植酸酶對不同原料發(fā)酵乙醇的影響

劉勁松，金明亮，宮殿良，郭福陽

（中糧生化能源（肇東）有限公司，黑龍江肇東151100）

植酸酶對不同原料發(fā)酵乙醇的影響

劉勁松，金明亮，宮殿良，郭福陽

（中糧生化能源（肇東）有限公司，黑龍江肇東151100）

本文考察以不同原料為底物時，在液化前添加植酸酶對液化粘度、DE值及后續(xù)發(fā)酵的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)以全玉米粉為發(fā)酵底物，配料濃度為30%，植酸酶加量為10U·g-1干基時，液化及發(fā)酵效果最好，乙醇濃度可達15.38%（V/V），殘?zhí)侵笜讼鄬σ草^低。使用全粉為原料時添加植酸酶對酒分提高顯著。

高溫植酸酶；不同原料；乙醇

磷是合成酵母菌體細胞中核酸、核蛋白、磷脂和其他含磷化合物的重要組成元素，是菌體細胞中許多輔酶的重要組成部分。當(dāng)細胞中缺少磷時，會引起各種代謝產(chǎn)物的紊亂[1]。其中玉米中的磷大部分以植酸磷的形式存在，不能被微生物利用，一方面造成資源的浪費，另一方面大量的植酸磷殘留在酒糟中，作為飼料難以被畜禽利用，導(dǎo)致環(huán)境的污染[2]。在發(fā)酵過程中加入植酸酶，它將植酸磷分解為無機磷，供酵母生長代謝利用[3]，又可以減少植酸對其他營養(yǎng)因子的螯合作用和對淀粉酶、蛋白酶的抑制作用，從而提高出酒率[4]。

全玉米粉和玉米混合粉為常用的發(fā)酵原料，玉米胚芽經(jīng)榨油后的玉米粕與脫胚玉米粉構(gòu)成了玉米混合粉。在生產(chǎn)線上提取玉米胚芽油后，其營養(yǎng)成分幾乎全部殘留在胚芽粕中，粕中玉米纖維和蛋白質(zhì)的含量極高[5]。由于玉米混合粉有提油處理的過程，因此，相對于全玉米粉發(fā)酵增加了利潤，并且玉米粕對酵母的生長有一定的促進作用，是目前企業(yè)比較成熟的生產(chǎn)方式[6]。本文主要考察了耐高溫植酸酶對全玉米粉和玉米混合粉的發(fā)酵影響，目的是優(yōu)化植酸酶的較優(yōu)發(fā)酵原料及添加量，驗證植酸酶對玉米酒精發(fā)酵出酒率的影響，為植酸酶應(yīng)用到大生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

全玉米粉；混合玉米粉：脫胚玉米粉加13%左右的粕粉；安琪超級釀酒高活性干酵母（湖北安琪酵母股份有限公司）；淀粉酶（諾維信公司）；酸性蛋白酶（山東隆大公司）；糖化酶（諾維信公司）；植酸酶（北京華農(nóng)生物工程有限公司）；葡萄糖；NaOH；HCl；H2SO4均為分析純。

圖1 全玉米粉粒度分布Fig.1Particle distribution of whole corn powder

圖2 混合粉粒度分布Fig.2Particle distribution of mixed corn powder

1.2 儀器與設(shè)備

Mettler AL204型分析天平（梅特勒-托利多儀器上海有限公司）；NDJ-5S型粘度計（上海恒平科學(xué)儀器有限公司）；HWS-28型水浴鍋（浙江金壇市榮華儀器制造有限公司）；PHS-3C型pH計（上海精密科學(xué)儀器有限公司雷磁儀器廠）；ZHWY-2112F型搖床（上海智城分析儀器制造有限公司）；Agilent1260型液相色譜（安捷倫科技發(fā)展有限公司）；SCIGA 3-18k型離心機（Sigma公司）；尼康50I型顯微鏡（日本尼康）。

1.3 方法

1.3.1 原料液化稱取相應(yīng)物料克數(shù)至恒重的生物反應(yīng)器中，加入相應(yīng)溫度的工藝水與清液，將全玉米粉、混合粉配成干物濃度為30%的底物，體系總重800g。調(diào)整pH值至5.6，加入淀粉酶與植酸酶（10U·g-1干基），不加植酸酶做空白對照。將反應(yīng)器放入溫度為85℃的水浴鍋，在水浴鍋溫度升至85℃時開始計時，調(diào)整攪拌速度為120r·min-1，3.5h將醪液迅速降溫至32.5℃左右。

1.3.2 發(fā)酵調(diào)整液化醪pH值至4.4，稱取液化醪350g，稱量一定質(zhì)量的酵母至醪液中（加量1‰），加入酸性蛋白酶和糖化酶稀釋液于發(fā)酵醪中混合均勻，加入3×10-6青霉素稀釋液，及時記錄樣品重量。發(fā)酵溫度為32℃，搖床轉(zhuǎn)速為80·min-1，發(fā)酵時間為72h，取樣滴定全分析及HPLC分析檢測。

1.3.3 殘?zhí)堑臏y定方法：斐林試劑法[7]

這樣，入冬之前聚集在塔哈巴哈臺城的各方兵力，由于食糧短缺，自動或被動地遷離。在城內(nèi)只剩一小部分兵力，埋伏于禮拜寺周圍。實際上，塔爾巴哈臺又一次陷入孤軍守城局面。[注]中國邊疆史地研究中心、中國第一歷史檔案館合編：《清代新疆滿文檔案匯編》280，“同治五年六月十六日呼圖克圖喇嘛棍噶扎勒參奏聞塔爾巴哈臺城失陷情形折”，廣西師范大學(xué)出版社，2012年，第3～4頁。

1.3.4 成熟醪各試驗組的測定方法高效液相色譜法

采用安捷倫1260型色譜進行測定，色譜柱：伯樂HPX-87H，300×7.8mm；預(yù)柱：伯樂125-0129，30*4.6mm；流動相：0.005mol·L-1H2SO4；泵流：0. 6mL·min-1；柱溫：65℃；RID設(shè)置溫度：50℃；進樣量15μL；運行時間30min。

1.4 計算公式

1.4.1 淀粉出酒率、殘淀粉、殘糊精的計算方法

殘淀粉=（殘總糖-過濾總糖）×0.9

殘糊精=（過濾總糖-還原糖）×0.9

2 結(jié)果與討論

2.1 液化粘度與DE值對比

液化醪為乙醇發(fā)酵過程中的重要原料，其粘度的大小直接涉及整個乙醇的連續(xù)生產(chǎn)，粘度過大會導(dǎo)致管路物料輸送慢，液化不徹底，影響糖化酶對淀粉鏈的進一步作用，從而影響產(chǎn)率；粘度過小則導(dǎo)致設(shè)備利用率低，能耗偏高，產(chǎn)酒能力降低[8]。

圖3 液化粘度與DE值對比Fig.3Contrast of liquefaction viscosity and DE value

由圖3可以看出，在全玉米粉作為原料時，添加植酸酶的降粘效果較好，可降低30%；在混合粉作為原料時，添加植酸酶的降粘效果不明顯。

在酒精發(fā)酵的生產(chǎn)中對液化醪的DE值的控制是十分關(guān)鍵的，液化DE值表示的是在液化過程中，還原糖在液化醪中所占的百分比。不同干物質(zhì)濃度的物料所要求的DE值也是不同的。為了防止液化醪中過高的還原糖對酵母產(chǎn)生抑制作用而降低酒精得率，在不影響生產(chǎn)的情況下盡可能保持較多量的糊精和低聚糖及較少量的葡萄糖[8]。由圖3所示，在全玉米粉作為原料時，添加植酸酶的液化DE值提高了7.2%；在混合粉作為原料時，添加植酸酶的液化DE值提高了0.9%。

2.2 成熟醪酒分與淀粉出酒率對比

如圖4，5所示，在全玉米粉作為原料時，添加植酸酶的成熟醪酒分提高至15.38%（V/V），相較于未添加植酸酶試驗組，提高了0.85%，淀粉出酒率為53.67%；而混合粉作為原料時，添加植酸酶的試驗組相較于未添加植酸酶試驗組，成熟醪酒分提高了0.20%，淀粉出酒率差異不大；全玉米粉做原料發(fā)酵的酒分均高于混合粉試驗組。

圖4 成熟醪酒分對比Fig.4Contrast of mature raw spirit

圖5 成熟醪淀粉出酒率對比Fig.5Contrast of distillation yield of mature raw spirit

2.3 成熟醪殘?zhí)菍Ρ?/p>

殘?zhí)窃诰凭l(fā)酵工藝中是一個重要的指標，隨著發(fā)酵過程的進行，糖分含量不斷下降，在發(fā)酵結(jié)束后殘余的糖分越少說明發(fā)酵效果越好[9]。

表1 成熟醪殘?zhí)菍Ρ萒ab.1Contrast of residul sugar in mature raw spirit

從表1可以看出，添加植酸酶的全玉米粉的發(fā)酵殘還原糖和殘總糖含量最低，分別為0.31%和2.51%；在4個試驗組中，在全粉作發(fā)酵底物時，添加植酸酶的殘?zhí)侵笜溯^優(yōu)。

2.4 成熟醪的HPLC分析

從表2可以看出，發(fā)酵主產(chǎn)物乙醇的產(chǎn)量，添加植酸酶的試驗組酒分均高于未添加植酸酶的試驗組，而全玉米粉作底物發(fā)酵的酒分高于混合粉，其乙醇/甘油值也最高，為10.8；各個試驗因素間的麥芽糖、乳酸含量相差不大。

表2 成熟醪的HPLC檢測結(jié)果Tab.2HPLC detection results of mature raw spirit

3 結(jié)論

本文使用全玉米粉與混合粉做原料進行發(fā)酵試驗，考察以不同原料為底物時，在液化前添加高溫植酸酶對液化粘度、DE值及后續(xù)發(fā)酵的影響。當(dāng)以全玉米粉為發(fā)酵底物時，配料濃度為30%，植酸酶加量在10U·g-1干基時，液化及發(fā)酵效果最好，乙醇濃度高達15.38%（V/V），殘?zhí)侵笜讼鄬σ草^低。根據(jù)目前顯示的試驗數(shù)據(jù)，使用全粉為原料時添加植酸酶對酒精含量影響顯著。使用混合粉為原料時，添加植酸酶對酒精產(chǎn)率僅有微弱優(yōu)勢，分析原因是混合粉中含有13%左右的粕粉，粕中含有老化淀粉，導(dǎo)致植酸酶對混合粉的作用效果不顯著。針對粕中的老化淀粉，目前沒有較好的檢測手段，該課題尚需要進一步的深入研究。

［1］張強.植酸酶在玉米原料酒精生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.釀酒科技，2005，（7）:51.

［2］李娜.植酸酶在玉米酒精發(fā)酵中的應(yīng)用研究［J］.釀酒，2013，40（3）:91.

［3］許宏閑,阮振華,段鋼.高粱生料酒精發(fā)酵植酸酶的應(yīng)用研究［J］.食品科學(xué)，2010，31（5）:148.

［4］KeShun Liu,Jianchun Han.Changes in mineral concentrations and phosphorus profile during dry-grind processing of corn into ethanol［J］.Bioresource Technology,2011,102:3110-3118.

［5］楊麗.玉米胚芽粕資源的綜合利用及展望［J］.食品研究與開發(fā)，2012，（11）:205.

［6］張秋琴,葉義杰,張敏，等.玉米胚芽油的生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展前景［J］.工藝探討，2008，54-56.

［7］王福榮.釀酒份析與檢測［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

［8］岳國君,董紅星,焦龍,等.酒精生產(chǎn)液化-糖化過程中醪液黏度的變化規(guī)律［J］.食品與發(fā)酵工業(yè),2009,35（9）:10-13.

［9］W.M.Ingledew,D.R.Kelsall,G.D.Austin.The Alcohol Textbook Fifth Edition［M］.Nottingham:Nottinghamuniversitypress,2009:413-415.

Influence on the fermentation with different raw corn flour by applying phytase

LIU Jin-song，JIN Ming-liang，GONG Dian-liang，GUO Fu-yang
（COFCO Bio-Energy（Zhaodong）Co.Ltd.,Zhaodong 151100，China）

In this study,the viscosity,DE value and the influence on the fermentation with different raw corn flour were investigated by applying phytase during liquefactions.The results showed that:Ethanol concentration is up to 15.38%（V/V）and the parameters of residual sugar are lower than the other conditions，when 10U phytase per gram raw material was added under the dry solids of 30%with the whole corn flour.The ethanol output was improved significantly under the condition of the whole corn flour adding phytase。

meal；phytase；ethanol

Q55

A

1002-1124（2014）09-0070-03

2014-07-28

劉勁松（1974-），男，高級工程師，天津大學(xué)化學(xué)工程博士，主要從事谷物發(fā)酵生產(chǎn)酒精及生物質(zhì)能源方面的研究工作。