脫麩皮預(yù)處理對小麥酒精發(fā)酵的影響

俞建良，尹 博，王學(xué)領(lǐng)，宋旭超 ，關(guān) 帥，曲 雪，郭孝孝，韓久祥，崔喜貴

（1.梅河口市阜康酒精有限責任公司，吉林梅河口135000； 2.吉林省博大生化有限公司，吉林吉林132000； 3.吉林省先進生物制造重點實驗室，吉林梅河口135000）

小麥是中國重要的糧食作物之一[1]，是小麥屬植物的統(tǒng)稱，代表種為普通小麥，是禾本科植物，屬于耐寒、耐旱作物，是一種在世界各地廣泛種植的谷類作物。小麥主要成分是淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)和纖維素，其中淀粉經(jīng)發(fā)酵后可生產(chǎn)酒精。小麥麩皮中富含豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、膳食纖維、維生素和礦物質(zhì)以及低聚糖、酶類（β-淀粉酶、植酸酶、羧肽酶、脂酶）與酚類化合物等成分，其中的大部分物質(zhì)均不能被酒精酵母所利用[2-4]。麩皮中的戊聚糖、蛋白質(zhì)，會導(dǎo)致發(fā)酵殘還原糖增高，使液糖化、發(fā)酵時產(chǎn)生大量泡沫甚至溢出，降低出酒率[5-6]。

我國是世界上最大的小麥生產(chǎn)國，而小麥更是北方主要的糧食品種，其價格普遍高于玉米。但近年來，小麥連年豐收，造成大量積壓，庫存量不斷上升，給國家?guī)砭薮筘摀鶾7]；利用陳化小麥生產(chǎn)酒精，既可以有效控制不宜食用的陳化糧流入糧食加工市場，同時還能生產(chǎn)高質(zhì)量蛋白飼料[8]；因此，陳化小麥也是酒精生產(chǎn)的優(yōu)選原料之一。本試驗主要研究將小麥進行脫麩預(yù)處理對酒精發(fā)酵、裝置產(chǎn)能和飼料產(chǎn)品品質(zhì)的影響，為生產(chǎn)工藝的選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑及儀器

原料：小麥，取自梅河口市阜康酒精有限責任公司。

菌種：安琪濃醪釀酒高活性干酵母。

酶制劑：諾維信淀粉酶（150000 U/g），諾維信糖化酶（260000 U/g），蛋白酶。

儀器設(shè)備：1260 IntinityⅡ型高效液相色譜儀，OMH180型烘箱，BSD-YX2600型搖床，XPR1002S型電子天平，XPE504型電子天平，HNS-26型電熱恒溫水浴鍋，IKA RW20型攪拌器，SG2型手持PH計+InLab 413 IP67電極，T-B-1型電子萬用爐，XFH-50CA型電熱式壓力蒸汽滅菌鍋，ST40型高速離心機。

1.2 分析方法

玉米水分測定：烘箱法。

淀粉含量測定：酶水解法[9]，酸水解法參考國標GB 5006—1985。

殘?zhí)菧y定：斐林試劑法[10]。

成熟醪的分析：采用1260 IntinityⅡ型安捷倫色譜進行測定，色譜柱：HPX-87H，300×7.8 mm；流動相：0.005 mol/L H2SO4；泵流：0.6 mL/min；柱溫：65℃；RID設(shè)置溫度：50℃；進樣量：15 μL；運行時間：50 min。

1.3 實驗方法

1.3.1 脫麩皮預(yù)處理

用小麥脫皮機（型號：TMTP30*2，廠家：河南省鑫宸機械有限公司）對小麥進行脫麩皮預(yù)處理，在保持小麥顆粒完整性的情況下，去除小麥表面的麩皮，脫除的麩皮占全小麥的16.7%。

1.3.2 液化和糖化試驗

稱取相應(yīng)物料克數(shù)至恒重的生物反應(yīng)器中，加入70℃的自來水，與物料混合均勻，總體系為500 g。用pH計調(diào)節(jié)至5.6，分別加入稀釋10倍的液化酶0.23 mL，將反應(yīng)器放入溫度維持在85～87℃的水浴鍋內(nèi)，調(diào)整攪拌速度為500 r/min，水浴150 min，完成液化試驗。將液化醪降溫至60℃，pH值調(diào)至4.1～4.2，分別加入稀釋10倍的糖化酶0.42 mL及蛋白酶0.08 mL，將反應(yīng)器放入溫度62℃的水浴鍋內(nèi)，調(diào)整攪拌速度為500 r/min，水浴60 min，完成糖化試驗。見表1。

1.3.3 發(fā)酵試驗

將兩個5 L發(fā)酵罐在滅菌鍋中滅菌（120℃、30 min）。按照表1，分別往1#罐和2#罐中稱取對應(yīng)重量的物料至恒重的發(fā)酵罐中，各加入2.12 kg的加熱至70℃的自來水，與物料混合均勻，總體系為3 kg。加入抑菌劑0.04 g，調(diào)整pH值至5.6，加入液化酶0.14 mL。將反應(yīng)器放入溫度維持在85～87℃的水浴鍋內(nèi)，調(diào)整攪拌速度為500 r/min，水浴150 min。然后降溫至32℃，pH值調(diào)至4.1～4.2，稱取1.35 g的酵母至醪液中，加入糖化酶0.25 mL及蛋白酶0.05 mL于發(fā)酵醪中混合均勻，加入尿素1.31 g，啟動攪拌，轉(zhuǎn)速為180 r/min，發(fā)酵溫度控制為32℃，發(fā)酵時間為87 h，取樣滴定全分析及HPLC乙醇分析檢測。見表2。

表1 液化、糖化試驗配料方案

表2 發(fā)酵試驗配料方案

1.3.4 計算公式

淀粉利用率、殘淀粉、殘糊精的計算方法[11]：

淀粉利用率（%）=殘淀粉÷初始淀粉；

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)果與分析

2.1 小麥成分分析

通過對脫麩小麥與全小麥的成分對比分析（見表3，成分含量均基于干基）可知，脫麩預(yù)處理后，脫麩小麥的淀粉含量比全小麥的淀粉含量提高了近10%[12]；而脫麩小麥中的蛋白、脂肪均低于全小麥含量；主要原因是小麥的麥麩中富含大量的蛋白、脂肪、粗纖維等物質(zhì)[13]。小麥脫麩預(yù)處理可以將麥麩中的大量非淀粉類物質(zhì)脫除，從而提高了脫麩小麥中的淀粉含量，有利于提高酒精發(fā)酵裝置的產(chǎn)能利用率。

表3 小麥各項成分分析結(jié)果 (%)

2.2 小麥脫麩對液糖化黏度的影響

實驗結(jié)果表明，在30℃下，以脫麩小麥為原料的液化醪和糖化醪的黏度相比于以全小麥為原料的液化醪、糖化醪的黏度均有明顯提高；其中，液化醪黏度升高了23%，糖化醪黏度升高了14%。有研究表明[14]，淀粉含量會直接影響?zhàn)ざ鹊拇笮?，淀粉的黏度隨淀粉含量的增加呈指數(shù)關(guān)系上升。淀粉含量高，相對水解速度較慢，葡萄糖值低，說明水解出的還原端少，分子鏈長，因此增加淀粉水解液的黏度。見表4。

表4 液化醪、糖化醪黏度對比

2.3 小麥脫麩對發(fā)酵的影響

表5為脫麩小麥與全小麥酒精發(fā)酵結(jié)果的對比（數(shù)值均為3次分析的平均值）。由于2#罐使用的是脫麩小麥，淀粉含量高，因此發(fā)酵周期比1#罐延長了12 h。在相同酶制劑添加量的情況下，發(fā)酵結(jié)束時，雖然2#罐淀粉含量高，但是發(fā)酵醪液中的殘總糖、殘淀粉均低于1#罐?？梢姡擕燁A(yù)處理有助于促進小麥中淀粉的水解和糖的利用。同時，2#發(fā)酵罐中酵母細胞數(shù)量始終高于1#發(fā)酵罐，發(fā)酵結(jié)束時，分別為3.88億個/mL和2.25億個/mL，增加了72.5%。結(jié)合工廠的生產(chǎn)實踐，初步認為是小麥麩皮中含有的部分物質(zhì)（尤其是經(jīng)過高溫蒸煮后）對酵母細胞有較為嚴重的抑制作用。由于脫麩小麥的淀粉含量比全小麥提高了約9%，最終乙醇發(fā)酵濃度也提高了約9%。

表5 發(fā)酵數(shù)據(jù)

2.4 小麥脫麩對DDGS色澤的影響

DDGS的顏色區(qū)分一般為偏向金黃色的評定為優(yōu)級，顏色為深棕色的會評為差級[15]，品質(zhì)好的DDGS呈現(xiàn)色澤均勻的黃色。發(fā)酵醪液中殘還原糖水平升高的最直觀反映就是DDGS飼料色澤的變深。由于小麥麩皮中含有大量的戊聚糖，這些戊聚糖在整個發(fā)酵過程中部分會分解為酵母無法利用的五碳糖（比如木糖、阿拉伯糖等）。結(jié)束時，由于1#罐的原料中含有大量小麥麩皮，導(dǎo)致殘還原糖含量明顯高于2#罐，因此其DDGS飼料色澤更深（見圖1）。

圖1 不同實驗組DDGS飼料樣品（左側(cè)為1#罐樣品，右側(cè)為2#罐樣品）

3 結(jié)論與建議

脫麩皮預(yù)處理可以提高脫麩小麥中的淀粉含量，有助于淀粉的水解和可發(fā)酵性糖的利用，提高了發(fā)酵醪液中的乙醇濃度。同時，脫麩預(yù)處理可以減少麩皮中不可發(fā)酵性成分進入發(fā)酵系統(tǒng)，一方面可以減少各種酶制劑的添加量，降低輔料成本，另一方面，可以降低麩皮中的某些物質(zhì)對酵母細胞的抑制作用，減少酵母的添加量。另外，脫麩預(yù)處理還有利于改善DDGS飼料色澤，更有利于飼料的銷售。因此，建議將小麥進行脫麩預(yù)處理后再用于酒精發(fā)酵。