淀粉糖化

第二节 糖化理论

一、糖化的目的与要求

所谓糖化是指利用麦芽本身所含有的酶(或外加酶制剂)将麦芽和辅助原料中的不溶性高分子物质（淀粉、蛋白质、半纤维素等）分解成可溶性的低分子物质（如糖类、糊精、氨基酸、肽类等）的过程。由此制得的溶液称为麦芽汁。麦汁中溶解与水的干物质称为浸出物，麦芽汁中的浸出物对原料中所有干物质的比称为\无水浸出率\。

糖化的目的就是要将原料(包括麦芽和辅助原料)中可溶性物质尽可能多的萃取出来，并且创造有利于各种酶的作用条件，使很多不溶性物质在酶的作用下变成可溶性物质而溶解出来，制成符合要求的麦芽汁，得到较高的麦芽汁收得率。

二、糖化时主要酶的作用

糖化过程酶的来源主要来自麦芽，有时为了补充酶活力的不足，也外加酶制剂。这些酶以水解酶为主，有淀粉酶（包括包括α－淀粉酶、β－淀粉酶、界限糊精酶、R－酶、麦芽糖酶、蔗糖酶），蛋白酶(包括内肽酶，羧基肽酶，氨基肽酶、二肽酶)，β－葡聚糖酶(内β-1，4葡聚糖酶、内β-1，3葡聚糖酶、β－葡聚糖溶解酶)和磷酸酶等。 （一） 淀粉酶 1．α－淀粉酶

是对热较稳定、作用较迅速的液化型淀粉酶。可将淀粉分子链内的α－1，4葡萄糖苷键任意水解，但不能水解α－1，6葡萄糖苷键。其作用产物为含有6～7各单位的寡糖。作用直链淀粉时，生成麦芽糖、葡萄糖和小分子糊精；作用支链淀粉时，生成界限糊精、麦芽糖、葡萄糖和异麦芽糖。淀粉水解后，糊化醪的粘度迅速下降，碘反应迅速消失。

2．β－淀粉酶 是一种耐热性较差、作用较缓慢的糖化型淀粉酶。可从淀粉分子的非还原性末端的第二个α－1，4葡萄糖苷键开始水解，但不能水解α－1，6葡萄糖苷键，而能越过此键继续水解，生成较多的麦芽糖和少量的糊精。 3．R－酶

R－酶又叫异淀粉酶，它能切开支链淀粉分支点上的α－1，6葡萄糖苷键，将侧链切下成为短链糊精、少量麦芽糖和麦芽三糖。此酶虽然没有成糖作用，却可协助α－淀粉酶和β－淀粉酶作用，促进成糖，提高发酵度。 4．界限糊精酶

界限糊精酶能分解界限糊精中的α－1，6葡萄糖苷键，产生小分子的葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖和直链寡糖等。由于α－淀粉酶和β－淀粉酶不能分解界限糊精中的α－1，6葡萄糖苷键，所以界限糊精酶可以补充α－淀粉酶和β－淀粉酶分解的不足。 5．蔗糖酶

蔗糖酶主要分解来自麦芽的蔗糖，产生葡萄糖和果糖。虽然其作用的最适温度低于淀粉分解酶，但在62℃～67℃条件下仍具有活性。 （二）蛋白分解酶

蛋白分解酶是分解蛋白质和肽类的有效物质，其分解产物为眎、胨、多肽、低肽和氨基酸。按分子量大小可分高分子氮、中分子氮和低分子氮，所占比例的大小取决于分解温度的高低，并对啤酒的质量产生重要的影响。蛋白分解酶类主要包括内肽酶、羧肽酶、氨肽酶和二肽酶。 （三）β－葡聚糖酶

麦芽中β－葡聚糖酶的种类较多，但在糖化时最主要的是内切型β－葡聚糖酶和外切型β－

葡聚糖酶。它是水解含有β-1，4葡萄糖苷键和β-1，3葡萄糖苷键的β－葡聚糖的一类酶的总称。可将粘度很高的β－葡聚糖降解，从而降低醪液的粘度，提高麦汁和啤酒的过滤性能以及啤酒的风味稳定性。

三、糖化时主要物质变化

（一）淀粉的分解

麦芽的淀粉含量占其干物质的58%～60%，辅料大米的淀粉含量为干物质的80%～85%，玉米的淀粉含量为干物质的69%～72%。 1．麦芽及辅料淀粉的性质

麦芽淀粉和大麦淀粉的性质基本-致，只是麦芽淀粉颗粒在发芽过程中，因受酶的作用，其外围蛋白质层和细胞壁的半纤维素物质已逐步分解，部分淀粉也受到分解，麦芽中淀粉含量比大麦中淀粉含量减少4%～6%，淀粉结构变化主要是支链淀粉含量有所减少，直链淀粉含量稍有增加，它比大麦淀粉更容易接受酶的作用而分解。

麦芽淀粉中直链淀粉约占20%～40%，支链淀粉占60%～80%；糯米含支链淀粉90%～100%，籼米只有60%～70%，玉米高达85%～90%。 2．淀粉的分解过程

淀粉的分解分为三个不可逆过程，但它们彼此连续进行，即糊化、液化、糖化。

糊化：淀粉颗粒在一定温度下吸水膨胀，淀粉颗粒破裂，淀粉分子溶出，呈胶体状态分布于水中而形成糊状物的过程称为糊化。形成糊状物的临界温度称为糊化温度。

液化： 淀粉糊化为胶粘的糊状物，在α－淀粉酶的作用下，将淀粉长链分解为短链的低分子的α－糊精，并使粘度迅速降低的过程称为液化。

糖化：谷类淀粉经糊化、液化后，被淀粉酶进一步水解成糖类和糊精的过程称为糖化。 糊化、液化与糖化是相互关联的，糊化促进液化的迅速进行，液化又促进淀粉的充分糊化。液化质量的好坏，决定了糖化能否完全、麦汁质量的好坏以及过滤和洗糟速度的快慢。因此，辅料的糊化是糖化工艺的重要环节。 3．辅料的糊化与液化

大米或玉米作为麦芽的辅助原料，主要是提供淀粉，为了促进糊化、液化,防止糊化醪稠厚和粘结锅底，必须在辅料中加入15%～20%麦芽或α－淀粉酶(6～8u/g原料)，使其在55℃起就开始糊化、液化，还可缩短时间。

辅料的糊化、液化常在100℃下进行，保温30min。有的采用低压100kPa，105～110℃保温30min。使淀粉充分糊化，提高浸出率，同时可提供混合糖化醪升温所需要的热量，达到阶段升温糖化的目的。

糊化醪的检验，只凭经验感官检查。良好的糊化醪不稠厚、稍粘，不发白，上层呈水样清液。 辅料糊化时应控制好料水比及α－淀粉酶的用量，并注意避免出现淀粉的老化现象，或称回生。所谓老化现象是指糊化后的淀粉糊，当温度降至50℃以下，产生凝胶脱水，使其结构又趋紧密的现象。 4．淀粉的糖化

在啤酒酿造中，淀粉的糖化是指辅料的糊化醪和麦芽中的淀粉受到麦芽中淀粉酶的作用，产生以麦芽糖为主的可发酵性糖和以低聚糊精为主的非发酵性糖的过程。在糖化过程中，随着可发酵性糖的不断产生，醪液粘度迅速下降，碘液反应由兰色逐步消失至无色。

可发酵性糖是指麦汁中能被下面啤酒酵母发酵的糖类，如果糖、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、麦芽三糖和棉子糖等。

非发酵性糖（也称非糖）是指麦汁中不能被下面啤酒酵母发酵的糖类，如低聚糊精、异麦芽

糖、戊糖等。

非发酵性糖，虽然不能被酵母发酵，但它们对啤酒的适口性、粘稠性、泡沫的持久性，以及营养等方面均起着良好的作用。如果啤酒中缺少低级糊精，则口味淡泊，泡沫也不能持久。但含量过多，会造成啤酒发酵度偏低，粘稠不爽口和有甜味的缺点。一般浓色啤酒糖与非糖之比控制在1：0.5～0.7之间，浅色啤酒控制在1：0.23～0.35，干啤酒及其它高发酵度的啤酒可发酵性糖的比例会更高。 （二）蛋白质的水解

糖化时蛋白质的水解具有重要意义，其分解产物即影响啤酒泡沫的多少，泡沫的持久性，啤酒的风味和色泽，又影响酵母的营养和啤酒的稳定性。糖化时蛋白质的分解称为蛋白质休止，分解的温度称为休止温度，分解的时间称为休止时间。

在糖化过程中，麦芽蛋白质继续分解，但分解的数量远不及制麦时分解得多。因此，蛋白质溶解不良的麦芽，经过蛋白质休止后分解仍是不足的，但这并不意味没有分解蛋白质的必要，而需进一步加强对蛋白质的分解。相反对溶解良好的麦芽，蛋白质的分解作用，可以减弱一些。 1．隆丁区分法 将麦汁所含的可溶性含氮物质，用单宁和磷钼酸铵分别沉淀，可区分为A、B、C三个组分。A组分为高分子蛋白质，高分子蛋白质含量过高，煮沸时凝固不彻底，极易引起啤酒早期沉淀；B组分为中分子蛋白质，含量过低，啤酒泡沫性能不良，含量过高也会引起啤酒混浊沉淀；C组分为低分子蛋白质，含量过高，啤酒口味淡薄，酵母易衰老，但过低则酵母的营养不足，影响酵母的繁殖。区分标准为：A组分25%左右，B组分15%左右，C组分60%左右。 2．库尔巴哈指数 又称蛋白质溶解度。是麦汁中总可溶性氮与总含氮量之比的百分数。此值多波动在85%～120%之间。

3．甲醛氮与可溶性氮之比 测定麦汁中的甲醛氮和可溶性氮，求出甲醛氮与可溶性氮之比的百分数。

此值保持在35%～40%为蛋白质分解适中；过高为分解过分；过低为分解不足。

4．α-氨基氮的含量 麦汁中α-氨基氮的含量，不仅关系到酵母的营养，也关系到酵母代谢产物的变化。α-氨基氮含量过低，酵母会利用糖自己合成酮酸，在进行转氨作用，从其他胺类得到-NH2。而生成需要的氨基酸，大量的酮酸必然会形成大量的高级醇、酯和双乙酰，啤酒中双乙酰的含量就会增高；α-氨基氮含量过高，会通过脱氨脱羧形成高级醇，啤酒起泡性差，口味淡泊。

12P麦汁，α-氨基氮含量应保持在180±200mg/L，11P麦汁以160 mg/L、10P麦汁以150 mg/L为宜。过高为分解过度，过低则为分解不足。 （三）β－葡聚糖的分解

麦芽中的β－葡聚糖是胚乳细胞壁和胚乳细胞之间的支撑和骨架物质。大分子β－葡聚糖呈不溶性，小分子呈可溶性。在35～50℃时，麦芽中的大分子葡聚糖溶出，提高醪液的粘度。尤其是溶解不良的麦芽，β－葡聚糖的残存高，麦芽醪过滤困难，麦汁粘度大。因此，糖化时要创造条件，通过麦芽中内－β－1，4葡聚糖酶和内β－1，3－葡聚糖酶的作用，促进β－葡聚糖的分解，使β－葡聚糖降解为糊精和低分子葡聚糖。糖化过程控制醪液PH在5.6以下，温度在37～45℃休止，有利于促进β－葡聚糖的分解，降低麦汁粘度（1.6～1.9mPa·s）。 （四） 滴定酸度及pH的变化

麦芽所含的磷酸盐酶在糖化时继续分解有机磷酸盐，游离出磷酸及酸性磷酸盐。麦芽中可溶性酸及其盐类溶出，构成糖化醪的原始酸度，改善醪液缓冲性，有益于各种酶的作用。 （五）多酚的变化

酚类物质存在于麦皮、胚乳的糊粉层和贮存蛋白质层中，占大麦干物质的0.3%～0.4%。溶解良好的麦芽，游离的多酚多，在糖化时溶出的多酚也多，在高温条件下，与高分子蛋白质络合，形成单宁－蛋白质的复合物，影响啤酒的非生物稳定性；多酚物质的酶促氧化聚合，贯穿于整个

0

0

0

糖化阶段，在糖化休止阶段(50～65℃)表现得最突出，又会产生涩味、刺激味，导致啤酒口味失去原有的协调性，使之变得单调、粗涩淡薄，影响啤酒的风味稳定性。氧化的单宁与蛋白质形成复合物，在冷却时呈不溶性，形成啤酒混浊和沉淀。因此，采用适当的糖化操作和麦汁煮沸，使蛋白质和多酚物质沉淀下来。适当降低PH，有利多酚物质与蛋白质作用而沉淀析出，降低麦汁色泽。

在麦汁过滤中，要尽可能地缩短过滤时间，过滤后的麦汁应尽快升温至沸点，使多酚氧化酶失活，防止多酚氧化使麦汁颜色加深、啤酒口感粗糙。 （六）无机盐的变化

麦芽中合有无机盐约为2%～3%，其中主要为磷酸盐，其次有Ca、Mg、K、S、Si等盐类，这些盐大部分会溶解在麦芽汁中，它们对糖化发酵有很大的影响，例如：钙可以保护酶不受温度的破坏，磷提供酵母发育必需的营养盐类等。 （七） 黑色素的形成

黑色素是由单糖和氨基酸在加热煮沸时形成的，它是一种黑色或褐色的胶体物质，它不仅具有愉快的芳香味，而且能增加啤酒的泡特性，调节pH，所以它是麦芽汁中有价值的物质，但其量必需适当，过量的黑色素不仅使有价值的糖和氨基酸受到损失，还会加深啤酒的色素。 （八）脂类分解

大麦中的脂类物质主要储藏于麦胚中，在发芽过程中被脂肪酶分解形成大量脂肪酸和高分子游离脂肪酸，其中一部分被利用，低温下料有利于脂类物质的分解，但在麦汁煮沸后，大量的类脂被分离后的凝固物吸附，所以定型麦汁中总脂肪酸的含量仅为煮沸前麦汁的l%～2%。

四、糖化过程的影响因素

（一） 麦芽质量及粉碎度

溶解良好，粉状粒多的麦芽，酶的含量高，麦粒细胞的溶解也较完全，形成的可溶性氮（库值＞40%）及α-氨基氮也比较多（α-氨基氮＞180mg∕100g绝干麦芽），内含物易受酶的作用，故使用这种麦芽时，糖化时间短，生成可发酵性糖多，可采用较低的糖化温度（一段法），制成的麦芽汁泡沫多和清亮透明。但在蛋白质休止时，应适当限制，避免麦芽中的中分子肽类被过多分解成α-氨基氮，导致啤酒泡持性降低。

溶解度差玻璃质粒多的麦芽，糖化力低，酶的活性也低，麦芽粉碎后的粗粒多，内容物不容易受到酶的作用，糖化时间长，过滤困难，制得的麦汁透明度及色泽都差，最好采用二段法糖化。并加强蛋白质的休止，采用预浸渍（酸休止）并延长蛋白质休止时间，以尽量提高麦汁的收得率和啤酒的非生物稳定性。但如粉碎太细，细粉太多则麦水混合时又易结块，同样会增加糖化困难，因此，粉碎必须适度。 （二）温度的影响

温度是糖化过程的重要影响因素，对糖化过程的影响很大，随着温度的逐步升高，酶的活力也随之增强，至某一温度可达活力最高，但当温度再增高时，酶的活力又遂渐下降，最后酶活力全部破坏。

1．在蛋白质休止时，主要依靠麦芽的内肽酶和羧肽酶催化水解，其次是氨肽酶和二肽酶，它们作用的最适温度是40～65℃。当蛋白质休止温度较高(50～65℃)时，有利于积累总可溶性氮，但在低温时容易形成细小凝固，悬浮于麦汁中影响发酵与酒液的澄清。而休止温度偏低(45～50℃)时，有利于形成较多的α-氨基氮，休止时间越长，高分子蛋白质的残留量越少，α－氨基酸的积累越多，啤酒的稳定性越好。但由于中分子肽类物质也随之减少，不利于啤酒的泡沫。因此在麦芽α－氨基氮较高时，采用52℃蛋白质休止，对可溶性氮的形成及啤酒的泡沫和口味都是有利的。

在麦芽质量较高的前提下，通常采用较高的休止温度(例52℃，10～15min，再升至63℃30min)和较短的休止时间，目的是限制蛋白质过度分解，提高啤酒泡持性。如果麦芽溶解较差，α－氨基氮过低，只能采用较低休止温度(45～50℃)和较长休止时间(1h)，以增加α－氨基氮，并减少高分子氮的比例；如果采用酸休止(35～37℃)，不仅麦芽中内切肽酶和羧基肽酶的耐热性可以提高，而且也有利于蛋白质的分解。对蛋白质分解条件而言，pH比温度更具有重要性。通常调节麦芽醪pH至5.2～5.4来得到合适的麦芽汁组分。

2．在淀粉水解时，主要依靠α－淀粉酶和β－淀粉酶。它们不仅分解淀粉所得的产物不同(前者主要是低聚糊精，后者主要是麦芽糖)，而且耐热性也是不同的，a－淀粉酶的最适温度是60～65℃，β－淀粉酶的理论最适温度是45～52℃，所以当糖化温度高，升温迅速时， a－淀粉酶起主要作用，产生较多的糊精和少量的麦芽糖；相反当糖化温度低，升温速度缓慢时，则有利β－淀粉酶的作用，产生较多的麦芽糖和少量的糊精，这样前者产生可发酵性糖较少，后者较多，酒精的产生就多。

淀粉酶的理论最适温度和实际温度是不一致的，由于糖化醪中有糊精、糖类、蛋白质分解物的存在，而增加了淀粉酶的耐热性，使糖化适应温度升高。所以，实际上a－淀粉酶的适应温度为65～70℃，而β－淀粉酶是60～65℃，这就是目前啤酒企业生产中常采用的温度，当然具体掌握时要考虑到产品的种类、麦芽的性质、糖化酶的浓度、糖化时间与方法等因素，但一般均控制在60～70℃之间。 （三）pH值的影响

pH值的影响,其实质是对酶的作用产生了明显的影响。糖化操作主要是通过调节温度、时间及pH值来达到糖化的目的。但由于酶的种类很多，要满足所有酶的最适pH值是不可能的。同样从表3-2-1可以看出，蛋白分解酶的最适pH值范围集中在5.0～5.4，当pH值高于5.4时，酶活性受到抑制，可溶性氮下降。pH值越低，产生的低分子氮就越多。考虑到啤酒的泡沫、口味和其它酶系的pH值，得出蛋白质分解时的最佳pH值为5.2～5.4。而淀粉分解酶的pH值范围集中在5.1～5.8之间，实际生产中还受到温度的影响，通常在63～70℃的糖化温度范围内，α－淀粉酶和β-淀粉酶的最适PH值范围较宽，在pH5.2～5.8范围内。PH值在5.2～5.6之间比较理想，而且在此范围内越低越好，最好pH值在5.2～5.4。当pH值较高时，α－淀粉酶受到抑制，β－淀粉酶将钝化而活性降低，使发酵度降低。 表3-2-1 淀粉酶最适PH值和温度的关系

温度/℃ α－淀粉酶 β－淀粉酶 20 － 40 50 55 4.9～5.1 4.8～5.0 60 5.1～5.4 5.0～5.2 65 5.4～5.8 5.2～5.4 70 5.8～6.0 5.0～5.5 4.6～4.8 4.7～4.9 4.4～4.6 4.5～4.7 4.4～4.8

目前多采用加酸调节适合酶作用的pH值，以增加各种酶的活性，加速淀粉和蛋白质的水解。通常选用磷酸或乳酸调节pH值。磷酸是中强酸，略有涩味，酸味小，调节效果明显。形成的磷酸盐可作为酵母繁殖所需磷源，有利于酵母发酵。乳酸为有机酸，酸性弱，酸味强，调节幅度小，安全可靠，对啤酒口味有利。但添加量大，成本较高。采取添加一定量磷酸，辅以一定量乳酸效果最佳。也可通过添加\酸麦芽\，或通过生物酸化以及对酿造用水进行脱CO2处理来调节醪液的