啤酒手册酵母样本.docx

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啤酒手册酵母样本

第五章酵母

麦汁经过啤酒酵母的发酵,便酿制成啤酒。

由于酵母不但进行酒精发酵,而且其新陈代谢的产物还影响啤酒的口味和特点,因此了解酵母的结构和组成、新陈代谢、繁殖和生长及其分类非常重要。

不同的酵母菌种有一系列不同的特性。

第一节啤酒酵母在分类学的位置

在微生物分类系统上,一般分为门、纲、目、科、属、种。

以此分类方法,则啤酒酵母属于:

门:

真菌门

纲:

子囊菌纲

目:

内孢霉目

科:

内孢霉科

属:

酵母属

种:

啤酒酵母

第二节酵母细胞的结构和组成

一、酵母细胞的结构

酵母细胞形态为椭圆、圆形,细胞大小一般为（8～10）μm×（5～7）μm（见图5.1）。

在显微镜下看到的酵母细胞结构主要有细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核、液泡等组成（见图5.2）。

由细胞膜3包围着细胞质1,细胞膜的外部又有细胞壁2保护,另外在显微镜下常可在细胞壁上看见出芽点4。

图5.1酵母细胞图5.2酵母细胞结构

1－细胞质2－细胞壁3－细胞膜4－出芽点

5－线粒体6－液泡7－聚偏磷酸盐颗粒8－类脂颗粒

9－内质网10－细胞核11－核膜12－核质

1．细胞壁

细胞壁位于细胞的最外层,具有一定的弹性,决定着酵母细胞的形状和稳定性,约占细胞质量的30%,壁厚100～200nm。

细胞壁由大分子的物质组成,主要成分为30～40%的甘露聚糖（即酵母胶体）和30～40%的葡聚糖。

位于细胞外部的甘露聚糖（见图5.3）与磷结合,而位于细胞里面的葡聚糖与硫以酯链连接,总复合物还包括蛋白质和酶,它们经过细胞膜分解物质使之便于输送,因此细胞壁的结构具有重大意义。

除此之外,细胞壁还含有蛋白质、脂肪、矿物质。

图5.3（图上端为细胞壁外层）

M－甘露醇P－磷酸盐G－葡聚糖S－硫Prot－蛋白质

2．细胞膜

细胞膜紧贴细胞壁的内面,厚度约150nm,是一层半透性的膜,构成细胞壁的基础物质。

细胞膜调节着细胞内的渗透压,调节着营养物质的吸收和代谢产物的排出,形成酵母细胞的渗透框架。

同时,细胞膜可分离出胞外酶,胞外酶有酵母细胞形成,但在酵母细胞外起作用。

3．细胞质

酵母细胞中充满着细胞质,细胞质主要有酶形式的蛋白质组成。

细胞质中含有丰富的核糖体,核糖体是合成蛋白质的地方。

另外,细胞质还含有线粒体,线粒体的主要功能是经过呼吸为酵母细胞提供能量。

4．细胞核

细胞核直径为0.5～1.5μm,经染色后能够观察到。

细胞核被核膜所包围,其主要化学组成是脱氧核糖核酸DNA和蛋白质,是遗传物质的承载体,控制着酵母的新陈代谢。

5．液泡

在显微镜下,常可看见酵母细胞中充满水性细胞液的液泡,酵母细胞可在液泡中短时间贮存代谢产物,另外液泡中还有细胞的磷酸盐贮仓（聚偏磷酸盐颗粒）。

二、酵母的组成

酵母细胞大约含有75%的水。

酵母绝干物质主要由蛋白质和碳水化合物组成,见表5.1。

表5.1

成分

含量（%）

蛋白物

45～60

碳水化合物

25～35

脂肪

4～7

矿物质

6～9

酵母中贮存的碳水化合物中,最重要的是糖原,另外还有海藻糖。

糖原是由葡糖残糖残基组成的分支葡聚糖;海藻糖是由二个葡萄糖单元组成的二糖。

这些贮存碳水化合物以特殊贮存颗粒形式贮存于细胞质中,并在酵母细胞营养缺乏时被分解,从而给细胞提供能量。

除碳水化合物外,细胞质中还贮存了类脂质形式的脂肪。

内质网贯穿于整个细胞质将其分为许多反应空间。

另外,酵母还含有丰富的维生素和酶,特别是维生素含量很高,特别是维生素B1和B6。

因此说未过滤啤酒（如小麦啤酒）含有大量的维生素实不为过。

第三节酵母的新陈代谢

生命的典型特征是生长和繁殖。

维持生命需要持续的物质转化,即新陈代谢。

新陈代谢的作用在于:

（1）吸收可利用的物质作为营养,将其转化为机体本身的物质;

（2）获得生命功能所需的能量。

为保证这些功能的进行,酵母必须有机物质,特别是糖形式的碳水化合物。

酵母既能够在有氧的情况下利用糖（耗氧性）,又能够在无氧情况下分解糖（厌氧性）。

耗氧且释放能量多的过程称为呼吸,厌氧且释放能量少的过程称为发酵。

经过呼吸和发酵获取能量的反应过程非常复杂且步骤繁多,每个反应步骤都由特殊酶催化。

在酵母细胞中,酶以一定的细胞结构连接。

酶的呼吸链主要在线粒体上,而酶的发酵主要在细胞质的基础物质中进行。

有机物的呼吸或发酵是以细胞内容物的输送为前提条件的。

酵母细胞经过细胞壁吸收营养物质,由细胞膜进行调节。

酵母细胞只能吸收与输送机理相适应的物质,而这又取决于酵母细胞中酶的多样性。

一、碳水化合物的代谢

在碳水化合物中,只有糖分能供给酵母呼吸或发酵。

区别各种酵母的重要标准是它对不同糖分的呼吸或发酵能力。

原则上所有能被酵母发酵的糖,也能够被酵母呼吸消耗;反之,则不行。

酵母对糖进行耗氧分解还是厌氧分解,这主要取决于有无氧气存在,在有氧情况下,酵母经过呼吸获取能量;而在无氧情况下,则进行发酵。

这种转变称为巴斯德效应。

酵母是唯一能从呼吸转变到发酵的生物,正是基于这种转变才有了千百年的酒精饮料生产。

我们知道,快速起发对酵母能量消耗很大,因此在发酵开始前必须给酵母提供足够的氧气,以使酵母获取能量进行发酵。

而在后面的发酵及成熟阶段,生产过程在无氧状态下进行。

对于啤酒酵母来说,主要碳水化合物的来源是低分子糖。

酵母能够利用许多单糖、双糖和寡糖。

而聚糖如淀粉和纤维素,则不能被酵母利用。

了解哪些糖能被酵母发酵,这对啤酒酿造来说十分重要。

可发酵的碳水化合物有（按照酵母利用的顺序）:

单糖:

葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖

双糖:

麦芽糖、蔗糖

三糖:

棉子糖,麦芽三糖（并非所有的酵母都能利用）

一小部分糖没有被发酵,而是以化学能量的形式贮存于酵母细胞中,必要时用于维持生命功能。

细胞中最重要的化学贮藏物是:

ADP——二磷酸腺苷和ATP－－三磷酸腺苷。

ATP参与每个生命过程,是生命所必须的能量贮藏物和转载物。

没有ATP,酒精发酵根本不可能进行。

二、蛋白质的代谢

酵母需要氮化合物来合成酵母细胞自身的蛋白质。

在无机氮中,酵母主要利用氨盐,但麦汁中的氨盐含量很少,酵母的主要氮源为氨基酸和低分子肽。

氨基酸并不能直接被酵母吸收,而要经过一系列吸收过程。

酵母不能直接将麦汁中的氨基酸合成自身细胞蛋白质。

蛋白质的代谢过程由一系列复杂的生化过程组成。

因此这些转化过程与发酵副产物的形成密切相关,比如:

高级醇、联二酮、酯和有机酸等。

由氨基酸形成高级醇即所谓的杂醇油就是这种转变的一个实例。

氨基酸脱羧形成高级醇,亮氨酸脱羧可形成异戊醇。

酵母新陈代谢产物的形成以及分解取决于许多因素,比如:

温度、压力、pH值等。

发酵副产物的含量对啤酒的口味和气味影响很大,我们将在”啤酒发酵篇”中讲述。

三、矿物质的新陈代谢和生长因素

另外,酵母的新陈代谢还取决于足够的矿物质和生长因素,这些物质的作用不可低估。

下列离子对酶促反应影响很大:

（见表5.2、5.3）

在正常麦汁中,上述盐或离子的含量是足够的。

对于酵母来说,重要的生长因素是维生素。

比如,维生素H（生物素）、泛酸。

表5.2

阳离子

对酵母代谢过程的影响

K＋

与ATP一起促进所有的酶促反应,对于能量代谢很重要,对细胞壁的物质输送很重要

Na＋

使酶活化,在细胞膜的物质输送中起重要作用

Ca2＋

能够被锰、镁所取代;延缓酵母退化;促进凝固物的形成

Mg2＋

对有磷参与的反应十分重要,物别是在发酵中是不可取代的

Cu2＋

很少的量就会抑制某些酶

Fe3＋

对酶的呼吸代谢很重要,可促进酵母出芽增殖

Mn2＋

在代谢中可取代Fe;可促进细胞繁殖和细胞形成

Zn2＋

有利于蛋白质的合成,对发酵来说,它是重要的微量元素。

Zn需求量为0.2mg/L麦汁。

缺锌可使发酵出现问题

表5.3

阴离子

对酵母代谢过程的影响

SO42—

为酵母合成细胞自身物质所必须

PO43－

对高能物质的形成很重要。

没有此离子,发酵不能进行。

缺乏PO43＋离子对酵母状况很不利。

NO3－

NO3－可被细菌还原为NO2－对细胞有毒性,极不利于发酵

四、酵母的能量代谢

我们知道,酵母可对糖分进行呼吸或发酵,反应式简单表示如下:

呼吸:

C6H12O6+6O2→6H2O+6CO2

发酵:

C6H12O6→2C2H5OH+2CO2

上式以简单的化学反应式表示。

实际上,这些反应过程是很复杂的。

能量高的物质比如葡萄糖分解为能量低的化合物,物质中所贮存的能量被释放出来。

释放出的能量是不同的,它取决于葡萄糖被呼吸还是被发酵。

呼吸反应中形成的产物是二氧化碳和水,而发酵则形成能量丰富的乙醇,因此释放出的能量不多。

分解反应时转化的能量△G仅有一部分用于有机体,它可根据需要再转变成机械功或反应热（△H）。

剩余的能量则转变成不可逆的热量,被有机体利用。

在葡萄糖（相对分子质量为180）的呼吸反应中形成的反应热为:

△H=2824kJ/mol=15570kJ/kg

这是一个巨大的能量,它被人类和动物充分利用,以维持生命。

发酵开始阶段,酵母最多能呼吸消耗2%的糖分,因为此时麦汁中已不能提供氧气。

进入发酵后,仅有极少的反应热释放出来。

发酵开始阶段产生的反应热大约为:

△H=105.5kJ/mol=586.6kJ/kg

这意味着:

发酵时释放出的能量仅为呼吸所释放能量的3.7%。

为了获得足够的能量,

酵母就被迫更多地进行发酵。

一个酵母细胞的发酵能力很大。

在最佳条件下,它能把约200亿葡萄糖分子在1秒内发酵成乙醇和二氧化碳。

发酵时必须排除所形成的反应热。

这一点我们将在”啤酒发酵篇”具体中论述。

第四节酵母的繁殖和生长

啤酒酵母的繁殖和生长可划分为六个不同阶段（见图5.4）:

一、调整期:

此阶段也称为起始阶段,是进行新陈代谢的活化过程。

此阶段的时间长短波动很大,主要取决于有机体类型、培养代数、培养条件等因素。

细胞一旦开始分离就标志着此阶段结束。

图5.4酵母增殖过程

1－调整期2－加速期3－对数增长期

4－减速期5－稳定期6－死亡期

二、加速期:

此阶段紧接调整期,细胞分离速度加快。

三、对数增长期:

在此阶段,细胞呈对数增殖,增殖速度最大且保持恒定。

此时形成新的一代所需时间最短（即细胞数翻倍的时间）。

在最佳增殖条件下世代时间为90～120min。

四、减速期:

由于各种因素,比如底物减少,抑制生长的代谢物增加等,对数增长阶段有一定的时间限制,随后进入增殖速度逐渐减小的减速期。

五、稳定期:

这一阶段微生物的数量保持恒定。

形成的新细胞数与死亡的细胞数相等。

六、死亡期:

在此阶段,细胞死亡数多于形成的新细胞数,细胞数减少。

每个生长阶段的时间长短和强度主要受到底物、温度和酵母生理状态的影响。

底物必须含有生长必须的营养物。

同样,底物的水分含量、pH值和氧气浓度对生长也很重要。

水是有生命物体的主要组成部分,在微生物的生命过程中起着重要作用。

总之只有当底物水分至少达到15%时,微生物才能生长。

利用不同的最佳pH值可区分不同的微生物。

酵母主要在酸性条件下生长。

酵母生长时供氧的重要性已在前面讲过。

在啤酒厂,在添加酵母后给麦汁通风,能够促进酵母生长,即调整期和形成新一代的时间能够缩短。

温度对微生物的生长影响也很大。

每种微生物都有自身的最佳生长温度。

在最佳生长温度下,调整期和形成新一代的时间最短。

微生物不但可在最佳温度下生长,也可在一定温度范围内生长。

对于酵母属的啤酒酵母来说,生长温度范围一般在0～40℃;最佳生长温度为25～30℃。

微生物细胞的生理状况（代数、营养状况）决定了调整期的长短。

在对数增长期,转载于新底物上的酵母细胞代谢活化非常快。

对于啤酒厂来说,这意味着要想起发迅速,最好使用取自主酵间的酵母,并将其马上添加至接种麦汁中。

第五节啤酒酵母的分类

啤酒厂使用的酵母主要是啤酒属酵母,而啤酒属酵母中又有众多的种类。

一、培养酵母和野生酵母

1．培养酵母也叫纯酵母:

是从野生酵母中选育出来的,经过长时间的驯养,重复使用,具有正常生理状态和特性的适合啤酒酿造的酵母。

2．野生酵母:

不能够被生产控制利用的酵母,统称为野生酵母。

它们特别容易经过原料进入啤酒厂,能使啤酒中产生不舒适的口味和气味,并导致啤酒浑浊。

3．二者区别见表5.4。

表5.4培养酵母和野生酵母的区别

区别内容

培养酵母

野生酵母

细胞形态

圆形或卵圆形

有圆形、椭圆形、柠檬形等多种形态

抗热性能

在水中53℃,10min死亡

能够耐比培养酵母较高的温度

孢子形成

形成孢子慢,孢子较大,略带棱角

形成孢子快,孢子小,像油滴

糖类发酵

对葡萄糖、半乳糖、麦芽糖、果糖等均能发酵,能全部或部分发酵棉子糖

绝大多数不能全部发酵左述的糖类

二、上面酵母和下面酵母

实际生产中最常使用的酵母有两大类:

上面酵母和下面酵母。

二者形态上存在着明显差别。

1．上面酵母又叫表面酵母、顶面酵母。

其母细胞和子细胞能够长时间相互连接,形成多枝的芽簇（见图5.5）。

2．下面酵母又叫底面酵母、贮藏酵母。

其母细胞和子细胞增殖后彼此分开,几乎都是单细胞或几个细胞连结（见图5.6）。

图5.5上面酵母图5.6下面酵母

3．二者区别见表5.5。

图5.5上面酵母和下面酵母的区别

区别内容

上面酵母

下面酵母

细胞形态

多呈圆形,多数细胞聚在一起形成芽簇

多呈卵圆形,单细胞或几个细胞连结

孢子形成

较容易形成孢子

很难形成孢子

最高生长温度

37～40℃

31～34℃

发酵温度

14～25℃

4～12℃

低于5℃时生长状况

受到抑制,生长较差

部分生长

实际发酵度

60～65%

55～60%

对棉子糖发酵

只发酵1/3棉子糖

能全部发酵棉子糖

呼吸及发酵代谢

呼吸代谢占上风

发酵代谢占优势

发酵风味

酯香味较浓

酯香味较淡

发酵终了

发酵终了,大量细胞悬浮液面;发酵结束降温后,也会凝集沉淀

发酵终了,大部分酵母凝集沉淀

酵母回收

回收量较大

回收量较小

当然,上面酵母和下面酵母的性质也不是一成不变的,有时也会有所变化。

例如对棉子糖的发酵,某些下面酵母也仅能发酵1/3的棉子糖。

三、凝聚酵母和粉状酵母

1．凝聚酵母容易发生凝聚的酵母叫凝聚酵母

2．粉状酵母又叫絮状酵母,不易凝聚,细胞之间比较分散的酵母叫粉状酵母。

上面酵母和下面酵母均有粉状酵母。

3．二者区别见表5.6。

表5.6凝聚酵母和粉状酵母的区别

区别内容

凝聚酵母

粉状酵母

发酵时情况

酵母易于凝聚沉淀（下面酵母）

或凝聚后浮于液面（上面酵母）

不易凝聚

发酵终了

很快凝聚,沉淀致密

或浮于液面形成致密厚层

长时间浮于酒液中,很难沉淀

发酵液澄清

较快

较慢

发酵度

较低

较高