正文 第一節 酵母(2 / 3)

(4)類脂物質包括脂肪、磷脂和固醇等脂溶性化合物。脂肪是甘油和脂肪酸組成的脂肪酸甘油酯,在酵母細胞中作為貯藏物質,以油滴狀態出現。細胞中脂肪含量受培養條件影響很大,當培養基中的碳氫比值大時,積累的脂肪就多。

細胞中的磷脂主要是卵磷脂,既可溶於水,又溶於脂肪溶劑。卵磷脂與蛋白質結合成脂蛋白,是細胞質膜和線粒體膜的組成成分。

固醇在酵母細胞中含量較多,約占幹重的1%,其中主要是麥角固醇,它是維生素D的前體。可利用酵母細胞提取麥角固醇,作為醫藥上製造維生素的來源。

(5)維生素啤酒酵母細胞中維生素含量較多,主要是水溶性的B族維生素,它是各種酶活性基團的組成部分,對酵母的生理活動非常重要。

2.啤酒酵母體內主要的酶類及性質

在發酵過程中,酵母利用糖及氨基酸類合成細胞機體,將可發酵性糖轉變成酒精和二氧化碳,同時產生醇、醛、酸、酯等副產物,這一係列的變化都是在酵母體內多種酶係的催化下完成的。酵母細胞中酶係很多,作用方式也很複雜。

五、啤酒酵母的生長與擴大培養

1.酵母的繁殖和生長

酵母的繁殖和生長可劃分為六個不同階段。

(1)調整期也稱為起始階段,是進行新陳代謝的活化過程。調整期的長短波動很大,主要取決於酵母類型、培養代數、培養條件等因素。細胞一旦開始分離就標誌著調整期結束。

(2)加速期此階段緊接調整期,細胞分離速度較快。

(3)對數增長期在對數增長期內細胞呈對數增殖,增殖速度最大並保持恒定。世代時間最短(即細胞數擴大1倍的時間),在最佳增殖條件下為90~120min。

(4)減速期因底物減少、抑製生長的代謝產物增加等,增殖速度逐漸減小,在經過一定時間的對數生長期後進入減速期。

(5)穩定期這一階段微生物的數量保持恒定,形成的新細胞數與死亡的細胞數相等。

(6)死亡期在此階段,細胞死亡數多於形成的新細胞數,細胞數減少。

2.影響酵母生長的因素

微生物的生長受到所處環境理化因素的影響極大。並不是所有微生物對環境因素反應都相同,一種環境條件對某種微生物可能是有害的,而對另一種微生物則可能是有利的。微生物可能在某些有害條件下不能生長,但卻可以忍受而不致死亡,因而必須區分環境條件對微生物存活的影響與對微生物生長、分化和繁殖的影響之間的差別。

在酵母生長繁殖的六個階段中,每個生長階段的時間長短和強度主要受底物、溫度和酵母生理狀態的影響。底物必須含有生長所必需的營養物,具備適合啤酒酵母生長的環境,如適宜的溫度、pH、通風等,才能使啤酒酵母不斷地從環境中吸收各種營養物質,細胞才能進行正常的生命活動。

(1)啤酒酵母需要的營養物質啤酒酵母需要的營養物質有水分、碳水化合物、含氮化合物、礦物質、生長因子等。

①水分:水是細胞質膠體的結構成分,直接參與代謝作用中的許多反應。水的比熱容高,能有效地吸收代謝過程中所放出的熱量,使細胞內溫度不致驟然上升;還有利於散熱,可調節細胞溫度。吸收營養物質和排泄廢物以及體內各種生化反應都需要通過水才能實現,所以啤酒酵母生長需要有水。隻有當底物水分達到15%以上時,微生物才能生長。

②碳水化合物:麥汁是啤酒酵母的天然培養基,含有酵母生長所需的可發酵性糖,並按葡萄糖、果糖、蔗糖、麥芽糖和麥芽三糖的順序依次被酵母細胞吸收和利用。單糖可直接被酵母吸收利用;雙糖、麥芽三糖需先分解為單糖後才能被酵母同化;麥芽四糖、麥芽多聚糖、異麥芽糖、潘糖和戊糖都不能被酵母發酵。成品啤酒中基本不應含有可發酵性糖,僅含有微量麥芽糖、少量麥芽三糖,並含有一定比例的低分子、高分子糊精。這些未被發酵的糖類和酒精是構成成品啤酒熱量的最主要成分。

含過高濃度葡萄糖、果糖的麥汁,常引起一種拖延發酵的遏製現象,因為高濃度的葡萄糖能抑製酵母酶的合成而不能有效地同化其他糖類。

③含氮化合物:氮是構成啤酒酵母細胞蛋白質和核酸的主要元素,也是細胞質的主要組成成分,是酵母發育的必需營養物質。

麥汁中的含氮物質必須相對分子質量小、滲透度大,才能通過細胞膜被酵母利用。啤酒酵母的胞外蛋白酶活力很低,所以酵母主要利用麥汁中氨基酸形式的氮源進行同化。酵母是以氨基酸攝取氮的,而硝酸態氮不能被絕大多數酵母利用。

麥汁中應含有足夠的氨基酸,以滿足酵母繁殖所需。如果希望酵母繁殖數量大,就需要更多的氨基酸和礦物質,實際上往往無法達到。即使通風供氧非常強烈,酵母細胞能夠達到的最高細胞濃度也隻能在108個/mL左右。主要受到麥汁中僅含有200~240mg遊離氨基氮/L的限製,而且並不是所有的氨基酸都能被酵母所同化(如脯氨酸)。

④生長素:一般包括氨基酸、嘌呤、嘧啶、維生素等。與啤酒酵母生長有關的維生素,主要是B族維生素中的硫胺素、核黃素、泛酸、煙酰胺、吡哆醇、葉酸、生物素等,它們是組成酶的活性基團的成分,如果缺少這些與啤酒酵母生長有關的維生素,酶就不能起作用,生命就會停止。

⑤礦物質:礦物質中的主要元素包括鉀、磷、鈉、硫、鎂、鈣等,這些元素是細胞結構物質的組成成分,另外還參與了細胞膜對物質的運輸、能量的轉移以及控製細胞質膠體狀態等多種生理活動,因此酵母對這些主要元素的需求量比較大。其中幾種主要元素又具有自身的生物化學作用,如磷參與碳水化合物轉化中的磷酸化過程,生成高能磷酸化合物,轉移能量,此外它還是許多重要酶的激活劑,能促進碳水化合物的代謝;硫是含硫氨基酸及一些酶活性基團的組成成分;鈉與維持細胞的滲透壓有關;鈣可以增強鎂離子在原生質膜上的作用,並能調節細胞的酸堿度。

⑥微量元素:酵母對於各種微量元素的需要量極少,一般為0.1mg/L左右。雖然需要量少,但對於啤酒酵母來說微量元素起著重要的作用,它們與酶的活動密切相關,它們或是酶活性基的成分,或是酶的激活劑。如鋅是丙酮酸羧化酶的組成部分,它可以刺激啤酒的發酵;鐵是細胞色素、細胞色素氧化酶和過氧化物酶活性基的組成成分;銅是多酚氧化酶的活性基,含量過高則對酵母有毒害作用。

(2)pHpH影響微生物的生長,影響菌體表麵蛋白質的變性或水解。每種微生物都有一個可生長的pH範圍,以及最適生長的pH。啤酒酵母屬於一種嗜酸微生物,主要在酸性條件下生長。

(3)溫度溫度是影響微生物生長的重要因子之一,對微生物的生長影響很大。溫度過低,使原生質膜處於凝固狀態,不能正常進行營養物質的運輸或形成質子梯度,因而生長不能進行;當溫度升高時,細胞內發生的化學和酶反應速率加快,生長速率增加。但溫度超過某一最大值時,開始發生失活反應,細胞功能急速下降到零。所以每種微生物都有三種基本溫度,即最低生長溫度、最適生長溫度和最高生長溫度。在最適生長溫度下,調整期和世代時間最短。微生物不僅可在最適溫度下生長,也可在一定溫度範圍內生長。對於酵母屬的啤酒酵母來說,生長溫度範圍一般在0~40℃,最適生長溫度為25~30℃。

(4)供氧供氧是保證酵母繁殖的前提條件。在有氧情況下進行的呼吸代謝,能調動酵母細胞、激活新陳代謝活動。由於形成有機化合物需要能量,可通過有氧呼吸獲取增殖所需的能量(在無氧發酵時收獲的能量遠遠不夠),並生成新細胞所需結構物質,如不飽和脂肪酸和甾醇。盡管麥汁中存在氧,但是如果麥汁中的葡萄糖含量高,會限製酵母的有氧呼吸,從而使酵母開始厭氧的發酵過程(即Crabtree效應)。即使采用更強烈的通風,也不能達到無限製地提高酵母繁殖量的目的。

(5)微生物細胞的生理狀況(代數、營養狀況)決定了調整期的長短。在對數增長期進行轉接或追加麥汁,酵母細胞代謝活化非常快。對於啤酒廠來說,如果希望起發迅速,最好采用來源於主發酵期間的酵母,並立刻添加到接種麥汁中。

3.啤酒酵母的擴大培養

接種酵母作為生產的原料之一,必須滿足具有高活力、不能帶有異類酵母或汙染物、死亡細胞比例不能超過3%、外觀需呈濃稠泥狀等條件。但由於回收酵母的微生物狀況,酵母活力因貯存時CO2、壓力、剪切力、乙醇、溫度高、時間長等因素而導致下降,在使用5~8代後應考慮更新酵母。所需的零代接種酵母,必須通過純種培養方式獲得,能夠保證達到所需生產啤酒典型的風味。

啤酒酵母的擴大培養要求:在最短時間內、無菌環境中培養出具有特定代謝產物,能夠適合正常發酵並釀製出優質啤酒、活力高、數量充足的接種酵母。因此,正確處理酵母,合理控製擴培過程,滿足酵母繁殖過程中必需的氧氣、氨基酸以及微量元素的供給,對酵母擴大培養來說十分重要。

啤酒酵母擴大培養的步驟:分離挑選出合適、健壯的酵母細胞,然後在無汙染條件下進行繁殖,直至達到接種所需的酵母添加量為止。酵母的純種培養分為3個階段:獲得合適的酵母細胞;實驗室擴大培養,直至達到5~10L高泡培養液;生產現場擴大培養,直至達到接種所需添加量。

(1)獲得合適的酵母細胞純種培養要選用經實踐證明合格、可靠的酵母細胞。酵母細胞的分離在高泡階段完成。根據林德納小滴培養法在顯微鏡下以小滴形式分離出單個酵母細胞,將許多這樣的單個酵母細胞在8~10℃與主酵溫度相吻合的情況下進行繁殖培養。接下來可以在顯微鏡下追蹤觀察酵母細胞不同階段的生長情況,並據此對酵母細胞進行挑選。借助無菌濾紙條吸取出其中最健壯的酵母菌落,置於5mL無菌麥汁中開始培養,然後逐級擴大培養,最高稀釋比例可達1∶10。

若酵母不立即使用,大多數情況下將酵母細胞保存在0~5℃的麥汁瓊脂(固體培養基)斜麵培養基上,並注入液體石蠟以防止培養基變幹。這樣處理後的樣品可保存6~9個月(酵母銀行)。

(2)實驗室擴大培養經過活化處理的5mL培養液可用來進行實驗室擴大培養。隨後的酵母繁殖(增殖)過程主要通過倒罐形式,依次將處於高泡期的培養液倒入更大的容器中來實現(擴大倍數小於10)。

超過10L的容器用金屬(不鏽鋼)製作,稱為卡氏罐。卡氏罐采用螺紋密封圈來密封,多數帶有方便運輸的手柄、無菌空氣過濾器和取樣閥,以及一根連接至罐底排空的升液管與充注軟管,軟管自身帶有管箍。卡氏罐及其中的內容物一起被加熱滅菌,然後被冷卻至接種溫度後接入酵母液。大多數卡氏罐都有帶橡皮膜的接種頭,在無菌條件下通過注射器來進行接種操作。接種量為100~200mL。通過取樣閥上的無菌空氣接頭,使無菌空氣通過垂直升液管從底部進入麥汁以促進酵母繁殖。若已達到期望的酵母細胞數,則導入經空氣過濾器過濾後的壓縮空氣將酵母液從垂直液管和取樣閥中壓出。因運輸等原因,更多麥汁量的擴大培養工作無法在實驗室內進行,所以需要在生產現場的酵母擴大培養設備中繼續進行擴大培養。

(3)生產現場的酵母擴大培養在生產現場進行的酵母擴大培養可在密閉式和開放式的酵母擴大培養設備中進行。廣泛采用密閉式酵母擴大培養設備。

密閉式酵母擴大培養設備由不同規格的密閉不鏽鋼罐組成,可分為一罐法、二罐法、同化法等多種擴大培養方法。傳統的酵母擴大培養設備由一個麥汁殺菌罐和一個增殖罐組成。麥汁滅菌罐用於對擴大培養用的麥汁進行殺菌並加以冷卻。現代酵母擴大培養係統不單獨設置殺菌罐,麥汁在酵母培養罐內加熱殺菌和冷卻,既可縮短生產流程,簡化操作,減少雜菌汙染的機會,又可節省設備費用。酵母增殖以逐級擴大的方式在不同大小的增殖罐中進行,擴大培養直到保證錐形大罐所需的最低酵母接種量。例如,常見的生產現場的擴大培養設備是0.5~1m3的1號培養罐(漢生罐)、5~10m3的2號培養罐、容納一鍋麥汁的酵母擴大培養罐等。