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摘要：研究了在葡萄酒酿酒酵母发酵过程中，所获得的CO2、乙醇、乳酸及酵母量的实验数据进行拟合，考查CO2、乙醇、乳酸及酵母量间的内在联系，发现酵母的生长和酒精、乳酸及CO2生成速率基本是保持一致的，属于生长偶联型；CO2生成的摩尔质量略大于乙醇生成的摩尔质量，且越到发酵后期差别越大，说明葡萄酒酿酒酵母在发酵过程中除了酵解过程还需从其他的途径获取能量来维持其活性；在发酵过程中乳酸的生成与乙醇的生成速率是同步的，且在发酵的后期乳酸仍维持一定的生成速率。
关键词：发酵 乙醇 CO2
中图分类号：TS261.4 文献标识码：A 文章编号：1672-5336（2014）02-0093-02
0 引言
葡萄汁由葡萄酒酵母进行酒精发酵，是一个相当复杂的生物化学反应，并且有许多连续的反应需要一系列酶的作用，酵母将葡萄汁中92%～95%的糖转化成酒精、CO2和热量，再将其余的5%～8%的糖产生其他的副产物，包括甘油、乙醛、有机酸、高级醇、酯类等，会影响葡萄酒的风味和口感，酵母菌还通过自溶，将其细胞壁中的多糖和糖蛋白释放到葡萄酒中[1]。
吴婷婷，吴雪昌[2]综述了近年来通过代谢工程手段阻断酿酒酵母甘油的合成或降低甘油的合成量，以提高乙醇发酵糖醇转化率；董晓宇[3]等研究大气压冷等离子体激活酿酒酵母，提高乙醇转化率；李明达[4]等发现酿酒酵母在高盐胁迫条件下乙醇转化率得到明显改善。
CO2是葡萄酒酵母发酵过程中的主要产物之一，主要是在EMP途径中产生。在EMP途径中CO2和乙醇的物质的量的生产量是基本一致的。所以探索CO2和乙醇生产量间的关系对于改善乙醇的转化率和副产物生成速率是及其重要的。
1 试验
1.1 材料与仪器
发酵菌种为葡萄酒酿酒酵母（实验室保藏菌种），发酵培养基为葡萄汁。
1.2 试验方法
将500mL葡萄汁装于1000mL三角瓶中，以体积分数5%接种量接种酵母，于20℃保温培养，以每天1次的频率测定其中CO2，乙醇及酵母量的变化。
（1）细胞测定。采用称重结合分光光度法[5]对细胞量定量。（2）酒精度测定。采用比色法对发酵液中的乙醇定量[6]。（3）CO2测定。采用失重法对发酵液中的CO2定量。（4）乳酸含量测定。采用比色法对发酵液中的乳酸定量[7]。
1.3 发酵的动力学表述
1.3.1 酵母细胞生长动力学表述
细胞生长动力学用Logistic方程[8-9]的积分形式如（1）式所表示的酵母细胞量X与发酵时间t的函数关系，其中X0初始接种后的酵母细胞量，Xm为的酵母细胞最大量，μm为酵母细胞比生长速率。
对酵母细胞生长曲线实验值按（1）式用Origin8.0软件进行非线性拟合，根据酵母细胞干质浓度随时间的变化可得其他常数。
1.3.2 乙醇、乳酸及CO2生成的动力学表述
产物的形成与细胞的生长存在内在联系，采用Luedeking-Piret方程的积分形式如（2）式表示产物P与发酵时间t的函数关系。
对CO2及乙醇生成曲线实验值按（2）式用Origin8.0软件进行非线性拟合，根据酵母细胞干质浓度（X）和生成物浓度（P）随时间（t）的变化可得其他常数。
2 结果与讨论
2.1 曲线拟合
对酵母细胞生长曲线实验值按（1）式用Origin8.0软件进行非线性拟合，对乳酸、CO2及乙醇生成曲线实验值按（2）式用Origin8.0软件进行非线性拟合，得表1
由表1可以发现乙醇、乳酸及CO2的α值远大于β的值，这样β的值可以忽略不计，所以乙醇、乳酸及CO2属于Gaden分类的Ⅰ类发酵。酿酒酵母，乙醇、乳酸及CO2的R2值都在0.95以上，说明拟合效果良好，实验数据比较可靠，符合理论函数关系。
2.2 酵母的生长与酒精生成量的关系
酵母、乙醇、CO2、乳酸的生成量与发酵时间的实验结果发现酵母的生长和酒精产量基本是保持一致的，随着酒精含量的升高，酒精对酵母产生毒害作用，从而限制酒精的生成。所以在发酵过程中能及时的排出发酵液中的酒精，降低酒精的浓度，对于工业化大规模快速的生产酒精具有实际的指导意义。
2.3 酵母生长速率与酒精、乳酸及CO2生成速率的关系
酵母、乙醇、乳酸、及CO2的生成速率皆是先升高后降低，基本是同步的，说明乙醇途径是酵母代谢的主要途径。
就理论而言，在酵解过程中，每生成一分子乙醇对应生成一分子CO2，CO2的生成速率总是高于乙醇生成速率的，说明葡萄酒酿酒酵母除了酵解过程还需从其他的途径获取能量来维持其生长活性。探索如何减少葡萄酒酿酒酵母在代谢过程中其他途径（即CO2与乙醇的比例）是改善乙醇转化率的关键。这对工业化生产大批量乙醇具有理论上的指导意义。
酵母、乙醇、乳酸及CO2的生成速率皆是在第二天达到最大值时。在发酵后期酵母停止生长，乙醇及CO2也基本不在生成，但是可以发现在发酵后期乳酸还是有一定生成速率的，说明在发酵后期仍然有乳酸的生成。
3 结论
（1）将酒精发酵过程中所测定的采用Logistic方程建立酿酒酵母菌体生长动力学模型和底物还原糖消耗动力学模型，采用Luedeking-Piret方程建立产物CO2、乳酸和乙醇生成动力学模型，通过origin软件对酵母菌体生长量、CO2、乳酸和酒精生成量进行非线性拟合，估计其动力学参数，所得到的相关系数均在0.95以上，可得出动力学方程的计算值与实验数据能较好的吻合。
（2）分析酵母的生长与酒精生产量的关系，发现葡萄酒酿酒酵母酒精发酵是属于生长偶联型，分析酵母生长速率与酒精、乳酸及CO2生成速率的关系，发现葡萄酒酿酒酵母除了酵解过程还需从其他的途径获取能量来维持其生长活性，在发酵后期仍然有乳酸的生成。
参考文献
[1]李华，王华，袁春龙，等.葡萄酒工艺学[M].北京：科学出版社，2007：17-18.
[2]吴婷婷，吴雪昌.高乙醇转化率酿酒酵母工程菌株构建研究进展[J].食品与发酵工业，2006，32（8）：88-92.
关键词：发酵 乙醇 CO2
中图分类号：TS261.4 文献标识码：A 文章编号：1672-5336（2014）02-0093-02
0 引言
葡萄汁由葡萄酒酵母进行酒精发酵，是一个相当复杂的生物化学反应，并且有许多连续的反应需要一系列酶的作用，酵母将葡萄汁中92%～95%的糖转化成酒精、CO2和热量，再将其余的5%～8%的糖产生其他的副产物，包括甘油、乙醛、有机酸、高级醇、酯类等，会影响葡萄酒的风味和口感，酵母菌还通过自溶，将其细胞壁中的多糖和糖蛋白释放到葡萄酒中[1]。
吴婷婷，吴雪昌[2]综述了近年来通过代谢工程手段阻断酿酒酵母甘油的合成或降低甘油的合成量，以提高乙醇发酵糖醇转化率；董晓宇[3]等研究大气压冷等离子体激活酿酒酵母，提高乙醇转化率；李明达[4]等发现酿酒酵母在高盐胁迫条件下乙醇转化率得到明显改善。
CO2是葡萄酒酵母发酵过程中的主要产物之一，主要是在EMP途径中产生。在EMP途径中CO2和乙醇的物质的量的生产量是基本一致的。所以探索CO2和乙醇生产量间的关系对于改善乙醇的转化率和副产物生成速率是及其重要的。
1 试验
1.1 材料与仪器
发酵菌种为葡萄酒酿酒酵母（实验室保藏菌种），发酵培养基为葡萄汁。
1.2 试验方法
将500mL葡萄汁装于1000mL三角瓶中，以体积分数5%接种量接种酵母，于20℃保温培养，以每天1次的频率测定其中CO2，乙醇及酵母量的变化。
（1）细胞测定。采用称重结合分光光度法[5]对细胞量定量。（2）酒精度测定。采用比色法对发酵液中的乙醇定量[6]。（3）CO2测定。采用失重法对发酵液中的CO2定量。（4）乳酸含量测定。采用比色法对发酵液中的乳酸定量[7]。
1.3 发酵的动力学表述
1.3.1 酵母细胞生长动力学表述
细胞生长动力学用Logistic方程[8-9]的积分形式如（1）式所表示的酵母细胞量X与发酵时间t的函数关系，其中X0初始接种后的酵母细胞量，Xm为的酵母细胞最大量，μm为酵母细胞比生长速率。
对酵母细胞生长曲线实验值按（1）式用Origin8.0软件进行非线性拟合，根据酵母细胞干质浓度随时间的变化可得其他常数。
1.3.2 乙醇、乳酸及CO2生成的动力学表述
产物的形成与细胞的生长存在内在联系，采用Luedeking-Piret方程的积分形式如（2）式表示产物P与发酵时间t的函数关系。
对CO2及乙醇生成曲线实验值按（2）式用Origin8.0软件进行非线性拟合，根据酵母细胞干质浓度（X）和生成物浓度（P）随时间（t）的变化可得其他常数。
2 结果与讨论
2.1 曲线拟合
对酵母细胞生长曲线实验值按（1）式用Origin8.0软件进行非线性拟合，对乳酸、CO2及乙醇生成曲线实验值按（2）式用Origin8.0软件进行非线性拟合，得表1
由表1可以发现乙醇、乳酸及CO2的α值远大于β的值，这样β的值可以忽略不计，所以乙醇、乳酸及CO2属于Gaden分类的Ⅰ类发酵。酿酒酵母，乙醇、乳酸及CO2的R2值都在0.95以上，说明拟合效果良好，实验数据比较可靠，符合理论函数关系。
2.2 酵母的生长与酒精生成量的关系
酵母、乙醇、CO2、乳酸的生成量与发酵时间的实验结果发现酵母的生长和酒精产量基本是保持一致的，随着酒精含量的升高，酒精对酵母产生毒害作用，从而限制酒精的生成。所以在发酵过程中能及时的排出发酵液中的酒精，降低酒精的浓度，对于工业化大规模快速的生产酒精具有实际的指导意义。
2.3 酵母生长速率与酒精、乳酸及CO2生成速率的关系
酵母、乙醇、乳酸、及CO2的生成速率皆是先升高后降低，基本是同步的，说明乙醇途径是酵母代谢的主要途径。
就理论而言，在酵解过程中，每生成一分子乙醇对应生成一分子CO2，CO2的生成速率总是高于乙醇生成速率的，说明葡萄酒酿酒酵母除了酵解过程还需从其他的途径获取能量来维持其生长活性。探索如何减少葡萄酒酿酒酵母在代谢过程中其他途径（即CO2与乙醇的比例）是改善乙醇转化率的关键。这对工业化生产大批量乙醇具有理论上的指导意义。
酵母、乙醇、乳酸及CO2的生成速率皆是在第二天达到最大值时。在发酵后期酵母停止生长，乙醇及CO2也基本不在生成，但是可以发现在发酵后期乳酸还是有一定生成速率的，说明在发酵后期仍然有乳酸的生成。
3 结论
（1）将酒精发酵过程中所测定的采用Logistic方程建立酿酒酵母菌体生长动力学模型和底物还原糖消耗动力学模型，采用Luedeking-Piret方程建立产物CO2、乳酸和乙醇生成动力学模型，通过origin软件对酵母菌体生长量、CO2、乳酸和酒精生成量进行非线性拟合，估计其动力学参数，所得到的相关系数均在0.95以上，可得出动力学方程的计算值与实验数据能较好的吻合。
（2）分析酵母的生长与酒精生产量的关系，发现葡萄酒酿酒酵母酒精发酵是属于生长偶联型，分析酵母生长速率与酒精、乳酸及CO2生成速率的关系，发现葡萄酒酿酒酵母除了酵解过程还需从其他的途径获取能量来维持其生长活性，在发酵后期仍然有乳酸的生成。
参考文献
[1]李华，王华，袁春龙，等.葡萄酒工艺学[M].北京：科学出版社，2007：17-18.
[2]吴婷婷，吴雪昌.高乙醇转化率酿酒酵母工程菌株构建研究进展[J].食品与发酵工业，2006，32（8）：88-92.