釀酒丟糟降解糖化工藝研究進(jìn)展

雷翔云，鄧 波，2，敖 靈，2，張宿義，2，熊燕飛，2，丁海龍，任劍波，曾 珊，李 勇

（1.瀘州老窖股份有限公司，四川瀘州 646000；2.國(guó)家固態(tài)釀造工程技術(shù)研究中心，四川瀘州 646000）

釀酒丟糟是固態(tài)法白酒釀造的主要副產(chǎn)物，按照固態(tài)法白酒生產(chǎn)工藝計(jì)算，每生產(chǎn)1 t 白酒約將產(chǎn)生3 t 丟糟。據(jù)中國(guó)酒業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2015 年至2019 年期間，全國(guó)白酒年平均產(chǎn)量為971.6 萬(wàn)kL，將產(chǎn)生約3000 萬(wàn)t 釀酒丟糟，且隨著白酒產(chǎn)業(yè)政策的逐漸回暖和各大酒企產(chǎn)能的升級(jí)改造，釀酒丟糟的產(chǎn)量將逐年增加。如此龐大的釀酒丟糟若不經(jīng)合理處理直接排放到環(huán)境中，既會(huì)造成環(huán)境污染，又會(huì)造成資源的浪費(fèi)。

近年來(lái)，眾多學(xué)者圍繞釀酒丟糟作為飼料添加、肥料生產(chǎn)、能源化利用和生物炭開(kāi)發(fā)等方向開(kāi)展了一系列研究，但白酒丟糟含水量高，乳酸、醋酸殘存量大，易發(fā)霉、酸敗和干化困難等特點(diǎn)，極大的限制了釀酒丟糟在飼料添加、肥料生產(chǎn)和能源化開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用。本文將重點(diǎn)探討釀酒丟糟降解糖化高附加值利用工藝，為釀酒丟糟的生物質(zhì)資源化高效利用提供理論基礎(chǔ)。

1 釀酒丟糟的組分

濃香型白酒和醬香型白酒均采用固態(tài)法釀造工藝，釀酒原料在微生物菌群的發(fā)酵作用下生成醇、酯、酮、酸等物質(zhì)，大部分淀粉被利用消耗，而蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素、礦物質(zhì)等成分被保留下來(lái)。釀酒丟糟的含水量一般在55 %～60 %，經(jīng)干燥后一般含有蛋白質(zhì)12%～18%、脂肪3%～5%、灰分6 %左右、纖維素30 %～35 %、半纖維素15 %～20%和淀粉10%～15%。

釀酒丟糟包含淀粉、纖維素和半纖維素等在內(nèi)的碳水化合物總量65 %～70 %，不僅是提取多糖的優(yōu)質(zhì)原料，而且可通過(guò)處理對(duì)多糖降解，提高降解液中可發(fā)酵性糖的比例。近年來(lái)，針對(duì)釀酒丟糟中的降解糖化研究，有采用酸處理、堿處理、酶處理和酸酶復(fù)合處理等方法來(lái)使纖維素和半纖維素等碳水化合物降解的相關(guān)報(bào)道，使之轉(zhuǎn)化為可被微生物利用的己糖和戊糖，進(jìn)而通過(guò)發(fā)酵制備燃料乙醇、γ-氨基丁酸、L-乳酸、丁二酸等化工原料。

2 釀酒丟糟降解糖化工藝

2.1 釀酒丟糟的酸解糖化

酸水解是一種常用的生物質(zhì)高效降解糖化方法，一般采用硫酸、馬來(lái)酸、鹽酸、硝酸、磷酸作為催化劑。木質(zhì)纖維素在較高溫度和H濃度下，主要生成葡萄糖、半乳糖、甘露糖等己糖以及木糖和阿拉伯糖等戊糖，但在較高溫度和氫離子濃度下戊糖又極易發(fā)生副反應(yīng)，產(chǎn)生大量的糠醛、5-羥甲基糠醛（HMF）和乙酰丙酸（LA）等發(fā)酵抑制物。因此，釀酒丟糟高溫酸水解糖化過(guò)程，既要高效水解轉(zhuǎn)化為還原糖以作為微生物發(fā)酵碳源，又要考慮盡可能減少糠醛類發(fā)酵抑制物的生成。

劉高梅等采用混合酸水解法提取白酒丟糟中的木糖，研究表明，溫度110 ℃、固液比1∶12(g∶mL)、混合酸濃度1.5 %和水解145 min 時(shí)，木糖收率為61.24 %。任海偉等研究表明，在溫度100 ℃，固液比1∶12，混合酸濃度2.5 %，水解時(shí)間120 min時(shí)，水解液中的還原糖濃度為59.32 g/L，該酸解階段半纖維素和纖維素轉(zhuǎn)化率分別為77.38 %和62.50 %，木質(zhì)素溶出率為43.50 %，糠醛生成量為8.37 g/L。譚力等利用濃硫酸降解糖化白酒丟糟，結(jié)果顯示，白酒丟糟經(jīng)濃硫酸糖化降解后，糖回收率可達(dá)80 %；利用稀鹽酸兩步水解，第一步用1 % HCl 于120 ℃下水解0.5 h，第二步用2 % HCl于120 ℃水解3 h，此工藝條件下還原糖產(chǎn)率為3.35 g/g 釀酒丟糟。劉躍紅等以干燥的釀酒丟糟作為實(shí)驗(yàn)材料，探索濃硫酸對(duì)釀酒丟糟降解糖化的影響，結(jié)果表明，在HSO為70%（m/m），固液比7∶5(g∶mL)，降解0.5 h，然后加水使硫酸的濃度稀釋成22 %（m/m），在85 ℃的水浴條件下處理1 h，干丟糟的降解率可達(dá)到0.35 g/g，并初步探索了用大孔陰離子交換樹(shù)脂實(shí)現(xiàn)糖酸分離的可行性。

2.2 釀酒丟糟的堿解糖化

目前，釀酒丟糟堿解處理的研究多用于提取木聚糖等高附加值產(chǎn)品，或者為纖維素的酶解做準(zhǔn)備。常規(guī)的單一堿處理通常起不到破壞纖維素和半纖維素結(jié)合的作用，從而影響木聚糖的提取率。張蜀艷等采用先蒸煮后堿法抽提工藝，結(jié)果表明，在溫度90 ℃，質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%，固液比1∶20（g∶mL），堿提時(shí)間5 h，醇沉pH5，醇沉體積3 倍，醇沉?xí)r間1 h條件下，木聚糖得率為29.9 %。徐中香等利用NaOH 溶液提取青稞麩皮中的阿拉伯木聚糖，料液比1∶25（g/mL）、提取溫度55 ℃、提取時(shí)間3 h、NaOH 質(zhì)量濃度15 g/L，在此條件下阿拉伯木聚糖得率為14.31%，與理論值14.27%無(wú)顯著差異。

2.3 釀酒丟糟的酶解糖化

纖維素和半纖維素鏈內(nèi)和鏈間主要通過(guò)氫鍵連接，木質(zhì)素內(nèi)部除了有強(qiáng)大的氫鍵連接外，還與半纖維素形成穩(wěn)定的復(fù)合體。三者組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，相互影響，任何一類成分的降解必然受到其他成分的制約。普遍認(rèn)為，木質(zhì)素是纖維素酶的抑制劑，既是限制纖維素酶接近纖維素底物的物理屏障，又能吸附纖維素酶，發(fā)生無(wú)效吸附，導(dǎo)致酶解效率和糖得率下降，因此，一般在酶解前需進(jìn)行預(yù)處理。常見(jiàn)的預(yù)處理方法主要有物理法（如機(jī)械粉碎、擠壓、輻射處理等）、化學(xué)法（如酸、堿、臭氧、有機(jī)溶劑、離子液處理等）、物理化學(xué)綜合法（如高溫液態(tài)水、蒸汽爆破、氨纖維爆破、CO爆破）。

Zhang 等認(rèn)為，堿處理對(duì)連接半纖維素和其他組分分子間的酯鍵起到皂化作用，膨脹纖維素，脫除木質(zhì)素，提高酶解糖化率。章冬霞等研究表明，用稀酸對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行處理可以將半纖維素有效降解為以木糖為主的可發(fā)酵糖，并能大大提高纖維素酶的接觸面積和葡萄糖產(chǎn)率。任海偉等以脫除木質(zhì)素、提高纖維素和半纖維素保留率為目標(biāo)，分別考察了酸-超聲波耦合、液氨、堿性雙氧水和酸性亞硫酸氫鹽4 種預(yù)處理法對(duì)釀酒丟糟化學(xué)組分、結(jié)構(gòu)特性和酶解得率的影響。結(jié)果表明，酸性亞硫酸氫鹽在固液比1∶3（g/mL）、HSO用量0.2 %、NaHSO用量3 %、溫度130 ℃、處理20 min后，釀酒丟糟中的纖維素和半纖維素保留率最高，分別為84.59%和84.87%；4 種方法預(yù)處理后纖維素酶解得率分別提高49.12 %（酸-超聲波）、55.48 %（液氨）、92.79 %（堿性雙氧水）和99.15 %（酸性亞硫酸氫鹽）。掃描電鏡和X-衍射結(jié)果顯示，酒糟經(jīng)不同方法預(yù)處理后表觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，木質(zhì)纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)遭到破壞，表面呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則或形狀各異的膨松狀態(tài)，溝壑明顯，孔隙率增加，比表面積增大，有利于提高水解酶活性。楊健等以NaOH-過(guò)氧乙酸預(yù)處理釀酒丟糟并利用纖維素酶降解制備可發(fā)酵糖液。結(jié)果表明，NaOH 濃度為1 %，固液比1∶10，時(shí)間60 min，溫度75 ℃時(shí)，酶解液中還原糖、葡萄糖和木糖的質(zhì)量濃度達(dá)到91.33 g/L、61.72 g/L、13.88 g/L，對(duì)應(yīng)糖產(chǎn)率分別為565.41 mg/g、379.44 mg/g 和84.55 mg/g，較直接酶解糖化濃度及產(chǎn)率提高了2倍。任海偉等采用酸酶聯(lián)合水解方法水解釀酒丟糟，結(jié)果表明，在溫度為100 ℃、固液比為1∶12（g/mL）和酸濃度為2.0 %的條件下經(jīng)混合酸水解120 min可獲得59.32 g/L還原糖和6.49 g/L 木糖，該酸解階段的半纖維素和纖維素轉(zhuǎn)化率分別為77.38%和62.50%，木質(zhì)素溶出率為43.50%。酸解殘?jiān)诶w維素酶用量為4000 U/g 原料、溫度為45 ℃和pH4.8的條件下繼續(xù)作用2.5 h，可獲得13.27 g/L還原糖，該酶解階段的纖維素轉(zhuǎn)化率為66.67 %，酶解率高達(dá)90.73 %。利用掃描電鏡(SEM)、紅外光譜(FTIR)和X-衍射(XRD)技術(shù)考察不同水解階段丟糟的結(jié)構(gòu)特性變化，結(jié)果顯示，水解作用前后的丟糟形貌結(jié)構(gòu)變化明顯，孔隙率和比表面積增加，有利于纖維素酶對(duì)AHR 中纖維結(jié)晶區(qū)的作用。水解前后的特征組分所對(duì)應(yīng)的吸收峰強(qiáng)度發(fā)生了變化，相對(duì)結(jié)晶度逐漸提高。

2.4 釀酒丟糟的多酶復(fù)配酶解

纖維素酶的主要組分是葡萄糖內(nèi)切酶、葡萄糖外切酶和β-葡萄糖苷酶。三者協(xié)同相互促進(jìn)，才能完成對(duì)纖維素的高效降解，額外添加β-葡萄糖苷酶，會(huì)顯著提高纖維素酶糖化效率。半纖維素的完全降解則需要半纖維素酶和木聚糖水解酶協(xié)同完成。半纖維素被木聚糖酶水解后，可降低物料對(duì)纖維素酶的無(wú)效吸附，提高單糖產(chǎn)率，而阿拉伯糖酶、果膠酶及淀粉酶等能有效降解阿拉伯糖、果膠及淀粉等多糖，提高酶水解液可發(fā)酵糖濃度。

程馳等從釀酒堆腐物中分離篩選出產(chǎn)纖維素酶活性高的5 株菌，研究復(fù)合菌系對(duì)釀酒丟糟的降解效果，結(jié)果表明，該復(fù)合菌系對(duì)丟糟的分解能力及羧甲基纖維素酶活均大幅度提高，分別達(dá)到37.54%和41.30 U，比最優(yōu)單菌發(fā)酵高出15.87%和15.20 U。陳喆等用NaOH-過(guò)氧乙酸預(yù)處理白酒丟糟的過(guò)氧乙酸預(yù)處理階段最佳組合為：過(guò)氧乙酸濃度為2 %，固液比1∶8，時(shí)間90 min，溫度85 ℃，此時(shí)固體中96.20%纖維素被保留，71.90%木質(zhì)素被去除；預(yù)處理后固體部分利用多酶復(fù)配進(jìn)行糖化，通過(guò)補(bǔ)充β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶及葡萄糖淀粉酶等，酶解液中還原糖、葡萄糖及木糖濃度達(dá)到112.27 g/L、63.15 g/L 和16.58 g/L，對(duì)應(yīng)糖產(chǎn)率分別為692.33 mg/g、395.47 mg/g 和108.75 mg/g（干丟糟）。

3 展望

從釀酒丟糟的組成成分和特性來(lái)看，結(jié)合生物質(zhì)纖維降解技術(shù)的逐步成熟，將釀酒丟糟經(jīng)過(guò)降解糖化，進(jìn)而發(fā)酵成為乙醇、L-乳酸等化工原料，應(yīng)當(dāng)是今后釀酒丟糟資源化、高附加值利用的重要研究方向。

目前，國(guó)內(nèi)研究者大多單獨(dú)采用單一酸水解或者預(yù)處理后酶解以降解釀酒丟糟，單一酸水解溫度高，條件苛刻，對(duì)設(shè)備要求高，腐蝕設(shè)備，污染嚴(yán)重，而且發(fā)酵抑制物需要后處理才能解除對(duì)后續(xù)微生物發(fā)酵的抑制。酶解轉(zhuǎn)化率高，副產(chǎn)物少，但是酶液造價(jià)高，且需要預(yù)處理，造成生產(chǎn)成本較高。未來(lái)可考慮使用蒸汽爆破、添加表面活性劑、多酶復(fù)配等方法以提高酶解效率，同時(shí)考慮采用固定化酶技術(shù),實(shí)現(xiàn)酶的回收和反復(fù)使用,以降低酶解成本。