酿酒微生物岗位

刘延琳团队

  1　酵母菌与活性干酵母概述

  酵母菌，多能对糖类物质进行酒精发酵，在发酵等行业有着广泛的应用。在酵母工业的发展过程中，活性干酵母因活化快速、贮藏时间长、运输便捷等特点而备受关注。

  1.1　酵母菌简介

  酵母菌是人类在实践过程中应用较早的一类微生物，古代的劳动人民就懂得利用酵母菌发酵粮食作物而进行酒的酿制。

  1.1.1　酵母菌

  酵母，泛指能发酵糖类的多种单细胞真菌，是一种典型的异养兼性厌氧微生物，多存在于含糖量高、酸度大的水生环境中（杨清香2016）。

  酵母菌体内含有多种蛋白质、氨基酸、维生素和微量元素，并含有消化酶和一些未知的生长刺激因子，具有较高的生物活性，在食品、医药及酿造工业等领域有着广泛的应用（王颖等2007），并且在以酿酒酵母为宿主系统表达或构建文库等的基因工程技术领域也有应用（秦华明等 2001）。

  在自然界中酵母菌有着广泛的分布，人们可以从中轻易地分离得到许多野生酵母，然而，这些被直接分离得到的酵母菌株的性状存在着很大的不确定性，往往还需要经过一系列的性状筛选和性能试验才能被应用于实际的生产使用中。

  1.1.2　酿酒酵母

  酿酒酵母(S a c c h a r o m y c e scerevisiae )，属于真核生物界的真菌门(Eumycota )、子囊菌亚门(Ascomycotina )、半子囊菌纲(Hemeascomycetes )、内孢霉目(Endomycet ales )、酵母科(Saccharomy cetaceae )中的酵母属(Saccharomyces )，是一种单细胞真核微生物，无鞭毛，不运动，以多边出芽的方式进行无性繁殖。

  在葡萄园中，成千上百种的野生酵母无处不在，但是由于葡萄酒和葡萄汁固有的特性以及葡萄酒酿造工艺等的影响，导致在葡萄汁或葡萄酒中仅有少数酵母属、种的菌株能够生存（张春晖和李华2003），其中最为重要的则是酿酒酵母（王凤梅和马利兵2016；王泽举等 2008）。

  高品质的葡萄酒不仅需要优质的葡萄原料和科学的酿制工艺，也需要性能优良的酿酒酵母的参与。优良的葡萄酿酒酵母能使葡萄浆果的优良品质在葡萄酒中得到最大限度的表达，其代谢产物能够使葡萄酒的香气协调而优雅，风格特征突显，并且使发酵的过程稳定易控（汤晓宏和胡文效 2012）。而不同来源的酵母在生理特性方面存在差异，因而所产生的发酵副产物和形成的葡萄酒风味有很大的不同（刘丽媛等2011；Walker et al. 1996），所以，选育具有地域特色的葡萄酿酒酵母具有深远的意义。因此，研究出能够大批量生产和保藏优良酿酒酵母菌株的工艺方法，对葡萄酒生产行业具有深远意义。随着酵母行业的需求以及时代科技的发展，酿酒活性干酵母产品因运而生。

  1.2　活性干酵母介绍

  活性干酵母是由特殊培养的鲜酵母经压榨干燥脱水后仍保持强的发酵能力的活性制品，具有发酵性能优良、细胞耐性强、絮凝性好、贮藏期长、运输方便等优点（窦冰然等 2016；赵志华等2006）。

  1.2.1　活性干酵母的制备原理

  活性干酵母是一种具有发酵活性的干生物制剂，其实质是酵母处于低的新陈代谢状态或是相对停止的生理状态，在理论上称为“回生”（莫湘筠1993）。在干酵母的现代生产中，利用的原理主要有“脱水回生”和“冷冻回生”，与其原理相对应的是“热干燥工艺”和“冷冻干燥工艺”。

  1.2.2　酿酒活性干酵母标准

  高活性干酵母（Instant activedry yeast）（GB/T 20886-2007）的定义为：具有强壮生命活力的压榨酵母，经干燥后制成的有高发酵力的干菌体，且发酵速度快，溶解性能好，含水量低。优良的葡萄酒活性干酵母应该符合以下的质量指标：

  （1）酿酒高活性干酵母理化要求：

  水分：≤5.5%；活细胞率：≥80%；保存率：≥80%。

  （2）酿酒高活性干酵母感官要求：

  色泽：淡黄色至淡黄棕色；气味：具有酵母特殊气味，无腐败，无异臭；

  组织：颗粒或条状；

  杂质：无肉眼可见异物。

  2　活性干酵母干燥技术及研究进展

  不同的酵母菌种具有不同的干燥耐受性。因此，进行活性干酵母的制备，首先要选择干燥耐受性强的菌种，其次要对其培养基和培养条件进行优化从而培养获得活性强且生物量高的酵母，最后采用较为温和的方式进行干燥，以获得高活性的干酵母制品。

  活性干酵母干燥过程中，由于细胞脱水会发生一系列的生化反应而使其受到不同程度的损伤，进而影响干酵母最终活性，因此，制备活性干酵母，应该充分利用保护剂的协同作用，并对干燥设备条件进行合理优化，从而最大程度地提高酵母干燥后活性。以下，就活性干酵母的干燥技术研究进行简要的概述。

  （1）热风干燥

  热风干燥，即将湿物料放置于连续流动的热空气中，使其水分不断挥发而进行的干燥过程。陈伟康等（2017）利用酿酒酵母ZM1-5制备活性干酵母，通过优化鼓风干燥箱的干燥条件，最终确定干燥温度为40℃时的干粉活菌率最高可达到74.44%。该方法操作简单、成本较低，但由于常使用的设备为烘箱，因此，只适用于制取少量干酵母。

  （2）真空干燥

  真空干燥，是在隔绝空气的条件下造成被干燥物料处于负压状态的条件，使其内部的水分获得热能而扩散到物料表面蒸发到低压空气中所形成的干燥方式。这种方式避免了物料在干燥过程中发生氧化，因此，可以很大程度上保护物料品质。庞水秀等（2012）利用微波真空干燥技术在真空度为8kPa的条件下对酵母进行干燥，制得含水量为9.1%的干酵母，其活菌率为100%。南博（2014）采用真空干燥箱进行优选酿酒酵母的活性干粉的制备，通过对干燥条件的优化，获得了85.58%的酵母活菌率。

  （3）喷雾干燥

  喷雾干燥是将酵母乳通过喷雾器迅速喷入干燥腔，酵母在热空气中高速雾化而从浆液状直接转变为干燥粉末状的过程。通过雾化，酵母颗粒与热空气之间的接触面积增大，因而干燥时间得到极大地缩减（高艳等2010），干燥效率得到很大程度的提升。但是，由于干燥的高温致使酵母细胞在干燥过程中脱水过快，容易造成酵母细胞的破损，使得酵母总体活性降低，进而导致酵母发酵力不强，并且此干燥技术耗能较大，因此，这种干燥方法基本上已经被淘汰了（陈毛清和赵华2006）。

  （4）冷冻干燥

  真空冷冻干燥，是将高含水量的物料进行预冻处理，然后将其放于真空条件下冷冻而使物料中的冰晶升华，以出去其中大部分的自由水和部分的结合水，最终得到水分含量较低的制品的过程（李华等2002）。

  冷冻干燥由于具有使用广泛、成活率高、保藏期长、不易污染杂菌等优点而被广泛应用于生物制品的脱水（潘永康 1998；陈声明和吕琴1996）。南君勇（2007）通过对冷冻干燥条件进行优化制备酵母菌粉，探究结果表明采用优选的复合保护剂与酵母菌泥在混合比为2：1条件下，混合后冷冻干燥22h可获得含水量为2.47%，冻干存活率达84.64%的酵母菌粉。胡曼（2017）应用真空冷冻干燥法对酵母活性干粉的制备条件进行了探究，结果为冻干时间24h可将水分控制在1.0%~3.1%之间，采用5%蔗糖、5%甘露糖、7.5%脱脂乳粉的最佳保护剂配方可获得74.63±1.17%的冻干存活率。但由于冷冻干燥处理时间长、加工成本高，因此，从经济实用角度考虑，冷冻干燥并不适合工厂化的酵母干粉的大规模生产。

  （5）流化床干燥

  流化床干燥是将鲜酵母进行压滤、造粒，然后进行恒速干燥的过程，一般3.5g的鲜酵母可制得1g干酵母（陈陶声1979）。

  流化床干燥的原理为孔板下部向上输送干燥的热空气，使得腔体内的物料颗粒在气流中呈悬浮运动状态，进而在热空气中得到干燥（李晓兰2007）。物料干燥过程一般分为三个阶段：一.物料预热阶段。当湿物料与热空气接触时，热空气向湿物料传递热量，湿物料温度逐渐升高，直到达到设定温度；二.恒速干燥阶段。热空气传递给湿物料的热量用于其表面非结合水的气化，在此阶段，湿物料的含水量以恒定速率不断减少；三.降速干燥阶段。当湿物料表面水不复存在时，物料内部水分逐渐向表面扩散并气化，此时的水分气化速度受内扩散速度控制，干燥速度逐渐下降，一直达到平衡含水量而终止（马兴周和邓春明2010）。在干燥过程中，由于酵母和干燥空气的接触面积较大，且流化床内的温度稳定、均匀，避免了局部空气过热对菌体造成的损伤，因而可最大程度地提高菌体存活率。

  张建峰等（2011）对酿酒活性干酵母（AADY）生产工艺进行优化及选定生产用保护剂，探究结果为流化床干燥器的进风温度为90℃时，以海藻糖 5%+司盘-60 2%+吐温-80 2%的组合作为干燥保护剂，AADY的活菌率可达83.52±1.87%的水平。陈毛清和赵华（2006）对葡萄酿酒活性干酵母的干燥工艺过程进行了探究，通过对流化床干燥过程中的温度和保护剂条件进行优化，最终确定干燥床进风温度80~90℃，乳化剂添加量1.8%~2%可获得含水量达标且活菌率达到80%左右的活细胞率。

  流化床干燥相较于其他干燥方式所制备的活性干酵母具有更快的发酵速度、更高的活性（梁国林等2012），并且过程稳定可控，生产效率高，因此，现代发酵生产企业大多采用流化床进行酵母活性干粉的生产。