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(guò)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(guò)程制造的啤酒發(fā)酵設(shè)備仍較少，且無(wú)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(ài)好者來(lái)說(shuō)，無(wú)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(jiàn)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(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵階段。在此階段，將前一過(guò)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(kāi)始發(fā)酵過(guò)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(guò)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(guò)程中的不同啤酒樣品進(jìn)行分類(lèi)。利用可見(jiàn)/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(guò)程中保持最佳溫度。通過(guò)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(wú)線(xiàn)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(kāi)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(guò)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(zhuān)門(mén)的傳感器，以監(jiān)測(cè)發(fā)酵過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(shuō)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(guò)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(guò)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(wú)需手動(dòng)分離、加酵外，還提出了通過(guò)該種發(fā)酵桶能夠?qū)崿F(xiàn)的優(yōu)化浸漬過(guò)程。水通過(guò)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(guò)罐頂部的一個(gè)直徑為12.7 cm的洞加入。PID控制器開(kāi)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恰榱耸箿囟染|(zhì)化并提高糖產(chǎn)量，當(dāng)PUMP1泵被激活時(shí)，通過(guò)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(méi)有合適的設(shè)備，也沒(méi)有麥芽浸漬的精確過(guò)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(zhuān)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(guò)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(guò)特定的一段時(shí)間后，溫度會(huì)通過(guò)該反饋系統(tǒng)自動(dòng)穩(wěn)定下來(lái)。

4 家用自分離啤酒發(fā)酵方法

啤酒原液通過(guò)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(xiàn)圈的電流大小和方向使電磁閥芯向電磁線(xiàn)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(xiàn)圈的電流大小和方向，使電磁閥芯向電磁線(xiàn)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(guò)程。

本文介紹的固定化啤酒酵母顆粒的制備方法是通過(guò)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(yǔ)

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(guò)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(guò)程中常見(jiàn)的微生物侵入的難題，得到高質(zhì)量的發(fā)酵流程。