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啤酒酵母的扩大培养与通风供氧
http://www.barmap.com    2006/10/8    酒吧地图网    我要评论(2)
  啤酒酵母是啤酒生产的原料,在啤酒生产中起着核心作用,啤酒酵母不仅在发酵时通过形成的代谢产物直接影响啤酒的风味、饮用性,而且还会通过啤酒酵母的性能影响发酵过程、啤酒过滤过程、成品啤酒的质量、生产成本。所以科学管理酵母,合理使用酵母是啤酒生产过程控制的重点之一。
一啤酒酵母添加的要求
1)必须添加高质量的酵母。为了确保添加高质量的酵母,必须坚持先检查、后使用的原则。坚持对回收、添加的酵母检查。
2)添加量准确、稳定。
3)添加的酵母能与麦汁混合均匀,啤酒酵母均匀分布在冷麦汁中。
4)确保酵母添加的过程无菌,添加的酵母泥中受污染的厌氧菌等啤酒有害菌尽可能少,坚持无菌培养酵母和无菌使用酵母。
5)添加酵母能有利于啤酒酵母的活化。
6)添加酵母后能有利于快速起发,减少啤酒有害菌的污染,又能使形成的代谢产物有利于啤酒的口味、还原双乙酰,加快啤酒口味的成熟。
二保证每批接种酵母的活力高.死亡率低的条件:
1)选择在高温带压发酵时性能稳定的啤酒酵母菌种。
2)优化啤酒酵母扩培工艺,确保零代酵母活力高。
3)扩培和生产时的麦汁质量好,含有充足的可同化氮、氧、矿物质等。
4)添加酵母时刻早,添加量适当、稳定,低温主酵。
5)尽可能早回收酵母,快速降低酵母泥温度,返回式接种,酵母贮养时间短。
6)酵母使用代数不要过高。定期扩培酵母;每次从实验室阶段开始进行酵母扩培,扩培时确保零代酵母的活力高。
三优良啤酒酵母菌种,优化啤酒酵母菌种是确保高质量的接种酵母的前提之一
优良的啤酒酵母菌种不仅有利于啤酒的质量,而且有利于啤酒的生产过程。性能稳定、不易衰老的啤酒酵母菌种,可大大减少酵母自溶的机会,有利于啤酒的质量。
通过菌种改良可以获得更优良的啤酒酵母菌种,传统的菌种优化一般采用品种选育、杂交、诱变育种,这些方法虽然能改善啤酒酵母菌种的性能,但也存在着改良后的菌种会出现一些不希望的变化。基因技术包含对遗传物质的分析和改变遗传物质,在进行啤酒酵母菌种改良时改变遗传物质,必然导致啤酒酵母的某些性质或代谢路径发生变化,由于遗传信息的载体是DNA,细胞的遗传信息必须通过细胞的蛋白质组成译成密码信息,通过遗传物质的改变首先会使细胞蛋白质组成发生变化,如果细胞的某一特征或某一物质代谢效率发生变化,已公认是参与凸现这些特征的酶和蛋白质或负责一定物质代谢的酶发生变化。
基因重组技术应用啤酒菌种的优化一般分为两个领域,一方面使啤酒酵母能快速、经济的进行发酵,优化啤酒生产过程,另一方面使啤酒酵母能改善啤酒的质量。
1优化啤酒生产过程的菌种改良,使啤酒酵母形成双乙酰明显减少。将符合食品法规允许的Acetobacter pasteurianus菌种中的ALDC基因隔离,并引入啤酒酵母,借助啤酒酵母分泌到麦汁中的ALDC酶,能将啤酒酵母分泌的α-乙酰乳酸转化为乙偶姻,并迅速将双乙酰分解,α—乙酰乳酸氧化脱羧转化为乙偶姻,从而达到快速降低双乙酰含量。
2通过基因重组将大麦中控制β—葡聚糖酶的基因隔离,转移到啤酒酵母中,使啤酒酵母也具有β—葡聚糖酶,使发酵过程形成的β—葡聚糖凝胶分解,使生产出的啤酒具有良好的质量、可滤性、泡沫性能。
3通过有针对反馈控制酵母代谢改良啤酒酵母的性能,并用于无醇啤酒的生产。例如有针对性通过植入啤酒酵母体内的基因反馈控制乙醇形成、甘油的形成,提高有利于甘油形成的关键性酶的活性,能减少1/3乙醇的形成。
4通过基因技术使啤酒酵母具有较高的分泌超氧化变位酶(超氧岐化酶)的能力, 超氧化变位酶通过岐化将两个超氧基团为解氧和过氧化氢。在发酵过程中啤酒酵母形成并分泌这种酶,使啤酒中有利于老化反应的活化氧保持最低的状态,有利于啤酒的风味稳定性。
四扩培时确保零代酵母活力高条件
严格的无菌操作、适宜的培养基、合理的扩大比、正确的通风量和移种时间是扩培的关键,也是扩培时确保零代酵母活力高的关键。
1同化酵母扩培技术是优化啤酒酵母繁殖的基石
生理状态不佳的起始酵母,经过培养后不可能产生活力高的酵母,与其他的酵母扩培方法不同的是同化酵母扩培技术始终能保证酵母细胞处在对数生长期,并使同化罐的几何尺寸、扩培工艺参数和酵母生长的要求相协调一致。
?         同化罐的几何尺寸---罐、均匀混合、泵的功率、通风装置、管截面积
?         扩培工艺参数-----糖化批次、打出麦汁的数量、酵母接种工艺、发酵方法
?         酵母生长的需求----麦汁的性质、同化的温度、混合比例、通风压力
在同化扩培技术中必须保持正确合理的酵母培养液与追加的新麦汁比例,在实践中依据同化温度、同化时间和打出的同化酵母量,确定在同化罐中保留一定的同化酵母液。通过追加一定量的新鲜、不需要杀菌的生产麦汁,又开始新的酵母扩培循环。在传统的批次酵母扩培法中酵母可能总处在任意长的静止期,而同化酵母扩培技术能在很短的时间内提供新鲜的同化酵母。为了能在较短的时间内获得新鲜的酵母用于接种,传统的批次酵母扩培法在大多数情况下追求高的繁殖率。同化酵母扩培技术能通过合理的追加比例、温度、优化的通风,能在起始酵母数大约为20百万/ml12-16度的条件下,在24小时内提供100百万/ml的酵母液。为什么只追求达到较低的100百万/ml酵母数?是为了使酵母细胞始终保持在对数生长期,扩培的酵母具有很好的生理状态,其次从大于120百万/ml的研究结果表明细胞分开的时间增加两倍多,细胞收得率因子下降一半,同化酵母扩培技术的优点是:
?         所有的酵母细胞处在相同的对数生长期的状态。
?         发酵时间短、双乙酰的还原快。
?         同化酵母起发快、大大缩短酵母的静止期。
?         酵母扩培所需的时间短。
?         在达到良好繁殖率的同时,较低的浸出物下降。
如果在较短的停产期间,可通过延长对数生长期,以便能在所希望的时刻提供数量充足的有活力的酵母,在酵母数达到100百万/ml时结束酵母繁殖阶段,关闭通风,开始冷却。  在同化酵母每次循环扩培时浸出物下降应不超过3%,最大不超过4%。在较低的浸出物降低时又能保证良好的啤酒酵母繁殖的前提条件是采用以下优化的同化设备既避免过多的泡沫形成又能保证通风麦汁良好混合,使酵母始终保持悬浮,与麦汁中的氧、营养物质充分接触,以达到较高的繁殖率。
通过合适的管截面积、流速以及相协调的通风、泵循环能避免进一步泡沫形成。通过安装变频泵使固定化的管路中总能保证理想的流动状态,还可大大减少因不合理的泵引起的剪切力,也不会出现变形的酵母细胞。使用能合理保护酵母培养液性质的输送泵,还有利于酵母的计量添加和清洗。在不同的强烈通风喷嘴和静态混合器中有一截面积的变化和安装尖锐部件易形成剪切力,从而损伤酵母细胞。
通风的酵母培养液与直径呈23度的角度进入同化罐,具有较少的泡沫形成,又能确保良好混合的优点。切线进入只给外部的培养液提供无菌空气,由于罐内内容物质没有很好的混合,可能导致整个繁殖过程的供氧不充分。如果在泵后面的通风装置安装通风混合段,已证实不仅通风有效,而且酵母的繁殖率高。
    在应用同化扩培技术时存在有多种可能性,包括使用同化酵母、回收酵母,后者能使同化罐保持较小的容量。鉴于废酵母的处理和大量的酵母啤酒缘故,同化罐容量小就更有意义。出于经济的缘故也能将同化酵母和回收酵母混合应用。
2啤酒酵母扩培时的通风---最多并不是最佳
现代酵母扩培工艺中很重视经济合理的无菌酵母的繁殖过程,以便尽可能使每锅麦汁能采用新鲜的扩培的酵母接种,所提供的方法和设备首先考虑最大的通风率和最大的氧的供给。
酿造行业可借鉴焙烤酵母制造商在酵母繁殖上的丰富经验,每100克葡萄糖能形成54克的酵母干物质(HTS),这种在实际上可行的优化酵母收得率的条件是:
?         不存在限制营养物质。
?         没有乙醇的形成。
?         在充足的、不受限制的氧的供给。(在这种条件下比氧耗量为0.74kg/kgHTS
?         在营养液中糖的浓度<0.1g/l    为了在高的浓度下避免Grabtree效应(在酵高的浓度下锁住呼吸链上的呼吸酶)。
?         焙烤酵母培养酵母时通过过程的控制不断地改变能起作用的和相协调的进口流量控制的方法,达到无营养物质限制、无糖过剩、最低的溶解氧含量>0.3mg/l
?         随着糖的浓度的上升,繁殖率下降,乙醇含量上升,比氧耗量下降。
2.1啤酒酿造过程中限制酵母繁殖的条件
?         实际的糖浓度为78g/l(全麦麦汁11.5%最终发酵度80%)远远超过Grabtree效应的界限值。
?         与焙烤酵母繁殖相反,不可避免形成乙醇。
?         因麦汁中存在受限制的主要的营养物质,特别是必需的可同化氮缺乏,从而使酵母的繁殖受到限制。
由此得出,在啤酒厂的酵母扩培过程中不仅不会进行纯糖的同化培养酵母,而且还会通过局部的有氧的物质转化形成一定的代谢付产物。
    不饱和脂肪酸、饱和脂肪酸,缁醇是细胞壁形成必需的物质,这些物质也必须通过有氧和水参与的氧化过程才能形成。
与纯粹的同化物质代谢的酵母繁殖相比,啤酒厂的酵母扩培的氧的需求明显小,生长素的要求高些。
2.1啤酒厂的酵母繁殖时必需氧的供给
在上述条件下进行纯同化物质代谢的酵母繁殖时,已从理论上能很好确定所需氧数量,并在实践中能很准确评估、控制。在啤酒厂的酵母扩培过程是有氧保护的发酵,有关氧消耗量的参数并不很准确或非常依赖糖的浓度。所以在啤酒厂酵母扩培时出于安全的考虑所遵循的原则是多多益善,所带来的后果是:
?         过高的通风率会要求成本高的技术。
?         繁殖罐中会形成大量的泡沫,导致较差的空间—时间—利用率,容器的填充系数最大为50%
?         在繁殖培养的麦汁中会大量损失对泡沫有益的内容物质。
文献上推荐的啤酒厂的酵母繁殖的通风率
?         每30分钟通风5分钟
?         每通风5分钟、静止1分钟
?         每5分钟的培养时间通风1分钟
?         在酵母繁殖罐中依据最低的溶解氧所要求的通风量控制氧的供给,例如最低的溶解氧〉0.1mg/l
?         维持1-5 mg/l
?         依据泡沫的形成控制通风
显然:推荐用于啤酒厂酵母繁殖的通风量和氧供给量时经验占主导作用。
?         在现在的啤酒厂麦汁质量的条件下,并不知道或不可能顾及到要达到的酵母繁殖量时所需要的准确的氧供给。
?         在啤酒厂现有的通风条件下并不知道或不可顾及到实际能达到的氧的溶解。
?         为了避免削弱酵母的繁殖。通过最大的通风排除二氧化碳,其结果是在酵母繁殖过程中会过多形成泡沫,较低的空间—时间—利用率。
?         强烈通风常常与强烈的泵循环联系在一起。
  22在高浓度糖中Saccharomyces cerevisiae菌种对氧的需求和氧的吸收
在糖的浓度低于Grabtree的效应,小于0.1 g/l时,每单位形成的新生细胞所需的比氧耗量明显上升,表2Rizzi的结果和理论上的氧耗量为740mg/gHTS,。在纯有氧呼吸或纯糖同化时会形成的酵母的干物质可达到Yx/z=54gHTS/100 g糖,在糖的浓度大于0.1 g/l时,每克HTSz所需的比氧耗量下降到100。。。140mg./ gHTSz 呼吸链中能起作用的细胞色素还原酶随着糖的浓度上升受到抑制,酵母繁殖所需的能量按份额转移到发酵的物质代谢,形成乙醇和二氧化碳。用于形成新的酵母细胞时所需的主要基础物质的比氧耗量下降到大约平均120mg./ gHTSz 。这个数值是针对糖浆和合成的含糖的营养液中。对于复杂组成的营养介质例如酿造麦汁,酵母能首先利用麦汁中含有的主要基础物质(脂肪酸、磷脂等),所以在繁殖的起始阶段只需要较少的氧用于酵母的繁殖。这也与啤酒厂一般发酵时的酵母繁殖情况相符,在接种麦汁中一次性的供氧平均为8 mg/l,一般的酵母的繁殖量=40百万/ml,平均为1gHTS/l
在啤酒生产时麦汁中的主要营养物质FAN含量总会发生波动,尽管供氧充分,但还是会引起酵母繁殖量、酵母活力、酵母发酵力的波动。从安全的角度来看酵母繁殖设备中推荐的耗氧量为120mg./ gHTS,这是由于酿造麦汁具有受限制的潜在的替代比氧耗量的物质。
 OhnoTakahashi  已确认,在啤酒厂现有的条件下酵母细胞内用于合成主要的脂肪酸所需的氧必须达到30-35 mg./ gHTS
表格3所示由于糖的浓度的不同,比氧吸收率相应受到影响,在酿造麦汁中比氧吸收率的波动取决于培养的温度和所添加酵母的活性和生理状态,一般在2-33 mg./ gHTSH范围内,作为其他模式计算出的平均值能被接受的是在15度培养温度下最大的比氧吸收率为13 mg./ gHTSH ,这个数值在每3个小时通风10分钟的间歇式的通风研究已被证实,并经大约40小时培养后酵母繁殖量为110百万/ml
在培养罐中氧的含量在0-7mg/l之间波动,也就是从理论上来说培养的介质中并不需要稳定的氧浓度,在一般的11.5%酿造麦汁中能达到所要求的酵母的繁殖率。
23在酵母繁殖时必需的氧和空气供给的计算
应用表1提供的参数和前述的平均值
?         比总氧消耗值120 mg./ gHTSz
?         在15度时最大的比氧吸收率为13 mg./ gHTSh
1)模式1   涉及到可达到的总酵母繁殖量2.75gHTSz/law的总氧耗量和总空气耗量
?         总氧耗量: =
?         总空气耗量:
这些理论上的总氧耗量和总空气耗量是针对一般的酿造麦汁条件下,15度培养42-44小时范围内可能达到的总酵母繁殖量,由于这种酵母繁殖量与公认的生长曲线相比,并不是线性关系,而是在最初大约40小时呈几何累进既指数关系,在一般的情况下并没有因本身的代谢产物、缺乏营养物质抑制酵母繁殖。氧的消耗量并不是在培养的时间内均匀分布在40-44小时中。
2)模式2
在模式2中验证了在实际的酵母浓度范围内,顾及到最大可能的氧吸收率时所必需的氧的供给。计算起始和终了阶段的酵母繁殖量并评价现存的酵母浓度范围内最大的氧的吸收。
?         依据公式:Xt=X0Ht能计算出培养一定时间后的酵母浓度。.
?         在顾及表1所示的繁殖因子的前提下,起始和终了阶段的酵母繁殖后的浓度见表4
?         每10小时的培养时间内起始和终了阶段的酵母繁殖(表5

5
起始阶段
终了阶段
 
6  gHTS/l
起始阶段
终了阶段
 
t10-t0
T43-t33
t=0h,t=33h
0.25
1.71
gHTSz/10h
0.198
1.353
t=10h,t=43h
0.45
3.06
gHTSz/10h
=0.2
=1.4
平均值
大约0.35
大约2.39

?         进一步的计算可采用见表6的酵母浓度(gHTS/l

?        

8
起始阶段
终了阶段
gHTSz/l.10h
0.2
1.4
mgO2/l..10h
24
168
mgO2/l..10h
16.8
117.6
 
从上述的酵母浓度中得出的最大比氧吸收率13 mg./ gHTS.h的情况下的最大的氧吸收率(mg/l.h)(表7

7
ME
起始阶段
终了阶段
起始阶段
Mg/l.h
3.25
22.32
终了阶段
Mg/l.h
5.85
39.78
平均值
Mg/l.h
4.55
31.07
平均值
Mg/l.h
0.0076
0.518

 
?         借助比氧耗量120 mg./ gHTSz推荐值,在选择的两个阶段中10小时可达到的酵母繁殖量时所需的最大的总耗氧量。(表8
?         在平均最大氧吸收率条件下,在选择两个阶段中达到总耗氧量时必需通氧时间。(表9
 

9
起始阶段10小时
终了阶段10小时
每小时的通风时间(分钟)
5.3
5.4

 
在选择的两个繁殖阶段有大约一半的必需培养时间内,Saccharomyces酵母能在啤酒酿造麦汁中吸收到酵母繁殖量所必需的氧。并可得出在较大浓度范围内酵母氧的吸收不取决于溶解氧的数量。在临界的氧分压条件下细胞的呼吸受到限制,所以临界的氧的分压依赖于繁殖率。在P02=0.0005bar(=0,014mg/l)(1)时比繁殖率u=0.06h-1,这个数表明在发酵的条件下酵母几乎彻底利用所通入的溶解氧。在酵母浓度的计算中可得出,经酵母扩大培养的酵母用于接种必须是有活力,不需要很长时间的静止期。但也必须顾及到在接种后的几个小时并没有酵母的繁殖,酵母细胞吸收营养物质,合成用于繁殖的基础物质。
3)模式3在啤酒酿造的麦汁中估计用于酵母繁殖的必要的通风时间。
?         以下有关氧的渗透率从已证实在发酵设备中成功应用的通风装置得出的。
?         通风环的泡柱式通风发酵罐n=6g/l.h=100 mg/ l .min
?         采用静态混合器的泵循环装置n =7.2g/l.h=120 mg/ l .min
在设计通风装置时还应考虑到罐的总容量,并选择适当的氧的渗透率,n=120ml/l.h=2.86g/l.min., 在通风环的泡柱式通风发酵罐和采用优化静态混合器的泵循环装置中氧的渗透率可达到100-120 ml/l.h,以下的通风要求对于设计通风装置是必要。
?         发酵的麦汁中饱和的极限:(表18mg/l
?         在通风的时间内并考虑到氧的消耗时可测的氧渗透率n g/l.min.为单位。(表10

(表10g/l.min.
起始阶段
终了阶段
n(在水中测量值)
2.86
2.86
酵母消耗的平均值
0.076
0.518
n(在有酵母的测量值)
2.784
2.342

?         达到饱和极限的理论必需的通风时间
起始阶段:8mg/l 2.784mgO2/l.min=2.87min---大约3min
终了阶段:8mg/l 2.342mgO2/l.min=3.42min---大约4min
?         为了满足最大的氧的需求,每10小时培养时间理论上的必需的通风循环的次数
起始阶段:24mg/l8mg/l =3次循环,每次3分钟/10小时
终了阶段:168mg/l8mg/l =21次循环,每次4分钟/10小时
  尽管通风时会发生氧的消耗但并不考虑,从这个模式中有可得出以下的通风时间:
起始的10小时阶段:3.3分钟相应的总的通风时间9分钟/10小时
终了的10小时阶段:21.3分钟相应的总的通风时间84分钟/10小时培养时间必需通风的时间

1酵母的繁殖
?         酿造麦汁中最大可能的酵母繁殖量:110百万/ml(平均)
?         1g酵母干物质(HTS/l=25-50百万/ml,平均1g酵母干物质(HTS/l=40百万/ml
?         酵母繁殖的估算
 
培养中起始阶段酵母数X0
酵母增殖数
培养中结束阶段酵母数Xt
百万//ml
10
+110
120
gHTS/l
0.25
+2.75
3.0
 
?         世代时间t G 15度适合啤酒酵母的比繁殖率u和增殖因子H
?         世代时间t G =12小时
比繁殖率
增殖因子 H
2/空气
2         1Mol氧气=32.0g=22.393l(一般条件下)
2         一般条件下是指0760Torr=1.01325bar
2         1ml氧气=1.429mg氧气
2         空气中氧的体积百分比=0.2093
2         空气中氧的分压(760Torr)P=0.2093;1.01325bar=0.212bar
2         20度氧在水或麦汁中的溶解性
 
1bar
1bar
1bar
介质
麦汁(11.5%
mmol/l
1.38
0.288
0.251
mg/l
4.2
9.2
8.0
 
2         对麦汁(11.5%,)的溶解校正因子:f=0.87

 
2酵母繁殖后形成细胞干物质所需要的氧的推荐值

 
方法和过程阶段
培养液中糖的浓度g/l
繁殖一定细胞干物质所需的氧和空气的推荐值
gO2/gHTS   mlO2/gHTS  l空气/gHTS
焙烤酵母一般
过程中
30-60
0.1         70           334
Rizzi
连续焙烤酵母繁殖
 
0.1
0.05
0.175
0.640       448          2140
0.560       392          1872
0.107       75           357
依据Bonn
大容量酵母培养阶段
大约60
0.111        77          368
依据Lippert
连续焙烤酵母繁殖
1.55
0.137        96          458

3Saccharomyces  cervisiae扩培时最大的氧吸收

 
培养条件
培养温度
氧的吸收
gO2/gHTSh
Bronn et(13)
Crabtree效应的
焙烤酵母培养
30
157
Dellweg(11)
Crabtree效应的
焙烤酵母培养
30
256
Daoud uSearle
1)饱和空气全麦汁:上和下发酵酵母平均值
 
2Ale 酵母
3)依据活力和贮养时间的Ale 酵母,
20
20
30
25
12
13.2
33
2.4-29.4
Ohno uTakahashi6
1)酵母繁殖后在1度水中贮养的下面酵母
2)不取决麦汁波动的氧含量:下面酵母
13
13
3.35—3.68
2.81-11.48
Seemann16
11.5%,全麦汁,下面酵母培养(酵母增殖数10百万/ml,40小时)每3小时通风10分钟间隙通风,在不取决于培养时间的情形下产生可的饱和氧的范围:
1)0-10小时90%--70%饱和氧 >5.5mg O2/l)
2)10-20小时90%--40%饱和氧(>3.5mg O2/
3)20-40小时大约0%饱和氧(7.2--0mg O2/l)
15
 
 
 
7.8
9
13.2

   4取决于培养时间t的起始和终了酵母数浓度X

培养时间th
在起始阶段的酵母浓度XtgHTS/l
培养时间th
在终了阶段的酵母浓度Xt
gHTS/l
0
0.25
0
0.25
1
0.265
33
1.710
2
0.281
35
1.922
3
0.298
40
2.571
4
0.316
41
2.726
8
0.398
42
2.889
10
0.448
43
3.063
△(t10-t0
=0.20
△(T43-t33
=1.35

湖北啤酒学校  程康
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以下网友留言只代表网友个人观点,不代表酒吧地图网站观点
zoe 2010/11/15 13:15:10
想下载。。。
[酒吧地图网友]哈尼 2010/4/6 11:14:39
怎么download下来啊?
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