生料發(fā)酵技術(shù)在小麥淀粉乳酒精發(fā)酵上的應(yīng)用概述

王麗紅，白 鈺，李 剛

(陜西科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710021)

生料發(fā)酵技術(shù)在小麥淀粉乳酒精發(fā)酵上的應(yīng)用概述

王麗紅，白 鈺，李 剛

(陜西科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710021)

介紹了生料發(fā)酵酒精的機(jī)理以及與傳統(tǒng)小麥酒精發(fā)酵相比生料發(fā)酵技術(shù)存在的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

小麥，生料，酒精

1 生料發(fā)酵酒精的理論基礎(chǔ)

1.1 生淀粉的糖化發(fā)酵機(jī)理

淀粉原料在自然情況下是以分散微?；蝾w粒形式存在，包含結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)，結(jié)晶區(qū)主要由支鏈淀粉分子以雙螺旋結(jié)構(gòu)形成，結(jié)構(gòu)較為致密，不易被外力和化學(xué)試劑作用;無定形區(qū)主要由直鏈淀粉分子以松散的結(jié)構(gòu)形成，容易受到外力和化學(xué)試劑作用［6］。在天然淀粉形態(tài)中，半晶體和無定形體交互而組成淀粉顆粒，生淀粉由于存在結(jié)晶區(qū)，酶較難作用，故轉(zhuǎn)化率很低。

傳統(tǒng)淀粉糖化生產(chǎn)工藝是在干法粉碎的谷物中加水制成粉漿，加入α-淀粉酶，粉漿經(jīng)過高溫蒸煮(105～130℃)使其中的淀粉糊化和液化，淀粉顆粒結(jié)構(gòu)被破壞，顆粒內(nèi)部分子間氫鍵被破壞，淀粉分子與水分子之間形成氫鍵，顆粒吸水膨脹，分子從顆粒內(nèi)部游離出來，淀粉顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)逐漸消失［6］。隨著結(jié)晶結(jié)構(gòu)的消失，酶作用的效率就大大增加，最終使轉(zhuǎn)化率得到提高。醪液冷卻后加入糖化酶，分解液化后的淀粉成為可發(fā)酵性糖，調(diào)節(jié)pH并在糖化醪中添加酵母，發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生乙醇和CO2。

而生淀粉的糖化是淀粉不經(jīng)過無蒸煮環(huán)節(jié)，半晶體和無定形體形成的三維網(wǎng)封閉，利用生淀粉酶極強(qiáng)水解特性將淀粉分解成可發(fā)酵性糖。目前報(bào)道的生淀粉酶主要包括α-淀粉酶和糖化酶。在生料酒精發(fā)酵過程中，糖化酶外切活力能使淀粉表面形成無數(shù)個(gè)小孔，且形成的小孔尖而深，而α-淀粉酶內(nèi)切活力則能擴(kuò)大小孔。二者協(xié)同水解生淀粉得到微孔淀粉這一過程中，首先糖化酶酶解突出在生淀粉顆粒表面不規(guī)則部分及較容易水解無定形區(qū)，沿著淀粉分子非還原末端逐級(jí)水解，隨著水解進(jìn)行，淀粉顆粒吸水溶脹使α-淀粉酶能接近顆粒內(nèi)部，α-淀粉酶隨機(jī)內(nèi)切作用為糖化酶提供新的非還原末端，這兩種酶復(fù)合協(xié)同作用不僅提高水解速率，也為水解沿著更多點(diǎn)逐級(jí)向淀粉分子內(nèi)部推進(jìn)。這樣，在生淀粉酶作用下，淀粉顆粒連續(xù)釋放葡萄糖既能滿足酵母生長代謝，又能保證幾乎所有淀粉轉(zhuǎn)化成糖而被酵母利用，使酵母始終處于一種健康旺盛代謝狀態(tài)，從而能產(chǎn)生并積累大量乙醇，使生料發(fā)酵成為可能。

1.2 生淀粉酶及主要菌種

生淀粉酶是一種包括α-淀粉酶及糖化酶的混合酶，二者相互協(xié)同作用可將淀粉徹底水解成可發(fā)酵性糖。但適量添加其它酶也有一定促進(jìn)作用，覃紅梅等［7］在玉米生料發(fā)酵酒精中，適量添加纖維素酶、淀粉酶、蛋白酶對(duì)生產(chǎn)有明顯的促進(jìn)作用。劉振等［8］對(duì)稻谷生料發(fā)酵添加果膠酶、纖維素酶、酸性蛋白酶、植酸酶對(duì)稻谷生料發(fā)酵酒精有促進(jìn)作用。

資料顯示［9］，豬胰臟α-淀粉酶對(duì)生淀粉具有較好的水解能力，霉菌的α-淀粉酶分解生淀粉的能力較弱，糖化酶能較好地分解生淀粉。報(bào)道產(chǎn)生淀粉酶的菌最多的是曲霉(Aspergillus)、芽孢桿菌(Bacillus)、根霉(Rhizopus)。除微生物外已知的生淀粉酶來源有50多種。

目前，通過選育生淀粉酶高產(chǎn)菌株和提高淀粉對(duì)酶解的敏感性等途徑來增加生淀粉的糖化效率，是當(dāng)前的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

而且，隨著酶工程的飛快發(fā)展，專業(yè)化的生料酶制劑的開發(fā)使得生料酒精發(fā)酵已變成現(xiàn)實(shí)。段鋼等［10-11］報(bào)道了新型酶制劑在小麥、大米、玉米等淀粉質(zhì)原料生料發(fā)酵上的應(yīng)用，給生料發(fā)酵生產(chǎn)帶來了突破。

1.3 生料酒精發(fā)酵的酵母菌種

目前工業(yè)化酒精發(fā)酵為了縮短發(fā)酵周期、提高酒精發(fā)酵效率，越來越多的廠家采用酵母菌種主要是專業(yè)生產(chǎn)機(jī)構(gòu)生產(chǎn)的應(yīng)用于酒精發(fā)酵的耐高溫、耐高濃度酒精的活性干酵母。

但對(duì)于生料發(fā)酵的酵母菌種，研究利用基因技術(shù)、原生質(zhì)體融合技術(shù)構(gòu)建高活力淀粉糖化酶表達(dá)菌種將更有利于生料酒精發(fā)酵［12-13］。顧亞婧等［14］采用新型融合子AK-2(K氏酵母與黑曲霉原生質(zhì)體融合)對(duì)生料直接進(jìn)行免蒸煮法生產(chǎn)酒精，提高了酒精得率，從而大大地降低了生產(chǎn)成本。

2 傳統(tǒng)小麥酒精發(fā)酵過程中的問題及生料發(fā)酵的優(yōu)勢(shì)

2.1 小麥淀粉乳蒸煮發(fā)酵酒精過程中存在的問題

當(dāng)前，國內(nèi)外小麥產(chǎn)量有所增加，乙醇工業(yè)特別是燃料乙醇迅猛發(fā)展，但是以小麥為原料生產(chǎn)乙醇并沒有太大的增長。其中生產(chǎn)難度大、操作困難是影響其發(fā)展的主要原因。

小麥的綜合加工中，提取谷朊蛋白后，利用淀粉乳生產(chǎn)酒精。但在小麥淀粉乳中由于含有較多的可溶性蛋白和戊聚糖不能被酒精酵母所利用，經(jīng)過蒸煮液化、糖化后，發(fā)酵時(shí)造成發(fā)酵液粘稠度大，從而引起生產(chǎn)中的一系列問題。

2.1.1 造成發(fā)酵時(shí)產(chǎn)生大量泡沫甚至溢出，從而造成了原料的浪費(fèi)及易污染。

2.1.2 濃醪發(fā)酵難以實(shí)現(xiàn) 濃醪發(fā)酵是酒精生產(chǎn)的發(fā)展方向，對(duì)生產(chǎn)企業(yè)提高效益，節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境將有積極的促進(jìn)作用。但由于小麥發(fā)酵液粘稠度大，導(dǎo)致用小麥生產(chǎn)酒精時(shí)發(fā)酵終了時(shí)含酒精量僅在9%。

2.1.3 增大了能量消耗和設(shè)備投資 由于粘性物質(zhì)的存在，在蒸餾時(shí)要多耗用部分蒸汽(10%～20%)，也要求使用特殊的塔板結(jié)構(gòu)。

2.1.4 DDGS分離困難 在小麥的綜合加工中將酒精發(fā)酵后的醪液，經(jīng)過濾或離心制備DDGS、制備飼料，但由于發(fā)酵液粘稠度大，造成分離困難，降低了設(shè)備的利用率。

2.2 小麥生料酒精發(fā)酵的優(yōu)勢(shì)

小麥生料酒精發(fā)酵除具有一般生料發(fā)酵的提高產(chǎn)量、減少能耗、出酒率高、通過減少操作步驟來降低成本等優(yōu)點(diǎn)外，由于不需要經(jīng)過高溫蒸煮過程，對(duì)小麥淀粉發(fā)酵的控制非常有利，從而使小麥生產(chǎn)酒精變得容易。

2.2.1 降低醪液粘度 傳統(tǒng)工藝應(yīng)用在小麥淀粉深加工中，醪液將會(huì)變得非常粘稠，糊化后尤甚，給生產(chǎn)帶來很大困難。生料發(fā)酵小麥醪液不需要經(jīng)過高能耗的淀粉蒸煮過程，淀粉分解糖化較緩慢，對(duì)醪液粘度的控制較有利。

2.2.2 促進(jìn)濃醪技術(shù)的發(fā)展 生料發(fā)酵采取邊糖化、邊發(fā)酵工藝，是一種連續(xù)的葡萄糖釋放機(jī)制，盡管配料濃度高，但起始糖的濃度不高，整個(gè)體系的葡萄糖始終處于較低的水平，從而不存在高葡萄糖濃度抑制問題，從而使酵母對(duì)乙醇濃度增加的耐受性也有了顯著的提高。而且有利于酵母的起始生長，隨著發(fā)酵的深入，酵母數(shù)量增加，并始終保持較旺盛狀態(tài)。旺盛生長的酵母可以抑制雜質(zhì)的產(chǎn)生，有利于殘淀粉和殘?zhí)堑慕档?，從而有利于出酒率的提高?/p>

2.2.3 提高乙醇質(zhì)量 在生料發(fā)酵的發(fā)酵醪中，由于沒有高溫蒸煮環(huán)節(jié)，減少蛋白質(zhì)、淀粉、纖維、脂肪等變性分解，避免酮類物質(zhì)，焦糖色素等產(chǎn)生，雜醇油和酸類的含量較低，乙醇質(zhì)量較高。

2.3 小麥生料酒精發(fā)酵的研究進(jìn)展

小麥生料發(fā)酵在國外發(fā)展較快，尤其是新型小麥淀粉酶的應(yīng)用，已在歐洲幾個(gè)大型的以小麥類為原料的酒精廠采用，效益明顯。

國內(nèi)目前還處于研究階段，許宏賢等［15］比較小麥淀粉傳統(tǒng)高溫發(fā)酵與生料發(fā)酵新工藝，結(jié)果說明生料工藝發(fā)酵醪中的乙醇含量略高于傳統(tǒng)工藝。而且醪液的粘度始終維持在較低的水平。殘余淀粉含量低于傳統(tǒng)工藝。說明生料工藝可以使小麥淀粉更有效地轉(zhuǎn)化成乙醇，應(yīng)用前景廣闊。

3 小麥生料酒精發(fā)酵的展望

目前盡管在小麥生料技術(shù)上還存在應(yīng)用酶制劑使用量較大、雜菌污染、發(fā)酵周期較長等一系列問題，但是生料發(fā)酵具有傳統(tǒng)法發(fā)酵所不具有的節(jié)能降耗、節(jié)約建設(shè)投資、簡化工藝、降低成本、提高綜合經(jīng)濟(jì)效益等無可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此生料發(fā)酵技術(shù)值得大力推廣。而且隨著科技進(jìn)步，上述問題會(huì)不斷解決，并且逐步取代傳統(tǒng)的熟料發(fā)酵，為國家和社會(huì)作出更大貢獻(xiàn)。

［1］方書起，趙銀峰，牛青川，等.小麥粉清液生產(chǎn)酒精的工藝研究［J］.釀酒科技，2005，131(5):64-65.

［2］皇甫亞柱，李景林，夏守嶺，等.小麥原料酒精及DDGS生產(chǎn)工藝的探討［J］.釀酒科技，2001，106(4):54-55.

［3］宮英振，李鳳翔，郭衛(wèi)蕓，等.生料發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.釀酒，2005，32(1):22-24.

［4］劉振，周興國，曾愛武，等.稻谷生料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇研究［J］.化學(xué)工程，2006，34(3):49-52.

［5］TaylorF，KurantzM J，Goldberg N，et al.Effects of ethanol concentration and stripping temperature on continuous fermentation rate［J］.Appl Microbiol Biotechnol，1997，48:311 -316.

［6］金征宇，顧正彪，童群義，等.碳水化合物化學(xué)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［7］覃紅梅，韋仕巖，張家偉.酶制劑在玉米生料發(fā)酵酒精生產(chǎn)中的應(yīng)用研究［J］.釀酒科技，2002，113(5):46-47.

［8］劉振，周興國，曾愛武，等.稻谷生料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇研究［J］.化學(xué)工程，2006，34(3):52-49.

［9］諸葛斌，姚惠源，姚衛(wèi)蓉.生淀粉糖化酶的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理［J］.工業(yè)微生物，2001，31(1):49-51.

［10］段鋼，許宏賢，孫長平，等.乙醇生產(chǎn)的技術(shù)進(jìn)步——新型酶技術(shù)給乙醇生料發(fā)酵生產(chǎn)帶來的突破［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2006，32(7):65-70.

［11］段鋼，許宏賢.大米生料發(fā)酵酒精生產(chǎn)的研究［J］.食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，27(1):95-102.

［12］羅進(jìn)賢，吳曉萍，張?zhí)碓?，?可降解淀粉和生產(chǎn)酒清的酵母工程菌的構(gòu)建［J］.工業(yè)微生物，2000(4):15-18.

［13］龐小燕，工吉瑛，趙鳳生.構(gòu)建直接發(fā)酵淀粉生產(chǎn)酒精的酵母融合菌株的研究［J］.生物工程學(xué)報(bào)，2001(2):165-169.

［14］顧亞婧，張華山，陽飛，等.融合子生料發(fā)酵產(chǎn)酒精的研究［J］.中國釀造，2008，199(22):57-59.

［15］許宏賢，段鋼.以小麥為原料的乙醇生產(chǎn)方法［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2006，32(12):98-103.

Application summarize of fermentation with uncooked materials in alcoholic fermentation of wheat starch

WANG Li-hong，BAI Yu，LI Gang
(College of Life Science and Engineering，Shannxi University of Science＆Technology，Xi’an 710021，China)

This article introduced the mechanism of alcoholic fermentation with uncooked materials，as well as the advantages and application prospects of uncooked material fermentation compared with the traditional alcoholic fermentation of wheat.

wheat;uncooked materials;alcoholic

TS210.1

A

1002-0306(2011)03-0405-03

近年來，隨著能源危機(jī)的加劇，燃料酒精作為一種可再生的清潔能源，在減少空氣污染及汽油的使用方面顯示了較大的優(yōu)勢(shì)，因而需求越來越大。小麥作為人們的主要糧食來源，很少應(yīng)用于酒精生產(chǎn)。但是，隨著近年來小麥綜合利用價(jià)值的提高，拓展小麥產(chǎn)業(yè)鏈，進(jìn)行深度加工綜合利用受到人們的重視，小麥生產(chǎn)酒精發(fā)展很快。方書起等［1］將小麥經(jīng)提取面筋后的清液用來發(fā)酵生產(chǎn)酒精?；矢喼龋?］證明小麥原料可以生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)酒精，其出酒率達(dá)到30.5%，理化指標(biāo)也優(yōu)于玉米酒精，一些主要指標(biāo)已達(dá)到優(yōu)級(jí)食用酒精標(biāo)準(zhǔn)。河南天冠企業(yè)集團(tuán)、安徽瑞福祥等小麥加工公司均已開發(fā)一條綜合利用小麥生產(chǎn)燃料或食用乙醇的生產(chǎn)鏈。但在實(shí)際小麥綜合加工中，目前還存在小麥淀粉發(fā)酵粘度較大，發(fā)酵時(shí)泡沫多，裝料系數(shù)小，難以進(jìn)行濃醪發(fā)酵及發(fā)酵液過濾制備DDGS困難等問題。生料酒精發(fā)酵是指原料不用蒸煮、糊化直接將生淀粉添加酶進(jìn)行邊糖化邊發(fā)酵的雙邊發(fā)酵。目前在燃料酒精、釀酒、釀醋、單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)中獲得成功［3-5］。我國在生料發(fā)酵研究方面雖然起步晚，但隨著酶制劑、基因工程菌種、專業(yè)化活性干酵母研究開發(fā)，生料發(fā)酵有了新的進(jìn)步，技術(shù)逐漸成熟。小麥生料發(fā)酵酒精技術(shù)最大優(yōu)勢(shì)在于無蒸煮環(huán)節(jié)，糖化發(fā)酵比較平穩(wěn)，不僅有效節(jié)約蒸煮和糖化工段的能耗，而且可解決發(fā)酵液粘度、濃醪發(fā)酵、乙醇質(zhì)量等問題。使小麥生料發(fā)酵酒精越來越受到重視。

2010-02-22

王麗紅(1978-)，女，碩士，講師，主要從事生物工程微生物發(fā)酵方向研究。

陜西科技大學(xué)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZX09-20)。