谈黄酒工业如何应用现代生化工程技术
2009-07-10 16:27:05   来源：本站原创   评论：0 点击：

黄酒是中最为古老的传统发酵酿造工业，具有5000年以上的历史。但，就是因为是传统产品，很少吸收现代科学技术，导致黄酒工业在中国的酒类行业中是技术含量最低、生产设备最粗犷的。黄酒作为中国的一种国粹，其传统的粗犷型生产已越来越让人感到原始和落后，赶不上时代前进的步伐。尤其是随着人们物质文化水平的提高，消费者品评鉴赏能力的提高，黄酒产品和技术一成不变的老面孔受到了越来越严峻的挑战。因此合理地利用现代生化工程技术，已成为改造落后黄酒工业的一个有效手段。

一、           黄酒生产工艺及特点

工艺流程简图

水    麦曲、酒母

                        

                 ↓              ↓ ↓

米 → 筛选  → 浸米  → 蒸饭  → 投料（落作）  → 主发酵（开耙）  → 后酵  

 

 

       废糟                         荷叶、竹壳、黄泥

        ↑                                 ↓

→ 压榨  → 清酒 → 灭菌  → 灌坛  → 封口  → 陈储  → 过滤  → 灌装  

 

 

→ 灭菌  → 成品出厂

   

从工艺流程图中可以看出，黄酒是通过淀粉糊化，经麦曲中的酶和酒母中的酵母共同作用，再通过发酵控制，酿造而成的纯发酵酒，如经灭菌则可保存的酒类品种。黄酒生产有几大关键的控制点，这就是用作糖化与发酵剂的麦曲制备与酒母的制备，第二是发酵的控制，第三是酒酿成后的灭霉与除菌，而这几大关键控制点恰恰又是生化工程中的主要内容之一。如何将黄酒生产中这些关键控制点与现代的生化工程技术相结合，这实际上也是黄酒提高科技含量必须采取的一种必要的手段。因为传统的黄酒生产一直来是沿用着凭借操作工眼看、嘴尝、耳听的感观经验，无论是原料的选择，麦曲的自然培养，制作酒母的酒药的培养，到发酵控制的人工开耙，都是以熟练技术工人的经验为基础的，没有从理论的深度和广度去探讨和研究，这也是黄酒在各大酒种中技术含量最低的根本原因。

 

二、           以黄酒中酵母生长动力学为例说明

酒类在整个发酵酿造过程中，最根本的是通过微生物的作用，通过生物发酵底物——饭、曲、水得到产物酒精。也就是说给微生物以一定的条件（如菌体的浓度、营养基质、温度和水分等），使发酵的代谢产物酒精得以积累，如把这些随时间变化的培养参数定量地进行表达，就可根据这些特征值比较，评判发酵过程中的微生物动力学的解释。这里用酵母的生长曲线可作一说明（麦曲在培养过程中，具酶活的霉菌菌丝生长也有类似的曲线），黄酒投料结束后，酵母经历了无净生长期0-t₁ ，加速生长期  t₁-t₂ ，对数生长期t₂-t₃ ，减速生长期t₃-t₄ ，稳定生长期t₄-t₅ ，衰减期t₅-t₆ 这六个阶段。一般称前两个阶段（1）、（2）为延滞期，这一时期是因为微生物进入一个新的环境后，需要进行一系列的生理调整，才能进入旺盛的对数生长期。如酵母接种后，芽孢萌发及裂殖成细胞，需要一定的时间，即使接种生长旺盛的细胞，由于细胞周围促进细胞生长的某些物质被稀释，酵母必须用一定时间从新的环境中摄取积累这些物质并达到一定的浓度水平后才能进入旺盛的生长。不同的种子、不同的培养条件和种龄在延滞期的表现上存在很大的差异，因此在发酵实践中，为使接种的延滞期缩短，发酵活性高，有必要建立一套特定的控制培养技术。

 

              9                          4         5

                                                          6

              8

 

              7               3

                       

              6         2

                   1

              5

                 0   t₁    t₂          t₃       t₄       t₅     t₆

                          图1  酵母生长动力学示意曲线

 

在图1中可以比较直观地看到，酵母经过延滞期后，开始进入对数生长期（3），此时单位细胞的生长速率达到并保持最大值，单一细胞的重量、单位重量细胞中的脱氧核糖核酸、核糖核酸含量均恒定。随着培养时间的延长，在必需营养成分的缺乏、抑制生长物质的产物的生成、生长因子短缺、生存空间不足等因素的影响下，生长速率减慢（4），进入生长停止期（5），直至细胞衰老自溶（6）。酵母的生长速率与细胞浓度成正比，由此可从实验中直接得出酵母基本生长动力学方程：

              dx

             —— = u • x               (1)

              dt

因为酵母以细胞自我复制的方式增殖，所以微生物生长速率dx/dt与现存的细胞量或菌体浓度x成正比，即对数生长方式生长也是必然的。变换上面的方程可得：

                 1     dx

            u =  — • ——              (2)

                 x     dt

可见，比例系数u为单位菌体在单位时间内的增殖量，称u为比生长速率(h^-1)；而方程中的x为菌体浓度(g/l)；t为培养时间（h）。方程（1）由对数生长期得出，但因酵母以对数方式生长，故方程（1）对其它生长期同样适用。所不同的是，在对数生长期，u为常数且取得最大值，在其它生长期，u不是常数。

对于方程（1），在t=0，x=x₀；t=t，x=x的条件下，且将u视为常数，积分得：

          x = x₀ • e^ut                   (3)

 

或：         x

         ln —— = ut                  (4)

             x₀

方程（3）与（4）就是酵母对数生长的动力学方程。若以世代时间t_d 来表示，因为这时t=t_d时，x=2x 代入方程（4）可得：

              ln2

         u = ——                      (5)

              t_d

 

如将方程（5）代入方程（3），而世代数为n，则：

                t

           n = ——                   (6)

                t_d

这样可以得到:

           x = x₀ • 2ⁿ                 (7)

由方程（7）可以比较直观地看出，在一个培养周期中，对数生长期是菌体浓度增加的绝对主部。当接种量x₀为最终菌体浓度的10%时，培养3个世代后，菌体浓度增加8倍，达最终菌体浓度的80%，因此在酵母培养中，尤其是在黄酒酒母的培养过程中应着重研究酵母的对数生长期。

 

三、           可应用于黄酒酿造中的其它生化工程理论

1、配方

黄酒生产中有一个十分重要的参数，这就是某一产品的配方标准，所谓的配方标准，实际上是黄酒生产历来约定俗成的一个较为合理的配料比例，但这只能说较为合理，而非完全合理。因为每生产一批黄酒，其原料并不完全相同，也由此导致其所含淀粉量的不同，其所加的糖化发酵剂也需要经过动态的调整；也有糖化剂糖化能力的变化，需在配方中作一微调等等，但所有这些，在黄酒生产中是不变的，也由此引起了生产的各批次黄酒风味与质量产生明显的差异性，造成成品勾兑的艰难。其实黄酒发酵时，其酵母的各个阶段的营养物质的消耗与新细胞的生成和代谢产物的累积与一般的化学方程有显著的不同，因为微生物细胞生长的需要，参与反应的成分很多，其反应途径通常不是单一的，又会受到环境条件的影响。如果只考虑对微生物反应过程作概念性描述，则可将黄酒发酵表示为：

                              酶、酵母

饭、水、曲（营养物质）—————→新酵母 + 酒精 + 二氧化碳 + 热量

 

如果我们将其写成反应式，则上式可简化用化学方程式表示：

 

      XCH₂O + YO₂ + ZH₂O ——→ 新酵母 + X′C₂H₅OH + Y′CO₂ + Z′H₂O + Q

      XCH₂O + ZH₂O ——→ X″C₂H₅OH + Y″CO₂ + Z″H₂O + Q′

 

其实上面的二个反应式，在黄酒发酵中表示的是二种情况，大量繁殖新酵母时是有氧反应，此时应充分接触空气，以补充大量的氧气；当酵母增殖到一定的时候，则要减少与空气大量接触的机会，使其营造酒精。因为酿造黄酒的基质原料是碳氢化合物，它用作酵母的碳源是属于非均一体系，如何使不溶于水的碳氢化合物均匀地分布于基质中，以最大的接触面供菌体利用是至关重要的。因此，黄酒投料时充分的搅拌是十分必要的。从上面的理论可以看出，对酵母的生理过程的了解和化学反应的实质，可以通过反应过程中的操作和控制，为发酵器具的设计提供依据。特别地可通过碳源衡算、氧气消耗衡算、产物与底物的衡算，可以较为精确地计算出黄酒的不同配方，甚至可以用数学建模理论，供计算机分析和提供科学的标准配方数据。如果我们从更深的层次上去研究，则应结合温度与PH值对酵母生长速率的关系；基质消耗与代谢产物生成的动力学原理等等，只有不断地以生化工程的理论去研究与探索，黄酒酿造的机理才能逐渐明朗。

    2、灭菌

黄酒成品，最关键的是能否切实做好酒体的灭菌，它直接影响到黄酒能否久存。我们日常采用的灭菌方法是加热，保存时间较短的采用巴氏灭菌法，要保存得更长时间的往往以提高灭菌温度为主要手段。根据微生物的均相死灭动力学原理，除比热死速率常数外，温度对死速率常数也有影响。实验表明死速率常数K，与温度T之间的关系如下：

               K = A • e^-ΔE/RT             （8）

式中，A为频率因子（min^-1）,ΔE为活化能（J/mol），R为通用气体常数（J/mol·K）。从（8）式可以看出，活化能ΔE的大小对K值有重大影响。其它条件相同时，ΔE越高，K越低，热死速成率越慢。但不同的菌类其热死灭反应ΔE也可能各不相同，在相同温度T条件下灭菌，尚不能肯定ΔE低的菌类的热死灭速率一定比ΔE值高的为快，因为K并不唯一地决定ΔE。如果对（8）式两边取对数，则可得到：

 

                     ΔE

lnK = - —— + lnA             (9)

         RT

 

(9)式中，K是ΔE和T的函数，K对T的变化率与ΔE有关，如果将（9）式两边对T求导，就可得到：

 

dlnK    ΔE  

—— = ——                    (10)

dT      RT²

 

由上式可得出一个重要结论，灭菌过程中的ΔE越高，lnK对温度T的变化率越大，也就是T的变化对K的影响越大。黄酒灭菌既要杀死各类杂菌及其孢子，又要保持黄酒固有的风味，尤其是要保存经多年储存后的黄酒固有的风格特征。从实验室的结果表明，细菌热死灭反应的ΔE很高，而诸如象陈年黄酒中的某些有效成分破坏反应的ΔE较低。因而将温度提高到一定程度会加速细菌孢子的死灭速度，从而缩短在升高温度下的灭菌时间，由于其它有效成分热破坏的ΔE很低，上述的温度提高只能稍微增大其热破坏速度，但由于灭菌时间的显著缩短，其结果是有效成分的破坏量反而大为减少。这样高温短时间灭菌便能快速灭菌又能有效保持酒中的其它有益成分，这是灭菌动力学得出最为重要的结论。当我们认为加热灭菌对黄酒的风味有影响时，尤其是超过巴氏灭菌温度且不达沸点时的较长时间灭菌，会对黄酒固有的风味造成影响。这样如果我们尝试用超高温的瞬时灭菌，来替代灌装后的瓶酒的长时间巴氏灭菌，或许就是黄酒成品酒加热灭菌手段中的的最好办法。

其它还有象发酵罐的比拟放大，固定化酶与固定化酵母的应用，通气与搅拌的设计，连续流加发酵的研究和尝试，这些都是生化工程在黄酒行业上的最好应用前景。只有用科学的方法去研究去探索，去尝试去实践，黄酒摆脱落后的传统技术才不会是一句空话。

 

 

 

 

 

 

参考文献：

1、合叶修一，永井史郎，生物化学工学——反应速度论，科学技术出版社，1975；

2、David Machin，生物数学入门，人民卫生出版社，1975；

3、伦世仪，生化工程，中国轻工业出版社，1993