木薯原料發(fā)酵酒精工藝研究

章輝平

摘要：研究利用木薯為原料生產(chǎn)酒精的技術(shù)。通過(guò)對(duì)木薯原料液化工藝、粘度變化、液化pH，糖化DE值，木薯發(fā)酵培養(yǎng)基中添加氮源等進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后發(fā)酵酒精含量提高到15.5ml/100ml，酒精轉(zhuǎn)化率提高2.43%。

關(guān)鍵詞：木薯 酒精 轉(zhuǎn)化率

中圖分類號(hào)：TQ223.124 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-5336（2014）06-0012-02

當(dāng)前，世界性的糧食和食糖長(zhǎng)期處于緊平衡狀態(tài)，采用玉米和甘蔗作為生產(chǎn)原料已受到了很大限制。早在2006年12月，國(guó)家發(fā)改委就下發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)生物燃料乙醇項(xiàng)目建設(shè)管理，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》和《關(guān)于加強(qiáng)玉米加工項(xiàng)目建設(shè)管理的緊急通知》，明確提出，發(fā)展生物燃料乙醇要堅(jiān)持非糧為主。木薯原料生產(chǎn)酒精是開發(fā)最早也是最為可行的，采用木薯生產(chǎn)燃料乙醇符合國(guó)家非糧替代糧食生產(chǎn)燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)政策。研究資料報(bào)道Aiba提出了在酒精發(fā)酵過(guò)程中的產(chǎn)物抑制動(dòng)力學(xué)[1]，產(chǎn)物的量對(duì)菌種的抑制作用比較明顯。玉米酒精發(fā)酵和耐高濃度酒精酵母的選育成功[2，3]，對(duì)木薯酒精發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展起了很大的推動(dòng)作用。酵母菌的生理狀態(tài)及營(yíng)養(yǎng)狀況對(duì)改善高濃度下酵母的生存率，提高酵母酒精發(fā)酵速率也會(huì)產(chǎn)生深刻影響[4]。本文主要對(duì)木薯發(fā)酵酒精的技術(shù)進(jìn)行了研究，提高了酒精含量和酒精轉(zhuǎn)化率。

1 材料與方法

1.1 材料

（1）菌種：酵母菌。酒精活性干酵母（湖北安琪生物集團(tuán)有限公司生產(chǎn)）。

（2）輔料：BBCA01淀粉酶（諾維信酶制劑公司）；JNK糖化酶（杰能科酶制劑公司）。

（3）原料：木薯粉（淀粉含量為68%）。

1.2 方法

（1）液化。將木薯粉用50-60℃的熱水按照料水比為1：2的比例進(jìn)行調(diào)漿，加入淀粉酶，升溫至95-98℃液化，液化120分鐘后升溫至105℃維持5分鐘，降溫至98℃維持至碘試檢測(cè)合格。

（2）糖化。結(jié)束后降溫至60℃，用濃硫酸調(diào)節(jié)pH至4.2-4.4，按照每公斤木薯粉加入1克糖化酶，糖化DE值控制在60-70%。糖化結(jié)束。

（3）發(fā)酵。糖化醪液降溫至32℃，接入干酵母菌種，按照每公斤木薯加入1.7克尿素進(jìn)行酒精發(fā)酵過(guò)程。發(fā)酵采用濃醪發(fā)酵。發(fā)酵65小時(shí)結(jié)束。

（4）酒精濃度的測(cè)定。取100ml成熟發(fā)酵液到蒸餾瓶中，加入100ml水，混勻后蒸餾。取餾出液100ml，用酒精比重計(jì)測(cè)定餾出液中的酒精濃度。

（5）殘?zhí)堑臏y(cè)定。采用費(fèi)林法測(cè)定[5]。

2 結(jié)果與討論

2.1 木薯二級(jí)液化

一級(jí)液化中的加酶在調(diào)漿過(guò)程中進(jìn)行，主要作用是降低料漿的粘度，降低木薯原料的植物酸對(duì)酶制劑的抑制作用，同時(shí)降低木薯原料中被纖維素和蛋白等包裹的部分淀粉。二級(jí)液化在液化液溫度升至液化溫度時(shí)加入復(fù)配酶制劑。采用二次液化工藝，使整個(gè)液化過(guò)程中酶制劑能合理利用，既保證糊化后的淀粉能充分被酶制劑作用；又能降低發(fā)酵成熟醪液中的殘總糖和殘淀粉。一級(jí)與二級(jí)加酶的數(shù)據(jù)如圖1。

從圖1數(shù)據(jù)可以看出，采用二級(jí)液化工藝后發(fā)酵成熟液中的殘總糖、殘淀粉和殘糊精均有一定程度的降低。采用二級(jí)液化工藝，酶制劑合理分配，液化液粘度降低，整個(gè)液化更徹底。

2.2 木薯液化液粘度變化

采用木薯液化的二次加酶工藝，在整個(gè)過(guò)程中對(duì)液化液的粘度變化進(jìn)行檢測(cè)。在糊化過(guò)程中液化液的粘度明顯上升。確定液化過(guò)程的粘度變化，避免在液化液粘度最大時(shí)對(duì)物料進(jìn)行輸送，減少公用工程的消耗。從60℃開始，隨著溫度的上升粘度明顯增加。液化過(guò)程的粘度變化的最大值出現(xiàn)在70℃左右，達(dá)到230cP。隨著液化溫度的提高，木薯液化液粘度呈下降趨勢(shì)，液化結(jié)束后料液粘度在3cP。在液化過(guò)程中應(yīng)避免因粘度快速上升增加動(dòng)力消耗。因此生產(chǎn)中應(yīng)該控制木薯調(diào)漿溫度在60℃以下。

2.3 木薯液化pH值的研究

通過(guò)對(duì)生產(chǎn)使用的酶制劑的最佳pH值的選擇，結(jié)合木薯原料的特性確定木薯液化的pH值?？疾靝H值對(duì)液化及過(guò)濾效果的影響。實(shí)驗(yàn)室結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，采用BBCA01淀粉酶進(jìn)行木薯液化，液化的pH值控制在5.8～6.0比較合適，既能提高酶制劑的液化效果，同時(shí)有利于提高液化液料液的流動(dòng)性。

2.4 糖化DE值的研究

糖化酶對(duì)酒精發(fā)酵的影響比較明顯，糖化酶的作用不是簡(jiǎn)單的提高糖化液的DE值，更重要的是在發(fā)酵中后期釋放葡萄糖的速率要與酵母消耗葡萄糖的速率相匹配。當(dāng)葡萄糖釋放速度低于酵母消耗速度時(shí)，酵母活力明顯下降，直接影響發(fā)酵終點(diǎn)的殘總糖和產(chǎn)酒率。當(dāng)葡萄糖釋放速度高于酵母消耗速度時(shí)，將導(dǎo)致葡萄糖含量過(guò)高，刺激酵母產(chǎn)生較高的甘油，對(duì)酒精發(fā)酵不利。通過(guò)改變糖化時(shí)間可控制糖化DE值。DE值高，葡萄糖含量高，對(duì)酵母細(xì)胞產(chǎn)生抑制作用，從而產(chǎn)生較多的甘油和其他非乙醇類物質(zhì)，影響淀粉出酒率。DE值低，葡萄糖含量低，不能滿足酵母生長(zhǎng)需要的糖，造成酵母細(xì)胞的衰老，影響發(fā)酵生產(chǎn)水平。實(shí)驗(yàn)室結(jié)果見表2。

從表2可以看出，糖化DE值控制在60～70%時(shí)酒精發(fā)酵指標(biāo)較好。當(dāng)DE值高于70%時(shí)甘油含量和升酸會(huì)明顯上升，導(dǎo)致有部分糖被轉(zhuǎn)化成其他非酒精類物質(zhì)，影響酒精含量。

2.5 營(yíng)養(yǎng)成分優(yōu)化

木薯原料中蛋白質(zhì)含量較低，不能滿足發(fā)酵過(guò)程中酵母生長(zhǎng)的需要，因此必須通過(guò)外加氮源的方式來(lái)提高發(fā)酵液中氮含量。酵母生長(zhǎng)和代謝過(guò)程中需要營(yíng)養(yǎng)成分，營(yíng)養(yǎng)成分是直接影響酵母生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素。酵母生長(zhǎng)不旺盛時(shí)，產(chǎn)酒精的水平就會(huì)降低；酵母生長(zhǎng)過(guò)于旺盛時(shí)，酵母的生長(zhǎng)會(huì)消耗過(guò)多的糖分，影響酒精的淀粉出酒率。在實(shí)驗(yàn)室選擇合適的營(yíng)養(yǎng)成分的添加比例來(lái)提高發(fā)酵水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，當(dāng)尿素添加量為1.7kg/t時(shí)糖酒轉(zhuǎn)化率最高。在實(shí)際生產(chǎn)中結(jié)合不同產(chǎn)地的木薯的蛋白含量的不同，對(duì)尿素的添加量進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)木薯液化工藝選擇、粘度變化、pH，糖化DE值，酒精發(fā)酵培養(yǎng)基氮源優(yōu)化等方面進(jìn)行研究，木薯發(fā)酵酒精的酒精含量從13.5%提高到15.2%，轉(zhuǎn)化率提高2.43%。

參考文獻(xiàn)

[1]Aiba S，Shoda M，Nagatani M.Biotechnology and Bioengineering，1968，10（6）：845-864.

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[3]Bertolini M.C.，et al.Biotechnol.Let.，1991，13：197-202.

[4]Aliso M .，et al.Enzyme Microb.Technol.，1994，16：683-687.

[5]天津輕工業(yè)學(xué)院等編著.工業(yè)發(fā)酵分析.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社.1980.P16.