李華賓，崔云前

（齊魯工業(yè)大學(xué)，山東濟(jì)南 250353）

1 啤酒發(fā)酵設(shè)備及發(fā)酵流程發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)外啤酒發(fā)酵設(shè)備發(fā)展概況

中國(guó)啤酒行業(yè)在過去20年快速發(fā)展。早年，我國(guó)的啤酒發(fā)酵所用設(shè)備大多由國(guó)外引進(jìn)，我國(guó)自行生產(chǎn)的啤酒發(fā)酵設(shè)備較少。迄今為止，我國(guó)針對(duì)家用啤酒發(fā)酵過程制造的啤酒發(fā)酵設(shè)備仍較少，且無法適應(yīng)現(xiàn)有的啤酒發(fā)酵流程需求，對(duì)于啤酒自釀愛好者來說，無法按照啤酒發(fā)酵工廠的流程進(jìn)行大規(guī)模的啤酒發(fā)酵，故急需一種適合家用且規(guī)格和質(zhì)量較符合現(xiàn)代要求的家用啤酒發(fā)酵桶。

現(xiàn)有用于啤酒發(fā)酵的設(shè)備多以發(fā)酵罐為主，其作為釀造啤酒的容器，由玻璃、不銹鋼、搪瓷等材質(zhì)制成。發(fā)酵罐有單層和雙層兩種結(jié)構(gòu)形式，其中雙層結(jié)構(gòu)的居多。常見的雙層發(fā)酵罐為單層臥式發(fā)酵罐、雙層立式（或平放）發(fā)酵罐、雙層側(cè)置（或平放）發(fā)酵罐等。常用的單層臥式的雙排管型發(fā)酵罐其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為底部裝有攪拌槳葉，用于攪拌物料；上部裝有多排錐形管狀的發(fā)酵管；兩端設(shè)有進(jìn)料口和出料口。

1.2 啤酒發(fā)酵工藝流程及現(xiàn)有參數(shù)監(jiān)測(cè)情況

發(fā)酵是啤酒生產(chǎn)過程中的一個(gè)關(guān)鍵階段。在此階段，將前一過程中產(chǎn)生的含有可發(fā)酵糖的液體（麥汁）放入發(fā)酵罐中，然后加入酵母，開始發(fā)酵過程，將麥汁中含有的糖轉(zhuǎn)化為乙醇、二氧化碳和其他副產(chǎn)品。發(fā)酵過程取決于多個(gè)參數(shù)，如溫度、酵母發(fā)酵率、麥芽汁通氣程度，都會(huì)影響發(fā)酵程度和啤酒中揮發(fā)性化合物的濃度，進(jìn)而影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量和風(fēng)味。因此，監(jiān)測(cè)主要的發(fā)酵參數(shù)可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。目前現(xiàn)有的系統(tǒng)包括一種基于電位和伏安傳感器的混合電子系統(tǒng)，用于對(duì)發(fā)酵過程中的不同啤酒樣品進(jìn)行分類。利用可見/近紅外光譜技術(shù)快速評(píng)價(jià)pH和可溶性固體含量，得到了一種便攜式、廉價(jià)的啤酒質(zhì)量控制裝置。此外，還有研究提出了一種基于模擬plc的遠(yuǎn)程工業(yè)啤酒生產(chǎn)控制系統(tǒng)。它為發(fā)酵罐提供了一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，以在發(fā)酵過程中保持最佳溫度。通過對(duì)發(fā)酵室多點(diǎn)的相對(duì)濕度和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可獲得這些參數(shù)的平均測(cè)量值。此外，還有研究提出了一種低成本的葡萄酒生產(chǎn)無線監(jiān)控系統(tǒng)，使用基于arduino的硬件，并連接有pH探頭和溫度傳感器。一些用于家庭釀造中的發(fā)酵監(jiān)測(cè)的商業(yè)設(shè)備也得到開發(fā)，其中一種由數(shù)字氣閘組成，主要用于測(cè)量發(fā)酵罐中的二氧化碳流量。另一種由一個(gè)傾斜的氣缸組成，與發(fā)酵罐中的啤酒接觸，可以測(cè)量密度。

正確的發(fā)酵過程是在啤酒生產(chǎn)中獲得良好效果的必要條件。在此階段，由于酵母菌，麥芽汁中含有的糖被轉(zhuǎn)化為乙醇、二氧化碳和其他副產(chǎn)品。在工業(yè)啤酒廠中，很多啤酒發(fā)酵工廠配備了專門的傳感器，以監(jiān)測(cè)發(fā)酵過程的主要參數(shù)。

2 啤酒發(fā)酵工藝流程

目前，一般可將啤酒發(fā)酵技術(shù)分為傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)和現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)。啤酒的制作工藝主要分為制麥工序、糖化工序、發(fā)酵工序和包裝工序。下面主要介紹啤酒的發(fā)酵工序的工藝流程。

2.1 傳統(tǒng)發(fā)酵工藝

傳統(tǒng)發(fā)酵工藝采用兩段發(fā)酵法。預(yù)發(fā)酵采用露天池，發(fā)酵時(shí)間7～8 d，溫度約8 ℃。預(yù)發(fā)酵過程結(jié)束后，頂部葡萄酒被輸入一個(gè)封閉的儲(chǔ)罐，保持低溫，并儲(chǔ)存約60～90 d，這成為后發(fā)酵過程。這種生產(chǎn)模式設(shè)備周轉(zhuǎn)緩慢，需要巨大的冷庫(kù)，消耗大量能源。

2.2 現(xiàn)代發(fā)酵工藝

現(xiàn)代發(fā)酵將傳統(tǒng)的兩段發(fā)酵改為露天大罐發(fā)酵。前后發(fā)酵在一個(gè)罐中進(jìn)行，罐壁配有熱交換管，以控制發(fā)酵過程中每個(gè)階段的溫度。這種方法不僅取消了龐大的冷庫(kù)建筑，降低了能耗，而且便于控制發(fā)酵液在不同階段所需的溫度。因此，縮短了酒齡，提高了設(shè)備利用率，葡萄酒質(zhì)量與傳統(tǒng)發(fā)酵相似。

2.3 國(guó)內(nèi)外改進(jìn)發(fā)酵工藝

精釀啤酒需要由麥芽、水和啤酒花等傳統(tǒng)原料組成[1]。目前，啤酒是秘魯消費(fèi)最多的酒精飲料。啤酒是谷物和其他含淀粉的谷物的浸漬、發(fā)酵和成熟的結(jié)果。生產(chǎn)這種飲料的一個(gè)關(guān)鍵步驟是浸漬，因?yàn)楫?dāng)熱水與之前磨碎的麥芽混合時(shí)，糖就會(huì)形成酒精。RAGICEVIC等[2]提出了一種20 L的模糊邏輯溫度控制的不銹鋼設(shè)備，使用PIC16F877a為系統(tǒng)控制裝置，LM35為系統(tǒng)的溫度傳感器。最終結(jié)果表明，淀粉的酒精含量為6.2 GL，說明淀粉能正確降解為可發(fā)酵糖。但這種研究所選擇的電子器件仍需進(jìn)行更多的測(cè)試，可能會(huì)得出不同的結(jié)果。

3 家用自分離啤酒發(fā)酵桶

家用啤酒發(fā)酵工藝基本屬于現(xiàn)代發(fā)酵工藝，但工藝流程中使用到的發(fā)酵罐在家用發(fā)酵的情況下替換為家用啤酒發(fā)酵桶，更適應(yīng)空間大小和操作便捷的需求。目前針對(duì)家用啤酒發(fā)酵過程，對(duì)啤酒發(fā)酵桶的質(zhì)量、樣式、功能性具有一定的要求，本文介紹了一種自分離的啤酒發(fā)酵桶，使得居家發(fā)酵啤酒時(shí)更易操作，同時(shí)也能大大減小設(shè)備放置所需的空間[3]。

本文介紹的家用自分離啤酒發(fā)酵桶由反應(yīng)桶、與反應(yīng)桶內(nèi)部連通的進(jìn)口閥和出口閥、與反應(yīng)桶內(nèi)部連通且位于反應(yīng)桶頂部的排氣閥以及設(shè)置在反應(yīng)桶上用于添加酵母并可實(shí)現(xiàn)啤酒與酵母分離的功能單元組成。功能單元包括拉桿、存儲(chǔ)盒、物料盒體、拉簧、進(jìn)料電磁鎖和退料電磁鎖。本文介紹的家用自分離啤酒發(fā)酵桶通過雙重電磁閥結(jié)構(gòu)、固定化啤酒酵母與存儲(chǔ)盒的配合實(shí)現(xiàn)了啤酒的發(fā)酵與自動(dòng)分離。該種設(shè)備可以生產(chǎn)45 L精釀啤酒，因此需要一個(gè)總?cè)萘繛?0 L的儲(chǔ)罐。由于功能原因，油箱是圓柱形，頂部和底部都是橢圓形。它采用2 mm厚的AISI 304不銹鋼制造，以確保耐腐蝕、耐溫和衛(wèi)生要求。

本文介紹的家用自分離啤酒發(fā)酵桶除了無需手動(dòng)分離、加酵外，還提出了通過該種發(fā)酵桶能夠?qū)崿F(xiàn)的優(yōu)化浸漬過程。水通過防回流裝置進(jìn)入水箱，用22.5 kW帶型電阻加熱流體，直到溫度達(dá)到65 ℃，阿爾法酰胺酶被激活。此時(shí)，麥芽粉通過罐頂部的一個(gè)直徑為12.7 cm的洞加入。PID控制器開始工作，以保持溫度恒定在一個(gè)固定的時(shí)間?？刂破鞯奈恢梦挥谟拖涞淖笙陆?。為了使溫度均質(zhì)化并提高糖產(chǎn)量，當(dāng)PUMP1泵被激活時(shí)，通過油管產(chǎn)生回流。此外，為了消除罐中的殘留物，本文介紹的家用自分離啤酒發(fā)酵桶包括并啟用了一個(gè)凈化管道。

小型精釀啤酒生產(chǎn)商沒有合適的設(shè)備，也沒有麥芽浸漬的精確過程控制，但這是啤酒制造的一個(gè)基本步驟。在這一階段，根據(jù)不同需求使用不同的溫度，將麥芽淀粉降解為更簡(jiǎn)單的糖。因此，有必要使用具有一定結(jié)構(gòu)功能的容器（耐用的材料）。此外，由于溫度調(diào)節(jié)至關(guān)重要，因?yàn)樗烧{(diào)節(jié)產(chǎn)生可發(fā)酵糖的酶（阿爾法酰胺酶）的活性，因此溫度監(jiān)測(cè)必須是自動(dòng)的，而不是手動(dòng)的，以避免抑制酶的活性。本文介紹的家用自分離啤酒發(fā)酵桶是一種精釀啤酒浸漬的自動(dòng)設(shè)備。需注意操作溫度為65 ℃，這是阿爾法酰胺酶激活的溫度。浸漬需要對(duì)流體的溫度進(jìn)行精確的控制，這取決于輸入電阻的電流（4～20 mA）。此外，控制變量的所有測(cè)量都使用專業(yè)設(shè)備完成。因此，在測(cè)量溫度誤差時(shí)，須設(shè)計(jì)一個(gè)好的控制器充分調(diào)節(jié)電阻的電流，以達(dá)到設(shè)定值[4]。

本文提到的高中啤酒發(fā)酵設(shè)備涉及的精釀啤酒自動(dòng)浸漬工藝控制，可在65 ℃中穩(wěn)定60 min，這是從麥芽中提取最佳糖所必需的。生產(chǎn)啤酒所用到的原料在溫度控制過程中會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定性，使PID的初始溫度控制復(fù)雜化。但在經(jīng)過特定的一段時(shí)間后，溫度會(huì)通過該反饋系統(tǒng)自動(dòng)穩(wěn)定下來。

4 家用自分離啤酒發(fā)酵方法

啤酒原液通過進(jìn)口閥進(jìn)入反應(yīng)桶中，將固定化啤酒酵母置于存儲(chǔ)盒中，此時(shí)進(jìn)料電磁鎖與退料電磁鎖均處于鎖定狀態(tài)。當(dāng)反應(yīng)桶中發(fā)酵液的溫度達(dá)到所需的反應(yīng)溫度時(shí)，控制進(jìn)料電磁鎖中電磁線圈的電流大小和方向使電磁閥芯向電磁線圈移動(dòng)，并解鎖物料箱體。物料箱體在重力或外推力的作用下進(jìn)入反應(yīng)桶，并將儲(chǔ)存箱浸入液位。存儲(chǔ)盒中的固定化啤酒酵母與啤酒儲(chǔ)備液接觸進(jìn)行發(fā)酵；發(fā)酵完成后，控制回流電磁鎖中電磁線圈的電流大小和方向，使電磁閥芯向電磁線圈方向移動(dòng)，解鎖拉桿，在拉簧復(fù)位張力下提升儲(chǔ)物箱液位，從而實(shí)現(xiàn)固定化啤酒酵母與發(fā)酵液的分離，進(jìn)入啤酒的儲(chǔ)存過程。

本文介紹的固定化啤酒酵母顆粒的制備方法是通過蔗糖溶液活化所需量的啤酒酵母制備海藻酸鈉溶液和氯化鈣溶液，將啤酒酵母和海藻酸鈉溶液充分混合均勻，形成海藻酸鈉-啤酒酵母懸浮液，滴入氯化鈣溶液中形成固定化啤酒酵母顆粒，靜置一段時(shí)間后沉淀固定化啤酒酵母顆粒，清洗備用。

5 結(jié)語

我國(guó)啤酒現(xiàn)采用的發(fā)酵生產(chǎn)辦法預(yù)處理不經(jīng)濟(jì)、耗時(shí)、環(huán)境不友好[5]。例如，在使用啤酒桶進(jìn)行啤酒發(fā)酵時(shí)，許多微生物的滋生可能被忽視。本文介紹了一種家用自分離啤酒發(fā)酵桶及其發(fā)酵方法。它的優(yōu)勢(shì)是能在節(jié)省占地空間的情況下實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)式的發(fā)酵操作，同時(shí)引入的自動(dòng)控溫技術(shù)能夠使發(fā)酵流程保持在恒定且適宜的溫度，有利于改善啤酒發(fā)酵完成的風(fēng)味和質(zhì)量。同時(shí)，因?yàn)槠涓呙芊庑院涂茖W(xué)的操作流程，使啤酒在發(fā)酵的過程中微生物滋生的可能性極小，在保留了啤酒所需的風(fēng)味的同時(shí)能夠有效避免家庭發(fā)酵過程中常見的微生物侵入的難題，得到高質(zhì)量的發(fā)酵流程。