啤酒酵母代谢形成 SO2影响因素的研究

周梅,李红,杜金华

1(山东农业大学食品科学与工程学院,山东泰安,271018) 2(中国食品发酵工业研究院,北京,100027)

现代研究表明,提高啤酒中 SO2的含量有利于提高啤酒的抗氧化能力[1-2],但含量过高时,会使啤酒产生硫刺激性气味,影响啤酒的风味,也不利于食品安全[3]。我国食品添加剂使用卫生标准 GB 2760-2007中规定,啤酒中 SO2的最大残留量为 0.01 g/kg。所以对啤酒中 SO2的含量需要进行合理控制。

控制啤酒中 SO2的含量在基因工程和遗传育种方面取得了一定的进展[4-7]。虽然可以从分子生物学通过基因调控来控制啤酒中 SO2的含量,但是基因工程菌很难应用于实际工业化生产中。因此,从工艺上研究啤酒中 SO2的控制更具有可行性和应用性。本研究根据我国啤酒酿造工艺的实际情况从麦汁组成、糖化工艺和发酵工艺三个方面对啤酒发酵程中影响酵母代谢形成 SO2的因素进行研究,以期为啤酒酿造提供一定的实验依据。

1 材料与方法

1.1 材料

DTNB[5,5′-二 硫 代 双 -(2-硝 基 苯 甲 酸 )]、Na2SO4、Na3PO4·12H2O、Na2S2O3:分析纯 ,均购于国药集团化学试剂有限公司;蛋氨酸、苏氨酸:生化试剂,均购于北京经科宏达生物技术有限公司。

1.2 仪器

光学显微镜:CH20,OLY MPUS;可见紫外分光光度计:UV-2450,日本岛津;台式高速冷冻离心机:CT14RD,上海天美生化仪器设备有限公司;糖化仪:LB-8,德国 LB公司;全自动啤酒分析仪:5611 SCABA,瑞士 FOSS。

1.3 检测方法

(1)SO2的检测:参考 ASBC中亚硫酸盐检测方法[8]。

(2)发酵度的检测:SCABA仪器法。

1.4 试验方法

1.4.1 麦汁制备工艺

料水比为 1∶4,在 64-65℃时投料,保温 1h;升温至 70℃,保温 15-20 min;再升温至 78℃保温 2 min;过滤,加入啤酒花煮沸 1h,静止冷却后过滤,将麦汁灭菌备用。原麦汁浓度为 11.5°P。

1.4.2 实验室发酵工艺

三角瓶 12℃等温发酵,接种量保证初始酵母数为 1 500-2 000万个 /mL,CO2失重小于 0.1 g时发酵结束。

2 结果与讨论

2.1 麦汁组成对酵母代谢形成 SO2的影响

2.1.1 麦汁中蛋氨酸对酵母代谢形成 SO2的影响

将添加不同浓度蛋氨酸的麦汁与不添加蛋氨酸的麦汁在同一条件下进行实验室规模发酵,发酵结束后检测发酵液中 SO2的含量,试验结果见表 1。由表1可知,添加蛋氨酸的麦汁发酵后发酵液中 SO2的含量明显减少,当蛋氨酸的添加量为 100 mg/L时,SO2的含量降低了 60%,但随着麦汁中蛋氨酸添加量的进一步增加,发酵液中 SO2含量的降低趋势并不显著,这说明增加麦汁中的蛋氨酸可以减少酵母代谢形成 SO2的量,但当麦汁中蛋氨酸的含量达到一定值时,继续增加麦汁中蛋氨酸的含量,降低效果并不显著。

表 1 麦汁中蛋氨酸对酵母代谢形成 SO2的影响

2.1.2 麦汁中苏氨酸对酵母代谢形成 SO2的影响

向麦汁中添加不同浓度的苏氨酸,相同条件下发酵后检测发酵液中 SO2的含量,研究苏氨酸对酵母产生 SO2的影响,所得结果见图 1。

图 1 苏氨酸对酵母产 SO2的影响

如图 1所示,与不添加苏氨酸的麦汁相比,添加苏氨酸后发酵液中 SO2的含量明显增加。当苏氨酸添加量为 100 mg/L时,SO2含量增加 86%,当麦汁中苏氨酸添加量为 200 mg/L,500 mg/L时,SO2含量分别增加 107%,118%。这说明在麦汁中添加苏氨酸可以促进 SO2的生成,当苏氨酸浓度低时,增加麦汁中的苏氨酸对发酵液中 SO2含量的增加效果明显,当苏氨酸含量达到一定值时,再增加苏氨酸的量,SO2含量的增加效果变弱。

2.2 糖化工艺对啤酒酵母代谢形成 SO2的影响

2.2.1 辅料使用比例对酵母代谢形成 SO2的影响

在本研究中使用无氮糖浆作为糖化辅助原料,糖浆使用比例分别为 0%,15%,30%,45%,将这些不同糖浆比例的麦汁在相同条件下进行三角瓶发酵,对发酵后的 SO2含量以及发酵度进行检测,所得结果如图3。

图 2 对酵母产 SO2的影响

图 3 不同辅料比例对酵母产 SO2的影响

如图 3所示,随着辅料比的增加,发酵度呈上升趋势,而发酵液中 SO2的含量呈降低趋势。辅料的使用使得麦汁中蛋氨酸含量减少,可以使得发酵产生的SO2增多,但麦汁中可发酵性糖含量增加,酵母代谢旺盛,这就需要酵母代谢合成更多的自身生长需要的蛋氨酸,为此更多的亚硫酸盐用于合成蛋氨酸,会减少发酵液中 SO2的含量。此外,辅料的使用降低了麦汁中苏氨酸的含量,也使 SO2含量减少。

2.2.2 麦汁中 Zn2+的添加对酵母代谢形成 SO2的影响

在麦汁中添加不同浓度的 Zn2+,研究 Zn2+对酵母产生 SO2的影响,所得结果见表 2。从表 2可以看出,添加 Zn2+后,发酵液中 SO2的含量明显增加。当添加 Zn2+量为 0.5 mg/L时,SO2的含量提高了75%。而进一步增加 Zn2+的添加量,发酵液中 SO2的含量增加仍为 75%左右,增加效果并不显著。

表 2 麦汁中 Zn2+的添加对酵母代谢形成 SO2的影响

2.3 发酵工艺对啤酒酵母代谢形成 SO2的影响

2.3.1 麦汁充氧量对酵母代谢形成 SO2的影响

为了研究麦汁充氧量对酵母代谢形成 SO2的影响,改变三角瓶中麦汁的装液量进行发酵,发酵结束后检测发酵液中 SO2的含量,所得结果见图 4。

图 4 麦汁充氧量对发酵后 SO2的影响

如图 4所示,当空气和麦汁体积比为 0.5和 1时,发酵产生 SO2的量无明显增加,但是随着麦汁充氧量的进一步增加,即空气和麦汁体积比为 2、5时,SO2的含量明显降低。这说明了麦汁充氧量较多时发酵产生 SO2较少,这与 Dufour[10]的研究结果一致。

2.3.2 酵母接种量对酵母代谢形成 SO2的影响

改变酵母接种量,在实验室水平进行试验,结果见图 5。如图 5所示,随着接种量的增加,发酵产生SO2的量呈降低趋势。可能是因为接种量多时,酵母代谢旺盛,使得更多的亚硫酸盐被酵母代谢合成自身代谢所需的氨基酸,产生的 SO2较少。

图 5 接种量对发酵产生 SO2的影响

2.3.3 发酵液麦汁的浓度对酵母代谢形成 SO2的影响

在实验室制备浓度分别为 6°P,9°P,12°P,15°P,18°P的麦汁,然后在相同的条件下进行三角瓶发酵试验,发酵结束后检测发酵液中 SO2的含量,结果见图 6。如图 6所示,随着发酵麦汁浓度的增加,发酵时产生的 SO2的浓度增加,麦汁浓度越高,增加效果越明显。对发酵液中 SO2的含量与麦汁浓度关系趋势进行拟合发现,二者关系的趋势以指数函数拟合度最高,其关系方程式为底数大于 1的指数函数(y=2.548e0.4915x),这说明高浓酿造比原浓酿造产生的SO2更多。这与 Gyllang[11]等人的研究一致,他们认为麦汁浓度高,可发酵性糖含量高,增加了酵母细胞的渗透压,改变了酵母对葡萄糖的代谢途径,使得葡萄糖通过糖酵解途径产生了较多的丙酮酸,乙醛,乙醇等,而丙酮酸、乙醛与亚硫酸盐易结合,亚硫酸盐与羰基化合物的加合产物通过细胞膜分泌到发酵液中,使发酵液中 SO2含量增加。

图 6 麦汁浓度对发酵后 SO2的影响

表 3 不同浓度麦汁发酵后 SO2的含量

3 结论

(1)发酵过程中酵母代谢形成 SO2的量受到麦汁组成的影响,研究结果表明,增加麦汁中蛋氨酸的含量对 SO2的产生有抑制作用,增加麦汁中苏氨酸和硫酸根的含量均可以促进 SO2的生成。

(2)在糖化时使用无氮辅料,发酵产生的 SO2减少,并且辅料使用比例增加时,发酵液中 SO2含量呈降低的趋势;在麦汁中添加锌离子会使发酵产生的SO2增加,当 Zn2+添加量为 0.5 mg/L时,可使 SO2的含量提高 75%。

(3)对发酵工艺的研究结果表明,提高麦汁充氧量可以减少发酵产生的 SO2的量;较低接种量有利于发酵产生 SO2;高浓发酵时可明显增加发酵时产生的SO2。

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