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啤酒厂糖化工艺心得(上)
时间:2014/3/25    作者:编辑:赵越    文章来源:《酒·饮料技术装备》2013年第三期
    当询问消费者啤酒厂是什么样子,他们中大多数人会谈到大型铜制或不锈钢制容器,然后开始描述糖化间。因为糖化间给他们留下的印象最深。对于啤酒酿造者而言,糖化间更具有特别的意义,因为糖化间的操作对啤酒的最终品质有重要影响。
 
    糖化操作包括麦芽粉碎、糖化、麦汁制备、麦汁煮沸、热凝固物分离、麦汁冷却等工序。由于“麦汁冷却”工序在空间上常常与发酵更近,有时把麦汁冷却与发酵操作放在一起考虑。
 
    糖化的目的是为了把麦芽中的淀粉转化为糖类,从而可以被酵母发酵。但是,也并不仅局限于糖类的形成。从麦芽中,也将榨取出其它对发酵及啤酒重要的物质。它们包括啤酒泡沫相关的蛋白质以及酵母需要的游离氨基氮等。在糖化间制备的麦汁特性将决定最终啤酒的类型。合适的麦汁应当能够提供所有随后发酵工序中酵母新陈代谢所需要的物质。
 
    一、粉碎
 
    在进行粉碎操作时,麦芽或未发麦芽谷物(当使用未发麦芽的谷物时)都将被粉碎。这样,在糖化时,糖化水能充接触谷物的内部。粉碎时,需要注意是否所有谷物都破碎了。在麦汁制备的后续工序中,粉碎的皮壳成份可以起助滤剂的作用。如果皮壳的尺寸被粉碎的过小,在过滤时可能会出现一些问题。挑选的过滤系统(过滤槽或麦醪过滤机)对推荐的碎麦芽组成有影响。碎麦芽组成指的是根据颗粒尺寸划分的不同成份所占百分比。表1揭示了一个过滤槽和麦醪过滤机的例子。
 
    表1. 采用过滤槽和麦醪过滤机时的碎麦芽组成
 
成份
过滤槽碎麦芽(%)
麦醪过滤机碎麦芽(%)
皮壳
18
11
粗碎麦芽
8
4
细碎麦芽I
35
16
细碎麦芽II
21
43
粗磨粉
7
10
粉末
11
16
 
 
    最常用的麦芽粉碎机可能是那种辊式粉碎机(辊筒对在稍微不同速度下以相反方向旋转)。为了避免谷物漏过,辊筒是带拉丝的。标准粉碎机根据辊筒的数量可分为2辊、4辊、5辊和6辊等不同型号。在这里不讨论类似于锤式粉碎机的这种特殊麦芽粉碎机。
 
    2辊粉碎机是最简单的麦芽粉碎机类型,包括两个辊筒。其中一个可以调整,用以改变辊筒间隙。此类机型价格合理,占据空间小,但对麦芽品质的要求高,尤其是就变异麦芽而言。
 
    4辊粉碎机有两对辊筒,其设计与2辊粉碎机相同。第一对辊筒粗略地粉碎谷物。第二对辊筒间隙比第一对更小,可以进一步地粉碎谷物。由于两个独立的粉碎过程并不能带来任何可观的益处,因而在进行第二次粉碎工艺前,为了分离更细的成份(粗磨粉和细碎麦芽)以及再次粉碎更粗的成份(壳皮和粗碎麦芽),通过一个筛子筛选待粉碎的碎麦芽有一定的实际意义。
 
    这个工艺流程在5辊粉碎机和6辊粉碎机中得到了很好的体现,它们把中间筛选与三个粉碎过程结合起来。其工艺流程具有以下优势:其一谷物充分粉碎,同时又不会过度的损伤皮壳。另一方面,由于碎麦芽粉碎机是可调整的,可以根据麦芽品质和随后工序设置碎麦芽的组成。其二,可以分离皮壳。例如,当采用一台麦醪过滤机时,可以减少前往糖化的皮壳的百分比,而且也可以在更晚的时间点加入皮壳,而不是在糖化的开始阶段,这样,从皮壳中滤出更少不需要的物质。
 
    麦芽调湿,正如其名称所示,在破碎前,轻微弄湿麦芽,让粉碎更容易。皮壳变得更有弹性而且在不需要彻底粉碎的情况下更容易磨碎。湿磨是一种特殊的粉碎类型。首先把麦芽浸在水中,然后粉碎,通常实用在2辊粉碎机中。采用这种方法,几乎不会损伤皮壳。
 
    二、糖化
 
    在糖化时,谷物中的淀粉、蛋白质和树胶将发生分解。多元酚、脂类和矿物质等其它成份也将发生转化和改变。
 
    淀粉降解酶负责分解淀粉。主要的酶有:α淀粉酶、β淀粉酶、麦芽糖酶、蔗糖酶、极限糊精酶、R-酶。这些酶的最佳功效与糖化温度和糖化pH值成函数关系。这些酶也有失活温度,超过该温度,不会再发生作用。见表2。
 
    表2. 淀粉分解中相关酶的最佳功效和失活温度
 
    (在未煮沸麦芽浆中)
 
 
pH
温度(℃)
失活温度(℃)
α-淀粉酶
5.6~5.8
70~75
80
       β-淀粉酶
5.4~5.6
60~65
70
麦芽糖酶
6.0
35~40
40
蔗糖酶
5.5
50
55
极限糊精酶
5.1
55~60
65
R-酶
5.3
40
不在70℃时
 
    麦芽中的淀粉由两种成份组成,直链淀粉和支链淀粉。两种成份都包括以不同方式相互粘结的葡萄糖分子。在支链淀粉的情况中,将引起支链和侧链的形成。由于两种成份有不同的结构,所以需要不同的酶分解它们。β淀粉酶从链端开始分解淀粉,因此分解出麦芽糖分子。α淀粉酶从内部开始分解淀粉链,因此分解出大糖分子,称为低聚糖,由几个葡萄糖单位组成。在支链淀粉的情况中,α淀粉酶也从内部分解淀粉。由于淀粉酶有不能分解的支链,因而出现了更大的分子,也就是形成了淀粉提取糖。这些淀粉提取糖是具有支链的低聚糖。当第二个葡萄糖单位出现支化,这些称为有限糊精(它们可以被极限糊精酶分解)。最终的产物是更小的糖类,例如麦芽糖或麦芽三糖。其中一些糖类是可发酵的,一些不可以。被目前所提及酶分解的麦芽糖可以被麦芽糖酶进一步分解成两种糖分子。蔗糖酶把蔗糖分解成葡萄糖和果糖。R酶与极限糊精酶的分解方式一样,也分解糊精和支链淀粉。在这种情况下,也形成了糖类,例如麦芽糖和麦芽三糖。
 
    理论上说,除了葡萄糖单位,通过适宜的温度控制以及维持不同酶的最佳温度,可以完全分解麦芽中的淀粉。但是在工业操作上而言,这是不可能的。例如,当α淀粉酶是活跃并且分解链的时候,从链端攻击链的β淀粉酶不再有活性。由于β淀粉酶不再有活性,它不再能够从链端分解更小的分子链。在啤酒厂,若通过采用不同糖化方法可在很大程度上解决该困境。
 
    糖化方法,尤其是选择的温度和其它因素,对最终麦汁的糖类成分有很大影响,因而也对成品啤酒的特性有很大影响。在糖化结束时,麦芽浆应当没有淀粉残留物。大多数情况下,利用碘样品检查是否有淀粉残留物是最简单且准确的方法。因为碘沉积在淀粉分子结构中,将会变成蓝色;当麦芽浆中没有淀粉时,将没有任何变化。所以当检测时,一小份麦芽浆样品放置在一张白色滴试板上,然后滴入碘溶液,很快就会显现颜色。
 
    糖化时,负责分解蛋白质的酶可以细分成两大类:肽链内切酶和肽链端解酶。肽链内切酶在分子结构的内部分解蛋白质,肽链端解酶从蛋白质分子的链端分解蛋白质。依靠活跃的肽链端解酶,分离出不同的片段。主要是羧肽酶,它分解出氨基酸并且在4.8~5.6的最佳pH时,最佳温度为50℃。对于其它肽链端解酶,为了取得有效的分解,糖化pH必须在6.0以上。
 
    蛋白质分解重要的原因有以下几点:后续工序中,酵母尤其需要游离氨基氮(EAN)作为营养物质,EAN量不够将引起发酵混乱;较高分子量的蛋白质对啤酒的最终组成很重要,如果麦芽中高分子量蛋白质混合物部分分解,主要由蛋白质组成的啤酒泡沫的量将会不足。
 
    糖化时,50℃下的“蛋白休止”尤其重要。但是,我们也应当记住,一些蛋白质组分在成品啤酒中也会引起问题,例如形成浊雾。不幸的是,不能像用碘检测淀粉分解那样轻松检查蛋白质的分解情况。需要在试验室检测蛋白质的分解。利用这些试验室检测方法测量不同蛋白质组分的数量。
 
    多糖和树胶是谷物细胞壁中的成份。在发芽时,它们大部分被分解。但是谷物中仍然包含未分解的物质和分解产物。如果它们进入麦芽浆,它们在麦汁制备和成品啤酒过滤时,将可能产生问题。因而需要β-葡聚糖酶和戊聚糖酶分解这些物质。
 
    尤其是在β-葡聚糖酶对其分解时,内-β-1,4葡聚糖酶、内-β-1,3葡聚糖酶和β-葡聚糖-增溶酶(solubilase)起到了作用。第一个提到的酶,其最佳条件是温度为40℃~45℃并且pH为4.5~4.8,内-β-1,3葡聚糖酶的最佳温度为60℃并且最佳pH为4.6。
 
    β葡聚糖-增溶酶最佳温度为62℃,最佳pH为6.6~7.0。所有与糖化相关的戊聚糖酶,其最佳温度大约为45℃。属于戊聚糖酶的内切木聚糖酶和外切木聚糖酶,它们的最佳pH为5.0。阿拉伯糖苷酶的为4.6~4.7。
 
    考虑与多糖和树胶分解相关酶的最佳温度时,将有以下情况发生:在糖化时,发芽形成的游离树胶及它们的分解产物直接进入溶液,这将提高麦芽浆的粘度。在35℃~50℃之间,这些物质将分解,粘度下降。在45℃~55℃之间,提取物中将释放β-葡聚糖,该物质再一次又非常缓慢的发生分解。在60℃~70℃之间,β葡聚糖-增溶酶释放粘结至蛋白质的β葡聚糖。在麦芽浆中,它的浓度基本上保持不变。这个方案表明在随后麦芽浆中发现的β-葡聚糖主要来自麦芽原材料,并且在糖化时,将产生较小影响。
 
    糖化时,将产生或改变多元酚和脂类以及其它物质例如磷酸盐。糖化时,可以通过控制改变麦芽浆、麦汁和成品啤酒中的多元酚含量。多元酚主要来自麦芽皮壳,并且经过浸析进入麦芽浆。一些多元酚通过沉淀或氧化反应被沉淀或变成“无害的”,但是一些仍然留在麦芽浆中。它们的作用蛮有趣的,尤其是与一定量蛋白质和成品啤酒中相关浊雾发生反应。我们也不应当看低它们对啤酒味道和泡沫的影响。特别是多元酚与称为花青素元的比例(也就是所谓的聚合指数),也包括一些丹宁酸,起到了主要作用。当多元酚与花青素元的比例不理想或者当多元酚受到氧化影响但没有被沉淀,味道将变坏,呈现一种较强且持久的苦味。在糖化和煮沸时,多元酚也有助于沉淀反应,从而减少随后可能引起浊雾的蛋白质数量。但是,也有危险可能出现泡沫相关蛋白质发生沉淀,导致啤酒泡沫受影响。
 
    低麦芽浆pH值、低残留酿造液碱性、温和麦芽粉碎、少量皮壳粉碎——这些都是取得良好多元酚与花青素元比例的基础。
 
    大麦谷物也包含脂类,在发芽时大部分脂类发生分解。因而,麦芽浆含有较大数量的脂肪酸。它们会很时显的影响成品啤酒中的口味稳定性,它们一定会给泡沫的特性带来不利影响。但是人们已经发现,糖化工序在影响麦汁中脂肪酸含量上仅扮演次要角色,相对来讲过滤、麦汁煮沸和热凝固物分离的影响更大。酵母也会增加啤酒中的脂肪酸量。根据以上判断,不应当把麦汁中的脂类含量用于指示啤酒中的值。
 
    在糖化时,麦芽中的磷酸酶将分解麦芽中的磷酸盐,并且释放出磷酸。这样导致,麦芽浆的pH值进一步降低。尤其是在50℃~53℃时,在很大程度上相当于蛋白休止的温度。因而,我们不难奇怪,在糖化的该个时间点,麦芽浆pH值显著下降,从而反过来提高了许多酶的活性,加快分解了淀粉和蛋白质。
 
    三、不同的糖化方法
 
    关于酶和它们最佳效力的详细解释对于没有经验的啤酒酿造者看起来可能非常困惑和复杂。但是,该知识对于选择合适的糖化方法非常重要,因为通过改变糖化方法可以解决现存的问题。糖化方法主要可以分成两组:浸出法和煮出法。
 
    在浸出法中,整个碎麦芽用冲击水捣碎,然后加热。到达预先确定的温度时,在一段预先确定了的时间(也就是所谓的休止)内停止加热,然后维持之前时间点的温度。在休止结束时,继续加热,一直到达到下一个预先确定了的温度。最后,麦芽浆前往过滤槽或者麦醪过滤机用于制备麦汁。在煮出法中,整个碎麦芽也用冲击水捣碎。但是,在加热时,取出所谓的部分麦芽浆。这部分麦芽浆包括部分麦芽稠浆。将该部分麦芽浆煮沸返送至剩余麦芽浆中。这将提高整片麦芽浆的温度。煮出法又可细分成采用一部分、两部分或者三部分麦芽浆的方法。
 
    尽管有许多不同的变化方法和特殊糖化方法,上述这些仍然是主要的方法。实际上可以称该方法为“经典”糖化方法。在该方法的工艺流程中,酿造用碎麦芽例如使用的麦芽,冲击水例如用于糖化的水数量,在糖化温度下,都放在一起。然后是加热过程并且在特定温度下(与多种酶的最佳温度相一致)进行休止。采用这种方式,啤酒酿造者为酶提供了可以在相应最佳温度下进行分解活动的机会。
 
    酿造用碎麦芽和冲击水的质量比取决于啤酒的类型以及其它诸如麦芽质量的因素。在制造淡啤酒时,通常采用1∶4的比例(100kg麦芽,400kg水),对于深色的麦芽例最好是1∶3。
 
    啤酒酿造者打算采用什么糖化系统,与糖化时的温度有关。对于非常好的改性麦芽,实际上更高的糖化温度是可行的,在50℃时可发生糖化。在一些实例中,在62℃时都没任何问题。下面,我们将讨论一个经典浸出法并且对不同工艺进行更详细的描述。
 
    糖化时35℃,休止15分钟:麦芽浸入水中,大多数水溶性物质,特别是酶,将溶入水中。已经开始拥有活性的酶在后面将有更好的效力。麦芽糖酶已经具备了最佳温度,但是可以利用的麦芽糖比例非常低,因为其它酶还没有发挥作用。这里麦芽糖变软了,并且结构成份也开始溶入溶液。稍后在更高温度时,将促进蛋白质水解的发生。β-葡聚糖将被分解。
 
    加热至50℃,加热速率1K/分钟,休止30分钟:所谓的“蛋白休止”为大多数蛋白水解酶提供了最佳温度。更高分子量蛋白组分发生了分解,并且释放出了对后面发酵重要的氨基氮。β-葡聚糖的分解继续。而目前为止仍然有部分被结构成份包围的淀粉谷物开始在酶作用下发生分解。
 
    加热至62℃,加热速率1K/分钟,休止40分钟:β淀粉酶在其活性的最高点,淀粉开始全面进行分解。β-葡聚糖分解几乎停止,当β-葡聚糖增溶酶处于其最佳温度下,β-葡聚糖的释放速度加快。
 
    加热至70℃,加热速率1K/分钟,休止45分钟:α淀粉酶达到其活性的最高点,糖化作用继续进行,碘样品揭示了糖化作用的结束。在大多数情况中,这比休止结束要早得多。但是,由于其它葡聚糖正在分解,仍然需要维持该休止状态。
 
    加热至78℃,加热速率1K/分钟,休止10分钟:尽管α淀粉酶的活性显著下降,但仍具有活性。在该温度下,进化糖化后工序,例如麦芽浆转移至过滤槽或者麦醪过滤机,以便分离出麦汁。
 
    上述所述的1K/分钟加热速率是一个下限值。从技术的角度看,再降低麦芽浆的加热速度是不可取的。
 
    在整个糖化过程中,应当搅拌麦芽浆,从而确保彻底的混合以及提高酶接触足够数量酶作用物的概率。但是,搅拌过程不应过于激烈,因为有可能使麦芽浆摄入过量的空气,而空气中的氧气会引起不必要的氧化反应。
 
    所述的整个糖化过程花费不到3个小时。所提及的休止期是参考值。根据原材料以及拟生产的啤酒类型可以改变它们。但是,熟悉在不同温度阶段发生的工序非常重要,因为,改变时间以及在较小程度上改变温度,都对成品啤酒的参数有极大影响。改变麦芽浆参数也为啤酒酿造者提供了通过反应改变麦芽的机会,从而为较差的麦芽品质做些补偿,至少有部分作用。
 
    浸出法表明,在一些情况中,酶发挥全效的时间有点太晚,例如“顺序错误”中酶发挥出全部活性。另外浸出法还有一个缺点是麦芽原料仅通过酶的作用以及一些搅拌辅助作用发生分解和蒸煮。煮出法尝试把这些缺点的影响将至最低。在煮出法中,糖化发生的方式与浸出法的相同,但是,随后,取出了所谓的部分麦芽浆,例如从主麦芽浆中分离出了部分麦芽浆,并且放在一个独立容器中进行处理,在大多数情况下,将它们煮沸。煮沸可以让麦芽中包含的淀粉得到更好得多的煮解,从而让酶更容易分解它们。同样地,通过在加热部分麦芽浆时提供休止,可以达到一些酶或酶组的最佳温度,从而使部分麦芽浆中的物质发生分解。在煮沸后,把它们再放入主麦芽浆,在整片麦芽浆体更低的温度下,其它在更低温度下有效的酶可以获得最佳温度下的活性。
 
    正如之前所述的,目前业内存在几种不同的煮出法。在本系列中,将通过例子详细阐述一种煮出法。三次煮出法的名称得自提取浓麦芽浆三次并且在每一种情况都煮沸。在35℃下进行糖化,在搅拌时休止20分钟,然后停止搅拌时再休止5分钟。糖化比例为1∶3。基于与浸出法相同的技术考虑,确定温度和休止时间。在没有搅拌时的5分钟休止期间,允许固体麦芽成份发生沉淀。随后,从糖化容器的底部取出第一部分所谓的浓麦芽浆(浓麦芽浆1∶2至1∶1.25)。大约取出了整片麦芽浆体的三分之一,表示为部分麦芽浆。剩余的主麦芽浆显著变稀,但是含有了一组酶。因为在35℃下的20分钟休止时,麦芽中的许多酶进入溶液。但是在浓麦芽浆中,在进行随后的浓麦芽浆处理时,其内拥有足够多量的酶按要求进行分解过程。(未完待续)
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