小麥發(fā)酵產(chǎn)酒精及酒糟蛋白飼料工藝的研究

孫振江，佟 毅*，梁坤國(guó)，羅 虎，賈紅娜，賴銘雪

（廣西中糧生物質(zhì)能源有限公司，廣西 北海 536100）

酒精是目前世界上生產(chǎn)歷史最悠久、產(chǎn)量最大的發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品[1]。發(fā)酵法酒精生產(chǎn)以玉米、麥類以及薯類和其他系物質(zhì)為原料，將其轉(zhuǎn)化為酒精并得到可用于農(nóng)牧的副產(chǎn)物酒糟飼料，該法是酒精生產(chǎn)的重要工業(yè)化途徑。

目前世界上傳統(tǒng)發(fā)酵方式基本上采用薯干或玉米酒精生產(chǎn)工藝[2]，當(dāng)前我國(guó)小麥加工行業(yè)以生產(chǎn)淀粉為主，關(guān)于利用小麥來(lái)生產(chǎn)酒精的研究極少。小麥的組成中含淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪等成分，營(yíng)養(yǎng)十分豐富，食用價(jià)值很高。小麥除食用外還是釀酒中制曲的好原料。我國(guó)白酒和黃酒制曲時(shí)，多用小麥為原料，使釀酒微生物得以充分繁殖，以利于獲得有益的菌種和多量的酶，保證糖化發(fā)酵作用，增進(jìn)酒的香味[3-6]。用小麥為原料發(fā)酵生產(chǎn)酒精，除小麥價(jià)格低、多年陳糧和國(guó)家戰(zhàn)略需要外，則必須首先考慮其綜合利用的價(jià)值。小麥酒精糟是小麥在生產(chǎn)酒精過(guò)程中的主要副產(chǎn)物，干物質(zhì)中粗蛋白含量約占39%[7]，且含有豐富的氨基酸、維生素和多種微量元素等[8-9]，可直接飼喂動(dòng)物[10]，但其含水量高達(dá)70%～85%，運(yùn)輸成本高且易腐敗變質(zhì)[11]，因此，通常是烘干生產(chǎn)小麥酒精糟[12]。由于目前國(guó)內(nèi)的小麥生產(chǎn)在某些年份和某些地區(qū)相對(duì)過(guò)剩，甚至出現(xiàn)了陳化小麥，其中含有一些真菌毒素會(huì)抑制酵母的生長(zhǎng)，影響酒母的質(zhì)量[13]，劉飛翔等[14]在酒母培養(yǎng)過(guò)程中添加了碳酸鈉來(lái)破壞真菌毒素結(jié)構(gòu)，有效解決這一難題。相關(guān)研究也為生產(chǎn)燃料乙醇提供了有利條件[15-17]。

為了探究液化糖化工藝條件的變化對(duì)后期發(fā)酵效果的影響程度，研究液化糖化階段的小麥的粉漿濃度、液化時(shí)間、糖化酶的添加量、酸性蛋白酶的添加量，為小麥發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇產(chǎn)業(yè)化及廢醪的綜合利用提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥：市售；尿素（總氮≥46.4%），湖南宜化化工有限責(zé)任公司；液化酶（15萬(wàn)U/g）：山東隆科特酶制劑有限公司；糖化酶（26萬(wàn)U/g）：杰能科（中國(guó)）生物工程有限公司；酸性蛋白酶（2萬(wàn)U/g）：廣西樂(lè)酵生物科技有限公司；安菌泰殺菌劑：柳州龍?zhí)┛萍加邢薰?；超?jí)釀酒高活性干酵母：安琪酵母股份有限公司。其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

U3000型高效液相色譜儀：美國(guó)戴安公司；CX21-310型數(shù)碼生物顯微鏡：日本奧林巴斯株式會(huì)社；BIOF6050B/3型50 L三聯(lián)中試發(fā)酵罐：上海高機(jī)生物工程有限公司；SKY-110X型往返式水浴恒溫振蕩器：上海蘇坤實(shí)業(yè)有限公司；S40型精密型臺(tái)式pH/電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x：梅特勒-托利多有限公司；HWY-2102型雙層大容量恒溫?fù)u床：上海智誠(chéng)有限公司；MF-50型水分測(cè)定儀：日本AND公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程及操作要點(diǎn)

小麥用篩網(wǎng)孔徑為1.8 mm的粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，取小麥粉，按照1∶2（g∶mL）的料水比拌漿，控制粉漿干物質(zhì)含量28%～30%，調(diào)節(jié)pH在5.6左右，添加液化酶0.10 kg/t小麥粉，87～89℃液化，得到液化醪。

使用安琪超級(jí)釀酒高活性干酵母為菌種，接種量0.1%，pH值為4.40～4.50，加入糖化酶1.1 kg/t原料、安菌泰殺菌劑5 mg/L、尿素1.30 kg/t小麥粉，糖化發(fā)酵過(guò)程同步進(jìn)行，發(fā)酵前的0～8 h溫度控制為28～30℃，轉(zhuǎn)速控制到120 r/min，后期溫度控制32～33℃，靜置培養(yǎng)70 h結(jié)束，得到小麥發(fā)酵成熟醪。

1.3.2 試驗(yàn)方法

液化時(shí)間的確定：為了掌握液化程度，在液化過(guò)程中采取碘試實(shí)驗(yàn)，根據(jù)碘試結(jié)果判斷液化程度。按照液化流程，在液化開(kāi)始1 h后每隔0.5 h取樣做碘試，醪液呈棕紅色即液化結(jié)束。每次取樣檢測(cè)黏度、還原糖指標(biāo)。

粉漿固形物含量的確定：將小麥粉和自來(lái)水按不同比例分別配制固形物含量分別為26%、28%和30%的粉漿，然后三組同時(shí)進(jìn)行液化，將液化醪調(diào)節(jié)pH至5.6，分裝入500 mL錐形瓶中，每組分裝兩瓶，每瓶400 g液化醪，最后加入輔料進(jìn)行發(fā)酵，裝好的樣品用八層紗布封口并稱質(zhì)量。同時(shí)將三組樣品放入恒溫?fù)u床中進(jìn)行培養(yǎng)，結(jié)束后得到小麥發(fā)酵成熟醪，檢測(cè)殘?zhí)?、酒精度、酸度等指?biāo)。

糖化酶添加量的確定：配制小麥粉漿固形物含量為28%，調(diào)節(jié)pH至5.60，添加液化酶0.10 kg/t小麥粉，87～89 ℃液化1 h，然后冷卻，按照糖化酶添加量不同分裝成4組，按照發(fā)酵程序發(fā)酵，4組添加量依次為0.7 kg/t小麥粉、1.1 kg/t小麥粉、2.2 kg/t小麥粉和1.1 kg/t小麥粉＋酸性蛋白酶0.03 kg/t小麥粉，發(fā)酵結(jié)束后得到小麥發(fā)酵成熟醪，檢測(cè)殘?zhí)?、酒精度、酸度等指?biāo)。

1.3.3 分析檢測(cè)方法

水分按照GB 5009.3—2016《食品中水分的測(cè)定》中的方法測(cè)定；淀粉按照GB 5009.9—2016《食品中淀粉的測(cè)定》中的方法測(cè)定；粗脂肪按照GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測(cè)定》中的方法測(cè)定；粗蛋白按照GB 5009.5—2010《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》[18]中的方法測(cè)定；粗纖維按照GB/T 5009.10—2003《植物類食品中粗纖維的測(cè)定》[19]中的方法測(cè)定；灰分按照GB 5009.4—2016《食品中灰分的測(cè)定》[20]中的方法測(cè)定。

殘總糖、殘過(guò)濾總糖、還原糖檢測(cè)：斐林試劑法[21]；外觀糖度：糖度計(jì)法；酒精度：酒精計(jì)法；揮發(fā)酸、總酸：中和滴定法[22]；麥芽四糖、麥芽三糖、麥芽糖、葡萄糖、果糖、乳酸、甘油、乙酸、乙醇的測(cè)定采用高效液相色譜法測(cè)定。

1.3.4 計(jì)算公式

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥成分分析結(jié)果

將粉碎后的小麥進(jìn)行組分分析，其成分的分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，小麥淀粉含量較高，達(dá)到75.00%，很適合作為酒精發(fā)酵原料，同時(shí)小麥纖維含量低（2.20%），蛋白含量高（13.45%），酒精發(fā)酵后的廢醪液用來(lái)生產(chǎn)飼料原料有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

表1 小麥成分分析結(jié)果Table 1 Analysis results of wheat components%

2.2 液化試驗(yàn)結(jié)果

液化過(guò)程中合適的液化時(shí)間會(huì)使淀粉酶發(fā)生充分作用，增加液化液過(guò)濾性能。小麥的液化試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 液化試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of liquefaction test

由表2可知，隨著液化時(shí)間增加，淀粉酶分解水解小麥淀粉生成還原糖越來(lái)越多，粉漿固形物含量為30%的小麥粉漿黏度為165.66 mPa·S，液化2.5 h后黏度為338.00 mPa·S；從DE值和碘試試驗(yàn)均可看出，小麥的液化時(shí)間較短，1.0 h就可以達(dá)到液化結(jié)束狀態(tài)，碘試呈棕色，葡萄糖值（dextrose equivalent，DE）達(dá)到了22.31。

2.3 不同粉漿固形物含量發(fā)酵效果實(shí)驗(yàn)

將同時(shí)發(fā)酵的三組不同粉漿固形物含量的樣品同時(shí)檢測(cè)分析，其化學(xué)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，不同粉漿固形物含量（26%、28%、30%）的液化醪中，粉漿固形物含量30%的試驗(yàn)組質(zhì)量損失最大（46.93 g），酒精度最高（13.90%vol），但殘?zhí)且哺撸?.61%）；從淀粉出酒率和淀粉利用率來(lái)看，粉漿固形物含量為28%的試驗(yàn)組最高，淀粉出酒率達(dá)到54.03%，淀粉利用率達(dá)到95.16%；液相檢測(cè)分析結(jié)果如表4，結(jié)果表明，隨著粉漿固形物濃度增高，麥芽四糖含量有升高趨勢(shì)，28%粉漿固形物含量最高，麥芽三糖三組粉漿固形物含量（26%、28%、30%）檢測(cè)結(jié)果一致。26%粉漿濃度液相檢測(cè)指標(biāo)麥芽糖、葡萄糖、果糖都低于28%、30%粉漿固形物含量條件發(fā)酵液的指標(biāo)。30%濃度的試驗(yàn)組酒份最高，但只比28%試驗(yàn)組的高了0.07%vol，而30%濃度的試驗(yàn)組乳酸、乙酸和有機(jī)酸等含量明顯較高，因此，綜合兩個(gè)檢測(cè)結(jié)果分析，從淀粉利用率可知，小麥發(fā)酵粉漿固形物濃度28%最佳。

表3 不同粉漿固形物含量條件下成熟醪化學(xué)成分的檢測(cè)結(jié)果Table 3 Determination results of chemical components of fermentation liquid with different slurry concentrations

表4 不同粉漿固形物含量條件下成熟醪化學(xué)成分的HPLC檢測(cè)結(jié)果Table 4 HPLC determination results of chemical components of fermentation liquid with different slurry concentrations

2.4 糖化酶與酸性蛋白酶組合應(yīng)用研究

糖化酶與酸性蛋白酶組合應(yīng)用研究對(duì)發(fā)酵成熟醪化學(xué)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可知，添加糖化酶同時(shí)添加酸性蛋白酶的試驗(yàn)組發(fā)酵效果更好，質(zhì)量損失和酒精度均最高，酒精度達(dá)到（13.15±0.10）%vol；從殘?zhí)欠矫孢M(jìn)行分析，不同糖化酶添加量的試驗(yàn)殘?zhí)菂^(qū)別不明顯，而添加酸性蛋白酶的試驗(yàn)殘?zhí)窍鄬?duì)較高，但殘淀粉最低；糖化酶添加量越大，產(chǎn)酒越高，淀粉出酒率和淀粉利用率越高，添加酸性蛋白酶可減少糖化酶使用量，而且發(fā)酵效果更佳，淀粉出酒率和淀粉利用率分別達(dá)到53.46%和94.15%。

表5 不同酶添加量條件下成熟醪化學(xué)成分的檢測(cè)結(jié)果Table 5 Determination results of chemical components of fermentation liquid with different enzyme addition

發(fā)酵成熟醪成分的高效液相色譜檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6，從表6可看出，糖化酶添加量越高，發(fā)酵成熟醪糊精含量相應(yīng)升高，說(shuō)明糖化酶分解出來(lái)的麥芽四糖及以上的多糖越來(lái)越多，甘油、有機(jī)酸產(chǎn)量也相應(yīng)隨著增加；添加量2.2 kg/t糖化酶的試驗(yàn)組麥芽糖、葡萄糖和果糖含量明顯高于其他試驗(yàn)組；添加酸性蛋白酶可減少糖化酶使用量，而且發(fā)酵效果更佳，酒精度最高達(dá)到（13.54±0.10）%vol。因此，小麥酒精發(fā)酵酶制劑最佳添加工藝為1.1 kg/t糖化酶和0.03 kg/t酸性蛋白酶混合發(fā)酵。

表6 不同酶添加量條件下成熟醪成分的HPLC檢測(cè)結(jié)果Table 6 HPLC determination results of fermentation liquid with different enzyme addition

2.5 廢醪液及濾渣成分分析

小麥廢醪液及濾渣成分的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7。結(jié)果表明，小麥廢醪液經(jīng)分離烘干后得到小麥酒糟蛋白飼料（distillers dried grains with soluble，DDGS）（水分含量11%）的蛋白含量為（38.58±2.00）%。小麥的蛋白質(zhì)主要是谷朊粉，一般含量在10%～14%，隨小麥的品種不同而稍有差異。谷朊粉與淀粉共生鑲嵌于小麥籽粒中，在原料粉碎中一起被破碎，由于谷朊粉不能在酵母作用下生產(chǎn)乙醇，而是被加工成DDGS，使其蛋白含量較高[23-24]，是生產(chǎn)蛋白飼料的優(yōu)質(zhì)原料。

表7 廢醪液及濾渣成分分析Table 7 Component analysis of waste mash liquid and filter residue

3 結(jié)論

小麥的淀粉含量較高，絕干淀粉含量為（75.00±1.00）%，但是小麥粉漿液化時(shí)間較短，按木薯液化條件1 h便可達(dá)到液化結(jié)束狀態(tài)，DE達(dá)到26.94%。

當(dāng)小麥粉漿固形物含量為28%時(shí)，綜合發(fā)酵效果最佳，淀粉出酒率和淀粉利用率分別達(dá)到54.03%和95.16%，殘?zhí)?、產(chǎn)酸等指標(biāo)均在控制范圍內(nèi)。

糖化階段糖化酶添加越高，糖化酶添加量為2.2 kg/t原料時(shí)，產(chǎn)酒量越多，淀粉利用率也越高，同時(shí)按照0.03 kg/t小麥粉添加酸性蛋白酶可以有效減少糖化酶用量，而且發(fā)酵效果更佳。

小麥發(fā)酵后廢醪液生產(chǎn)DDGS（11%水分）的粗蛋白含量高達(dá)（38.58±2.00）%，在實(shí)際利用中可根據(jù)飼料產(chǎn)品要求降低蛋白含量，可考慮在原料處理時(shí)分離提取谷朊粉成分以提高經(jīng)濟(jì)效益。