25.玉米原料超高浓度酒精发酵_许宏贤

玉米原料超高浓度酒精发酵

许宏贤，段钢

（杰能科（中国）生物工程有限公司亚太谷物加工酶应用中心，江苏无锡，

214028）摘

要

以全磨玉米为原料，研究了超高浓度条件下传统工艺与生料工艺的黏度变化。采用传统工艺，在超高

浓度条件下，

物料的糊化、液化会变得非常困难。而采用生料工艺，黏度始终维持在合理的水平。对高浓度传统工艺和生料工艺发酵的结果进行对比，证明生料工艺可以产出更多的酒精；对超高底物浓度（35%绝对干物）生料发酵时采用温度梯度控制，使用市售酒精干酵母，在98h 内发酵醪液酒精浓度可达20%以上。关键词

玉米，浓醪发酵，黏度，酵母，温度梯度控制，生料水解酶，酒精

第一作者：硕士，高级工程师（段钢博士为通讯作者）。收稿日期：2011－08－10，改回日期：2011－10－17

由于石油危机而造成的国家能源安全、农民收入

和环境等问题而使得生物酒精的生产日益受到重视，近几年发展较快，中国已成为世界上第三大生物酒精生产国。现在工业上的生物酒精绝大部分属第一代燃料乙醇，即用淀粉质原料来生产

［1］

。据酿酒协

会酒精分会的统计，

2004年我国酒精生产玉米原料占50.3%，经过近几年的发展，玉米现在已经占到65%［2］。适度发展玉米燃料乙醇有益于粮食供需平衡，

依然可以起到玉米供需平衡蓄水池的作用。同时玉米也是深加工链条最长、产品系列最丰富的粮食品种

［3］

，因此相对于其他淀粉质原料，玉米酒精发酵的

研究意义更大。

高浓度酒精发酵工艺具有高发酵率、高转化率、

低残糖和节约能源等特点，可大幅度增加产量，显著提高经济效益

［3－4］

。据哈尔滨中国酿酒有限公司的

生产实践表明，按年产6万t 酒精计算，实施浓醪发酵后年节约一次水12万t ，吨酒精节电62.5ʎ，吨酒精节约煤160kg ，年节约资金675万元，减排废水15万t

［5］

。因此，酒精浓醪发酵是发酵酒精工艺的重大

技术进步，已经成为酒精行业清洁生产重点推广的技术之一。

中国开展生料酿酒研究始于20世纪70年代。以节能、减排、高出酒率、高浓度发酵为特点的无蒸煮生料发酵工艺是燃料乙醇生产技术的未来发展方向［1］

。近期的研究增多［6－12］，商业化过程进展也加快

［10］

。但相对而言，生料超高浓度酒精发酵的研究

并不多［11－12］

。

若采取传统的蒸煮工艺进行超高浓度酒精发酵，

由于黏度问题，在配料浓度很高的情况下，会造成液

化非常不彻底，并且浓醪的换热和输送在工厂会变得异常困难，同时也影响发酵体系的传质，而使过

程效率降低

［7－8］

；即便不考虑黏度问题，在这种条件下往往需要特别的耐高糖度、耐高酒度的酵母

［13－15］

。生料工艺除了可以节约能量外，由于整个系统中

温度远远低于淀粉的糊化温度，

没有剧烈的反应，体系黏度比传统过程低得多

［7－8］

，因此可以大幅提高发酵浓度而不必过分担心黏度问题。同时由于生料过

程中，

葡萄糖是逐步缓慢释放的，因此可以进行浓醪发酵而减轻高初糖浓度和高渗透压对酵母的生长抑制。

相关研究表明，传统的浓醪发酵温度对酵母的生

长和发酵效率非常重要

［16－18］

，采用温度梯度培养方式进行的研究近期有所报道

［12，19］

，而针对玉米生料

浓醪发酵过程中温度影响的研究尚未见报道，对酵母在不同工艺中的数量和形态的研究也未见报道。本文以玉米为原料，对不同过程的黏度变化与酵母情况进行考察，同时研究不同温度控制方式对玉米超高浓度酒精发酵的影响。

1

材料与方法

1.1

实验材料

1.1.1

实验原料

全磨40目玉米粉，中粮肇东酒精厂试验室提供；

安琪牌酿酒高活性干酵母（耐高温型）。1.1.2主要酶制剂

颗粒淀粉水解酶（STARGEN 001），酶活力443GAU /g ；高温淀粉酶（SPEZYME ALPHA ），酶活力15170AAU /g ；糖化酶（GA-L-NEW ），酶活力100000wu /g ；酸性蛋白酶（FERMGEN ），酶活力

1000SAPU/g。均为杰能科国际公司产品。

1.1.3主要试剂

无水乙醇（HPLC），北京色谱中心；葡萄糖（HPLC），Sigma公司；麦芽糖（HPLC），Sigma公司；甘油（HPLC），北京色谱中心；乳酸（HPLC），北京色谱中心；乙酸（HPLC），北京色谱中心；纯水，Millipore 制备，纯水电阻18.2MΩ。

1.2实验设备

高压液相色谱，Agilent1100系列；快速黏度仪，Perten RVA4500；显微镜，OLYMPUS CX40，配DT2000真彩色图像分析系统；Brix计，Mettler Toledo RE40D折光计；天平，Sartorius系列；移液枪，热电（上海）仪器有限公司；酸度计，Mettler Toledo Delta 320系列；冷却电热恒温水浴锅，常州澳华仪器有限公司特制。

1.3分析方法

1.3.1醪液黏度测定

Perten RVA4500快速黏度仪，程序根据试验需求设定，醪液量28.00g。

1.3.2酵母测定

OLYMPUS CX40显微镜下观察，血球计数板计数，大小由DT2000真彩色图像分析系统分析。

1.3.3发酵醪组成测定

高效液相色谱法HP1100高效液相色谱仪，HP Chemstations色谱工作站，色谱柱Bio-Rad87H。色谱分离操作条件（常温下进行）流动相0.01mol/L H

2

SO

4

；流速0.6mL/min；柱温60ħ；进样量20μL。

1.3.4乙醇体积分数测定

蒸馏-比重法。

2结果与讨论

2.1不同工艺对黏度的影响

生料工艺：取一定量全磨玉米粉，全部通过40目筛（即颗粒度＜0.420mm），测定水分，配制成绝对干物。浓度为35%的玉米醪液，用26%H2SO4将料液pH调整至4.5，加入颗粒淀粉水解酶STARGEN001 1.5G AU/g，编辑程序如表1所示，取28.00g醪液进行测量，结果详见图1。可溶性干物用Mettler Toledo RE40D折光计测量，结果如图2所示。

传统工艺：取一定量全磨玉米粉，全部通过40目筛（即颗粒度＜0.420mm），测定水分，配制成绝对干物浓度为35%的玉米醪液，用26%H2SO4将料液pH 调整至5.6，加入高温淀粉酶SPEZYME ALPHA 0.04%，编辑程序如表1所示，取28.00g醪液进行测量，结果详见图1。可溶性干物用Mettler Toledo RE40D折光计测量，结果如图2所示。

表1不同工艺黏度测定程序

第1步第2步第3步第4步第5步第6步

生料工艺32ħ，10s，

960r/min

32ħ，1550s，

160r/min

－－－－

传统工艺50ħ，10s，

960r/min

50ħ，50s，

160r/min

50 90ħ，222s，

160r/min

90ħ，150s，

160r/min

90 30ħ，348s，

160r/min

90 30ħ，780s，

160r

/min

图1玉米超高浓度醪液传统工艺与生料工艺粘度对比

如图1所示，在醪液浓度为35%的情况下，即便

采用生料工艺，即恒定温度32ħ，由于醪液非常浓，

（按玉米粉水分16%计，料水比达到1ʒ1.46），醪液

的黏度可达530ˑ10－3Pa·s左右。若采取传统工

艺，由于反应剧烈，醪液的黏度在整个过程中有着巨

大的变化。在50ħ预热阶段传统工艺的黏度低于生

料工艺32ħ的黏度；这是由于流体的黏度从结构上

被认为是由于分子间的相互作用力限制分子的运动

产生的。这些作用力取决于决定分子自由空间度的

分子间的相互距离，同时分子间距受温度影响显著。

在较高的温度下，随着分子间距的增加，分子热运动

能提高，提供分子跃迁的孔穴增多，流动阻力减小，故

体系黏度下降［20］；随着温度进一步升高，淀粉颗粒开

始迅速膨胀，当温度升高到60 80ħ，淀粉颗粒的体

积可膨胀到原来的50 100倍，淀粉分子间的作用力

减弱，引起淀粉颗粒的部分解体，醪液由原来的固、液

两相形成均一的黏稠液体［21］，在此糊化过程中，尽管

高温淀粉酶SPEZYME ALPHA的添加量达到0.04%，

醪液黏度的峰值仍达到9.2Pa·s以上；在90ħ液化