第四节 发酵理论

一、酒精发酵机理

淀粉糊化后，再经糖化生成葡萄糖，葡萄糖经发酵作用生成酒精。这一系列的生化反应中，糖变为酒的反应，主要是靠酵母菌细胞中的酒化酶系的作用。酒精发酵属厌氧发酵，要求发酵在密闭条件下进行。如果有空气存在，酵母菌就不能完全进行酒精发酵，而部分进行呼吸作用，使酒精产量减少。这就是窖池要密封的原因。

在酒精发酵过程中，主要经过下述4个阶段、12步反应。其中由葡萄糖生成丙酮酸的反应称为EMP途径。由葡萄糖发酵生成酒精的总反应式为：

C6H12O6+ 2ADP + 2H3PO4→2CH3CH2OH + 2CO2+ 2ATP

（1）第一阶段 葡萄糖磷酸化，生成活泼的1，6-二磷酸果糖。这个阶段主要是磷酸化及异构化，是糖的活化过程。

（2）第二阶段 1，6-二磷酸果糖分裂为2分子磷酸丙糖。

（3）第三阶段 3-磷酸甘油醛经氧化（脱氢），并磷酸化，生成1，3-二磷酸甘油酸。然后将高能磷酸键转移给ADP，以产生ATP。再经磷酸基变位和分子内重排，又给出一个高能磷酸键，而后变成丙酮酸。

（4）第四个阶段 酵母菌在无氧条件下，将丙酮酸继续降解，生成酒精。上述反应可归纳为图4-1所示。

二、白酒中微量香味成分的形成

1．白酒中主要有机酸的生成

白酒中的各种有机酸，在发酵过程中虽是糖的不完全氧化物，但糖并不是形成有机酸的唯一原始物质，因为其他非糖化合物也能形成有机酸。值得引起注意的是许多微生物可以利用有机酸作为碳源而消耗。所以发酵中有机酸既要产生又要消耗。特别是不同种类有机酸之间可不断转化。现将白酒中一些主要有机酸形成途径分述如下：

（1）甲酸 甲酸主要由发酵中间产物丙酮酸加1个水分子与乙酸共生。

CH3COCOOH+H2O → CH3COOH+HCOOH

（2）乙酸 又名醋酸，是酒精发酵中不可避免的产物，在各种白酒中都有乙酸存在，是酒中挥发酸的组成，也是丁酸、己酸及其酯类的主要前体物质。乙酸的生成主要有下述几个途径：

①在醋酸菌代谢中，由酒精氧化产生乙酸。

CH3CH2OH+O2→ CH3COOH + H2O

醋酸菌是氧化细菌的重要组成部分，是白酒工业的大敌。有些酵母也有产酸能力，凡产酯能力强的酵母菌，对酒精的氧化能力大于酒精发酵力的酵母菌都有产酸能力，但远不及醋酸菌。

②发酵过程中，在酒精生成的同时，也伴随着有乙酸和甘油生成。

2C6H12O6+H2O → CH3CH2OH+CH3COOH+2C3H5（OH）3+2CO2

③糖经过发酵变成乙醛，乙醛经歧化作用，离子重新安排，就会变成乙酸。

2CH3CHO+H2O → CH3COOH+CH3CH2OH

酒精和乙酸同时出现时，即一开始有酒精，马上就会有乙酸出现。当糖分发酵一半时，乙酸的含量最高；在发酵后期，酒精较多时，乙酸含量较少。一般来说，对酵母提供的条件越差，则产生的乙酸越多。如果在发酵过程中带进了枯草芽孢杆菌，乙酸会大量增加。

（3）乳酸 进行乳酸发酵的主要微生物是细菌。其发酵类型有两种，即发酵产物中只有乳酸的同型乳酸发酵以及发酵产物中除乳酸外同时还有乙酸、酒精、CO2、H2的异型乳酸发酵。这些乳酸菌利用糖经糖酵解途径生成丙酮酸，丙酮酸在乳酸脱氢酶催化下还原而生成乳酸。

白酒生产是开放式的，酿造过程将不可避免地感染大量乳酸菌，并进入窖内发酵，赋予白酒独特的风味，其发酵属于混合型（异）乳酸发酵。目前，白酒中普遍存在乳酸及其酯类过剩，而影响酒的质量。

（4）丁酸 又称酪酸，是由丁酸菌或异型乳酸菌发酵作用生成的。

①丁酸菌将葡萄糖或含氮物质发酵变成丁酸：

C6H12O6→ CH3CH2CH2COOH+2CO2+2H2

②由乙酸及乙醇经丁酸菌作用，脱1分子水而成：

CH3COOH+CH3CH2OH → CH3CH2CH2COOH+H2O

③由乳酸发酵生成丁酸时，也必须有乙酸，但有的菌不需要乙酸而直接从乳酸发酵生成乙酸，再由乙酸加氢而成为丁酸：

CH3CHOHCOOH+CH3COOH → CH3CH2CH2COOH+H2O+CO2

（5）己酸 己酸菌使酒精和醋酸生成丁酸，丁酸再与酒精结合生成己酸：

CH3CH2OH+CH3COOH → CH3CH2CH2COOH+H2O

CH3（CH2）2COOH+CH3CH2OH → CH3（CH2）4COOH+H2O

这是一个极其复杂的过程。在生物合成过程中，在无细胞酶存在下，酒精与磷酸在乙酰与乙酰磷酸存在下，与乙酸结合生成丁酸。当丁酸与磷酸共同存在时，受到氧化，反过来又变成乙酰磷酸。发酵一般是从高分子向低分子分解，而己酸发酵是以具有2个碳的酒精为基质制造具有6个碳的己酸，它是发酵中罕见的例子。

在大曲酒发酵过程中，以淀粉质为原料，在淀粉酶的作用下，先将淀粉转化成葡萄糖，再由葡萄糖发酵生成己酸、乙酸、二氧化碳和放出氢：

2C6H12O6→ CH3（CH2）4COOH+CH3COOH+4CO2+4H2

（6）戊酸 丙酸细菌可利用丙酮酸羧化形成草酰乙酸，后者还原成苹果酸，再脱水还原成琥珀酸，再脱羧产生丙酸。接着再由梭状芽孢杆菌通过类似于丁酸、己酸的合成途径，由丙酸合成戊酸，进而还可合成庚酸等。

（7）琥珀酸 琥珀酸学名叫丁二酸，它是在酒精发酵过程中，由氨基酸去氨基作用而生成：

C6H12O6+COOHCH2CH2CHNH2COOH+2H2O → COOHCH2CHCOOH+2C3H8O3+NH3+CO2

（8）由低分子酸合成高级酸

CH3CH2OH+CH3COOH → CH3CH2CH2COOH+H2O

CH3CH2CH2COOH+CH3CH2OH → CH3（CH2）4COOH+H2O

（9）由脂肪生成脂肪酸

C3H5（C15H31COOH）3+3H2O → C3H5（OH）3+3C15H31COOH+3H

（10）由蛋白质变成氨基酸 发酵后残留于酒醅中的微生物尸体和原料中带来的蛋白质，通过微生物的作用，分解成氨基酸。

2．白酒中酯类物质的生成

白酒中的酯类主要是由发酵过程中的生化反应产生的，此外也能通过化学反应合成，即有机酸与醇相接触进行酯化作用，生成酯。酯化反应速度非常缓慢，并且反应到一定程度时，即行停止。

酯在酒精发酵过程中，以副产物的形式出现。它是在酯化酶的作用下合成的。酯化酶为胞内酶，它催化酵母细胞内的活性酸-酰基辅酶A与醇结合形成酯。酵母菌、霉菌、细菌中都含有酯化酶。据研究，酯的合成是一个需能代谢过程，例如乙酸乙酯的合成反应如下：

CH3COSCoA+C2H5OH → CH3COOC2H5+HSCoA

酵母体内的乙酰辅酶A主要来自丙酮酸的氧化脱羧作用。

Nordstrom在培养基中添加丁酸、己酸，并接种啤酒酵母进行发酵，用气相色谱分析发酵液，发现有丁酸乙酯、己酸乙酯生成。故提出了由脂肪酸和醇生物合成脂肪酸酯的通式为：

RCOOH+ATP+HSCoA → RCO～SCoA+AMP+PPi

RCO～SCoA+R′OH → RCOOR′+HSCoA

据此理论，丁酸乙酯、己酸乙酯的合成途径可表示为：

乳酸乙酯的生物合成途径与其他脂肪酸乙酯的合成类似，即乳酸在转酰基酶作用下生成乳酰辅酶A，再在酯化酶催化下与乙醇合成乳酸乙酯：

3．白酒中醇类物质的生成

任何种类的酒，在发酵过程中，除生成较大量的乙醇外，还同时生成其他醇类。醇类主要由微生物作用于糖、果胶质、氨基酸等而产生。

（1）甲醇 甲醇的前体物质为果胶，果胶是半乳糖醛酸的缩合物。其羧基上经常与甲基或钙相结合而形成酯。该酯在果胶酯酶的参与下，经加水分解作用而生成甲醇和果胶酸。

（2）乙醇 淀粉经糖化后，由于酵母的作用，经EMP途径，生成酒精。

（3）高级醇 高级醇是一类高沸点物质，是白酒和其他饮料酒的重要香味来源。高级醇是指除乙醇以外的，具有3个碳以上的一价醇类。这些醇类包括正丙醇、仲丁醇、戊醇、异戊醇、异丁醇等。我们平时说的杂醇油，就是这些高级醇组成的混合体。白酒中的杂醇油就其含量而言，以异丁醇、异戊醇为主。在酒精发酵过程中，由于原料中蛋白质分解或微生物菌体蛋白水解，而生成氨基酸，氨基酸进一步水解放出氨，脱羧基，生成相应的醇。不同种类的酵母，产高级醇量也各不相同。

（4）多元醇 微生物在好气条件下发酵可生成多元醇。白酒中多元醇的含量较多，这些物质是白酒甜味和醇厚感的主要成因。多元醇的甜味常随着醇基的增加而增加。丙三醇、丁四醇（赤藓醇）、戊五醇（阿拉伯醇）、己六醇（甘露醇）都是甜味黏稠液，己六醇是白酒多元醇中含量最多者。

①丙三醇（甘油）：甘油是酵母在酒精发酵过程中的产物。发酵液中加入亚硫酸或碳酸钠，或添加食盐以增加渗透压，可促进酵母产生大量甘油。白酒生产中，经长期酒精发酵，积累的甘油量较多。有关单位对窖内发酵时甘油的变化进行了测定，发现甘油的消长极不稳定，甘油主要是发酵后期产生的。

发酵过程中，中间产物为甘油：

C6H12O6→ CH2OHCHOHCH2OH+CH3CHO+CO2

另外，产2，3-丁二醇的细菌在好气情况下，除产2，3-丁二醇外，也产甘油：

3C6H12O6→2CH3CHOHCHOHCH3+2CH2OHCHOHCH2OH+4CO2

②甘露醇：许多霉菌能产甘露醇，所以大曲中含量较多，一般发酵食品都程度不同地含有此物。细菌中如混合型乳酸菌可使己糖产生乳酸，同时产生甘露醇。

3C6H12O6+H2O →2C6H14O6+CH3CHOHCOOH+CH3COOH+CO2

4．白酒中醛酮类物质的生成

（1）乙醛 酒精发酵过程中，酵母菌将葡萄糖转变为丙酮酸，放出二氧化碳而生成乙醛，乙醛被迅速还原而成酒精。在此期间生成的乙醛，只是中间产物，极少残存于酒醅中。当酒醅中已生成大量酒精后，乙醇被氧化而生成乙醛。这是成品酒中乙醛的主要生成途径。乙醛的沸点较低，故白酒中的乙醛含量，与流酒温度有关。在贮存过程中，乙醛大量挥发，使酒中乙醛的含量降低。

（2）糠醛 稻壳辅料及原料皮壳中均含有多缩戊糖，在微生物的作用下生成糠醛：

白酒中的呋喃成分系统主要是糠醛，此外，还有醇基糠醛（糠醇）和甲基糠醛等呋喃衍生物。在名白酒中可能存在着以呋喃为基础的分子结构更大更复杂的物质，但现在还是一个谜，可能是“糟香”或“焦香”的重要组成部分，这些问题还有待深入研究。

（3）缩醛 白酒中的缩醛以乙缩醛为主，其含量几乎与乙醛相等。按酒厂中现行测定总醛的方法测出的主要物质是乙醛和部分高级醛，尚有部分没有测出。缩醛是由醇和醛缩合而成的：

（4）丙烯醛（甘油醛） 白酒无论是固态或液态发酵，在发酵不正常时，常在蒸馏操作中有刺鼻的辣味，蒸出来的新酒燥辣，这是酒中有丙烯醛的缘故，但经贮存后，辣味大为减少。因为丙烯醛的沸点只有50℃，容易挥发，致使酒在老熟过程中辣味减轻。

酒醅中含有甘油，如感染大量杂菌，尤其当酵母与乳酸菌共栖时，就会产生丙烯醛：

（5）高级醛酮白酒中的醛酮类，即羰基化合物是重要的香味成分。但含量过多，会给白酒带来异杂味。酒中高级醛酮是由氨基酸分解而成的，但其变化途径迄今尚未搞清楚。

（6）α-联酮 双乙酰、3-羟基丁酮、2，3-丁二醇等一般习惯上统称为α-联酮。但并不十分确切，因2，3-丁二醇系属醇类。白酒中双乙酰、2，3-丁二醇是呈甜味物质，赋予白酒以醇厚感。从白酒的成分剖析可知，名优酒双乙酰和2，3-丁二醇的含量多，次酒含量少；3-羟基丁酮尚无规律可循。

白酒生产中，大多数根霉、曲霉、酵母都能产生α-联酮。白酒中α-联酮含量如表4-2所示。

3-羟基丁酮主要由酮酸及乙醛而来：

2CH3COCOOH → CH3COCHOHCH3+2CO2

2CH3CHO → CH3COCHOHCH3

双乙酰是由乙醛及乙酸生成的：

CH3CHO+CH3COOH → CH3COCOCH3+H2O

双乙酰生成3-羟基丁酮时还产生乙酸。

2，3-丁二醇属二元醇，它的产生因菌种不同而有下面两种途径：

C6H12O6→ CH3CHOHCHOHCH3+2CO2+H2

C6H12O6→ CH3CHOHCHOHCH3+CO2+HCOOH

3C6H12O6→2CH3CHOHCHOHCH3+2CH2OHCHOHCH2OH+4CO2

双乙酰、3-羟基丁酮、2，3-丁二醇三者之间是经氧化还原而相互转化的：

白酒酿造中微生物种类繁多，共同起着极其复杂的氧化还原作用。发酵过程中，一般先产生3-羟基丁酮，随后向2，3-丁二醇和双乙酰转化，这三种物质在窖内极不稳定，但酒醅中三者始终存在，只是在不同时期的量比关系不同而已。

5．白酒中芳香族化合物的生成

芳香族化合物是一种碳环化合物，是苯及其衍生物的总称（包括稠环烃及其衍生物）。酒中芳香族化合物主要来源于蛋白质。例如酪醇是酵母将酪氨酸加水脱氨而生成的。

小麦中含有大量的阿魏酸、香草酸和香草醛。用小麦制曲时，经微生物作用而生成大量的香草酸及小量香草醛。小麦经酵母发酵，香草酸大量增加；但曲子经酵母发酵后，香草酸有部分变成4-乙基愈创木酚。阿魏酸经酵母菌及细菌发酵后，生成4-乙基愈创木酚和少量香草醛。香草醛经酵母发酵和细菌作用也能生成4-乙基愈创木酚。

据文献记载，香草醛、香草酸、阿魏酸等来源于木质素，丁香酸来自单宁。若将高粱用60%酒精浸泡，抽提液中含有大量酚类物质，其中有较多的阿魏酸和丁香酸。经酵母发酵后，主要生成丁香酸、丁醛和一些成分不明的芳香族化合物，这从一个方面说明了“好吃不过高粱酒”的道理。下面顺便提一下酒中的硫化物，白酒中检出的硫化物主要有硫化氢、硫醇、二乙基硫等，特别是新酒中这些物质含量较多，它们是新酒味的主要成分，通过贮存后，这些物质可挥发除去。硫化氢主要是由胱氨酸、半胱氨酸和它的前体物质——含硫蛋白质而来的。原料中含硫蛋白质含量不同，经发酵后生成硫化氢的量也有差异。实验表明，酵母、细菌的硫化氢产量较霉菌大得多。球拟酵母及汉逊酵母将胱氨酸生成硫化氢的能力更强。

酒醅内存在胱氨酸时，在有较多糠醛和乙醛存在的情况下，高温蒸馏时也能生成硫化氢。