作用输送到酵母体内，再经过水解才能被利用。当麦芽汁中葡萄糖质量分数在0.2%~0.5%以上时，葡萄糖就会抑制酵母分泌麦芽糖渗透酶，从而抑制麦芽糖的发酵，当葡萄糖质量分数降到0.2%以下时抑制才被解除，麦芽糖才开始发酵。此外，麦芽糖渗透酶也受到麦芽糖的阻遏作用，麦芽糖质量分数在1%以上时，麦芽三糖也不能发酵。不同菌种分泌麦芽三糖渗透酶的能力不同，在同样麦芽汁和发酵条件下发酵度也不相同。

啤酒酵母在含一定溶解氧的冷麦芽汁中进行以下两种代谢，总反应式如下 有氧下 C6H12O6+6O2+38ADPF+38Pi → 6H2O+6CO2+38ATP+281kJ 无氧下

1/2C12H22O12+1/2H2Ｏ→C6H12O6+2ADP+2Pi →2C2H5OH+CO2+2ATP+226.09kJ

啤酒酵母对糖的发酵都是通过EMP途径生成丙酮酸后,进入有氧TCA循环或无氧分解途径。酵母在有氧下经过TCA循环可以获得更多的生物能，此时无氧发酵被抑制，称为巴斯德效应。但在葡萄糖（含果糖）质量分数在0.4%~1.0%以上时，氧的存在并不能抑制发酵，而有氧呼吸却受到抑制，称为反巴斯德效应。实际酵母接入麦芽汁后主要进行的是无氧酵解途径（发酵），少量为有氧呼吸代谢。 b.含氮物质的转化

麦芽汁中的a-氨基酸含量和氨基酸组成对酵母和啤酒发酵有重要影响,酵母的生长和繁殖需要吸收麦芽汁中的氨基酸、短肽、氨、嘌呤、嘧啶等可同化性含氮物质。啤酒酵母接入冷麦芽汁后，在有氧存在的情况下通过吸收麦芽汁中的低分子含氮物质如氨基酸、二肽、三肽等用于合成酵母细胞蛋白质、核酸等，进行细胞的繁殖。酵母对氨基酸的吸收情况与对糖的吸收相似，发酵初期只有A组8种氨基酸（天冬酰氨、丝氨酸、苏氨酸、赖氨酸、精氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、谷酰氨）很快被吸收，其它氨基酸缓慢或不吸收。当上述8种氨基酸浓度下降50%下上时，其它氨基酸才能输送到细胞内，这时酵母就通过生物合成所需的氨基酸。麦芽汁中含氮物质的含量及所含氨基酸的种类、比例不同对酵母的生长、繁殖和代谢副产物高级醇、双乙酰等的形成都有很大影响。一般情况下，麦芽汁中含氮物质点浸出物的4%~6%，含氮量800~1000mg/L，a-氨基氮含量在150~210mg/L。

啤酒发酵过程中，含氮物质下降1/3左右，主要是部分低分子氮（a-氨基氮）被酵母同化用于合成酵细胞，另外有部分蛋白质由于PH和温度的下降而沉淀，少量蛋白质被酵母细胞吸附。发酵后期，酵母细胞向发酵液分泌多余的氨基酸，使酵母衰老和死亡，死细胞中的蛋白酶被活化后，分解细胞蛋白质形成多肽，通过被适当水解的细胞壁进入发酵液，此现象称为酵母自溶，其对啤酒风味有较大影响，会造成“酵母臭”。 c.其它变化

在发酵过程中，麦芽汁的含氧量越高，酵母的繁殖越旺盛，酵母表面以及泡

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盖中吸附的苦味物质就越多。有30%~40%的苦味物质在发酵过程中损失。另外，啤酒的色度随着发酵液PH的下降，溶于麦芽汁中的色素物质被凝固析出，单宁与蛋白质的复合物以及酒花树脂等吸附于泡盖、冷凝固物或酵母细胞表面，使啤酒的色度也有所下降。此外，啤酒酵母在整个代谢过程中，将不断产生CO2，一部分以吸附、溶解和化合状态存在于酒液当中，另一部分被回收或逸出罐外，最终成品啤酒的CO2质量分数为0.5%左右。从总体来看，CO2在酒液中的产生、饱和及逸出等变化，对提高啤酒质量是具有重要作用的。 3.6.3．啤酒发酵副产物的形成

啤酒发酵期间，酵母利用麦芽汁中营养物质转化为各种代谢产物。其中主要产物为乙醇和二氧化碳，此外还产生少量的代谢副产物，如连二酮类、高级醇类、酯类、有机酸类、醛类和含硫化合物等。这些代谢副产物的形成对啤酒的成熟和产品风味有很大影响，如双乙酰具有馊饭味，是造成啤酒不成熟的主要原因；高级醇含量高的啤酒饮用后容易出现“上头”，啤酒口味也变差等。 啤酒中重要的酮类见下表。 啤酒中重要的酮类 酮类名称 风味特点 阈值 正常含量/(mg/L) 双乙酰 奶酪味/锼饭味 0．1~0．2 0.01~0.08 2，3-戊酮 奶酪味/腐败味 1．0 0.01~0.20 乙偶姻 发霉味、不愉快苦味 50．0 1.00~5.00 双乙酰（CH3COCOCH3）与2，3-戊酮（CH3COCOCH2CH3）合称为连二酮，对啤酒风味影响很大。在缩短啤酒酒龄的研究中发现，当酒中双乙酰含量〈0.1~0.15mg/L，H2S含量〈5ug/L，二甲硫（CH3SCH3）〈30 ug/L，乙醛含量〈15 mg/L，高级醇含量〈75~90 mg/L，乙偶姻含量〈15 mg/L时，啤酒就达到成熟。其中双乙酰对啤酒风味影响最大，故国内把啤酒中双乙酰含量列入国家标准，把双乙酰含量的高低作为衡量啤酒是否成熟的唯一指标。

双乙酰在啤酒中的味阈值（用人的感觉器官所能感受到某种物质的最低含量称为阈值）为0.1~0.2 mg/L，2，3-戊酮的味阈值为1.0 mg/L。啤酒中双乙酰和2，3-戊酮的气味很相近，当质量分数达0.5 mg/L时有明显不愉快的锼饭味，当含量〉0.2 mg/L时有似烧焦的麦芽味。淡色啤酒双乙酰含量达0.15 mg/L以上时，就有不愉快的刺激味。

(1) 双乙酰的合成途径 双乙酰(或2，3-戊酮)是由丙酮酸(糖代谢的中间产物)在生物合成缬氨酸(或异亮氨酸)(酵母繁殖所需氨基酸)时的中间代谢产物α-乙酰乳酸(或α-乙酰羟基丁酸)转化得到的,是啤酒发酵的必然产物。其中双乙酰对啤酒风味影响大，其生物合成机现为：丙酮酸与TPP（焦磷酸硫胺，为辅羧酶，能催化氧化脱羧反应）结合，使丙酮酸转化成活性丙酮酸，脱羧后变成活性乙醛，再与丙酮酸缩合成a-乙酰乳酸。a-乙酰乳酸经过酵母体外非酶氧化生成双乙酰，双乙酰在酵母体内的还原酶作用下被还原为阈值很高的2,3-丁二醇(阈值为了100mg/L)。

TPP↘ ↗CO2

CH3COCOOH→CH3COCOOH~HTPP→CH3CHO~TPP+CH3COCOOH→

丙酮酸 活性丙酮酸 活性乙醛 丙酮酸 CH3COCOH（CH3）→COOHCH3COCOOCH3→CH3COCHOHCH3→ a-乙酰乳酸 双乙酰 乙偶姻 CH3CHOHCHOHCH3

- -

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2,3-丁二醇

a-乙酰乳酸是酵母合成缬氨酸的中间产物，当麦芽汁中缺乏缬氨酸或缬氨酸被消耗时，将产生较多的a-乙酰乳酸。而a-乙酰乳酸在温度较高又有氧化剂存在的条件下极易氧化脱羧形成双乙酰。在中性（PH7.0）条件下，a-乙酰乳酸稳定不易氧化，而在PH过低时，a-乙酰乳酸则分解成乙偶姻。

3.6.4影响双乙酰生成的因素

酵母菌种。不同的酵母菌种产生双乙酰的能力不同，对双乙酰的还原能力也不同。强壮酵母数量多、代谢旺盛，双乙酰的还原速度快。繁殖期的幼酵母、贮存时间过长的酵母、使用代数过多的酵母、营养不良的酵母等还原双乙酰的能力弱，死亡的酵母没有还原双乙酰能力。

麦芽汁中氨基酸的种类和含量。麦芽汁中缬氨酸含量高可减少a-乙酰乳酸的生成,减少双乙酸的形成.

巴氏杀菌前啤酒中a-乙酰乳酸含量高,遇到氧和高温将形成较多的双乙酰。 生产过程中染菌会导致双乙酰含量增高。如果生产污染杂菌，双乙酰含量明显增加，啤酒质量下降或造成啤酒酸败。

酵母细胞自溶后体内的a-乙酰乳酸进入啤酒，经氧化转化为双乙酰。

3.7.5双乙酰的控制与消除方法

菌种 选择双乙酰产生量低的菌种；适当提高酵母接种量，双乙酰还原期酵母数不低于7×106个/100mL；使用酵母代数不要超过5代。

麦芽汁成分 在相同发酵条件下，麦芽汁中a-氨基氮含量对下酒时双乙酰含量有明显影响，见下表。麦芽汁a-氨基氮含量要求在180~200mg/L（12°P啤酒），过高过低对于啤酒生产都不利，适当的a-氨基氮既保证有必须的缬氨酸含量，又对啤酒风味没有不利影响。控制溶解氧含量应在6~9mg/L，有利于控制酵母的增殖。麦芽汁锌含量一般为0.15~。20mg/L，锌含量增加也有利于减少啤酒双乙酰含量。

麦芽汁a-氨基氮含量和下酒时双乙酰含量的关系 单位：mg/L 麦芽汁中a-氨基氮含量 100 120 160 180 250 主酵下酒时双乙酰含量 0.63 0.465 0.33 0.24 0.20 酿造用水残余碱度应小于1.78mmol。残余碱度高将影响麦芽汁中的a-氨基氮含量。

提高双乙酰还原温度 啤酒低温发酵可以减少发酵副产物的形成，保证啤酒口味纯正。提高双乙酰还原温度既可以加快a-乙酰乳酸向双乙酰的转化，同时又有利于双乙酰被酵母还原。由于a-乙酰乳酸转化为双乙酰是非酶氧化反应，反应速度缓慢，提高温度则可加快转化速度。研究发现，a-乙酰乳酸非酶氧速度与双乙酰还原速度相差100倍，只有把发酵液中的a-乙酰乳酸尽快转化为双乙酰才能降低啤酒中双乙酰的含量。

外加a-乙酰乳酸脱羧酶 该酶用于啤酒发酵过程，可将双乙酰的前驱体a-乙酰乳酸直接催化分解成3-羟基-2-丁酮（俗称乙偶姻）。在主发酵阶段，如果麦芽汁中没有足够的游离缬氨酸，酿造酵母将启动缬氨酸合成机制。在缬氨酸合成过程中，a-乙酰乳酸是其前驱物质，它很容易透出细胞进入培养江液中。发酵过程中，发酵液中的a-乙酰乳酸被缓慢地氧化脱羧，产生大量双乙酰。若将a-- -

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