【摘要】阐述了热负荷研究意义和发展。通过糊化免煮沸工艺、分段低蒸汽压力煮沸工艺具体分析减少热负荷工艺的研究，量化了过程控制的指标与方法，92.0℃糊化，降低了麦汁碘值，总体平均下降了44.7%，提高糖化完全度；在分段低蒸汽压力煮沸研究中，线性分析了低压煮沸强度(X)与可凝固性-N（Y）、泡沫蛋白(Z)、老化前驱物质的关系。Y=-3.9102X+35.479，煮沸强度下降0.6%，麦汁老化前驱物质约下降13.3%，Z=-0.0444X+0.568，建立了对应的数学模型应用于实践中；同时在研究中，导入热力学能量计算方式，量化了能量与实际生产蒸汽的关系，为减少热负荷工艺研究提供支持。
【关键词】热负荷，啤酒，减少
    概况
    啤酒酿造过程中的热负荷（Thermal  Load）主要体现为[1]：加工物料温度高低与循环加热次数，在高温条件下停留的时间，热媒与被加热物料温度差异，不同的加热方式，不同的传热条件。在不同热负荷条件下，对啤酒酿造过程变化程度是与其对产品质量影响是不同的。在麦汁加热过程中，大部分的胶体物质不能耐太高的温度与过长的时间，在较高的热负荷的条件下，氧化还原的速度加快，美拉德反应的强度增强，麦汁的聚合度加大，脂肪的氧化与乳化加剧，金属离子催化作用强烈，特别是蛋白质与碳水化合物的碳化，将直接影响啤酒的风味和口味。在满足酿造工艺产品质量的前提下，合适的控制热负荷，实现低热负荷酿造，如：控制糖化过程工艺温度与时间，控制糊化醪温度、麦汁煮沸时间、煮沸强度，不使用太高的加热蒸汽压力，均匀分布加热源，降低加热过程中物料与热源的温度差异，采用低Pu值杀菌工艺，等等。在热负荷的研究中，归根到底是从节约能源与对啤酒风味质量影响方面进行研究分析。在制麦、糖化、包装、贮藏、运输中热负荷对啤酒风味的影响，Bamforth C.W[2]与Vessly P[3]等已有系统性研究论文；糠醛、5-羟甲基糠醛和史垂克降解醛可作为制麦、糖化、包装杀菌和成品酒贮藏期热负荷的指示剂已有些文献阐述[4][5]；减少从制麦过程到消费点整个过程的热负荷是提高啤酒风味稳定性的重要措施；选择合适的麦芽品种，较低的焙焦温度，可防止脂类降解、减少DMS前驱物质含量及减少美拉德反应；优化糊化工艺，减少热负荷；减少热麦汁的处理时间，等等。
    另外，国外在对热负荷的研究中，liegeois[6]采用1升小型糖化实验设备研究，麦芽焙焦工艺可能是影响麦汁中反-2-壬烯醛的主要因素，发现浅色麦芽含有少量的能在糖化中继续降解的反-2-壬烯醛与蛋白的络合物；Yano[7]等研究了麦汁煮沸和麦汁澄清过程的热负荷对啤酒反-2-壬烯醛的影响；Vander[8]研究呋喃醚类可作为啤酒贮藏过程中热负荷的一种指示剂。
    中国目前已成为世界啤酒行业竞争的最主要市场，在原料和能源价格不断提升的今天，啤酒生产成本压力越来越大，啤酒企业的竞争也日益激烈，降低能源消耗和低碳经济已成为许多啤酒厂家发展的方向，其中在通过技术改造，提高装备水平，加强消耗指标定额管理，来降低能源等其他消耗指标，如：采用节能新技术、新设备，麦汁低压煮沸、缩短煮沸时间，缩短制酒过程时间、提高效率，新型麦汁过滤槽和不同形式的节能煮沸锅，氨直接冷却替代介质冷却，错流膜过滤及相关技术，酒液瞬间灭菌替代隧道式喷淋灭菌，利用生物制剂和其他加工制剂降低消耗，等等。
    基于上述的分析，在降低能源消耗，减少生产过程中的热负荷等方面，根据我们的实践就以下两个方案进行分析研究：
㈠、糊化免煮沸方案的研究
㈡、分段低蒸汽压力煮沸方法研究
    糊化免煮沸方案研究
    传统的糊化工艺是基于辅料在淀粉酶的作用下，在其分解适合温度作用一段时间后再升温至100℃煮沸一段时间后并醪、糖化，其主要的作用是淀粉颗粒在热溶液中膨胀、破裂，在淀粉酶分解作用下形成低分子糊精，从而降低糊化醪的黏度，同时将淀粉转化为麦芽糖、葡萄糖、葡萄三糖等糖类和糊精的过程。在整个糊化过程中，热能的消耗主要是在升温的过程，在100℃煮沸的保温中，由于水分的蒸发量很少，因此在这个过程中能源的消耗可以认为无损失。但是，由于使用的α-淀粉酶或耐高温淀粉酶，在经过100℃的煮沸中很大一部分酶活力都已失活，在糊化中残留的淀粉或小分子糊精只能在糖化过程中依靠麦芽本身的α-淀粉酶进行分解，而麦芽本身的α-淀粉酶量又很少，很难对糊化残留的淀粉或小分子糊精进行分解，同时由于现的高浓高辅料酿造，可能造成淀粉的老化，因此可能造成糖化的不完全。
    基于以上的考虑以及酶制剂的不断发展，如耐高温高活力单位的α-淀粉酶（60000单位），我们提出糊化免煮沸工艺方法，具体为：
    结合高活性耐高温淀粉酶，降低糊化料水比，降低糊化温度，把糊化的最高温度从100℃降低到95℃或更低，使糊化醪的热容量减少，从而使并醪后糖化温度更适合。其中，在下料后直接升温至70~75℃，保温10~20min 后升温至95℃或更低，保温30~50min，其中具体温度根据实际并醪温度确定。
一、糊化免煮沸工艺 
二、糊化糖化完全度——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。我们知道碘分子进入淀粉分子长链所形成的螺旋状空间中，并与淀粉分子形成闭环结构的碘—淀粉复合物，这复合物对光有强烈的吸收而呈现一定的颜色，通过颜色的变化来定性判断淀粉的分解情况，但是在正常的麦汁醪液中，很可能有分子链比较长的糊精，因此，简单的定性检测有很大的局限性。利用高分子糊精和淀粉在加入酒精后会沉淀析出，在相应的缓冲溶液条件下，加入碘液进行反应，用分光光度计测定其吸光度而进行判断。
如果麦汁的碘值高对啤酒质量会造成以下的影响：随发酵的进行，PH值的下降和酒精度的提高，高分子糊精溶解度下降而产生较高的浊度；易使啤酒产生酵母味；糊精浑浊影响啤酒的澄清，导致啤酒过滤困难，过滤成本高；导致啤酒非生物和生物浑浊的趋势；等等。
下面就采用不同辅料和比例的糖化原料配料工艺时，在传统糊化与免煮沸糊化中碘值数据的变化进行收集、分析和讨论。
1、  数据收集

表1

    为进一步明确各工艺之间对碘值的差异化，对各平均值进行汇总分析，如下：

表2

其中，为了证明酶制剂在传统糊化煮沸工艺中后期的失效，我们增加酶制剂用量进行糊化实验分析，具体见下表。

表3

注：1、①和②表示数据分别来自表1、表2。
2、讨论
从表2中进行横向分析可得：在传统煮沸中，随着辅料比的不同以及不同辅料配比，麦汁碘值存在着明显的差异化，辅料比下降4%，麦汁碘值相对下降了11%，用玉米淀粉的麦汁碘值相对下降了32.4%，在免煮沸工艺中，也相应的随着辅料比不同，麦汁碘值相应下降了9.2%、17.2%；从纵向分析可得，相应的免煮沸糊化与传统煮沸工艺比较，碘值分别下降了48.8%、47.8%和37.4%，总体平均下降了44.7%（直观图见图1、2）。可见在免煮沸糊化工艺中，通过适当的增加α-高温淀粉酶的量，在糊化过程中于92℃保温后直接进行并醪糖化，其中由于没有煮沸，淀粉酶的活力的一部分可适当的保留到糖化中继续进行作用，从而达到降低碘值的作用，使糖化更加完全。

   从表3的分析可见，随着淀粉酶制剂量100%→170%→230%的增加，在工艺①中，传统糊化煮沸碘值分别下降了0.78%、2.5%，可见下降的量很少，在实验误差范围内可忽略不计；同样的在工艺②中，也分别下降了-1.4%、2.6%，其中出现-1.4%,属正常的实验误差，可忽略不计。因此，可进一步证明了在传统煮沸过程中，α-淀粉酶只是瞬间能耐高温，一部分或说很大部分在经100℃保温后失活，而影响糖化的完全度。

三、过程控制与成品酒质量

生产的实际控制情况良好，并醪后温度控制较为准确，工艺要求62.0℃，实际经统计分析（87个数据，略），平均控制水平62.2℃，较为适合。其中在成品酒指标中，我们经统计分析，指标控制良好，具体如下表4：

表4

从上分析可见，各项指标良好。
四、蒸汽能源
根据热力学参数换算以及实际统计分析可得：
加热蒸汽的压力:3.0bar,蒸汽温度:143.75℃,查热焓为:2739KJ/kg
醪液量:22000kg(水)+6300kg(大米及玉米淀粉)=28300kg
糊化醪的比热:0.869×4.187 kJ/kg·K         (4.187为水的比热)
按热量衡算,则加热蒸汽的消耗量(w)为:   

                   
据上得出所需的加热蒸汽的消耗量约为:385 kg
根据实际计算约为550kg蒸汽。
五、糊化免煮沸工艺优点小结
1、降低了麦汁碘值，提高糖化完全度；
2、节约能源，降低成本；
3、简化糊化工艺，操作简单。
    分段低蒸汽压力煮沸方法研究
    煮沸的基本作用，我们都很清楚，所以在此不做论述。
    随着科学技术的发展，对于啤酒的研究已经渗透到更微观细节性方面。我们知道，麦汁煮沸过程耗能是酿造过程中最高的环节，降低煮沸强度可以节约能源，减少热量蒸汽的利用。麦汁是胶体物质的复合物，在100℃的煮沸中，热量对胶体物质的结构产生巨大的变化，同时，据研究表明当煮沸热负荷增加时，strecker醛类物质和4—乙烯基愈创木酚含量增加，增加了酒体老化的前驱物质。因此，适当降低麦汁煮沸强度，可在一定程度上减少麦汁以及最终产品的热负荷，当然这部分的研究需要相当的工作量和数据，也需要相当热力学方面的仪器，这里我们只是从原理上进行简单的说明。

表5^[9]

    基于现煮沸强度控制在7±1%范围内，降为6±1%，具体见下阐述。
    研究主要参数指标：
    DMS；可凝固性氮；硫代巴比妥酸值；泡沫蛋白。
一、二甲基硫（DMS ）分析
    在麦汁煮沸过程中，DMS的前体物质可以分解为DMS-P和游离的DMS，随着煮沸时间和强度的增强，残留在麦汁中的DMS逐渐减少，从原理上分析，残留在麦汁中的DMS越少越好，但煮沸的时间不可能太长，因此，只要把麦汁中的DMS控制在70μg/L以下就表示煮沸的完整性。在分析的49批次麦汁中，DMS的含量在20～30μg/L，煮沸强度控制6.8%-7.8%。可见现的煮沸系统对DMS的挥发起到很好的作用，但有可能煮沸过度。我们认为DMS在麦汁体系的挥发是有限度的，只要在一合理的煮沸空间中，其的挥发就可以达到最高限度。基于这点，我们对煮沸强度控制在5.7%-7 %的35批次麦汁分析，DMS的含量在22～29μg/L。可见，其结果基本一致，能保证DMS足够量的挥发。

表6 

二、可凝固性氮
   麦汁的可凝固性氮是煮沸过程对蛋白的凝絮情况的重要指标，影响着最终酒体的非生物稳定性，如过量的去除将对啤酒的发酵性能和质量、泡沫物质的提供以及口感都有负面影响。
1、数据汇总
下为12.0°系列麦汁在不同煮沸强度下分析的可凝固性氮数据汇总，见下表7。

表7

2、数据分区统计：
对可凝固氮与煮沸强度进行分段统计分析可得：

表8

从上分析可得，可凝固-N在6~10mg/l占59.1%，其他在4~6mg/l和10~12mg/l的各占18.2%，而2~4mg/l有2个样品，占4.5%，可见，麦汁的可-N主要集中在6~10mg/l。

表9

从上分析可得，煮沸强度在6.5~7.5%占68.2%为主要部分，其中6~6.5%占9.1%，7.5~8.0%占22.7%，可见，麦汁的煮沸强度主要控制在6.5~7.5%。
3、煮沸强度与可凝固-N关系
    从原理上分析，煮沸强度与可凝固-N关系应呈递减关系，随着煮沸强度的增强可-N减少，综合上面数据区统计分析以及数据优略统计，可得到相应的规律。如下图3。    
   利用上公式，如把可凝固-N控制在12~15mg/l，那煮沸强度可控制在5.4~6.0%。
4、综合评价分析
    可凝固性氮是反应麦汁热稳定情况的重要指标，12.0°麦汁一般控制在＜15mg/l就可以保证酒体的6个月非生物稳定性，其在一定程度上也影响酒体的泡沫稳定性。综合上述分析的数据统计，现麦汁的煮沸强度主要控制在6.5~7.5%，可凝固性氮主要控制在6~10mg/l，可以足够保证最终酒体的非生物稳定性。
    在对煮沸强度控制在5.9%~7.1%的麦汁数据进行分析（具体数据略，共35个样品），可得最终麦汁可凝固氮平均控制在10.5mg/l（范围为：8.2~15.9mg/l），能充分满足最终酒体的稳定性。
    其中依据上图3公式推可得：可凝固氮平均控制为10.5mg/l，煮沸强度为6.40%，与实际具有相当可比性。
三、硫代巴比妥酸值
    TBA即硫代巴比妥酸值，最早是由一私人啤酒公司提出来的，并于1982年公之与众。它是一能计算麦芽、麦汁热负荷值并与啤酒风味稳定性有关的参数。其主要是为了测定麦芽、麦汁、啤酒中以5-羟甲基糠醛为主的醛类物质的含量（主要老化前驱物质），5-羟甲基糠醛是美拉德反应中生成的一种物质，是带一氧原子的五元杂环的醛类。(具体说明略)
    麦汁的煮沸是一项非常复杂的物理化学变化过程，在整个煮沸过程中有很多还原性物质的形成、蛋白的变性凝聚、二甲基硫的形成等等反应，其中包括了美拉德反应的不断进行。实验分析中，选择不同煮沸时间点，煮沸时间为70分钟，对麦汁进行TBA 值分析，具体见图4。
       从上图4分析可见，在整个70min 的煮沸过程中麦汁的TBA值呈上升趋势，到煮沸结束上升的幅度为75%~100%。通过对TBA的分析，优化煮沸系统能够避免产生超热负荷，可以减少美拉德反应生成的异味的芳香物质。
    通过煮沸强度控制在6.5%~7.5%（57个样品，具体略）与5.8%~7.0%（33个样品，具体略）麦汁TBA值的综合统计分析可见，煮沸强度控制在6.5%~7.5%时，麦汁TBA平均值为47.5，煮沸强度控制在5.8%~7.0%麦汁时，TBA平均值为41.2，减少了13.3%，减少了羰基化合物前驱物质对麦汁的影响，提高麦汁的抗老化性能，从而提高最终酒体的抗老化性能。其中，有关TBA的研究我们已在其他论文中具体阐述过，详见《啤酒科技》2006年6期。
四、泡沫蛋白分析
    啤酒泡沫是一种很复杂的混合物，其主要是蛋白多酚、多糖、异葎草酮、金属络合物和二氧化碳等形成的一个群体，在这个群体中激发泡沫物质的有蛋白质（分子量＞5000Dr）、异构化α-酸、金属离子和胶体物质（为葡聚糖和阿拉伯木聚糖），起抑制作用的为脂类、碱性氨基酸和高级醇物质等，而泡沫之间的稳定性主要的基础在于异构化α-酸与泡沫蛋白之间的相互作用。其中，泡沫的性质主要取决于气泡的形成、泡沫层中酒液的回落、气泡之间的差异、泡沫形态的不均匀这四个关键过程的发展。根据相应的理论基础，我们绘制一个泡沫形成的简单方程式[10]：
       泡沫蛋白是指对啤酒泡沫起主导作用的蛋白群体，其蛋白的分子量基本在10000~100000Dr之间，其中大部分泡沫蛋白以多糖蛋白形式存在，分子量在30000~40000Dr的泡沫蛋白占70%左右。泡沫蛋白具有较强的疏水性，在糖蛋白作用键的作用下，链与链之间相互结合，产生了亲水的特性，在二氧化碳的促发下，两个相反特性的链共同作用形成了稳定的泡沫结构，同时泡沫蛋白复合体表面的活性增加，泡沫的稳定性得到进一步增强。下面对现煮沸系统麦汁泡沫蛋白进行综合分析。
1、 数据收集
   

表10

       根据上图5分析的数据可知，泡沫蛋白的均匀性较差，总体平均为0.25mg/ml。为了进一步验证泡沫蛋白在煮沸过程中的损失情况，我们分析了煮沸强度与泡沫蛋白之间的关系、相同煮沸强度与平均泡沫蛋白之间的关系（见图6、图7）。单纯从泡沫蛋白和煮沸强度来看，没有什么明显的关系，如扣除一部分偏差较大的数据，从相同煮沸强度和平均泡沫蛋白来看，有一定的线性关系，（扣除煮沸强度为6.6、6.8、7.5、8.0%，图7）泡沫蛋白随煮沸强度的增强而减少，从关系可得，每提高0.1%煮沸强度，泡沫蛋白减少0.0044mg/ml，依次类推，泡沫蛋白控制在0.3mg/ml，煮沸强度应控制在6%左右。
3、酿造过程中泡沫蛋白变化
    在整个酿造工序中，泡沫蛋白随着蛋白的沉降与蛋白酶的降解作用逐渐减少。根据实际情况，我们拟定生产过程中不同取样点分析泡沫蛋白的变化情况。
   

表11 各点泡沫蛋白情况 （mg/ml）

    从上表11分析可见，在整个糖化过程中，麦汁在糖化完全后到初沸阶段泡沫蛋白下降了10%左右，在整个煮沸阶段下降了20%左右，而到定型麦汁约又下降了10%，这主要的原因是在整个糖化阶段伴随着麦汁中蛋白的沉降，造成了泡沫蛋白的流失，因此合理的控制糖化参数，如较高的蛋白休止温度，短时间休止作用可以减少蛋白酶的活性，避免蛋白分解过度造成的泡沫蛋白损失，在整个煮沸阶段提高异构α-酸的用量，增强其与泡沫蛋白的作用，改善酒体的泡沫稳定性。
4、煮沸强度变化前后分析
    根据上面分析以及煮沸强度平均控制6.4%（53个样品，具体略），泡沫蛋白平均为0.28mg/ml，利用上图7公式，煮沸强度6.4%，泡沫蛋白为0.286mg/ml，与实际控制水平相差无几。
    综合上述煮沸强度平均为7.5%，泡沫蛋白为0.25mg/ml，及改变工艺后煮沸强度平均为6.4%，泡沫蛋白为0.28%。相对比较可见，煮沸强度下降了1.1%，泡沫蛋白提高了0.03mg/ml。
五、成品酒综合评价
下面对煮沸强度在7±1%范围与为6±1%范围的酒体综合评价。

表12

从上分析可见，成品酒非生物稳定性及其他指标控制良好，可满足有关要求。
六、蒸汽用量分析
根据热力学参数换算以及实际统计分析：
煮沸强度=（混合麦汁量－最终麦汁量）/混合麦汁量×煮沸时间，可得煮沸强度下降1%，最终麦汁量增加1500升。
加热蒸汽的压力:2.2bar,蒸汽温度:136℃,查热焓为:2725KJ/kg
二次蒸汽的压力:0.2bar,蒸汽温度:102.7℃,查热焓为:2680KJ/kg
4.187 kJ/kg·K         (4.187为水的比热)
按热量衡算,则加热蒸汽的消耗量(w)为:
七、分段低蒸汽压力煮沸方法优点小结
1、节约能源，提高经济效益；
2、减少热负荷，适当提高可凝固性氮、泡沫蛋白，增强酒体泡沫稳定性；
3、二甲基硫残留控制良好；
4、适当降低硫代巴比妥酸值，即老化前驱物质，提高酒体的稳定性。
总结
上两方案为近年来我公司实施的减少热负荷工艺的案例。减少热负荷的工艺研究是系统性的项目，从制麦、糖化、糊化、杀菌和贮藏过程系统的评价，量化研究指标，建立体系，采用分析检测指标评价热负荷对啤酒风味的影响，以老化前驱物质、5-羟甲基糠醛、还原力以及高级醇、酯类、醛类等主要风味在啤酒中变化和规律为导线，结合能源消耗的量化，探讨热负荷深层次的影响，为啤酒行业在节能降耗低碳经济方面做出贡献。
参考材料
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[4]陈胜明.糖化过程热负荷评估模型的建立与应用，啤酒科技，2009（10）22-24
[5] Parker D., Murray J. The different roles of consumer and expert panels. BRi Review, 2003, (2) 11-14.
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