一般人們把整個啤酒發酵過程大致分為酵母活化階段、酵母有氧呼吸階段、酵母無氧發酵階段三個階段。這三個階段並非截然分開，在酵母的有氧呼吸和無氧發酵時還涉及口味的成熟，即通常所說的雙乙酰還原。考慮到有利於啤酒過濾和啤酒非生物穩定性的要求，在啤酒口味成熟後還需要低溫貯存啤酒。
在發酵過程中通過酵母的生理代謝作用，產生了各種代謝產物。發酵機理研究即是探究這些產物的轉化原因和過程。發酵機理非常複雜，麥汁經過一係列生物化學變化，最終得到C2H5OH、CO2和其他代謝副產物。發酵機理中有些問題至今還不十分清楚，還在不斷地探索和研究中。
歸納起來，發酵機理包括以下方麵：糖類的發酵；含氮物質的轉化；其他代謝副產物的形成和分解。
一、糖類的發酵
糖化、冷卻後的麥汁為酵母細胞提供了良好的生存環境和充足的營養物質，包括可發酵性糖、低分子氮等。在發酵中最主要的是酵母對可發酵性糖的降解。
1.麥汁中的可發酵性糖及酵母利用的順序
糖類物質占麥汁浸出物的90%以上，麥汁中能夠被啤酒酵母利用發酵的糖稱為可發酵性糖。在發酵過程中麥汁中的可發酵性糖按下列順序進行酵解：①葡萄糖；②果糖；③蔗糖；④麥芽糖；⑤麥芽三糖。
不能夠被啤酒酵母利用發酵的糖，包括麥汁中麥芽四糖以上的低分子糊精、異麥芽糖、五碳糖等，最後留在成品啤酒中。
葡萄糖和果糖由於相對分子質量小，首先滲入酵母細胞內，被啤酒酵母利用。蔗糖需經酵母分泌在酵母細胞表麵的蔗糖酶轉化為葡萄糖和果糖後，才能進入酵母細胞，進行發酵。
啤酒酵母對麥芽糖和麥芽三糖的作用，因酵母種類不同而異。在發酵一定程度後，啤酒酵母會分泌出麥芽糖與麥芽三糖滲透酶，使麥芽糖與麥芽三糖得以進入酵母細胞內，再經α-葡萄糖苷酶分解為單糖後，始能發酵。
實際上啤酒酵母進行的物質交換，並不是簡單的擴散吸收，而是通過載體輸送的方式進行營養物質的吸收，一般以輕鬆式擴散和主動性輸送的方式吸收。
（1）輕鬆式擴散受酶控製的吸收，通過非相當量交換與滲透酶相結合，沿濃度梯度進行，適合大分子，相對來說吸收較快。
（2）主動性輸送依賴能量的輸送，借助ATP傳遞作用除去和吸收質子，沿濃度梯度進行吸收，大部分的營養物質通過主動性輸送被吸收。
2.可發酵性糖的發酵途徑
啤酒酵母屬於兼性微生物，在有氧和無氧的條件下都能生存，所以啤酒酵母利用可發酵性糖有兩種情況——有氧呼吸和無氧發酵，並且糖降解還有其他幾種途徑。
（1）在有氧條件下，酵母有氧呼吸可發酵性糖被分解為水和二氧化碳，並釋放出能量。每1mol葡萄糖在有氧呼吸時釋放的能量為2822kJ，大部分轉移到ATP高能鍵中，作為酵母繁殖獲取能量的來源。
（2）在無氧條件下，酵母進行無氧發酵可發酵性糖被分解成乙醇和二氧化碳，並釋放出能量。每1mol葡萄糖在厭氧發酵時釋放的能量為209kJ，其中約96kJ的熱量轉移到ATP高能鍵中，其餘部分以熱能形式散發。啤酒發酵主要屬於這一種情況。
經過化學計算得：1g葡萄糖完全發酵時，可得約0.51g酒精和約0.49g二氧化碳（理論值）。
但在實際中，麥汁浸出物中的可發酵性糖約占總糖的70%左右，通常以麥芽糖含量表示。發酵時96%的可發酵性糖用於形成C2H5OH、CO2（其中80%在前發酵被利用）；2.5%的可發酵性糖用於其他代謝產物的形成；1.5%的可發酵性糖用於合成新的酵母細胞。發酵度也不可能達到100%。
（3）EMP途徑麥汁中的各種可發酵性糖的代謝，無論是有氧還是無氧代謝，都是先經過糖酵解途徑（EMP），然後再進入有氧的三羧酸循環或無氧發酵。EMP途徑共有10步連續的酶促反應，有10多種酶，以及ATP、NAD、金屬離子Mg2+、Mn2+等參與，大部分首先以磷酸化的形式進行，反應中的ATP為能量轉移體，以NAD為氫傳遞體，生成非常重要的中間產物丙酮酸（中間產物）。當然在此步反應中，也會有少量的甘油產生。
1分子葡萄糖可生成2分子丙酮酸。
（4）TCA回路（三羧酸循環）在有O2的條件下丙酮酸首先氧化脫羧生成乙酰輔酶A，乙酰輔酶A隨後進入TCA循環徹底氧化生成CO2和水，並釋放出大量的能量。
TCA——也包括10步酶促反應。1937年英國生化學家Krebs提出假設，並已證實。
（5）在無O2條件下活性丙酮酸經酶作用轉化為活性乙醛，並釋放CO2，再經乙醛到乙醇（酵母發酵的主要過程）。
（6）克雷布特（Crabtree）效應和巴斯德（Pasteure）效應
①克雷布特效應：盡管麥汁中存有氧，但由於麥汁中葡萄糖含量高或缺乏磷酸鹽，會抑製酵母的有氧代謝，從而開始厭氧發酵，產生酒精，酵母收得率下降，這種呼吸作用減弱稱為克雷布特效應。在酵母擴培時應消除葡萄糖含量高對酵母有氧代謝、酵母繁殖的不利影響。通常方法是緩慢地添加培養介質、強烈的麥汁通風，促進酵母繁殖；對於高濃麥汁發酵來說，由於濃度高，不利於氧的溶解，再加上葡萄糖含量高些，不利於酵母繁殖，形成酒精、酯就會多些。
②巴斯德效應：實踐證明，酵母在有氧呼吸時，通過三羧酸循環可獲得更多的生物能（38個ATP），無氧代謝會受到抑製，降低酒精發酵作用，這種有氧代謝抑製厭氧呼吸的作用稱為巴斯德效應。
通過對克雷布特效應和巴斯德效應比較來看，酵母菌的糖代謝受到氧和糖濃度的影響，使呼吸和發酵作用間彼此相互調節，但啤酒酵母一般具有較弱的巴斯德效應和較強的克雷布特效應。
3.發酵過程中對可發酵性糖變化的要求
發酵過程中要求酵母能盡可能徹底發酵麥汁中的可發酵性糖，這是發酵結束的依據之一，有利於成品啤酒的發酵度達到工藝要求，有利於啤酒生物穩定性。其次保持適當的可發酵性糖下降的速度，確保形成合理的代謝產物。糖類變化減少的數量，通常以發酵度表示。在發酵工藝相同的條件下，啤酒發酵度的高低，由麥汁中可發酵性糖含量的多少決定。發酵時降糖速度的快慢，隨著發酵溫度、壓力，酵母添加量、對流等情況而變化，發酵溫度越高，壓力越低，酵母添加量越多，發酵速度越快。
二、含氮物質的同化與變化
麥汁中的總氮含量650～1000mg/L（包括高分子、中分子、低分子的含氮物質），啤酒中的總氮含量300～700mg/L。通過發酵這些含氮物質下降了約1/3，導致含氮物質下降或變化的原因如下。
（1）低分子含氮物質（氨基酸和二肽）被酵母利用，由於啤酒酵母胞外蛋白酶活性很差，不能分解相對分子質量高的含氮物質，高分子含氮物質也不能進入酵母細胞。
（2）由於發酵液的溫度和pH降低，發酵液中高分子的含氮物質和多酚物質結合，形成蛋白-多酚複合物，沉澱除去。
（3）酵母細胞表麵也吸附了少量蛋白質。
（4）隨著CO2氣泡上升而進入泡蓋。
（5）啤酒酵母在發酵時會分泌部分含氮物質（包括酶），酵母自溶後也會有高分子含氮物質進入到啤酒中。
1.含氮物質的同化與變化的意義
（1）提供酵母的營養，合成酵母細胞中的蛋白質，構成酵母細胞質並有利於酵母的繁殖、生長。
（2）用於合成滲透酶和其他酶（酶的本質就是蛋白質）。
（3）酵母進行物質代謝，如發酵副產物高級醇形成、雙乙酰形成和還原。
（4）對啤酒泡沫、醇厚性和非生物穩定性起主導作用。
（5）對啤酒口味的影響。
另外，在同化含氮物質的同時，還能分泌出一些含氮物質。在發酵旺盛時，同化＞分泌；發酵快終了時，分泌較顯著。
在啤酒發酵過程中除了充分利用酵母發酵作用、還原雙乙酰作用，形成的代謝產物賦予啤酒獨特的風味以外，一定要避免發酵時酵母可能帶來的負麵作用。
早在1938年，丹麥的Nielsen就研究證明：酵母發酵時大約能分泌出它利用氮量1/3的含氮物質。所以，啤酒中的氮大約75%來源於麥汁，25%來源於啤酒酵母的分泌物。酵母的分泌物包括有生命的啤酒酵母分泌的一些酶，如蛋白質分解酶A、蔗糖酶。對於熟啤酒而言，因巴氏殺菌後啤酒中不應存在蛋白質分解酶A、蔗糖酶的活性，但對於純生啤酒來說，或多或少會存在一定活力的蛋白質分解酶A，由於啤酒pH在蛋白質分解酶A的最適pH範圍內，使蛋白質分解酶A在啤酒中呈活化狀態，能分解啤酒中的泡沫蛋白質，導致純生啤酒泡沫穩定性下降，醇厚性變差，影響純生啤酒的質量。
其次，過濾前的啤酒中懸浮的酵母數多，會直接影響啤酒可濾性。發酵過程中如果發生嚴重的酵母自溶，會導致啤酒pH上升、啤酒具有明顯的酵母味、酵母苦味；因高分子蛋白質分解產物進入到啤酒中，影響啤酒可濾性、非生物穩定性；因脂肪酸進入到啤酒中，影響啤酒口味、泡沫、口味穩定性；因蛋白質分解酶A進入到啤酒中，不利於純生啤酒的泡沫穩定性；避免酵母自溶是生產高質量啤酒的重要保證。
2.氮的代謝模式
啤酒酵母吸收麥汁中的氨基酸，不是靠簡單的濃度差的擴散作用，而是與酵母吸收可發酵性糖一樣，主要采用輕鬆式擴散吸收，並分為高、低親和載體兩種情形。
低親和載體：一般的氨基酸滲透酶，相對來說非專一性。
高親和載體：對某單個特殊氨基酸作用的滲透酶。
啤酒酵母不會直接同化麥汁中的氨基酸，用於本身酵母蛋白質的合成，而是在需要合成細胞蛋白質時，通過轉氨作用，形成所需的氨基酸。這說明酵母細胞是經濟合成，通過氨基酸的轉氨、脫氨作用形成酮酸，且產生需要量的α-酮酸，作為合成氨基酸的前驅物質。
（1）脫氨、轉氨反應被酵母氨基轉移酶（轉氨酶）催化而脫去氨基（—NH2），生成相應的酮酸同類物，再通過轉氨作用，由相應的酮酸同類物得到相應的氨基酸。
（2）合成核糖核酸小部分（10%～12%）構成酵母中的核糖核酸，維持酵母細胞的遺傳特征。
（3）當麥汁中的可同化氮含量低或某種氨基氮缺乏時，啤酒酵母可通過糖代謝產生酮酸，合成氨基酸。
3.氨基酸的代謝速率
啤酒酵母代謝（吸收）氨基酸，依賴於酵母細胞壁分泌一係列的氨基酸輸送酶調節。
（1）氨基酸的分類
①根據啤酒酵母利用速率分類：根據啤酒酵母吸收麥汁中某種氨基酸數量一半時所需時間，一般分成A、B、C、D 4類。酵母首先吸收A類氨基酸，啤酒酵母基本不吸收脯氨酸。
A（利用速率快）：絲氨酸、蘇氨酸、賴氨酸、精氨酸、穀氨酸、纈氨酸、胱氨酸（7種）；
B（利用速率中）：甲硫氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、組氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸（6種）；
C（利用速率慢）：酪氨酸、色氨酸、丙氨酸（3種）；
D（利用速率極慢）：脯氨酸（1種）。
②根據重要性分類：某些氨基酸的酮酸，對其他氨基酸合成非常重要，所以麥汁中必須含有充足的這類氨基酸，可忽視其他氨基酸對酵母整體的同化貢獻作用，也就是意義不大。所以可根據氨基酸在麥汁中的含量多少、對發酵的重要性分為不重要、重要和很重要三類。賴氨酸、組氨酸、精氨酸、亮氨酸是很重要的氨基酸。這是因為賴氨酸、組氨酸、精氨酸、亮氨酸所需的酮酸，必須由麥汁中相應的氨基酸提供，並不能通過糖代謝形成，所以，麥汁中缺乏這種氨基酸，必然改變酵母的蛋白質物質代謝，影響啤酒質量。而甘氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、色氨酸的濃度同樣重要，這些氨基酸在發酵初期含量較多，都在抑製糖代謝形成的酮酸途徑，一直進行到較晚的發酵階段時，麥汁中缺乏這些氨基酸，在發酵的後期會出現通過糖代謝形成酮酸，用於氨基酸的合成，如果這類氨基酸過低，也會對啤酒質量起負麵作用。其他不重要的氨基酸是因為在發酵的初期，能從糖代謝中形成此類氨基酸，過少也不會影響酵母進行氨基酸代謝，過多則殘留在啤酒中，又影響啤酒的爽口性。
（2）影響氨基酸代謝速率的因素
①酵母數量：數量多，作用快（與酵母繁殖密度有關）。
②酵母品種：一般來說上麵酵母和下麵酵母，基本按吸收氨基酸快慢的順序進行，但是某些下麵酵母會較晚吸收纈氨酸，Histidin、Arginin等酵母表現出無規則性吸收。
③氨基酸濃度：一般濃度高，作用快。
④氨基酸種類：種類多，作用快。
例如，兩種氨基酸同時存在，比一種作用速率增加10%；三種氨基酸同時存在，比兩種作用速率又增加8%；酵母利用氨基酸的順序受滲透酶的影響，A類和C類氨基酸存在競爭。因此不僅僅需要關注某些氨基酸的數量，而且還要控製可同化氮的數量。
⑤發酵時間：發酵時間長，作用數量多。
⑥發酵溫度：溫度高，作用數量多。
注意：如發酵溫度大於20℃（下麵酵母），酵母能代謝自身的蛋白質，產生自溶現象。如酵母在低溫0℃、長期保存、沒有營養時，也能代謝自身的氮，產生自溶，但較緩慢。
（3）α-氨基氮的代謝麥汁中蛋白質分解產物包括高、中、低分子氮。低分子氮的一部分能被啤酒酵母利用的，在實驗中可采用茚三酮檢測的一般以α-氨基氮（α-N）表示，12%的全麥芽生產的麥汁要求α-N含量220～240mg/L，適當較高的α-氨基氮含量，有利於酵母繁殖。
4.嘌呤、嘧啶等物質的作用
嘌呤和嘧啶等是構成細胞中核糖核酸和脫氧核糖核酸的重要物質。麥芽中含有0.2%～0.3%的核酸幹物質，糖化時受磷酸酯酶的分解，形成核苷酸、核苷、嘌呤和嘧啶等多種分解物，其中隻有嘌呤和嘧啶進入酵母細胞，構成核糖核酸、脫氧核糖核酸、三磷酸腺苷和某些輔酶。如果麥汁中缺乏嘌呤和嘧啶，會影響酵母的繁殖。一般來說，麥汁中不會缺乏需要的嘌呤和嘧啶。
三、發酵副產物的形成和分解
發酵期間通過酵母的新陳代謝形成了多種副產物，它們中的某些物質又被分解，這些發酵副產物同啤酒花成分、麥芽的某些成分一起對啤酒的口味和香味起著確定性的作用。因此，了解這些副產物的形成和分解十分重要。
衡量這些副產物對啤酒風味的影響，不僅僅要考慮它們在啤酒中的含量，也要考慮其本身的味閾值（單獨存在足以品出的濃度）。通過發酵副產物的風味強度（簡稱Fu）控製，可使啤酒風味協調，且啤酒中某種風味物質不會過於突出。
Fu=風味物質在啤酒中的濃度（mg/L）/風味物質的味閾值（mg/L）
Fu的大小，反映出某化學物質對風味的貢獻程度：
Fu＞1.0，能明顯品嚐出該物質的風味，數值越高表示越強烈，如果不降低這類物質的含量，將嚴重改變啤酒的風味。
Fu在0.5～1.0，能感受該化合物的風味，但感受不明顯，如果不降低這類物質含量，會影響啤酒風味，但變化不嚴重。
Fu＜0.5，該化合物對風味影響甚小或不會影響啤酒風味，隻能感受到綜合風味。
發酵副產物根據發酵時形成、是否能分解，對啤酒口味的影響可分為以下幾類。