啤酒中常见异味成分控制的研究进展

崔云前，苏文超，吴梓萌，张海梦

（齐鲁工业大学 生物工程学院 山东省微生物工程重点实验室，山东 济南 250353）

伴随着中国啤酒市场的不断发展，我国已成为世界啤酒生产大国和消费大国，总产量稳居世界第一[1]。啤酒的发酵是指啤酒酵母利用麦汁中的营养成分进行一系列的代谢反应的过程，在此过程中会产生多种代谢产物，其中最主要的代谢产物是乙醇和二氧化碳，除此之外还有一些代谢副产物如：高级醇、双乙酰、硫化物、酯类和醛类等物质。研究至今检测出的成品啤酒中约有1 000多种成分[2]，在这个复杂的成分体系中，会给啤酒风味带来很大影响的约300余种，但这些物质的总含量所占比例不到0.1%，这些风味物质的种类存在不仅决定了啤酒的种类，而且对啤酒的质量有十分重要的作用。在这众多的风味物质中，为啤酒带来不愉悦风味的物质主要是双乙酰、硫化物与醛类。这些物质中尤为突出的是双乙酰、二甲基硫（dimethyl sulfide，DMS）和乙醛，它们的含量若在口味阈值范围内，可为啤酒带来和谐的香气、醇厚的口感和良好的风味。若超出这个限定范围，将会给啤酒带来令人生厌的异味。这些风味物质的浓度虽然很低，但对啤酒的风味稳定性和一致性有很大影响[3]。

控制这些风味物质的含量是近些年一直在研究的热门课题。随着消费者生活水平的提高，对啤酒的风味和质量要求也随之增强，因此对啤酒中不良风味的控制研究有重要意义。

1 控制啤酒中双乙酰含量的研究

双乙酰[4]是啤酒在发酵过程中，酵母发生一系列的复杂代谢反应产生的一种主要副产物，也是啤酒中最主要的生青味物质，其口味阈值在0.10～0.15 mg/L之间，当双乙酰含量超过口味阈值时。则会产生令人不愉快的馊饭味，将严重影响到啤酒的感官质量[5]。双乙酰的含量与还原程度是判断啤酒是否成熟的标志，因此如何降低啤酒中双乙酰的含量，缩短生产周期是啤酒酿造者和科研工作者一直都在关注的课题。

啤酒中双乙酰的形成方式有以下4种，最主要的是由啤酒酵母通过缬氨酸代谢途径产生α-乙酰乳酸，然后分泌至细胞外经非酶促氧化脱羧反应形成双乙酰；酵母中的乙酰辅酶A与活性乙醛发生直接缩合，释放出辅酶A后形成双乙酰；在啤酒酿造过程中若污染了乳酸菌和链球菌等微生物，则微生物经繁殖代谢后可产生α-乙酰乳酸，导致双乙酰的形成；到了发酵后期啤酒酵母活性降低，菌体细胞会发生自溶，从而将体内的α-乙酰乳酸溶解到发酵液中，经氧化反应形成双乙酰[6-8]。

由于双乙酰的含量与还原程度是判断啤酒是否成熟的标志，故控制啤酒中双乙酰的含量是非常重要的。双乙酰含量的控制主要从减少α-乙酰乳酸的生成、加快α-乙酰乳酸的非酶促氧化分解和加速双乙酰的还原这三个方面入手[9]。α-氨基酸态氮的含量对酵母的繁殖有重要作用，可通过减少麦汁中α-氨基酸态氮的合成和积累，从而降低α-乙酰乳酸的生成量，研究表明控制麦汁中α-氨基酸态氮的含量在160～180 mg/L之间效果最好。高文举等[10]研究在啤酒发酵过程中，添加适量的锌盐，使发酵液中锌离子含量达到150μg/L可以增强酵母还原双乙酰的活力，从而加快双乙酰的还原。酵母菌株的选择对双乙酰的最终含量影响很大。王庆权等[11]对Saccharomyces cerevisiae SH酵母菌株进行超声波诱变处理，然后通过苯磺隆抗性初筛和发酵复筛得到突变菌株，将之用于啤酒发酵，最终双乙酰生成量为0.092 mg/L，较出发菌株降低了61.8%，除此之外也保留了出发菌株的优良性状和良好的遗传稳定性。石婷婷等[12]通过同源重组敲除四倍体啤酒酵母的α-乙酰乳酸合成酶的部分基因（ILV2），构建缺失两个ILV2等位基因的突变菌株，并将之运用于啤酒发酵，相比于出发菌株，突变菌株酿造出来的啤酒的双乙酰峰值降低了51.67%，含量降低了45.65%，且对啤酒质量无其他影响。适量提高酵母接种量和麦汁溶氧量可有效控制酵母增值倍数，使发酵速度加快，有效的降低了α-乙酰乳酸的产生和加快了双乙酰的还原，经试验得满罐接种量维持在（12～16）×108个/mL，麦汁充氧量维持在8～10 mg/L最有利。α-乙酰乳酸脱羧酶（alpha-acetolactate decarboxylase，ALDC）[13]可绕开双乙酰形成途径直接将α-乙酰乳酸转化为乙偶姻，从而降低啤酒中双乙酰的含量。李爱春等[14]在麦汁主发酵刚开始的时候，向麦汁中添加0.5 g/（h·L）的ALDC产品浓缩液，结果显示发酵结束后双乙酰含量明显降低且缩短了发酵时间，并对啤酒质量无其他影响。发酵过程是双乙酰含量变化的主要过程，研究表明采用6～7℃较低温接种，主发酵前期采用8～10℃低温发酵，当外观发酵度达到60%～65%时，提高发酵温度至12～14℃再进行发酵，发酵结束后快速降温至0～1℃，这个过程可促进啤酒成熟，也利于α-乙酰乳酸的非酶氧化反应和双乙酰的还原。双乙酰具有一定的挥发性，故在发酵前期采取加压发酵，发酵后期利用CO2进行洗涤，因为CO2可使沉降的酵母重新悬浮而加速双乙酰还原，并且可带走部分双乙酰。α-乙酰乳酸只有在有氧的环境下才能形成双乙酰，所以可在发酵液中添加适量抗氧化剂，如：抗坏血酸、亚硫酸氢钠等，并严格控制灌装过程中与氧气的接触，防止α-乙酰乳酸氧化成双乙酰。在啤酒发酵的整个流程中，双乙酰含量的检测与控制是十分重要的，国标GB/T 4928—2008《啤酒分析方法》规定[15]通过蒸馏的方式将成品啤酒中的双乙酰蒸馏出来，让之与邻苯二胺反应生成2,3-二甲基喹喔啉，用紫光分光光度计在波长335 nm处测定其吸光度值A335nm，带入公式X（双乙酸含量）=A335nm×E（换算系数）可计算出双乙酰的含量。做到定时检测可为双乙酰含量的控制提供有效依据。整个酿造环节，要加强卫生管理，建立完善的原位清洗（clean in place，CIP）系统来防止微生物的污染。

2 控制啤酒中二甲基硫含量的研究

啤酒中的硫化物按物理性质可分为非挥发性和挥发性硫化物，前者占94%，对啤酒风味影响较小；后者虽仅占6%，但对啤酒风味影响较大[16]。由此可见啤酒中的硫化味主要来源于啤酒酿造过程中产生的口味阈值较低的挥发性硫化物，这些挥发性硫化物主要有DMS、硫化氢和二氧化硫等，其中DMS对啤酒风味影响最大。DMS对啤酒风味有双重作用，适量存在时会使酒体丰满圆润，香气协调；过量则会给啤酒带来不良的风味影响[17]。其口味阈值为30～50μg/L，当其含量适当时对啤酒的口味是非常有利的，超过50 μg/L后会产生“腐烂蔬菜味”、“烤玉米味”[18]，超过100μg/L会出现硫磺臭味，严重影响啤酒的风味品质。啤酒受到光照影响时，还会发生雾浊现象。

DMS的生成和整个制麦和啤酒酿造过程都有关系。DMS的前驱物质是活性二甲基亚砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）和非活性硫-甲基蛋氨酸（sulfur-methyl methionine，SMM）。SMM是一种含氮物质，若选用蛋白质含量较高的麦芽则会增加SMM的生成量，从而会增加成品啤酒中DMS的含量。在大麦发芽过程中，大麦中的L-蛋氨酸转甲基酶活性会大大增强，增加了麦芽胚中SMM的生成量；在麦芽烘干过程中，SMM受热易降解，故烘干时间越长，温度越高，SMM被降解越多，从而导致DMS含量越高；在麦芽焙焦过程中，SMM会分解形成游离的DMS和高丝氨酸，焙烤温度越高，时间越长，则DMS的生成量会越多[19-20]。在糖化期间，温度、时间和pH也会对DMS的含量造成很大影响，SMM可被水解酶水解成DMS；麦汁导入回旋沉淀槽后，温度一般维持在90℃以上，此温度条件下未分解的SMM将继续在高温作用下缓慢分解成DMS；麦汁中的大部分DMS会在麦汁煮沸过程中挥发除去，但有少量的DMS会被氧化成DMSO，随麦汁进入到发酵罐中，发酵过程中在酵母还原酶的作用下被还原成DMS。大肠菌群等微生物的体内有DMSO还原酶，对酵母还原DMSO有很大的促进作用。正常情况下，啤酒酵母只能将5%～15%的DMSO还原成DMS，而污染了细菌后会大大增加这个比例，导致DMS的含量明显上升。发酵完成后啤酒中还残留微量的SMM和大量的DMSO，在高温杀菌作用下，残留的SMM会缓慢分解成DMS。成品啤酒在贮存运输过程中受到太阳光的照射也会使DMS的含量有所增加。

若要控制好啤酒中DMS的含量，必须从原料、工艺、设备等全方面严加把控才能有效的降低啤酒中DMS的含量[21]。选择蛋白质含量在9%～11%的大麦品种；选择还原DMSO能力强、利用二甲基硫化物多、硫酸盐渗透酶和亚硫酸盐还原酶活性强的酵母菌株；适当地降低浸麦温度和发芽温度，缩短发芽时间会减少SMM的生成，从而降低了DMS的含量[22]。在大麦发芽过程中，使用碱水浸麦和添加溴酸钾都可抑制蛋白酶活性，减少可溶性氮含量，从而抑制SMM的生成。在糖化过程中，适当增强煮沸强度有利于SMM受热分解产生的DMS随着麦汁煮沸蒸发而除去。SMM的水解受pH值影响，麦汁的pH值控制在5.2～5.6范围内可以减少DMS的生成量。发酵期间采用CO2洗涤可促使发酵液中DMS的排出。采用低温短时巴氏杀菌。包装最好采用棕色瓶，可避免日光暴晒。MARCONIO等[23]采用顶空毛细管柱气相色谱法测定啤酒中DMS的含量，以此实时检测啤酒中DMS的生成，保证啤酒的风味质量。制麦过程和酿造过程中要加强卫生管理，避免各种微生物的污染。

3 控制啤酒中乙醛含量的研究

乙醛是啤酒中含量最多的醛类物质，具有挥发性，约占啤酒中总醛类物质的60%，其口味阈值为10 mg/L。乙醛对人体影响很大，不仅能刺激人的自律神经使血管扩张或者肌肉萎缩，从而引起过量饮酒后的头疼感，而且啤酒中的乙醛含量过高会有辛辣的青草味，造成啤酒风味的不协调。

乙醛是酵母把糖转化为乙醇的中间代谢副产物，在主发酵前期由于酵母的数量急剧增加而使得乙醛大量累积，发酵至外观发酵度为35%～60%时达到峰值，随着发酵的继续进行，导致罐压升高，乙醛含量开始下降。直到进入低温贮存期，乙醛含量降至最低且基本保持稳定。啤酒中乙醛的形成机理有以下两种：主要是啤酒酵母通过糖酵解途径生成丙酮酸，丙酮酸在丙酮酸脱羧酶的催化作用下生成乙醛，乙醛可在乙醇脱氢酶作用下还原成乙醇，也可在乙醛脱氢酶作用下氧化成乙酸；若麦汁被微生物污染，尤其是厌氧单胞菌，则其可通过2-酮-3脱氧-6-磷酸葡糖酸途径生成乙醛[24]。在原料选取和酿造工艺方面：麦芽种类和原辅料配比会影响成品啤酒中乙醛含量；麦汁的pH值和溶氧量越高会导致成品啤酒中乙醛含量越高；主发酵压力越高，乙醛生成量越多；微生物的污染，尤其是厌氧单胞菌会导致乙醛含量的明显上升[25]。

为了控制啤酒中乙醛含量，可从改进发酵工艺，利用基因工程构建重组菌株和改变啤酒酵母菌株的代谢途径来进行控制。在改进发酵工艺方面：选择乙醛峰值低且还原乙醛能力强的酵母；调整原辅料比例为7∶3；麦汁充氧量控制在5～8 mg/L范围内；麦汁pH控制在5.0～5.2；适当提高发酵温度，加快乙醛还原速度从而降低乙醛含量；发酵后期采用CO2洗涤可促进乙醛挥发；加强发酵过程中卫生管理，防止微生物的污染[26-27]。利用基因工程构建重组菌株来获得低乙醛啤酒酵母菌株是降低乙醛含量的一种有效方法。WANG JJ等[28]通过聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）技术获取了一段带有筛选标识和同源区域的目的基因，然后用醋酸锂转化法使目的基因与乙醇脱氢酶II基因发生同源重组，得到了一株乙醇脱氢酶II基因被破坏的工业酿酒酵母，此菌株与出发菌株相比乙醛含量明显降低，且酵母遗传稳定性良好。王德良等[29]采用基因转化法获得了一株乙醇脱氢酶II基因突变型的酵母菌株，驯养后运用到啤酒酿造中，乙醛含量明显下降。从酵母菌株的乙醛代谢途径来减少乙醛含量主要有以下三种途径：（1）通过抑制丙酮酸脱羧酶的活性来减少乙醛的生成；（2）提高乙醇脱氢酶活性来促进乙醛向乙醇的转化；（3）提高乙醛脱氢酶活性来加快乙醛向乙酸的转化。金玮鋆等[30]采用紫外诱变结合高浓度乙醛平板选育的方法筛选出抗乙醛啤酒酵母，并进行低温发酵实验，结果显示此菌株可抵抗高浓度乙醛环境，从而快速还原乙醛，最终成品啤酒中乙醛含量比出发菌株降低了71.13%，且乙醇脱氢酶活性显著提高，遗传稳定性良好。张媛媛等[31-32]对酵母菌株进行紫外诱变，然后采用甲吡唑抗性平板与希夫试剂显色结合法进行筛选，最后得到的酵母菌株在啤酒酿造过程中乙醛含量的降幅为82%，且遗传稳定性良好。沈楠等[33-35]对酵母菌株进行紫外诱变，经双硫仑-乙醛平板进行初筛，再将其置于高浓度乙醛培养基中进行连续低温驯化得到低产乙醛酵母菌株，改良后的酵母菌株在啤酒酿造过程中乙醛含量只有2.86 mg/L，比出发菌株降低了76%。运用乙醛与果糖同时存在时可使间苯二酚显色的原理去测定啤酒中乙醛含量，从而对啤酒中乙醛的生成进行有效的控制。

4 结论与展望

啤酒的风味一致性与稳定性是由各种风味物质共同作用的结果，其含量过高或过低都会影响啤酒的风味质量，必须采用合理、有效、正确的方法去控制啤酒中双乙酰、乙醛、二甲基硫的含量，以此改善啤酒风味，提高啤酒质量。

随着中国啤酒行业的发展以及消费者对啤酒风味、质量要求的提高，应从原料的选择、糖化、发酵、灌装等流程严加把控。科学技术的发展，使得气相色谱-质谱联用法、气相色谱-嗅觉检测法、高效液相色谱法及顶空固相微萃取与气质联用法等[32]先进检测技术出现，将之运用于啤酒酿造过程中产生的风味物质的检测是有重要作用的。故应建立完善的风味物质动态检测体系，结合现代仪器分析技术，实时监测啤酒生产过程中风味物质的含量，有效地控制啤酒风味的一致性与稳定性，保证啤酒质量，这将是今后啤酒行业发展的必然趋势。