啤酒大生产中木聚糖酶的应用研究
1木聚糖酶应用概况
木聚糖是自然界中的一种丰富的再生资源，是最具代表性的半纤维素，占半纤维素的1/3～1/2，是除纤维素外，自然界中最丰富的多糖。与纤维素相比，半纤维素更易被微生物降解转化，降解产物木糖在酶的作用下可转变为乙醇。低木聚糖是倍受关注的一种功能性低聚糖，具有广泛的应用价值，低甜度、低热量、难被人体消化吸收，具有显著的双歧杆菌增值能力，可被发酵，基本不增加血糖血脂，有润肠通便功能。在木聚糖水解酶系中木聚糖酶是最关键的水解酶，通过水解木糖分子β-1，4-糖苷键，将木聚糖水解为木寡糖和木二糖等低木聚糖及少量木糖和阿拉伯糖。木聚糖水解酶系（Xylanolytic enzyme system）包括β-1，4-内切木聚糖酶、β-木糖苷酶、α-L阿拉伯糖苷酶、α-D葡糖苷酸酶、乙酰基木聚糖酶和酚酸酯酶，可降解自然界中大量存在的木聚糖类半纤维素。木聚糖酶可从动物、植物和微生物中获得，目前木聚糖酶生产主要为真菌和细菌等微生物的发酵。
木聚糖酶应用现状方面。饲料行业是较早应用的领域（其可破碎植物细胞壁，提高营养成分利用率及增殖肠道内的双歧杆菌，促进畜禽对饲料的吸收率）；造纸行业利用木聚糖酶解聚凝结于纤维表面的半纤维素，增加漂白剂与纤维的接触面积，提高漂白效率；食品工业中，利用木聚糖酶提高面团的柔软性和拉力，从而提高食品的伸展度，改善产品的质地、结构和保质期；还有低聚木糖的应用，如木糖醇是由木聚糖酶降解产物木糖单体衍生而成，是当前市场上畅销的糖类替代品；在酿酒工业中，木聚糖酶一方面可作用于谷物细胞壁中的木聚糖，加快淀粉酶的作用，提高发酵率，增加酒精的产率，另一方面利用木聚糖酶作用于半纤维素层，降低发酵液粘度，避免过滤时膜的堵塞，改善啤酒口感和提高清亮度；另外，木聚糖酶在医药工业、纺织工业、去污洗涤等行业中也有广泛的应用。
2 木聚糖酶在大生产中应用分析
基于实验室的研究，在大生产中选择复合木聚糖酶A进行试验分析。其中，在糖化过程主要研究麦汁的得率、黏度、戊聚糖、总氮、碘值、过滤情况等；发酵过程主要研究戊聚糖含量的变化、成熟发酵液风味物质以及冷凝固物情况；对成品酒进行综合分析等。
2.1工艺特性
选择40%大米+45%麦芽+15%小麦芽，木聚糖酶A添加量为0.02%，在混合醪液刚泵入糖化锅时添加，其他的根据工艺要求执行。其中，4批次进一发酵罐，共试验32批次8罐。其中主要工艺如下说明：
糊化：37.0℃ 92.0℃
糖化：45.0℃ 63.0℃ 68.0℃ 76℃ 过滤`
煮沸：70min ，煮沸强度：6.0%±1.0%
发酵：主发酵9.0℃。
2.2糖化过程参数与指标分析
在对试验的32批次麦汁中，对过程参数以及定型麦汁进行相关指标统计分析，见下表1。
表1 大生产实验1#-32#麦汁相关指标分析
批次# 过滤时间min 煮沸强度% 得率% 黏度cp 热凝固氮mg/l 总氮mg/l 抗老化值TBA 戊聚糖mg/l 碘值 麦汁稳定性
1 56 5.8 78.8 1.84 8.9 841 0.213 2321 0.21 0.41/2.30/7.05
2 54 6.7 77.6 1.85 11.2 824 0.221 2453 0.19 0.93/3.13/7.21
3 56 6.4 76.7 1.87 8.6 827 0.241 2416 0.25 1.01/3.43/8.07
4 55 6.9 77.2 1.83 10.3 822 0.189 2513 0.23 1.52/4.75/8.94
5 53 5.8 76.5 1.85 7.9 842 0.178 2329 0.15 0.49/2.56/6.45
6 53 6.8 77.3 1.84 8.7 805 0.165 2458 0.18 1.05/3.38/7.54
7 56 5.9 77.5 1.89 8.9 837 0.177 2319 0.16 1.64/4.12/8.31
8 61 7.0 77.4 1.82 7.5 832 0.216 2484 0.23 0.87/3.80/7.11
9 57 6.0 76.4 1.93 8.4 868 0.213 2357 0.24 0.54/3.82/8.44
10 56 6.7 76.2 1.86 8.9 817 0.228 2430 0.21 1.25/4.12/8.16
11 60 6.8 76.1 1.91 8.2 828 0.264 2412 0.17 0.87/4.00/8.16
12 47 6.8 76.9 1.88 8.3 793 0.156 2576 0.18 0.84/4.11/8.43
13 55 6.7 76.0 1.85 7.6 816 0.171 2594 0.22 0.80/4.19/8.10
14 56 6.6 76.9 1.85 8.6 803 0.194 2315 0.21 1.23/3.98/8.02
15 57 6.8 77.0 1.86 9.4 832 0.218 2302 0.25 1.50/4.89/8.35
16 52 6.0 77.3 1.84 8.1 819 0.264 2306 0.29 1.24/4.35/8.63
17 55 6.3 74.8 1.89 8.3 799 0.222 2455 0.16 0.49/2.31/7.16
18 62 6.1 77.9 1.84 8.4 840 0.256 2212 0.17 0.75/3.11/7.45
19 55 6.8 78.1 1.90 7.4 838 0.167 2294 0.16 0.72/3.19/7.42
20 52 6.1 78.2 1.88 8.4 850 0.170 2219 0.15 0.77/3.05/7.16
21 58 6.5 76.9 1.82 8.6 858 0.200 2344 0.18 0.84/3.46/7.53
22 53 6.2 76.0 1.89 8.0 851 0.216 2218 0.21 1.00/4.06/8.64
23 59 6.8 77.1 1.93 9.2 831 0.245 2487 0.22 1.59/4.57/8.50
24 54 6.4 76.8 1.87 8.1 815 0.213 2510 0.21 0.84/3.50/7.59
25 52 6.9 77.7 1.85 8.1 864 0.198 2443 0.16 0.89/3.61/7.98
26 64 6.4 76.0 1.89 8.3 859 0.154 2356 0.22 1.02/3.67/8.00
27 53 6.7 75.8 1.90 7.4 867 0.162 2278 0.21 0.42/2.06/6.16
28 54 5.9 76.1 1.91 7.6 865 0.213 2246 0.26 0.59/2.88/7.50
29 55 5.8 76.4 1.85 8.9 864 0.233 2359 0.16 1.58/4.86/9.06
30 56 6.5 76.4 1.87 7.6 835 0.241 2416 0.18 0.55/3.29/7.16
31 60 6.7 77.8 1.89 7.9 854 0.215 2256 0.17 0.75/3.84/8.13
32 55 6.1 76.8 1.84 8.0 837 0.170 2217 0.18 0.64/3.57/7.99
平均X 55.7 6.43 76.9 1.86 8.4 835 0.210 2371 0.20 0.93/3.93/7.83
最大值 64 7 78.8 1.93 11.2 868 0.264 2594 0.29 1.64/4.89/9.06
最小值 47 5.8 74.8 1.82 7.4 793 0.154 2212 0.15 0.41/2.06/6.16
标准偏差S 3.31 0.38 0.82 0.30 0.79 20.56 0.03 105 0.03 0.36/0.73/0.68
S/X 0.059 0.059 0.011 0.161 0.094 0.025 0.143 0.044 0.15 0.39/0.19/0.087
备注：麦汁稳定性指敏感蛋白的差异。
2.2.1麦汁过滤情况分析
在过滤情况分析中，麦汁过滤时间相对控制在47~64min，平均为55.7min，S为3.31，S/X值为5.9%，过滤时间较为稳定。其中，测试某批次麦汁过滤耕糟刀与流速的变化情况，结果表明，在刚过滤时，耕糟刀下降到底部10~80mm之间，流速也降到20~15hl/h，随着过滤与耕糟的同时进行，耕糟刀也逐渐上升到160mm处，过滤流速也提高到55~65 hl/h之间，在过滤30min后，随着糟层密实度增加，耕糟刀下降到80~120mm，过滤流速也下降到55~40hl/h，后耕糟刀在120~160mm之间逐步稳定至过滤结束，在整段过滤过程中相对流速较稳定，耕糟刀也较稳定保持一高度进行运行，整体过滤情况良好。其中，在麦汁黏度方面也进一步证明了过滤的良好性。
2.2.2得率与总蛋白分析
从表中分析，各批麦汁得率控制在74.8%~78.8%，平均为76.9%，S为0.82，S/X值为1.1%，相对较为稳定，在前工艺中（40%大米与60%麦芽）得率约为77.0%，可见整个系统控制良好。这点也可在总蛋白方面得到验证。
2.2.3麦汁稳定指标分析
小麦芽由于蛋白含量较高等因素会引起麦汁的浑浊影响其稳定性。研究中从热氮进行分析，各批麦汁热氮控制在7.4~11.2mg/l，平均为8.4，S为0.79，S/X值为9.4%，总体96.9%＜10mg/l，较为稳定。在麦汁的敏感蛋白分析中，通过加入不同微量的单宁引起的浑浊度差值判断稳定性，单宁添加量分别为 2.5、5、10ppm，从分析结果来看，麦汁浑浊激发点差异较大，平均为0.93，S为0.36，S/X值为39%，这可能与蛋白分子量大小的分布有密切关系，后面两点差异性较小，但同样也存在着分子量大小分布问题，其中，各批次平均值为0.93/3.93/7.83，总体情况正常。在抗老化值TBA方面情况良好，平均为0.214，S为0.03，S/X值为14.3%。
2.2.4戊聚糖方面分析
从分析结果来看，各批次麦汁戊聚糖含量控制在2212~2595mg/l，平均为2371，S为105，S/X值为4.4%，总体情况良好。为进一步分析黏度与戊聚糖含量的关系，利用散布图进行分析，发现各点黏度上都对应着2~6个戊聚糖值，分散度较大，没有明显的关系，如：黏度值为1.85对应6个戊聚糖值，最小为2315mg/l，最大为2594mg/l，等。对各相同黏度中各戊聚糖含量进行总平均后作黏度与戊聚糖含量的关系图，随着各黏度值的增加，戊聚糖含量与之没有明显的线性关系，可见，戊聚糖中各高中低分子含量的分布是影响麦汁黏度的主要因素，这与上在实验室研究的结果一致。
2.2.5碘值分析
碘值为一量化指标，可以更为明确的反映糖化过程淀粉的分解情况，从上分析可见，各批麦汁碘值控制在0.15~0.29，平均为0.20，S为0.03，S/X值为15%，相对较为稳定，糖化较为完全。
5.2.6小结
从上各点研究数据表明，在该糖化工艺的条件下，麦汁过滤性能良好，麦汁稳定性等各方面指标正常，总体情况良好。
2.3发酵过程分析
发酵过程主要研究影响最终酒体稳定性的各指标，其中对戊聚糖的变化进行分析。
5.3.1戊聚糖含量变化分析
选择三罐进行发酵全程分析，其他各罐发酵关键分析点为：麦汁混合、满罐2天、封罐、降温至5.0℃、贮酒5天。实验结果表明，戊聚糖含量在发酵4天后约降了10%左右，5~8天后约降了13~14%，9~14天分别降了18%、23%、24%、30%、32%、34%左右，14天后保持稳定，也就是说，整个发酵阶段戊聚糖含量约降了35%左右；通过明确各关键控制点的戊聚糖的变化情况，根据加权分析后各关键控制点分别比混合麦汁戊聚糖下降了9.2%、13.4%、23.7%和34.4%，其中从封罐到贮酒阶段约降了20%左右，前面主发酵阶段约降了13%左右，这些主要是本身酵母代谢与冷凝固物排放的原因，具体的原理待研究。
2.3.2冷凝固物分析
在发酵过程中对于冷凝固物的排放有相应的工艺要求，一般为在满罐后隔段时间进行排放，同时在贮酒过程中间段排放，以达到提高酒体稳定性的目的。本研究在试验的8罐中，在发酵过程中按要求排放冷凝固物后，主要分析滤前冷凝固物的情况。主要试验如下：
取样方式：A、排冷凝固物1.5KL后取样一次；B、排冷凝固物3KL后取样一次；C、排冷凝固物完后取样一次。
样品处理：样品盛于500ml量筒中于冰水中，在冰箱中静置隔夜后取上清夜进行分析。
分析项目：冷凝固物溶液分层情况；未澄清的冷凝固物溶液：酵母数、镜检；隔夜后上清液：浊度、气相风味物质等。选择3罐具体数据见下表2，其他各罐数据略。
表2 各罐冷凝固物情况分析
项目 9#罐 18#罐 23#罐
A B C A B C A B C
冷凝固物溶液分层 约160ml上清液，
340ml冷凝固物
上清液比为32% 约270ml上清液，
230ml冷凝固物
上清液比为54% 约380ml上清液，
120ml冷凝固物
上清液比为76% 约150ml上清液，
350ml冷凝固物
上清液比为30% 约240ml上清液，
260ml冷凝固物
上清液比为48% 约350ml上清液，
150ml冷凝固物
上清液比为70% 约180ml上清液，
320ml冷凝固物
上清液比为36% 约300ml上清液，
200ml冷凝固物
上清液比为60% 约390ml上清液，
110ml冷凝固物
上清液比为78%
酵母数千万/ml 5 1.8 0.7 7 2.3 0.9 4.5 1.2 0.6
镜检 酵母团蛋白、晶体 酵母团蛋白、晶体 酵母团蛋白、晶体 酵母团蛋白、晶体 酵母团蛋白、晶体 酵母团蛋白、晶体 酵母团蛋白、晶体 酵母团蛋白、晶体 酵母团蛋白、晶体
浊度EBC 0.78 0.76 0.69 0.84 0.86 0.78 0.80 0.81 0.72
0.72（贮酒发酵液） 0.80（贮酒发酵液） 0.74（贮酒发酵液）
乙醛mg./l 11.3 10.3 8.4 13.5 11.5 11.1 10.9 9.8 9.2
10.0（贮酒发酵液） 9.81（贮酒发酵液） 9.39（贮酒发酵液）
醇：酯 3.46 3.32 3.29 3.59 3.64 3.46 3.25 3.38 3.40
3.54（贮酒发酵液） 3.33（贮酒发酵液） 3.38（贮酒发酵液）
从上表中分析可见，冷凝固物溶液分层上清液约75%左右，酵母数约0.7千万/ml，属正常范围；镜检方面夹杂着蛋白、晶体物质和酵母团；在上清液与贮酒发酵液的分析中，浊度与风味物质均正常。
2.3.3贮酒风味物质分析
对贮酒风味物质进行分析，取8罐平均值见表3，从表中分析可见，属正常。
表3 贮酒风味物质分析（8罐平均值），单位：mg/l
乙醛 DMS 甲酸乙酯 乙酸乙酯 乙酸异丁酯 正丙醇 异丁醇 乙酸异戊酯 异戊醇 己酸乙酯 辛酸乙酯 醇:酯
12.10 0.04 0.48 24.94 0.08 13.79 12.33 3.32 70.99 0.43 0.96 3.21
2.3.4发酵液过滤情况分析
分析发酵液过滤时压差变化情况，同时分析清酒各稳定指标，具体见下表4。
表4 各发酵液过滤时压差变化情况及稳定性
罐号 9# 18# 23# 20#
清酒罐 2#（7.0，200吨） 6#（8.0，210吨） 8#（8.0，170吨） 3#（7.0，180吨）
压差bar 3/1.75，△=1.25 3.8/1.87，△=1.93 4.6/2.26，△=2.34 5.4/1.9，△压=3.5
3/1.79，△=1.21 3.4/1.78，△=1.62 4.8/2.18，△=2.62 5.5/1.9，△压=3.6
3.2/1.78，△=1.42 3.5/1.80，△=1.70 4.8/2.22，△=2.58 5.8/1.92，△压=3.88
3.4/1.88，△=1.52 3.4/1.74，△=1.66 4.8/2.23，△=2.57 5.8/1.55，△压=4.25
3.6/1.96，△=1.64 3.6/1.80，△=1.80 5.9/1.57，△压=4.33
5.6/1.57，△压=4.03
△bar平均 △压=1.41 △压=1.74 △压=2.53 △压=3.93
清酒浊度EBC 0.18~0.18 0.18~0.19 0.19~0.20 0.17~0.18
SAPAL 9.86 10.23 9.45 11.20
罐号 11# 29# 25# 7#
清酒罐 1#（8.0，170吨） 9#（7.0，180吨） 2#（8.0，200吨） 5#（8.0，190吨）
压差bar 4.2/2.35，△=1.85 3.8/1.75，△=2.05 2.8/2.11，△=0.69 3.0/1.77，△=1.23
4.2/2.39，△=1.81 4/1.71，△=2.29 3.0/2.1，△=0.9 3.2/1.80，△=1.4
4.5/2.36，△=2.14 4.2/1.90，△=2.30 3.0/2.13，△=0.87 3.2/1.83，△=1.37
4.42/2.37，△=2.05 4.7/1.83，△=2.87 3.0/2.15，△=0.85 3.4/1.92，△=1.48
4.9/1.84，△=3.06 3.0/2.16，△=0.84 3.6/1.96，△=1.64
△bar平均 △压=1.96 △压=2.51 △压=0.83 △压=1.42
清酒浊度EBC 0.17~0.18 0.17~0.19 0.18~0.18 0.17~0.20
SAPAL 11..6 10.89 11.24 10.02
△bar总平均：2.04，SAPAL总平均：10.56
从上表中分析可见，过滤压差的变化控制在0.83~3.93bar，平均为2..04bar，总体情况正常；在清酒的稳定性SAPAL控制在9.86~11.24ml/100ml，平均为10.56 ml/100ml，达到控制的要求。
2.3.5小结
从上发酵中各点研究数据分析表明，发酵过程冷凝固物排放正常，发酵液具有良好的过滤性能，清酒稳定性良好，其中在对发酵过程戊聚糖的分析中，整个发酵阶段戊聚糖含量约降35%左右。
2.4成品酒分析
各发酵罐对应成品酒进行分析，其中各成品酒都为8.0系列，具体结果见表5。
表5 各成品酒综合分析
项目 9# 18# 23# 20# 11# 29# 25# 7# 平均
原浓 % 8.01 7.98 8.02 7.98 7.98 7.97 8.00 7.99 8.00
浊度EBC 0.23 0.24 0.21 0.26 0.22 0.20 0.29 0.23 0.235
黏度cp 1.23 1.13 1.12 1.23 1.12 1.11 1.21 1.09 1.16
戊聚糖mg/l 945 879 986 902 987 860 932 900 924
SAPAL 12.3 13.20 11.56 12.19 13.89 12.16 13.20 12.54 12.63
热氮mg/l 5.3 6.2 5.9 4.8 6.7 6.1 5.0 5.7 5.7
乙醛mg/l 5.0 6.8 5.7 7.3 5.4 6.2 5.9 6.1 6.1
醇：酯 3.51 3.74 3.70 3.59 3.67 3.71 3.60 3.57 3.6
总氮mg/l 384 423 391 426 399 380 393 388 398
TBA 0.15 0.18 0.17 0.20 0.16 0.21 0.18 0.16 0.176
从上分析可见，各成品酒指标中戊聚糖平均在924mg/l，SAPAL为12.63ml/100ml，热氮为5.7mg/l，
风味物质体系中乙醛平均为6.1mg/l，醇：酯为3.6，总氮为398mg/l，TBA为0.176，总体情况良好，达到控制指标范围。
3 总结
在大生产中，我们进行了32批次8罐试验，进一步研究了麦汁过滤性、稳定性、戊聚糖与黏度的关系（可能为戊聚糖中各高中低分子含量的分布是影响麦汁黏度的主要因素），发酵过程中戊聚糖含量的变化、冷凝固物特性、发酵液非生物稳定性和风味特性以及过滤性能，同时对成品啤酒进行综合分析。随着原辅材料的很多不确定因素以及小麦芽在啤酒生产应用的不断深化，木聚糖酶具有相当的应用空间，我们目前研究只是一小部分，如木聚糖酶在降解戊聚糖中各高中低分子含量的如何分布的，如耐高温木聚糖酶的应用，如木聚糖酶活力在糖化过程中研究，等等，有待于进一步深入研究。郑翔鹏 福建省燕京惠泉啤酒股份有限公司