请问酒精发酵的基本过程是什么?
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发布时间：2022-04-24 01:52
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时间：2022-05-02 18:08
一个酵母细胞大小其直径只有5-8微米，表面积为5x-万次平方毫米。正常发酵醪中酵母细胞数含量约为1400亿／升，它的细胞表面积约为7平方米，在发酵过程中有如此巨大的细胞表面积参与物质代谢，可见其发酵作用是十分强烈的。
在发酵过程中产生的酒精可以通过酵母细胞渗出到体外。因为酒精发酵是在水溶液中进行，酒精是可以任何比例与水混合的，所以由酵母体内排出的酒精便溶于周围的醪液中。发酵中产生的CO2，由于其溶解度较小，所以发酵醪很快就会被其饱和。当CO2饱和之后，便被吸附在酵母细胞表面，直至其超过细胞吸附能力，这时CO2变为气态，形成小的气泡上升。又由于CO2的气泡相互碰撞，形成较大气泡而逸出液面。CO2气泡的上升，也带动了醪液中的酵母细胞上下游动，从而使酵母细胞能更充分地与醪液中糖分接触，使得发酵作用更充分和彻底。通常，CO2易在罐壁或细胞表面逸出。随着CO2的上升，带动了发酵醪中的酵母细胞和物料上升，有时也能使底层的物料浮于醪液表面，这种类型的发酵称作被动式发酵。如果发酵醪液较粘稠，则气泡到达液面后并不破裂，且形成的泡沫持久不散，有时泡沫还可能由罐顶溢出，造成糖分损失，这种类型的发酵称做泡抹发酵。
从上述可知，发酵过程中产生的CO2，应及时予以排除，否则对发酵会产生不利影响。产生泡沫的原因有两种，一是由于酵母的性质或介质的性质引起的，如强有力的酵母(如拉斯2号酵母) 在营养条件好，介质中又饱和了氧时，会发生泡沫发酵现象。这主要是由于酵母过分强烈繁殖与过分强烈发酵所致。减少酒母用量，可以防止泡沫发酵。二是由于发酵醪用新鲜薯干做原料，或曲子质量不好所造成。发酵时，醪液粘稠，产生的气泡到达液面并不破裂，也会造成泡沫上溢，使发酵受损失。采用消泡剂，也可以防止此种现象。
（二）酒精发酵动态
酒精发酵过程从外观现象可以将其分为如下三个发酵不同阶段：
1.前发酵期 在酒母与糖化醪加入发酵罐后，醪液中的酵母细胞数还不多，由于醪液中含有少量的溶解氧和充足的营养物质，所以酵母菌仍能迅速地进行繁殖，使发酵醪中酵母细胞繁殖到一定数量。在这一时期，醪液中的糊精继续被糖化酶作用，生成糖分，但由于温度较低，故糖化作用较为缓慢。
从外观看，由于醪液中酵母数不多，发酵作用不强，酒精分和CO2产生得很少，所以发酵醪的表面显得比较平静，糖分消耗也比较馒。
前发酵阶段时间的长短，与酵母的接种量有关。如果接种量大，则前发酵期短，反之则长。前发酵延续时间一般为l0小时左右。
由于前发酵期间酵母数量不多，发酵作用不强，所以醪液温度上升不快。醪液温度控制，在接种时为26—28℃，前发酵期温度一般不超过30℃。如果温度太高，会造成酵母早期衰老，如果温度过低，又会使酵母生长缓慢。
前发酵期间应十分注意防止杂菌污染，因为此时期酵母数量少，易被杂菌抑制，故应加强卫生管理。
2．主发酵期 主发酵阶段，酵母细胞已大量形成，醪液中酵母细胞数可达1亿／毫升以上。 由于发酵醪中的氧气也已消耗完毕，酵母菌基本上停止繁殖而主要进行酒精发酵作用。
如果此时注意加强对发酵醪进行分折，可以发现，醪液中糖分迅速下降，酒精分逐渐增多。因为发酵作用的增强，醪液中产生了大量的CO2。随着CO2的逸出，可以产生很强的CO2泡沫响声。发酵醪的温度此时上升也很快。生产上应加强这一阶段的温度控制。根据酵母菌的性能，主发酵温度最好能控制在30—34℃，这是酒精酵母最适发酵温度。如果温度太高，很易使酵母早期衰老，减低酵母活力。另外，高温也易造成细菌污染，尤其发酵醪温度高于37℃时，更易造成染菌现象的发生。
根据工厂实践经验，如果生产中冷却水量不足时，应在主发酵前注意提前通冷水，否则，待发酵醪液温度上来之后，由于发酵旺盛，醪温很难下降，从而使生产受到影响。
主发酵时间长短，取决于醪液中营养状况，如果发酵醪中糖分含量高，主发酵时间长，反之则短。主发酵时间一能为12小时左右。
3．后发酵期 后发酵阶段，醪液中的糖分大部分已被酵母菌消耗掉，醪液中尚残存部分糊精继续被曲中的淀粉-1，4 1，6-葡萄糖苷酶作用，生成葡萄糖。由于这一作用进行的极为缓馒，生成的糖分很少，所以发酵作用也十分缓慢。因此，这一阶段发酵醪中酒精和CO2产生得也少。
后发酵阶段，因为发酵作用减弱，所以产生的热量也减少，发酵醪的温度逐渐下降。此时醪液温度应控制在30—32℃左右。如果醪液温度太低，糖化酶的作用就会减弱，糖化缓慢，发酵时间就会延长，这样也会影响淀粉出酒率。
淀粉质原料生产酒精的后发酵阶段一般约需40小时左右才能完成。
上述三个阶段只是大体的划分，而不能将此三个阶段截然分开。整个发酵过程的时间长短，除受糖化剂的种类、酵母菌的性能、酵母接种量等因素的影响外，还与接种、发酵方式和发酵温度的控制有关。一般讲，接种和发酵温度高，则发酵时间短，反之则长。另外，由于连续发酵一开始即处于主发酵状态，发酵时省去了前发酵期，所以一般较间歇发酵时间为短。发酵总时间一般多控制在60—72小时左右。
(三)酒精发酵中酵母菌的酶
从酵母菌体中可以分离出二、三十种酶，但直接参与酒精发酵的只有十多种。酒精酵母不含α-淀粉酶及β-淀粉酶等淀粉酶，所以它不能直接利用淀粉进行酒精发酵。因此，在利用淀粉质原料生产酒精时，必须把淀粉转化成可发酵性糖，才能被酵母利用来进行酒精发酵。酒精酵母也不含乳糖酶，所以也不能利用乳糖进行发酵。
酵母菌体内含与酒精发酵关系密切的酶主要有两类，一类为水解酶，另一类为酒化酶。
1．水解酶类 水解酶是一类可以将简单的碳水化合物、蛋白质等类物质加水分解，生成更简单的物质的酶。酒精酵毋主要含有如下几种水解菌：
(1)蔗糖酶 能将蔗糖转化成一分子葡萄糖和一分子果糖。蔗糖酶能从酵母细胞中分泌出来，传入周围介质中，是一种胞外酶。
(2)麦芽糖酶 可将麦芽糖水解为二分子葡萄糖。麦芽糖酶最适pH为6.75—7.25， 最适温为40℃。该酶对温度较为敏感，55℃即被破坏。
(3)肝糖酶 可将酵母体内贮存的肝糖(一种类似支链淀粉，但分子量较小的物质)分解为葡萄糖。肝糖酶是胞内酶，所以它不能分解细胞外面培养液中的淀粉。
2．酒化酶 酒化酶是指参与酒精发酵的各种酶及辅酶的总称。它主要包括己糖磷酸化酶、氧化还原酶、烯醇化酶、脱羧酶及磷酸酶等。在这些酶的作用下、把糖变成酒精。由于这一类酶只能存在于酵母细胞内，而不被酵母分泌到细胞外，故称胞内酶。因为酒化酶存在于酵母细胞内，所以酒精发酵要求有强壮的酵母活细胞参与活动。
(四)酒精发酵机制
酒精发酵是研究葡萄糖怎样在酵母菌的酒化酶作用下生成酒精的。
酒精发酵是不需要氧气的过程，所以要求发酵在密闭条件下进行。如果有空气存在，酵母就不完全进行酒精发酵，而部分进行呼吸作用，使酒精产量减少。
在酒精发酵过程中主要经过下述五个阶段，十二个已知步骤：
第一阶段：葡萄糖磷酸化，生成活泼的1，6-二磷酸果糖。
①葡萄糖的磷酸化；-6-磷酸葡萄糖的生成 葡萄糖在己糖激酶的催化下，由ATP供给磷酸基，转化成6-磷酸葡萄糖。反应需由Mg 激活。
②6-磷酸葡萄糖和6-磷酸果糖的互变 6-磷酸葡萄糖在磷酸己糖异构酶的催化下，转变为6-磷酸果糖。
③6-磷酸果糖生成1，6-二磷酸果糖 6-磷酸果糖在磷酸果糖激酶催化下，由ATP供给磷酸基及能量，进一步磷酸化，生成活泼的1，6-二磷酸果糖，反应需Mg 激活。
第二阶段：1，6-二磷酸果糖*为二分子磷酸丙糖。
④1，6-二磷酸果糖分解生成二分子三碳糖 一分子1，6-二磷酸果糖在醛缩酶的催化下，*为一分子磷酸二羟丙酮和一分子3-磷酸甘油醛。
⑤磷酸二羟丙酮与3-磷酸甘油醛互变 磷酸二羟丙酮与3-磷酸甘油醛是同分异构体，两者可在磷酸丙糖异构酶催化下互相转变：
反映平衡时，趋向生成磷酸二羟丙酮(占96%％)。
第三阶段：3-磷酸甘油醛经氧化(脱氢)，并磷酸化，生成1，3-二磷酸甘油酸，然后将高能磷酸键转移给ADP，以产生ATP，再经磷酸基变位，和分子内重排，又给出一个高能磷酸链，而后变成丙酮酸。
⑥3-磷酸甘油醛脱氢并磷酸化生成l，3-二磷酸甘油酸。
生物体通过这个反应可以获得能量。
⑦3-磷酸甘油酸的生成 1，3-二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的催化下，将高能磷酸(脂)键转移给ADP，其本身变为3-磷酸甘油酸，反应需Mg 激活。
⑧3-磷酸甘油酸与2-磷酸甘油酸的互变 在磷酸甘油酸变位酶催化下，3-磷酸甘油酸与2，3-二磷酸甘油酸互换磷酸基，生成2-磷酸甘油酸。
⑨2-磷酸烯醇式丙酮酸的生成 在烯醇化酶的催化下，2-磷酸甘油酸脱水，生成2-磷酸烯醇式丙酮酸，反应需Mg 激活。
⑩丙酮酸的生成 在丙酮酸激酶催化下，2-磷酸烯醇丙酮酸失去高能磷酸键，生成烯醇式丙酮酸。烯醇式丙酮酸极不稳定，不需酶激化即可变为丙酮酸。
以上十步反应可总结为：
上述由葡萄糖生成丙酮酸的反应称作E-M途径在代谢过程中，具有重要作用。生成的丙酮酸还可以继续降解。当在无氧条件下，可生成不同的代谢产物，如：乙醇、乳酸等。有氧时，则被彻底氧化成H2O和CO2。
第四阶段：酒精的生成。
酵母菌在无氧条件下，将丙酮酸继续降解，产生乙醇。其反应过程如下
⑾ 丙阔酸脱羧生成乙醛 在脱羧酶催化下，丙酮酸脱羧，生成乙醛，反应需Mg 缴活。
⑿ 乙醛还原生成乙醇 乙醛在乙醇脱氢酶及其辅酶（NADH2)的催化下，还原成乙醇。
（五)酒精发酵中副产物的生成
在酒精发酵过程中，其主要产物是酒精和CO2，但同时也伴随着产生40多种发酵副产物。按其化学性质分，主要是醇、醛、酸、脂四大类化学物质。在这些物质中，有些副产物的生成是由糖分转化而来，有些则是其它物质转化而来。酒精发酵，希望将更多的糖分转变为酒精，而不希望将糖转变为其它产物，因此，必须了解由糖分转变为其它物质的机理，从而控制其产生。对于由别的物质产生的副产物，只要我们能够设法提纯就可以了。
1．甘油的生成 酵母菌在一定条件下培养，可以利用糖分生成甘油。正常的酒精发酵过程，发酵醪中只有少量的甘油生成，其量约为发酵成熟醪的0.3-0.5%。
在酒精发酵过程中，如果向发酵醪中加入亚硫酸氢钠，则与乙醛起加成作用，生成难溶的结晶状的亚硫酸钠加成物：
这样就会迫使乙醛不能作为受氢体，而必须由磷酸二经丙酮代替它作为受氢体。
3-磷酸甘油在3-磷酸甘油酸脂酶催化下，生成甘油。
如果使酒精发酵保持碱性条件(pH7.6），则发酵产生的乙醛也不能作为正常的受氢体，而二分子乙醛起岐化反应，相互氧化还原，生成等量的乙醇和乙酸。
此时，由3-磷酸甘油醛生成的NADH2用来还原磷酸二羟丙酮，进而生成甘油。其反应式为：
由上述反应可知，酒精发酵宜在酸性条件下进行，如果使醪液呈碱性，则会使发酵向生成甘油的方向进行。
甘油主要在酒精发酵后期产生，当发酵醪中的氮超过某种限度或发酵温度高时，会使甘油产量增多。如向发酵醪中加入NaF，会降低甘油的生成量， 但NaF的加入，其酒糟做饲料时，对牲畜有害，故应控制使用。
2．杂醇油的生成 杂醇油是一类高沸点的混合物，主要是醇类。颜色呈*或棕色，具有特殊气味。
在酒精发酵过程中，由于原料中蛋白质分解或酵母菌体蛋白质水解的结果生成了氨基酸，氨基酸进一步分解放出氨，脱羧基，生成醇。氨基被酵母菌利用合成菌体。此时生成的醇即杂醇油便存留在发酵醪中。其化学反应式如下：
在酒精发酵过程中，大部分高级醇类是当葡萄糖存在时，由氨基酸生成的。如由葡萄糖发酵生成的丙酮酸，可与胱氨酸作用生成丙氨酸和α-酮基异己酸，α-酮基异己酸再经脱羧，生成异戊醛，异戊醛经还原则可生成杂醇油的主要组成分异戊醇。另外，丙酮酸和乙酰CoA相结由于碳链的加长，当有蔗糖存在时，也可以促进高级醇生成。
在酒精发酵中，杂醇油的生成量和组成与所用原料有关，与酵母菌种及营养物质组成有关。发酵醪中如果有容易利用的氮源存在，则能阻止或延迟氨基酸的分解。杂醇油的产量一般为0.3一0.7％。其组成如表l-44。
3．琥珀酸的生成 琥珀酸的生成与发酵醪中谷氨酸的存在有关。如果向发酵醪中*加谷氨酸，则可增加琥珀酸的产量。其生成机理是
在上述反应中，受氢体是磷酸甘油醛，所以反应产物除有琥珀酸外，还有甘油生成。反应中产生的氨被酵母菌利用构成菌体蛋白，而琥珀酸与甘油则积累于发酵醪中。
4．乳酸发酵 某些乳酸细菌具有乳酸脱氢酶，能以丙酮酸作为受氢体而生成乳酸。
5．醋酸的生成 如果发酵醪被醋酸菌污染，这时醪液中的酒精分会被醋酸菌氧化生成酸，其反应式为：
在酒精发酵过程中，如果发酵醪中的挥发酸明显增高，往往是由于污染了醋酸菌的缘故。发酵醪中醋酸的生成，直接造成了酒精损失，这是酒精生产不希望产生的。
6．丁酸的生成 发酵中间产物--乙醛进一步合成，或由于细菌污染，都会引起丁酸的生成。
从上述可知，酒精发酵过程中副产物的生成，有些是由于酵母菌的生命活动引起的。如甘油、杂醇油、琥珀酸的生成。有些则是因为细菌污染所致，如醋酸、乳酸和丁酸的生成。消耗的物质，有糖分，也有蛋白质及其分解产物。对于能直接引起糖分消耗，产生发酵副产物的现象，应当特别加强控制，尽量不使其产生。对于由其它物质形成的副产物， 则应在蒸馏过程中进行提取，否则会影响酒精质量。
