天然抗菌剂酒花酸在酒精发酵中的应用

摘 要 在过去的数十年中，酒精生产技术取得了巨大的进步，使得该行业变得更有利可图。但是，利润率仍然很低。细菌污染是酒精得率和品质下降的主要原因之一。为了能控制成本效率，抑制酒精发酵中的细菌极其重要。在燃料乙醇的生产中，一般通过在发酵过程中添加抗生素作为工艺助剂而达到此目的。目前，日益增长的对在农业和技术领域应用抗生素而使病原菌产生抗生素多种抗性的关注，已产生了采用一种安全天然替代品的强烈要求。发酵共产物为酒精厂的经济效率作出了重要的贡献。越来越多的酒精生产商因声称他们的发酵共产物中不含有抗生素而得利。致力于促进可再生能源的生物乙醇生产商尤其受使用可能导致环境危害的工艺助剂的争执所困扰。某些地区已实施了严格的规定，如2005年底，在欧盟内被用于作为动物饲料的复合物，其发酵共产物不允许有抗生素残留。酒花具有防腐的作用，在啤酒工业中的应用已经超过了1000年。而最近10年这些特性才被真正了解。德国BetaTec Hopfenprodukte GmbH公司生产大量的基于酒花的复合物在各种应用场合均具有抑制革兰氏阳性菌增殖的能力。IsoStabTM和LactoStabTM是两种天然的食品级抗菌剂，采用一种全水相工艺从酒花的CO2萃取物中得到。它们含有酒花酸，对酒精发酵过程中的细菌群如乳酸菌具有非常有效的抗性。在抑制浓度下将抑制乳酸和乙酸的形成，因而有助于避免酒精产量损失并增加回流量。通过在种子罐中添加杀菌浓度的产品有可能得到纯净的酵母。酒花酸具有较强的选择性，可以去除细菌而不影响酵母的活性，其结果是酵母生长更好，发酵更快。 引 言 乳酸菌是酒精生产中最令人头痛的细菌污染物。细菌生长速度可超过酒精酵母，消耗糖分和原料中的其他营养成分并产生不合需要的终产物。许多研究者对此已有深入的研究[1,2,3]。据他们报导酒精发酵中的乳酸菌污染影响酵母的性能，导致酒精产量损失，产生异味，并增加因糖化回流量减少的二次费用。酒精生产商以低利润运行，并需要抑制酒精发酵中细菌副产物的形成。此外，除了应考虑的因素如质量成分,糖化醪的巴氏杀菌，卫生学设计，良好的维护之外，抗生素通常被用于控制酒精发酵中的细菌。 同时，人类医学依赖抗生素来治疗因细菌导致的疾病包括一些威胁生命的传染病。最近，许多抗生素的有效性开始衰退。肠道球菌万古霉素抗性（VRE），1988年首先在欧洲报导，开始成为对人类健康的全球性威胁。供食用的动物的抗生素促生剂的阈下剂量，例如阿伏霉素在欧盟，万古霉素在美国，已经成为与VRE有关的重要指标。在欧洲，有迹象显示食物传染的VRE有可能导致感染到人类[4]。因此，在2005年，欧盟随着瑞典和丹麦之后采取了一项逐步淘汰抗生素作为促生剂的规定。 有大量证据显示，工业抗生素的广泛滥用同样会污染地表水和地下水包括许多乡村地区的饮用水源[5]。一项对从巴西甘蔗农业生态系统中分离出的细菌对抗生素抗性的研究发现有73例显示多重抗性，分别有86％和43％在维及霉素和青霉素存在的情况下生长。甘蔗农场施肥所用的酒糟是附近酒厂的副产品，该厂使用这些抗生素控制酒精生产中的细菌[6]。对此种现象的关注引发了用天然替代品取代抗生素的强烈要求。酒花植物的防腐特性在酿酒工业中已经应用了一千年以上。酒花最初被用来作为生产稳定的啤酒以便长期储存[7]。 BetaTec公司正在采用酒花技术自然地（指"非人为地"，与用化学方法相对——校译者注）控制燃料乙醇厂、酒厂和糖厂中的细菌污染。IsoStabTM和LactoStabTM可有效地抑制含糖原料酒精发酵中的细菌。此外，它们有助于改善酵母活性。它们是天然的、食品级的抗生素以及其他传统抗菌剂的取代品。 公司简介 BetaTec Hopfenprodukte GmbH公司1997年成立于德国纽伦堡。该公司为Barth-Haas集团所有。BetaTec Hopfenprodukte GmbH公司具有直接存取酒花装置、CO2超临界萃取设备以及其他生产设备，可用于生产新颖的酒花衍生物。Barth-Haas集团的生产厂设于德国、英格兰、美国、中国及澳大利亚，制造能力包括CO2萃取、分子蒸馏、色谱、蒸气蒸馏设备。通过这些以及其他的工艺过程，关键的酒花成分被分离、改性、纯化为商品。 BetaTec GmbH公司在研发领域十分活跃，其核心竞争力在于酒花、酒花复合物以及天然抗菌剂。其主要业务集中于发展与应用制糖工业中的天然生物杀灭剂。目前BetaTec GmbH公司在此领域具有领先地位。 2002年，与Hohenheim大学合作开展了一项关于酒花酸作为抗菌剂在不同酒精发酵原料中的效果的研究[8]。在此数据的基础上，BetaTec 研发团队成功地开发出了两种可用于酒精工业的新型天然抗菌剂。在过去两年中，IsoStabTM和LactoStabTM已经为美国和加拿大的燃料乙醇生产商和威士忌生产商所采用并取得成功。至2005年，两种产品均可在国际市场上购买到。 酒花与酒花复合物 酒花即啤酒花是源于欧洲和西亚的野生植物，它是一种生长快速的植物，在很多气候温和的地区如德国、美国、中国、英国、捷克、斯洛文尼亚、澳大利亚和法国都有生长。 酒花被用于酿酒和医药用途可上溯至3000年以前，但直到12世纪才被广泛用于啤酒制造中。 酒花的雌株（酒花球果）含有小的黄色粉末状颗粒，即啤酒花苦味素（又称蛇麻素腺），这些腺含有酿酒的关键成分，称为酸性树脂和香精。 软树脂由α-酸和β-酸构成。它们由酒花中提取而得。用液体或超临界CO2萃取可从酒花中分离出一种含有α-酸和β-酸以及香精的酒花提取物。采用一种全水相工艺，此三种酒花成分得以分离。 在啤酒酿造中，煮糖化醪时α-酸被异构化为异α-酸。异α-酸是啤酒中产生苦味和起防腐作用的真实成分。这些防腐成分同样包含于IsoStabTM及其衍生物中。 酒花苦酸的抗菌特性 酒花的抗菌特性已得到很好的验证，对此的研究也持续了多年。远至1937年，Shimwell认识到β-酒花酸可促进抑菌效果[9]，Teuber和Schmalreck在1973年首先提出酒花苦酸及其异构体具有可以阻断细菌生物膜的抑制效应[10]。 在1993年，W.J.Simpson研究了乳酸菌对酒花酸的敏感性，他指出酒花酸起着移动的离子载体的作用，并通过消除跨膜pH梯度抑制乳酸菌的生长。质子从胞外介质越过细胞膜进入细胞内液，胞内pH下降而胞外pH上升[11]。 其结果是，细菌中细胞对蔗糖的吸收受到抑制，从而再无细菌的代谢物如乳酸或乙酸分泌。 酒花酸在分批发酵中的抑菌作用 燃料乙醇 分批发酵中染菌多数来自于受污染的酵母。另一方面，需要使用清洁的经过灭菌的酵母种子培养基将发酵过程中的染菌风险降至最低。糖化醪的快速发酵及迅速形成高浓度酒精将阻止细菌的生长。在燃料乙醇工厂中，染菌的监测一般通过HPLC分析乳酸的浓度而得知。若不采取任何措施，乳酸含量在玉米糖化醪种子罐中将达到4～5g/L酵母液。在美国，种子罐通常添加抗生素处理，这将减少乳酸含量至2.5g/L酵母液（在老酒厂中），而在新酒厂中一般控制种子罐中的乳酸浓度降低至1g/L酵母液。玉米糖化醪中每降低0.2％ w/w的乳酸相当于1.03％的酒精增产，在干磨分批发酵燃料乙醇工厂中的大量实验证实清洁的、健康的酵母液可通过添加一定浓度的抗菌剂IsoStabTM到种子罐中而得到。 食用酒精 在饮用酒精的生产中，存在着更高的染菌风险。因为糖化醪中的酵母数量和乙醇浓度通常不如大型燃料乙醇工厂那么高。 此外，传统来源的酶制剂如麦芽常常带有很多细菌，因此推荐在酒精生产中不仅对种子罐，也要对发酵罐用抑制浓度的IsoStabTM或LactoStabTM进行处理。 在一个威士忌酒厂中以一个抑制浓度（ppm级）的IsoStabTM对5万加仑的发酵罐中的玉米糖化醪进行了试验，醪液中的平均酒精浓度从6％增加到6.5％。该厂未配有进行平板计数或定期检测乳酸浓度的设备，但品酒组确认去除了细菌产生的异味。后继实验的目的在于进一步减少产品用量。在更低的IsoStabTM浓度，酒精产量比不经处理的糖化醪有所增长；然而品酒组发现采用较高浓度的IsoStabTM，酒精会具有更清爽的味道。 酒花酸在连续发酵中的抑菌作用 连续发酵在燃料乙醇生产中得到越来越普及的应用。因其可提高酒精产量和生产效率。连续发酵的主要不利因素是不断增长的染菌风险，这将导致产量损失，或甚至计划外的停产[12]。实践证明，连续发酵只有当运行时保持清洁才很少染菌，一旦污染发生就很难彻底将细菌除去。 在一个1.9亿升的干磨半连续多级发酵厂内进行了一次实验。该厂从玉米中生产燃料乙醇。在抑制浓度下，IsoStabTM连续计量地通过糖化醪输送线加入到600m3种子罐，流加时间进行了10小时。糖化醪到种子罐的流量为750L/min。种子罐后有6个发酵罐串联，每个发酵池容积为1400m3，总流量为2460L/min。前10h添加IsoStabTM，后14h不添加。采取这种方法试验进行了14天。4天后，经过观察，乳酸菌和乙酸的浓度明显降低，8天后乙酸彻底消失，而乳酸也几乎消失。 对于串联式发酵生产线，波式给药（wave dosing）是添加IsoStabTM或LactoStabTM的有效途径。通过每天连续几小时添加这些产品到种子罐之前的糖化醪输送管，可在发酵过程中形成酒花酸的浓度波次，通常少量的几波IsoStabTM或LactoStabTM已足以使生产线中的细菌负荷降低。根据染菌严重程度，可能需要几天的波式添加才能将细菌污染降至可接受的水平。 结论 目前IsoStabTM和LactoStabTM已被许多美国酒精厂所采用。它们与其他抗菌剂的不同之处在于它们的成分与人们饮用的啤酒中所含的成分相同。此外这些物质在废酒花中同样含有，而废酒花长久以来被用做动物饲料的成分。与酿酒酵母一样，酒精酵母也不会受作为工艺助剂的酒花成分的影响，它们有效地抑制了乳酸和乙酸的形成，同时又增进了酵母的活性。 酒花酸被证明是控制酒精发酵中细菌而无需考虑工艺设计或处理已生产的酒精的安全替代物。 参考文献12篇（略） 李益海 译自INTERNATIONAL SUGAR JOURNAL 2005,（3），P162～165 苏毅校译 图1.酒花球果的横截面图 文字由上至下：（1）柄；（2）小苞片；（3）苞叶；（4）酒花苦味素腺；（5）酒花苦味素腺，含有树脂和香精； 图2. 在10天的玉米原料生产酒精过程中不同阶段IsoStabTM波式给药减少细菌代谢物示意图 两条曲线由上至下：（1）乳酸；（2）乙酸 g/Liter—克/升；start—起始；day—天 图3.波式给药时IsoStabTM72小时内通过种子罐和首效发酵罐的变化图 文字由上至下：（1）IsoStabTM浓度；（2）种子罐；（3）首效发酵罐；