啤酒手册—05酵母

第五章麦汁经过啤酒酵母的发酵，便酿制成啤酒。由于酵母不仅进行酒精发酵，而且其新陈代 谢的产物还影响啤酒的口味和特点，所以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，通常分为门、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（810） gmX（57） gm （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100200nm。细胞壁由大分子的物质组成，主要成分为3040%的甘 露聚糖（即酵母胶体）和 3040%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，它们通过细胞 膜分解物质使之便于输送，所以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。此外，细胞质还含有线粒体，线粒体的主要功能是通过 呼吸为酵母细胞提供能量。4细胞核细胞核直径为0.51.5“m,经染色后可以观察到。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，此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47矿物质69酵母中贮存的碳水化合物中，最重要的是糖原，此外还有海藻糖。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。此外，酵母还含有丰富的维生素和酶，尤其是维生素含量很高，特别是维生素B,和B6。16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，酵母必需有机物质，特别是糖形式的碳水化合物。酵母既可以 在有氧的情况下利用糖（耗氧性），又可以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。通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。酵母细胞通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，也可以被酵母呼吸消耗；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， 酵母通过呼吸获取能量；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，所以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。酵母可以利用许多单糖、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：AD 二磷酸腺苷和ATP三磷酸腺苷。ATP参与每个生命过程，是生命所必需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此外，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稈的影响K+与ATP 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+可以被锰、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SO,24为酵母合成细胞自身物质所必需PO 3-4对高能物质的形成很重要。没有此离子，发酵不能进行。缺乏PO.3 +离子对酵母状况很不利。4NO 一 -3NO,-可被细菌还原为NO对细胞有毒性，极不利于发酵32四、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：C6Hi2O6+6O2-6H2O+6cO2发酵：C6Hi2O6-2c2H5OH+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，所以释放出的能量不多。分解反应时转化的能量AG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 = 15570 kJ/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 = 586.6 kJ/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需的 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，可以促进酵母生长，即 调整期和形成新一代的时间可以缩短。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。微生物不仅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040C ;最佳生长温度为 2530C。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，并将其立刻添加至接种麦汁中。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，反复使用， 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。它们特别容易通过原 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53C, lOmin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 C31 34 C发酵温度14 25 C4 12C低于5 C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