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    高濃度酒精發(fā)酵技術(shù)研究進(jìn)展

    2019-03-30 06:32:06
    釀酒科技 2019年3期
    關(guān)鍵詞:高濃度發(fā)酵液酵母菌

    張 強

    (長春理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,吉林長春130022)

    20世紀(jì)90年代后期的20年間,世界酒精產(chǎn)量實現(xiàn)了穩(wěn)步增長,其中燃料酒精尤為引人關(guān)注。出于能源及安全方面的考慮,世界各國都在努力發(fā)展燃料酒精項目,但目前燃料酒精生產(chǎn)成本較高,缺乏有效的市場競爭力,因此降低生產(chǎn)成本對于燃料酒精工業(yè)發(fā)展具有重要的意義[1]。

    提高發(fā)酵液中的酒精濃度是目前酒精行業(yè)主要的創(chuàng)新方法。高濃度酒精發(fā)酵技術(shù)具有提高發(fā)酵終點酒精濃度,降低能耗,節(jié)約工藝用水及蒸汽用量,減少發(fā)酵周期等優(yōu)勢,可實現(xiàn)高細(xì)胞密度、高產(chǎn)物濃度和高速率發(fā)酵,從而有效降低酒精生產(chǎn)中的各項費用,因此高濃度酒精發(fā)酵技術(shù)一直是酒精行業(yè)及其相關(guān)機構(gòu)重要的研究方向[2]。

    主要介紹酒精工業(yè)目前存在的問題、高濃度酒精發(fā)酵概述以及影響高濃度酒精發(fā)酵的因素,對實現(xiàn)酒精高濃度發(fā)酵的措施進(jìn)行綜述。

    1 我國酒精工業(yè)目前存在的問題

    從能源危機及環(huán)境保護的角度來看,燃料酒精替代傳統(tǒng)的化石燃料會成為必然,對燃料酒精的需求將會不斷增長。目前我國酒精產(chǎn)量僅次于巴西和美國,居世界第3位,但與世界先進(jìn)國家相比,我國酒精生產(chǎn)還存在一定的差距,主要表現(xiàn)在以下幾方面。

    1.1 發(fā)酵產(chǎn)物酒精濃度低

    我國酒精生產(chǎn)企業(yè)最終酒精濃度在9%vol~11%vol,有的甚至還不到8%vol,與采用高濃度酒精發(fā)酵技術(shù)的先進(jìn)國家相比,差距明顯。采用高濃度酒精發(fā)酵技術(shù),酒精濃度一般可達(dá)13%vol左右,有的甚至高達(dá)18%vol以上。

    1.2 酒糟生產(chǎn)成本高

    酒糟是酒精生產(chǎn)的副產(chǎn)物。國內(nèi)酒精生產(chǎn)企業(yè)發(fā)酵液的酒精濃度為9%vol~11%vol,每生產(chǎn)1 t的11%vol酒精,將產(chǎn)生約10.5 t糟液,酒糟中干物質(zhì)含量約為8%。而每生產(chǎn)1 t的16%vol酒精,僅產(chǎn)生約7.2 t糟液,酒糟中干物質(zhì)含量可達(dá)13%左右??梢娋凭珴舛仍礁?,酒糟干物質(zhì)濃度也越高,酒糟生產(chǎn)成本也會降低。

    1.3 酒精生產(chǎn)能耗高

    酒精生產(chǎn)過程中蒸煮、蒸餾和酒糟生產(chǎn)等工段常常消耗大量的能耗。每噸酒精的電耗約89 kWh,蒸汽約3 t,水約1.0 t。采用高濃度酒精發(fā)酵技術(shù)可顯著減少能耗,假如發(fā)酵液中酒精濃度增加1%,僅蒸餾工段就可以節(jié)約蒸汽約150 kg[3]。

    2 高濃度酒精發(fā)酵技術(shù)

    高濃度酒精發(fā)酵技術(shù)是提高發(fā)酵強度的重要措施,即在發(fā)酵罐體積不變的情況下,通過提高酒精濃度來提高酒精的產(chǎn)量。傳統(tǒng)發(fā)酵中可溶固形物含量在20%~24%之間,而“高濃度發(fā)酵”中可溶固形物可達(dá)30%以上。隨著發(fā)酵技術(shù)不斷進(jìn)步,高濃度酒精發(fā)酵中底物濃度有逐漸提高的趨勢。

    玉米是我國酒精生產(chǎn)的主要原料。根據(jù)淀粉水解以及葡萄糖酒精發(fā)酵反應(yīng)式計算出不同酒精濃度下玉米粉用量,從而可以確定水與玉米粉調(diào)漿比例,具體結(jié)果見表1。

    表1 不同酒精濃度下水與玉米粉的調(diào)漿比例

    從表1可知,隨著酒精濃度的增加,水與玉米粉的調(diào)漿比例發(fā)生明顯變化。當(dāng)酒精濃度為23%vol時,水與玉米粉的調(diào)漿比例接近1∶1。因此要想達(dá)到預(yù)期的酒精濃度,理論上必須達(dá)到最基本的水與玉米粉的混合比例[4],因此高濃度酒精發(fā)酵具有較高的底物濃度,給酒精發(fā)酵會帶來很大的影響。

    3 影響高濃度酒精發(fā)酵的主要因素

    酒精發(fā)酵是一個復(fù)雜的生化反應(yīng)過程,高濃度酒精發(fā)酵具有較高的初始糖濃度和酒精濃度,會對酵母產(chǎn)生抑制作用,影響因素更為復(fù)雜。

    3.1 還原糖代謝的影響

    還原糖(主要指葡萄糖)是酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)酒精的主要營養(yǎng)物,但高濃度葡萄糖對酶的生物合成以及菌體生長都有不利影響。發(fā)酵初期,通常細(xì)胞所受糖的抑制作用大于酒精的作用,如何消除高濃度葡萄糖對酵母菌的抑制作用尤為重要[5]。

    3.2 氮源及其他營養(yǎng)物質(zhì)的影響

    高濃度酒精發(fā)酵過程中,添加適宜的氮源和其他營養(yǎng)物質(zhì),才能保證酵母菌生長以及抵抗高滲透壓的影響。如果缺乏這些物質(zhì),會引起菌體生長代謝緩慢,發(fā)酵周期延長。

    3.3 高濃度酒精的影響

    一般來講,發(fā)酵液中酒精含量超過23%vol時,酵母菌細(xì)胞就會死亡。高濃度酒精主要影響細(xì)胞形態(tài)和生理活性。細(xì)胞形態(tài)變化會導(dǎo)致細(xì)胞骨架變得疏散,細(xì)胞生理活性變化會導(dǎo)致生物大分子的合成與代謝受阻等。

    3.4 溶氧的影響

    氧氣一方面可以促進(jìn)細(xì)胞生長,有效幫助酵母細(xì)胞抵抗高濃度酒精的毒害,另外還可以促進(jìn)不飽和脂肪酸和類脂質(zhì)等存活因子的合成。高濃度酒精發(fā)酵過程中由于料液黏稠,導(dǎo)致氧傳遞困難,因此高濃度酒精發(fā)酵過程中應(yīng)保證溶氧的充分供給。

    4 實現(xiàn)高濃度酒精發(fā)酵的主要措施

    4.1 釀酒酵母改造

    發(fā)酵過程中,隨著發(fā)酵液酒精濃度增加,酒精對酵母毒性增大。研究表明,通過自然選育、原生質(zhì)體融合、誘變育種、基因重組,固定化等技術(shù)手段可提高酵母的耐受性,實現(xiàn)高濃度酒精發(fā)酵。

    杜鵑等[6]以東北椴樹蜜為原料,通過分離純化得到1株釀酒酵母YMI-37,該菌株能在葡萄糖含量80%的環(huán)境中生長,酒精產(chǎn)量高而且發(fā)酵速度快。吳華昌等[7]從白酒窖池的酒糟中經(jīng)過富集培養(yǎng)篩選出1株能產(chǎn)生18%vol酒精的酵母菌株。

    通過紫外線照射引起基因突變,然后再對各種突變品系進(jìn)行篩選,是誘變育種技術(shù)常用手段。彭源德等[8]通過紫外誘變育種,獲得了1株能耐受16%vol酒精濃度的酵母菌株,當(dāng)培養(yǎng)基中酒精含量為20%vol時,耐酒精能力比對照高31%左右。趙碩等[9]采用紫外誘變進(jìn)行耐高糖酵母菌株的篩選,采用15 W紫外燈,照射40 s,成功獲得2株在65%的高糖環(huán)境下仍能發(fā)酵的菌株。

    誘變育種與原生質(zhì)體融合技術(shù)相結(jié)合是獲得高產(chǎn)菌株常規(guī)而有效的手段。徐琳[10]對實驗室的酵母菌進(jìn)行紫外線誘變和雜交處理,選育出酵母菌J-l-l-3,利用該菌株發(fā)酵,酒精濃度能達(dá)到14.1%vol。王濱等[11]利用篩選出的酵母菌,經(jīng)紫外線誘變原生質(zhì)體,選育出酒精高產(chǎn)菌株Y316-23,發(fā)酵液中酒精濃度達(dá)到13.5%vol以上。

    通過基因重組技術(shù)獲得的菌株往往具有較高的生產(chǎn)潛能。Shi等[12]對釀酒酵母SM-3采用基因重組技術(shù)獲得了1株突變株F34,該菌株在45~48℃、20%葡萄糖培養(yǎng)基中可產(chǎn)生9.9%vol酒精,遠(yuǎn)高于出發(fā)菌株。

    采用固定化酵母進(jìn)行酒精高濃度發(fā)酵,可大大提高酒精產(chǎn)率。伍彥華等[13]采用自絮凝酵母FJY進(jìn)行酒精發(fā)酵,發(fā)現(xiàn)該菌株具有較高的耐滲透壓,產(chǎn)酒精能力強,最終酒精濃度達(dá)到15.7%vol。通過提高溫度也能增加酵母的產(chǎn)酒率。陸雁等[14]篩選到1株產(chǎn)酒率高、溫度耐受性好的酵母菌株,當(dāng)料水比為1∶2,發(fā)酵64 h后,酒精濃度達(dá)到15.5%vol。

    河南天冠股份公司采用無糖化工藝,控制酒母培養(yǎng)溫度、接種量及發(fā)酵裝醪梯度,發(fā)酵酒度由13.0%vol提高到 14.0%vol,最高達(dá)到 15.97%vol,使木薯酒精生產(chǎn)邁入濃醪發(fā)酵模式,每年可多產(chǎn)無水酒精9669.6 t,大大提高了經(jīng)濟效益。

    4.2 添加酶制劑

    酶制劑在高濃度酒精發(fā)酵過程中發(fā)揮著重要作用,常用的酶有蛋白酶、糖化酶以及木聚糖酶等。

    研究表明,發(fā)酵液中游離氨基氮濃度低于100mg/L時,酵母菌的生長受到抑制,在150~870 mg/L范圍內(nèi),游離氨基氮濃度與酒精發(fā)酵速度是有直接關(guān)系的,游離氨基氮濃度越高,發(fā)酵速度越快。生產(chǎn)酒精常用的原料玉米、小麥中雖然含有大量的粗蛋白,但液化液中通常含游離氨基氮濃度只有約80 mg/L,而且酵母菌本身并不含蛋白酶,它不能分解或使用超過3個肽鍵以上的蛋白質(zhì),所以額外補充氨離子含量、自由氨基氮是非常重要的。蛋白酶水解蛋白質(zhì)生成大量自由氨基氮物質(zhì),能夠促進(jìn)酵母生長與繁殖,也可促進(jìn)未完全水解的淀粉和蛋白質(zhì)的分離,從而降低發(fā)酵液的黏度。黃河[15]在玉米高濃度酒精發(fā)酵過程中,酸性蛋白酶的添加量為20 U/g玉米,酒精濃度達(dá)到14.8%vol。王晨霞等[16]在酒精高濃度發(fā)酵中添加酸性蛋白酶,在起始總糖為28.2%的情況下,酒精度達(dá)到15.9%vol。韓穎[17]利用脫胚玉米為原料,采用多酶協(xié)同糖化發(fā)酵工藝,通過添加酸性蛋白酶和木聚糖酶,發(fā)酵酒精濃度達(dá)到14.2%vol。鄭麗蔓[18]使用玉米粉為原料,料水比為1∶1.8,發(fā)酵過程中加入蛋白酶,經(jīng)過60 h的發(fā)酵,發(fā)酵成熟醪中酒精度達(dá)到16.5%vol左右,實現(xiàn)了高濃度酒精發(fā)酵。

    糖化酶的作用是把溶解狀態(tài)的淀粉、糊精轉(zhuǎn)化為能夠被酵母利用的可發(fā)酵性物質(zhì),降低醪液的黏度,有利于酵母的發(fā)酵和酵液的輸送。馬文超等[19]利用篩選的糖化酶作為糖化劑,進(jìn)行玉米發(fā)酵酒精試驗,糖化酶的最適添加量為100 U/g原料,料水比1∶2,30 ℃條件下恒溫發(fā)酵60~70 h,發(fā)酵醪酒精度達(dá)15%vol。池振明等[20]利用國內(nèi)常用的糖化酶制劑糖化生玉米面中的淀粉,同時接種高濃度酒精酵母菌HO,這株酵母菌在70 h內(nèi)可產(chǎn)生17.5%vol的酒精。

    4.3 添加營養(yǎng)物質(zhì)

    大量研究發(fā)現(xiàn),在培養(yǎng)基中加入適量的營養(yǎng)物質(zhì),如海藻糖、脂肪酸以及肌醇等,都可以有效提高酵母菌耐酒精能力,實現(xiàn)高濃度酒精發(fā)酵。

    海藻糖在酵母中含量較高,是酵母的生存保護劑,酵母在脅迫環(huán)境下所表現(xiàn)出的耐受力與體內(nèi)海藻糖含量有直接的關(guān)系。李績等[21]對11株酵母菌進(jìn)行了滲透壓、酒精耐性實驗,發(fā)現(xiàn)滲透壓耐性和酒精耐性較好的菌株,其積累海藻糖的能力較強。陳麗君等[22]探討了釀酒酵母對不良環(huán)境的耐受性影響,表明細(xì)胞內(nèi)海藻糖含量與酵母耐受性之間具有一定的相關(guān)性,海藻糖含量越高,酵母的耐性越好。Siraje等[23]研究了高濃度酒精條件下海藻糖對釀酒酵母的作用,結(jié)果表明,高度累積的海藻糖可使酵母細(xì)胞具有較強抗性。

    肌醇是磷脂的重要組分之一,而磷脂是細(xì)胞膜的最重要成分,所以肌醇在酵母耐酒精能力方面起著重要的作用。季冉等[24]在培養(yǎng)基中加入肌醇,發(fā)現(xiàn)隨肌醇濃度的增加,酒精的生成量呈上升趨勢,結(jié)果見表2。表明肌醇能夠?qū)?xì)胞起保護作用,免受高濃度酒精毒害。

    表2 肌醇對酵母發(fā)酵耐酒精能力的影響

    麥角甾醇是酵母細(xì)胞膜脂質(zhì)的重要組成成分,能提高膜的液化和縮合,對膜發(fā)揮調(diào)節(jié)作用,因此與酒精耐性密切相關(guān)。Inoue等[25]研究發(fā)現(xiàn),在培養(yǎng)基中添加一定量的麥角甾醇可以促進(jìn)酵母生長,提高酵母酒精產(chǎn)量及其酒精耐性。飽和脂肪酸(例如棕櫚酸、硬脂酸)和不飽和脂肪酸(例如油酸)都可以通過增強細(xì)胞膜滲透屏障來提高菌體的耐酒精能力。邢建宇等[26]研究發(fā)現(xiàn),在對釀酒酵母酒精耐受性的影響方面,油酸的作用更為明顯。在酒精發(fā)酵方面,硬脂酸的影響更為明顯,其中添加硬脂酸酒精產(chǎn)率最高,為8.7%vol。甘氨酸和脯氨酸也可以直接或間接地作為細(xì)胞滲透壓保護劑。薛穎敏等[27]對釀酒酵母X330耐酒精性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)甘氨酸和脯氨酸作為滲透壓保護劑能有效提高菌體酒精耐受性能,甘氨酸的促進(jìn)作用強于脯氨酸。

    因此高濃度酒精發(fā)酵時,添加適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)物質(zhì),不僅可以提供營養(yǎng),而且能夠保護細(xì)胞免受脅迫傷害的作用,提高酒精產(chǎn)量。

    4.4 其他方面

    發(fā)酵設(shè)備及工藝改造:通過改進(jìn)發(fā)酵罐的機械攪拌與通風(fēng)裝置,以提高質(zhì)量、熱量、動量的傳遞性能。應(yīng)增加通風(fēng)設(shè)備,提高供氧能力等。發(fā)酵工藝方面,由于高濃度酒精發(fā)酵中醪液濃度高會造成物料輸送不暢以及發(fā)酵殘?zhí)沁^高,所以原料可以采用顆粒粉,粉碎粒度直徑約3 mm,以降低料液黏度,這樣醪液中有“濃”有“稀”,效果比細(xì)粉好。另外,為減少發(fā)酵過程中的底物抑制作用,可以采用無糖化工藝或同步糖化發(fā)酵模式。

    產(chǎn)品分離耦合工藝:在發(fā)酵過程中,可以采用真空發(fā)酵法、膜分離發(fā)酵法以及萃取發(fā)酵法等分離耦合技術(shù)將酒精不斷分離除去,從而有效解除酒精抑制作用,提高發(fā)酵速度和發(fā)酵強度。目前產(chǎn)品分離耦合的方法是生物工程領(lǐng)域重要的研究課題。

    5 結(jié)論

    高濃度酒精發(fā)酵是具有重大應(yīng)用價值的前瞻性技術(shù),對提高企業(yè)效益、節(jié)約能源有積極的促進(jìn)作用。雖然酒精高濃度發(fā)酵技術(shù)目前取得了較大進(jìn)展,但仍存在很多技術(shù)障礙,如高濃度物料輸送、高濃度底物以及酒精對酵母的抑制作用等問題。但酵母仍是高濃度酒精發(fā)酵的主體,如何提高酵母高耐性和發(fā)酵能力,還需后續(xù)更多的去研究,以便為未來高濃度酒精規(guī)?;a(chǎn)提供成熟的技術(shù)支持。

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