酿酒微生物浅析

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酿酒是一门生物工程,包括整个的气候、酿酒用的水、酒曲、窖泥等微生物甚至包括酿酒人员的操作也会严重影响到最终出酒的状况。复杂的微生物种群造就了白酒中复杂的组成成分,对白酒的品质起作用的主要有霉菌、酵母菌和细菌三大类。掌握酿酒微生物知识,就是掌握酿酒的核心技术。

根霉

霉菌是我们日常生活中常见的一类微生物,在固体培养基上形成的绒毛状、絮状或蜘蛛状的菌丝体。不同的霉菌在一定的培养基上又能形成特殊的菌落,肉眼容易分辨,是曲药上的培菌管理和质量鉴定的重要依据之一。白酒生产常中见的霉菌有:根霉、曲霉、念珠霉、青霉和链孢霉

根霉在自然界分布很广,它们常生长在淀粉基质上,空气中也有大量的根霉孢子。根霉是小曲酒的糖化菌。

曲霉菌占空气中真菌的12%左右,主要以枯死的植物、动物的排泻物及动物尸体为营养源,为寄生于土壤中的腐生菌。其形态特征是在分生孢子的头部有一个顶囊,已知的曲霉菌至少有170种以上. 

念珠菌是踩大曲“穿衣”的主要菌种,也是小曲挂白粉的主要菌种。

青霉是白酒生产中的大敌。青霉菌的孢子耐热性强,它的繁殖温度较低,是制麸曲和大曲时常见的杂菌。曲块在贮存中受潮,表面上就会长青霉。车间和工具清洁卫生搞不好,也会长青霉。
    链孢霉的孢子呈鲜艳的桔红色,常生长在鲜玉米蕊和酒糟上,一旦侵入曲房不但造成危害而且很难清除。

霉菌具有糖化力强的优点,并能产生多种影响酒类风味的物质,在酒的发酵过程中发挥着不可替代的作用。其中根霉属作为一种糖化力极强的霉菌,广泛存在于各种酒曲中,如泸州老窖国窖曲中的霉菌以根霉属为主,小曲的主要糖化菌为根霉,根霉也是茅台高温大曲中的主要霉菌之一。酒曲中的根霉经过长期驯化,代代相传,其性能得到改善和优化,成为酒曲菌种中的一大宝库[6]。国内现使用较广的根霉菌株包括C-24、Q303、3866、702、YG5~5以及一些从各种地方曲中分离出来的根霉等等

1  根霉在酿酒中的特性 根霉(Rhizopus)在分类学上属于真核生物界的毛霉目(Mucorales)、毛霉科(Mucoraceae)中的根霉属(Rhizopus Ehrenberg),是发酵工业中的一种常用菌,尤其在酿酒工业中扮演着及其重要的角色。根霉产酶种类繁多,且酶活力高,其中尤以淀粉酶最为突出。
1.1  
根霉的一些生长代谢特性 根霉比较娇嫩,生长速度慢, 多数根霉最适生长温度为25 ℃~33 ℃,酶生成的温度比生长温度略高,最适产酶33 ℃~35 ℃,故一般制备根霉曲的温度以33 ℃~36 ℃为宜。    根霉在生长过程中能产生大量的淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶,而且还能产生柠檬酸、葡萄糖酸、乳酸、唬拍酸等有机酸。由于根霉能产生活性很强的淀粉酶,因此在酿酒工业上多用作淀粉质原料的糖化菌,而我国是最早利用根霉糖化淀粉生产酒精的国家[11]。     根霉能在生料上大量生长,在与其他菌种混合培养时,根霉表现出一种极好的“团结性”,能与不同来源的菌类,在曲坯上以共生、拮抗等方式杂居在一起,而且不仅仅是“和平共处”,还能一枝独秀,这就明显区别于曲霉的“孤独”[7~12]。相比于熟料,根霉更适合在生料上生长,主要是因为根霉缺乏酸性羧基蛋白酶(羧肽酶),在熟料上生长时,不能分解利用加热变性蛋白质而一旦缺乏有机氮,则会影响菌丝的生长和产酶酶活,如果在熟料上补加硝酸铵或酪素水解液,根霉的生长就能够像在生料上那样旺盛,这些特性就使得根霉成为了一种典型的生料制曲的菌种[12~14]。也正是因为这个原因,根霉在与其他菌种混合培养时,就可以利用其他菌种的代谢产物,促进自身生长,于是造就了根霉的“团结性”,但这也使得根霉缺乏“独立”能力,在某种程度上限制了根霉利用熟料进行发酵制曲。 
1.2  
根霉产淀粉酶特性  根霉既能产糖化酶,也能产液化酶(α-淀粉酶),且根霉产液化酶的能力强,不容忽视,但根霉终究是以其产糖化酶而闻名,产糖化酶能力强且活性高,能将淀粉近乎理论值地转化为葡萄糖,故对根霉的糖化力的研究数不胜数。根霉曲产品除本身的糖化力外还有大量的活菌体和孢子,在生产使用过程中,根霉边生长、边产酶、边糖化。

1.3  根霉产酸性蛋白酶特性  目前已发现能分泌酸性蛋白酶的微生物主要是霉菌,根霉就是其中的一种,同时还包括曲霉、青霉等[24] 。虽然在白酒酿造过程中,对于蛋白酶的了解远不及淀粉酶,但许多白酒中所含有的部分香味物质也来自于蛋白质,制曲及酒醅发酵也都与酸性蛋白酶密切相关,所以绝不能忽视蛋白质及其酶的作用[25]。

1.4  根霉产脂肪酶特性  根霉具有较强的合成脂肪酶的能力,脂肪酶催化酯合成反应、转酯化反应、酸解反应等反应,故对酒的主要香气成分-酯类的形成具有重要作用。在过去的十多年里,从根霉菌中分离到超过30种脂肪酶,多种根霉脂肪酶已被制成商品化酶制剂,所以根霉属已成为脂肪酶的重要生产菌种之一[30~31]。同时,脂肪酶具有只改变反应的动力学平衡而不改变热力学平衡及催化作用特点,恰好能够在短时间内促使酒体中酯、酸、醇达到相对的平衡,达到催陈作用[32]。 
1.5  
酿酒中根霉对产酒及其风味物质的影响  一般来说,根霉用作酿酒,主要是利用其产淀粉酶的能力,用以将淀粉质原料糖化,但是,与此同时,根霉有一定的产酒精的作用,所以能进行边糖化边发酵,而且在发酵过程中能产生乳酸、琥珀酸、苹果酸和延胡索酸等有机酸,此外,在一定的条件下还能产生如乙醛、乙酸乙酯、异丁醇、异戊醇、乳酸乙酯、乙酸、苯乙醇等风味物质[35]。
1.6  
根霉具有产酸能力,这一点受到了人们的重视,其中米根霉产酸能力较强,在适宜的有氧条件下可将80%的糖转化为乳酸,同时也可产生相当数量的丁烯二酸等有机酸,而且米根霉就是目前发酵生产L-乳酸的重要菌株[38~40]。不同类型不同地域的根霉产酸能力肯定会有所差异,而酿酒原料同样会影响根霉的产酸能力,李金生等[41]对五株根霉产酸性进行了比较,证明四川型根霉3.852、3.868生酸力较弱,而上海型根霉3.851、3.866、3.867产酸性就更好,杜士良[42]也对此有相同的观点。在原料糖化和酒精发酵过程中,根霉产酸是一个必然存在的过程,且根霉的产酸能力强,而酸是酒的重要风味物质,过高或过低都会影响酒的风味和整体协调性,泸型大曲中就存在着米根霉,虽然窖池中的乳酸菌等细菌能产大量乳酸,但根霉同样能产生部分乳酸[39]。

酵母

酵母是一些单细胞真菌,在有氧和无氧条件下都能够存活,是一种天然发酵剂。酵母菌是人类文明史中被应用得最早的微生物。目前已知有1000多种酵母, 酵母菌在自然界分布广泛,主要生长在偏酸性的潮湿的含糖环境。酵母菌的生殖方式分无性繁殖有性繁殖两大类。

营养

酵母菌同其它活的有机体一样需要相似的营养物质,像细菌一样它有一套胞内和胞外酶系统,用以将大分子物质分解成细胞新陈代谢易利用的小分子物质,属于异养生物。

酸度

酵母菌能在PH值为3.0~7.5的范围内生长,最适PH值为4~6。

水分

像细菌一样,酵母菌必须有水才能存活,但酵母需要的水分比细菌少,某些酵母能在水分极少的环境中生长,如蜂蜜和果酱,这表明它们对渗透压有相当高的耐受性。

温度

酿酒酵母最适生长温度30度左右,在低于水的冰点或者高于47℃的温度下, 酵母细胞一般不能生长,最适生长温度一般在25~28℃。很多酿友对酵母发酵温度缺少感知影响,一般认为常温是酵母的最佳发酵温度。酵母发酵的最适宜温度是25~28℃(这是酵母繁殖最适温度)。当温度为4℃时,酵母20个小时繁殖一代。随着温度升高,其世代期越短,当温度为23℃时,酵母世代期仅6小时;到60℃,酵母就死亡了在发酵时,不可避免会混入杂菌如乳酸菌、醋酸菌等。乳酸菌最适宜繁殖温度为35℃,如果发酵温度高于30℃,乳酸菌、醋酸菌会大量繁殖,而使酵母菌繁殖得到抑制,引起面团发酸,所以面团发酵温度应控制在25~28℃左右为好。

糖的影响

可以被酵母直接采用的糖是葡萄糖、果糖。蔗糖则需要经过酵母中的转化酶的作用,分解为葡萄糖和果糖后,再为发酵提供能源。还有麦芽糖,是由面粉中的淀粉酶分解面粉内的破碎淀粉而得到的,经酵母中的麦芽糖酶转化变成2分子葡萄糖后也可以被利用。

氧气

酵母菌在有氧和无氧的环境中都能生长,即酵母菌是兼性厌氧菌,在有氧的情况下,它把糖分解成二氧化碳和水且酵母菌生长较快。在缺氧的情况下,酵母菌把糖分解成酒精和二氧化碳。

(C6H10O5)n(淀粉 ) + nH2O → nC6H12O6(葡萄糖) 

C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+能量

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O2+能量

C2H5OH+O2→CH3COOH+H2O  醋曲(醋酸杆菌)

细菌

细菌是一类有原核细胞所组成的单细胞生物,在自然界里分布最广、数量最大。白酒生产中常见的细菌菌种有乳酸菌、醋酸菌、丁酸菌、己酸菌。
    乳酸菌是自然界中数量最多的菌种之一,大曲和酒醅中都存在乳酸菌。乳酸菌能使发酵糖类产生乳酸,它在酒醅内产生大量的乳酸,乳酸通过酯化产生乳酸乙酯。乳酸乙酯使白酒具有独特的香味,因此白酒生产需要适量的乳酸菌。但乳酸过量会使酒醅酸度过大,影响出酒率和酒质,酒中含乳酸乙酯过多,会使酒带闷。
    醋酸菌是白酒生产中不可避免的菌类。固态法白酒是开放式的,操作中势必感染一些醋酸菌,成为白酒中醋酸的主要来源。醋酸是白酒主要香味成份之一,但醋酸含量过多会使白酒呈刺激性酸味。
  己酸菌和丁酸菌是梭状芽孢杆菌,生长在浓香型大曲生产使用的窖泥中,可利用酒醅浸润到窖泥中的营养物质产生己酸和丁酸,他们是白酒重要的香味来源己酸乙酯和丁酸乙酯的前体物质。正是这些窖泥中的功能菌的作用,才产生出了窖香浓郁、回味悠长的曲酒。

在白酒的实际生产过程中,参与的微生物种类成百上千,以上所列举的只是其中的典型代表。总的来说,微生物种类越丰富,白酒的口感就越丰富,酒的品质就越高。
   现在很多有特色的大型酒厂都具有悠久的酿酒历史,他们所处的独特的地理位置和自然环境提供了独特的微生物环境,经过长期的驯化,在它们的窖池或酒醅中形成了特定的微生物群,持续地为人们提供优质的白酒。

细菌其代谢产物对白酒、黄酒和葡萄酒的香型和风味具有特殊作用。在发酵酿酒过程中,适当引入细菌还能克服白酒后味不足的缺点在酿酒工业中常用的细菌有乳酸杆菌醋酸菌丁酸菌等。

但是,并不是所有参与白酒生产的微生物都是有益菌,有的菌种本身就对白酒的品质不利,有的菌种则体现在不同的数量对白酒品质有不同方向的影响。利用传统的酿酒方式很难在短时间内有效剔除有害微生物,或者控制某种菌体的数量;同时,微生物种群与酒厂所处环境的关系如此密切,如果完全利用传统方式培养窖池、酒醅,则很难在一些新兴地区发展新的白酒企业,白酒行业的发展也会因此大受影响。

生香酵母

  生香酵母简单的说是指在生长、繁殖过程中能产生芳香气味物质的酵母。以葡萄糖或酒精为碳源,在发酵过程中能产生香味。 生香酵母具有产酯能力,它能使酒醅中含酯量增加,并呈独特的香气。酿酒制醋、酱油酿造,酿酒制醋中用到主要有汉逊酵母清香型、球拟酵母等;酱油酿造过程中使用比较广泛的生香酵母主要是鲁氏接合酵母和多变假丝酵母。

糖化酶

中国是白酒第一大消费市场,据统计2014年白酒行业销售收入5259亿元,而中国是最早用糖化曲酿酒的,同时中国的糖化曲法酿酒对周边国家产生很大的影响,如法国人——卡尔美脱才,在越南研究我国小曲,并用于酒精生产。因此在谈到糖化酶在酿酒中的作用机理时,有必要了解酒曲在酿酒中的大致过程。

糖化酶与酒曲是什么关系?

我们知道酿造白酒时一定要加入酒曲,首先,先了解酿酒大致的过程,糖化酶和酒曲在酿酒中,属于不同的阶段,酒曲是通过润湿谷物促使其发芽或生霉制成,酒曲上生长有大量的微生物,微生物能所分泌出糖化酶等酶制剂,糖化酶具有生物催化作用,可以加速谷物中的淀粉、蛋白质等转变成糖、氨基酸,也就是我们说的糖化,然后糖分在酵母菌的酶的作用下,分解成乙醇,即酒精,这就完成了酿酒的过程。

糖化酶等酶制剂能取代酒曲吗?

答案是否定的!酶制剂的添加,能有效的解决传统酒曲中酶制剂,酶活较低的缺点,因为酒曲其本质之一就是粗酶制剂,在酒的生产过程中,适当加入一部分酶制剂以代替部分传统酒曲,可降低酒的生产成本。但所产生的问题是酒的香味受到一定的影响,如添加糖化酶可提高出酒率,同时也会影响酒的口感,其主要原因是淀粉到糖的速度,在很短的时间就产生了酶,使糖没有充分发酵,出来的酒甜中带苦,不好喝,因此在一些名酒厂,传统的酒曲仍是必不可少的。

纯种根霉曲

新中国成立后,中国科学院微生物研究所等单位,收集了全国各地有名的小曲百余种,对其主要糖化霉---根霉进行了系统的分离鉴定,获得了许多优良的根霉菌种,并在全国推广。以麸皮为原料生产纯种根霉曲,不仅节约了大量上等白米和中药材,而且大幅度提高原料出酒率,这是小曲生产技术的进步。而纯种根霉曲的不足,也正体现在太过纯种,正所谓寸有所长,必有所短。而太过于单一的纯种根霉曲,必然是对于中国酒体的多样性,是一种伤害,故丰富多彩的传大小曲,必有一席之地。

微生物也是一把双刃剑,我们要好好利用他的优势,尽量不去触碰他们能够危害我们身体,精神,甚至生命的微生物。让微生物的优势在我们的生活中熠熠生辉吧。 ----白虎先生                 

2012年8月9日 19:18
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