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之前我们有讨论过利用生物方法去减少双乙酰对啤酒成品的影响。今天我们探讨一下工业上如何消弭这一影响。
使用固定酵母连续发酵法减少双乙酰
在工业应用上,会用到连续发酵(Continuous fermentation)搭配固定酵母(Immobilized Yeast)工艺的方法减少双乙酰。
连续发酵
连续发酵法是 20 世纪 70 年代诞生的一种技术。最开始的目的就是为了更加高效率地生产乙醇。连续发酵,不同于单桶发酵技术,最大限度避免酵母的生长期,迟缓期和成熟期,而是直接进入发酵阶段,并且可以一直发酵而不停止。
其原理就是将培养基(也就是麦芽汁)以一定速率流入反应器内(也就是发酵罐),同时以固定速率流出发酵液。通过工业控制可以找到流入、流出与发酵率之间的最优解。
一个多罐连续发酵的系统
上图就为多罐连续发酵,将不同发酵度的发酵液经过多个发酵罐发酵。这样可以保持连续的发酵进程而不停止。当然也有单桶,下面会讲到。
尽管上面提到,可以找到流入 / 流出与发酵率之间的最优解。但传统的连续发酵工艺,发酵度不高依旧是个问题,其中一个解决方法就是多罐,但成本很高;且连续补充麦芽汁、桶于桶之间交换发酵液等容易导致染菌。所以就引入了固定化酵母这个工艺。
固定化酵母
固定化酵母的原理是,将酵母集中固定在载体上,让其进行快速繁殖,使载体上聚集高浓度的酵母细胞。流经这些高浓度酵母聚合体的麦芽汁,麦芽汁中的葡萄糖会被快速消耗并转化为乙醇(及一些副产物)。
固定酵母的方法,会有所不同。吸附法 ,使用谷物纤维(玉米芯、使用过的谷物壳)作为酵母载体,这类属于吸附;而最常用,包括家酿都可以使用的是 包埋法,使用海藻酸钠(微溶于水)作为载体,进行酵母固定化。
用海藻酸钠固定化酵母
被固定的酵母浓度很高,加上不断繁殖而游离出的酵母,发酵罐的酵母总浓度比非固定化酵母的批次更高。固定酵母的浓度可以去到非固定酵母浓度的 1.5- 2 倍,所以反应速度更加迅速,某些研究表明发酵时间可以从几天减到一天甚至十几个小时;而高浓度的酵母可以有效抑制杂菌的滋生;加上收集方便,方便重复利用。
但被固定的酵母始终会受限于载体的面积大小,生长率有所下降,所以一般是经过培育后再进行使用。而固定酵母用于普通的酿酒中,始终不太适合,因为其快速的反应,容易导致其他副产物的失控。
目前比较常用的 固定酵母连续发酵方法,是使用气升环流反应器(Gas Lift Reactor),如下图所示,是一个双桶结构,一个用于发酵,一个用于成熟。R1 反应器里塞满了被固定的酵母及其载体(载体为废弃谷物),底部充气,侧部进麦芽汁,气体压力让麦芽汁运动起来,在预先塞满了固定酵母里形成环流,避免某一区域酒精浓度过高导致发酵缓慢。
上图另外一个反应器,R3,也塞满了被固定的酵母及其载体(玉米芯),用于啤酒成熟。这里就没有使用环流,而是使用填充的方法进行成熟。
两个桶均为底部入原料,顶部出反应物,是因为当液位升高的时候,酒精比水轻,可判断最上层的液体已经经过了固定化酵母的发酵,所以顶部出产物。
那么为什么与双乙酰相关呢?其实 R3 里的啤酒成熟原理和普通的成熟差不多,双乙酰休止也是如此。不过由于酵母浓度更高,加上可以采用环流式反应器,使 α - 乙酰乳酸均匀被降解,所以效率会更高。
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