应用数字式折光仪检测啤酒发酵过程中的可发酵糖
摘要：采用R-32α数字式折光仪和传统糖度计对啤酒发酵过程中发酵液可发酵糖的糖度进行对比性研究，建立两种方法的相关性模型，同时应用R-32α数字式折光仪及相关性模型于大生产糖度检测。结果表明：两种糖度测定方法具有显著相关性，采用PR-32α折光仪测定糖度具有样品消耗量小、读数快速准确等优点，可替代传统糖度计进行啤酒发酵过程中的糖度检测，为啤酒生产提供一种新的糖度监测方式。
关键词：折光仪 糖度检测 相关性 工艺控制
前言
在啤酒酿造过程中，主发酵期的降糖速度直接关系到发酵周期和啤酒的风味质量，是重要的控制内容。降糖速度与酵母质量、酵母数量和发酵温度有关，与麦汁的可发酵性有关[1]。正常情况下，在发酵高泡期，一般控制每天的降糖幅度不超过2°P，最高不超过2.5°P（外观糖度）。降糖速度偏快或者偏慢，意味着麦汁的可发酵性能、酵母添加量、充氧条件、酵母的状态和主发酵温度控制等方面出现了一些问题，应及时分析并采取措施[2]。然而发现问题和采取措施的前提是可以准确判断发酵过程中降糖异常，而这则需要一种准确快捷的糖度测定方法和仪器。啤酒发酵过程中的工艺控制首先是通过糖度标准来执行的，当糖度达到发酵工艺要求后应及时对发酵温度和发酵罐压力进行调节，以推进发酵进程，完成发酵过程，从而保证啤酒品质。
在生产现场，操作人员通过测定外观糖度值（一般称之为“打糖”）来发现降糖过程中的异常或确定工艺控制点“糖度”是否到达工艺要求，从而采取相关措施或决定是否需要对温度和压力进行调节[3]。常用的糖度检测仪表是附温糖度计（俗称糖度表）。它是根据阿基米德定律和物体浮在液面上平衡的条件制成的，是通过测定液体密度来表示糖度的一种仪器[4]，如图1所示。该仪表在使用时消耗样品量较大，且需要进行温度校正。
PR-32α折光仪（如图2）实现精度改良为Brix±0.1%，预设系数[浓度=Brix x系数]后就可直接读取此样品的浓度。检测原理是由棱镜下方点光源发出的光线经由分界面多角度的射向液体样品，依据样品折射率的不同，光线会被反射或折射出去，当入射光线被全内反射时会形成一个明暗分界的分界线，光接收器判断分界线的位置，并依据临界角计算出样品的折射率。该仪表具有操作简单、样品消耗量低、数字显示等特点。在使用去离子水调“0”后，可直接将样品滴入检测室，按下“START”键即可显示样品浓度，无需温度修订。
本文通过研究PR-32α型折光仪在啤酒发酵过程中对发酵液糖度的检测情况，以及该仪器与传统糖度计检测发酵液糖度变化的差异性，建立两者的相关性方程。从而降低啤酒发酵过程中糖度检测的啤酒样品的消耗量，提高检测的准确性和工作效率。
1、实验材料与方法
1.1 实验材料
发酵液；附温糖度表；PR-32α型折光仪；台式低速离心机；血球计数板；去离子水；EDTA试剂，显微镜（Olympus bx41），全自动啤酒分析仪（奥地利安东帕）等。
1.2实验方法
1.2.1传统糖度检测方法
传统糖度表是一根密闭的玻璃管，一端粗细均匀，内壁贴有刻度纸，另一端稍膨大呈泡状，泡里装有小铅粒或水银。在使用中需将玻璃管在被检测液体中竖直浸入到足够的深度，当其稳定地浮于液体中时，进行观察读数。
1.2.2PR-32α型折光仪检测方法
轻按“START”键开机，滴一滴去离子水于检测室中，按“ZERO”键进行调零后，用滤纸拭去去离子水，滴一滴发酵液样品于检测室中，按“START”键读数即可。
1.2.3发酵度、酒精检测方法
参考中华人民共和国国家标准GB/T 4928-2008 《啤酒分析方法》[5]酒精度检测仪器法和真正（实际）发酵度检测方法。
1.2.4酵母计数方法
参考《工业微生物学实验技术》酵母细胞计数和出芽率测定[6]。
1.3实验方案
1.3.1 数字式折光仪与传统糖度计检测效果比对
A、利用数字折光仪检测发酵液糖度
使用数字式折光仪对某一发酵罐的主发酵过程进行糖度跟踪检测，检测频率为1次/天，检测时进行连续读数，每30秒钟读数一次。同时使用传统糖度计进行检测，作为对照。考察数字式折光仪与传统糖度计检测结果的差异性及其检测效果的稳定性。
B、数字折光仪检测发酵液糖度过程中的干扰排除
使用数字式折光仪对某一发酵罐的主发酵过程进行糖度跟踪检测。每个样品分别进行两种方式的处理，即离心处理（3500转，10min）和不经离心处理，然后进行连续读数，每30秒钟读数一次。同时使用传统糖度计进行检测，作为对照。考察样品离心与否对数字式折光仪检测结果的影响，确定发酵液样品的处理方式。
C、数字折光仪与传统糖度计检测结果相关性方程的建立
同时使用数字式折光仪和传统糖度计对两罐不同发酵液样品进行糖度跟踪检测，检测频率为1次/天。以数字式折光仪检测结果为X值，糖度计检测结果为Y值做散点图分析，建立两者间的相关性方程。
1.3.2 数字式折光仪应用效果评价
在实验室发酵过程中，应用数字式折光仪对发酵样品进行糖度跟踪检测，同时测定各样品中酵母细胞数的变化情况，考察数字式折光仪检测发酵液样品的糖度变化情况是否符合酵母增殖规律；在发酵液糖度降至5 °P以下后，进行降温贮酒，贮酒结束检测各发酵液样品的酒精含量和发酵度，考察根据数字式折光仪检测的糖度结果进行发酵进程控制是否影响发酵效果。
2、结果与分析
2.1数字式折光仪与传统传统糖度计检测效果比对分析
2.1.1利用数字折光仪检测发酵液糖度
|
检测时间（h） |
糖度计（°P） |
数字式折光仪（Brix） |
|||||
|
0s |
30s |
60s |
90s |
120s |
150s |
||
|
0 |
12.0 |
12.4 |
12.4 |
12.4 |
12.3 |
12.2 |
12.2 |
|
24 |
10.9 |
11 |
10.8 |
10.9 |
10.8 |
10.6 |
10.6 |
|
48 |
9.0 |
10.1 |
10.0 |
9.9 |
9.6 |
9.7 |
9.5 |
|
72 |
7.0 |
9.1 |
8.5 |
8.1 |
7.6 |
8.0 |
7.1 |
|
96 |
5.5 |
7.9 |
7.5 |
7.3 |
7.1 |
6.8 |
7.2 |
|
120 |
4.2 |
7.3 |
7.6 |
6.4 |
6.2 |
6.2 |
6.0 |
从表1中数据可以看出，PR-32α型折光仪的糖度检测结果与传统糖度计检测结果存在差异，随发酵进程的深入，折光仪检测结果与传统糖度计检测结果差异性越来越大；另外，PR-32α型折光仪的检测结果随着读数时间的延长逐渐减小，且随发酵进程的深入，其读数减小的幅度越来越大。
由此可知：两种仪表的检测结果存在明显差异，数字折光仪需经过校正方可使用。同时数字折光仪检测结果的稳定性不佳，随着发酵的进行检测结果差异性增大，稳定性减弱。分析造成此现象的原因，与发酵进程中酵母细胞不断增殖变化，发酵液中醇、酯等物质不断积累有关。
2.1.2数字折光仪检测发酵液糖度过程中的干扰排除
表2 数字折光仪对不同发酵液的检测结果
|
检测时间（h） |
糖度计（°P） |
数字式折光仪（Brix） |
||||||
|
处理方式 |
0s |
30s |
60s |
90s |
120s |
150s |
||
|
0 |
12.5 |
离心 |
13 |
13 |
13.1 |
13 |
13 |
13 |
|
未离心 |
13.1 |
13 |
13 |
13 |
13.2 |
12.9 |
||
|
24 |
11.7 |
离心 |
12.3 |
12.4 |
12.4 |
12.4 |
12.2 |
12.3 |
|
未离心 |
12.4 |
12.3 |
12.0 |
11.8 |
11.8 |
11.7 |
||
|
48 |
10.1 |
离心 |
11.4 |
11.4 |
11.4 |
11.4 |
11.3 |
11.3 |
|
未离心 |
11.2 |
11.2 |
11.1 |
10.5 |
10.4 |
10.2 |
||
|
72 |
7.9 |
离心 |
10.0 |
10.0 |
9.9 |
9.9 |
9.9 |
9.8 |
|
未离心 |
10.0 |
10.1 |
9.8 |
9.6 |
9.5 |
9.1 |
||
|
96 |
6.5 |
离心 |
8.7 |
8.8 |
8.8 |
8.8 |
8.7 |
8.6 |
|
未离心 |
8.9 |
8.9 |
8.6 |
8.3 |
8.0 |
7.7 |
||
|
120 |
4.8 |
离心 |
7.8 |
7.8 |
7.8 |
7.8 |
7.9 |
7.8 |
|
未离心 |
7.8 |
7.7 |
7.5 |
7.1 |
6.9 |
6.7 |
||
从表2中数据可以看出，无论发酵液样品进行离心处理与否，PR-32α型数字折光仪的糖度检测结果与传统糖度计检测结果均存在差异，且随发酵进程的深入，差异性越来越大；对发酵液样品进行离心处理后，数字折光仪检测结果的稳定性增强，未出现随着读数时间的延长而检测结果减小的现象；发酵液样品经离心处理后的检测结果与未经离心处理时“0秒”的检测结果相近。
以上现象说明，PR-32α型数字折光仪对发酵液糖度的检测结果与传统方法存在差异，需经过结果换算后方可对发酵进程起到指示作用；对发酵液样品进行离心处理后可以提高PR-32α型数字折光仪的检测稳定性，但会增加样品前处理过程，使糖度检测更加繁琐；在实际检测过程中可以采用滴加样品后迅速读数的方式替代样品的离心处理。
2.1.3数字折光仪与传统糖度计检测结果相关性方程的建立
表3 建立相关性方程的糖度检测结果
|
样品 |
检测仪表 |
发酵时间（h） |
|||||
|
0 |
24 |
48 |
72 |
96 |
120 |
||
|
发酵罐A |
糖度计（°P） |
12.1 |
11 |
9.1 |
7.1 |
5.6 |
4.3 |
|
折光仪（Brix） |
12.6 |
11.2 |
10.4 |
9.1 |
7.9 |
7.3 |
|
|
发酵罐B |
糖度计（°P） |
12.6 |
11.7 |
10.1 |
7.9 |
6.4 |
4.9 |
|
折光仪（Brix） |
13.1 |
12.4 |
11.2 |
10 |
8.9 |
7.8 |
|
应用两种糖度检测仪表同时对两罐发酵液发酵进程中糖度变化进行跟踪检测，检测结果如表3所示。以其中数字折光仪的检测结果为“X”值，糖度计检测结果为“Y”值，做散点图并添加趋势线，建立两者的相关性方程，如图3所示。
图3 检测结果相关性方程
从图3中两种仪表检测结果的线性关系来看，二者存在着较显著的相关性，其相关系数R2=0.985，利用各点数值作相关性方程为“Y=1.4668x-6.3339”，在实际检测中可以利用该方程对数字折光仪的检测结果进行计算，即可对样品糖度进行准确判断。
2.2数字折光仪的应用效果评价
2.2.1酵母增殖与糖度消耗关系比对
根据各样品发酵前期的酵母数检测结果和每天数字折光仪所检测出的降糖情况做二者的对比图，如图4所示。
从图4中图形状况可以看出：各样品的日降糖量与酵母增殖状况存在一定相关性。以酵母高峰期为例，1#、2#和4#样品发酵3天时酵母细胞数达到高峰，其最高日降糖量也出现在第3天；而3#样品第4天达到酵母细胞数峰值，其降糖高峰也为第4天。其他时间段的酵母细胞数与降糖量也符合此规律。
说明：发酵过程中，酵母增殖需要消耗糖类物质，酵母细胞数越高，其糖类消耗越快。而数字折光仪的糖度检测结果可以准确表征发酵进程中的此现象，可以为发酵工艺调整提供充分依据。
2.2.2数字折光仪检测结果对发酵效果的影响
当各发酵样品的糖度降至5°P时，将样品进行降温贮酒一周，贮酒结束检测其发酵度和酒精度，判断发酵效果，验证根据数字折光仪检测结果调整发酵工艺对发酵效果的影响，检测数据如表4所示。
表4 贮酒期检测结果
|
样品 |
降温糖度（°P） |
发酵度（%） |
酒精度（v/v%） |
|
1# |
4.8 |
70.4 |
6.7 |
|
2# |
4.8 |
70.4 |
6.7 |
|
3# |
5.1 |
67.4 |
6.5 |
|
4# |
5.0 |
63.4 |
6.2 |
从表4中数据可以看出，根据数字折光仪检测的糖度结果调整发酵工艺进程，可影响发酵结束啤酒的发酵度和酒精含量。即降温糖度控制相同的样品1#和2#的最终发酵度和酒精含量相同，而降温糖度偏高的样品3#和4#最终发酵度和酒精含量偏低。此现象说明，数字折光仪的检测结果可以起到调整工艺的指示作用，且会对发酵效果造成影响。所以判断数字式折光仪可以准确应用于发酵过程中的糖度检测和工艺调整指示。
3、结论
⑴PR-32α型数字折光仪可以应用于啤酒发酵过程中的可发酵性糖的糖度检测，可明确表示发酵液的糖度变化情况，有效指示发酵工艺的调整。同时具有样品消耗量低，检测准确、快速等特点。
⑵PR-32α型数字折光仪对啤酒糖度的检测结果与传统糖度计存在差异，需使用相关性方程进行换算。其方程为：Y=1.4668x-6.3339
⑶值得注意的是，由于发酵液中含有大量酵母细胞，会对PR-32α型数字折光仪的检测稳定性造成影响，所以在应用PR-32α型数字折光仪进行发酵液的糖度检测时要求迅速进行读数，以保证检测结果的准确性。
参 考 文 献
[1]管敦仪.啤酒工业手册[M].中国轻工业出版社,1998:285-290.
[2]徐斌.啤酒生产问答（第三版）[M].中国轻工业出版社,2008:143-145
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