以高粱為原料生產(chǎn)燃料酒精行業(yè)治理研究

陶磊，滿云

1.安徽中糧生化燃料酒精有限公司；2.蚌埠學(xué)院

高粱作為一種重要的糧食作物，與玉米相比無論是化學(xué)成分，還是維生素、無機(jī)鹽等都相差不大，見表 1、表 2，因此高粱也被用作釀酒或飼養(yǎng)動(dòng)物。隨著玉米、小麥等谷物原料價(jià)格的上漲，以高粱、木薯等為原料生產(chǎn)燃料酒精得到越來越多的關(guān)注和實(shí)踐。

表1 高粱與玉米的化學(xué)成分（g/100g）

表2 高粱與玉米的維生素和無機(jī)鹽含量（mg/100g）

高粱中還含有一定量的單寧和色素，大部分集中在種皮上。對(duì)不同種類的高粱研究表明，高粱籽粒的顏色與單寧含量成正比，隨著籽粒顏色的越來越深，單寧含量也越來越高[1]。單寧入口發(fā)澀，能與鐵反應(yīng)呈藍(lán)黑色，可以與蛋白質(zhì)結(jié)合致使蛋白質(zhì)凝固變性。因此，單寧可以改變細(xì)胞膜的生物活性，影響細(xì)胞的代謝活動(dòng)和對(duì)外界營養(yǎng)的吸收和利用，致使微生物失去生物活性[2]。研究表明，單寧可以抑制酵母的正常生理活動(dòng)[3-4]。

由此可見，由于單寧可以抑制酒精生產(chǎn)中必須使用的淀粉酶、糖化酶和酵母，直接以高粱為原料生產(chǎn)酒精與其他谷物原料相比較困難。Rooney[5]、Ezeogua[6]、Duodu[7]等研究表明，使用傳統(tǒng)酒精生產(chǎn)工藝，高粱生產(chǎn)酒精的淀粉出酒率較低。Wu[8]的研究表明，影響高粱酒精出酒率的主要因素在與高含量單寧帶來的醪液粘度高、酵母的蛋白利用能力弱、蛋白質(zhì)與淀粉包裹、直鏈淀粉和脂肪形成的絡(luò)合物等。因此，需在生產(chǎn)中采取措施，將單寧的影響消除，或降低到盡可能低的程度。

一、材料與方法

（一）材料與試劑

全磨紅高粱粉（產(chǎn)自東北，20 目通過率 100%）、全磨白高粱粉（產(chǎn)自山東，20 目通過率 100%）、耐高溫α-淀粉酶（無錫杰能科）、糖化酶（山東隆大）、酸性蛋白酶（山東隆大）、單寧酶（寧夏夏盛）、活性干酵母（法國樂斯福）。

（二）儀器與設(shè)備

沃特世高效液相色譜 Waters E2695、色譜柱 Bio-rad87H、Brookfield DV-II+PR粘度計(jì)、Mettler Toledo XP6002SDR 分析天平、Mettler Toledo AL204 分析天平、Mettler Toledo FE20臺(tái)式 pH 計(jì)、SGD-IV 全自動(dòng)還原糖測定儀、WAY-Z 自動(dòng)阿貝折射儀、BS-211C 臥式恒溫?fù)u床。

二、實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果分析

（一）以不同品種高粱為原料的技術(shù)研究

分別稱取紅高粱粉和白高粱粉312.5g，按照料水比 2.2 加入 75℃熱水，攪拌均勻。調(diào)節(jié) pH5.4-5.6，按 0.15g/kg高粱加入耐高溫α-淀粉酶，放入恒溫水浴鍋內(nèi) 60℃保溫 30min 后升溫至 90℃，保溫 1.5h。用硫酸調(diào)節(jié) pH 至 4.4，降溫至 30℃，按 0.8g/kg 高粱加入糖化酶、200mg/kg 尿素、25mg/kg 酸性蛋白酶、0.1%活性干酵母。放入恒溫?fù)u床，32℃發(fā)酵 60h。

高粱中毒素含量較低。高粱籽粒中單寧多集中在種皮上，種皮的顏色與單寧含量有相關(guān)性[9]，即籽粒顏色深的類型單寧含量較高，籽粒顏色淺的單寧含量較低。我國高粱的單寧平均含量為 0.982%，變幅為 0.03%-3.27%。低單寧型占 14.5%，中低單寧型僅占 3.7%，而中高單寧和高單寧型則占 81.7%。這充分說明我國高粱大部分屬于高丹寧含量的類型。從表3可以看出白高粱中無單寧，證明高粱種皮的顏色與單寧含量有相關(guān)性的特點(diǎn)。

表3 高粱淀粉、單寧、毒素含量檢測結(jié)果

從表4可以看出，由于紅高粱中單寧對(duì)淀粉酶的鈍化作用，糊化階段粘度很大，影響攪拌效果，物料流動(dòng)性差，很難液化，液化 DE 值低；高粘度階段溫度跨越大，從約 70℃粘度開始增大，到 80℃粘度達(dá)到最大。白高粱糊化溫度跨越約 5℃，且糊化粘度變化不大。加大紅高粱組淀粉酶用量，液化終點(diǎn)粘度有所改善，但仍然無法解決糊化階段粘度大的問題。

表 4 高粱液化液檢測結(jié)果

（二）添加單寧酶降解高粱中單寧的研究

單寧酶的使用條件為 45℃，30min，最適 pH5.0-6.5，在液化階段添加，添加量為單寧質(zhì)量的 0.025%-0.10%，以高粱單寧含量為 3%計(jì)，添加量為 7.5-30ppm。

從表 5、表 6可以看出，添加單寧酶后液化 DE 值上升，發(fā)酵成熟醪酒度上升。說明單寧酶在此種工況下能夠水解單寧，減弱了單寧對(duì)酶制劑和酵母的抑制作用。但 DE 值不高，說明添加單寧酶后并未完全解除單寧對(duì)淀粉酶的抑制作用，無法從根本上解決糊化時(shí)醪液粘度大的問題。

表5 紅高粱液化液檢測結(jié)果

表6 紅高粱酒精發(fā)酵成熟醪液 HPLC 分析結(jié)果

因?yàn)閱螌幟笇?duì)底物有一定的要求，單寧酶對(duì)底物是否具有催化作用取決于 ES復(fù)合物是否形成。單寧酶 ES 復(fù)合物形成具有幾個(gè)特點(diǎn)[10]：①底物屬于脂類，且由沒食子酸和任何醇類形成；②任何酚羥基可以和酶的活性中心相結(jié)合，抑制形成 ES 復(fù)合物；③ES 復(fù)合物中酚羥基形成的酯鍵可被水解，而其他酯鍵或羧基由于沒有直接與酶結(jié)合，故不能發(fā)生水解反應(yīng)。所以單寧酶只能水解沒食子酸脂類化合物，即水解單寧，對(duì)縮合單寧不起作用。

三、討論與結(jié)論

在以高粱為原料生產(chǎn)燃料酒精的過程中添加單寧酶，能夠減弱單寧對(duì)淀粉酶和酵母的抑制作用，改善糊化粘度、提高液化 DE 值和效果、增加酒精產(chǎn)量。但高粱中的縮合單寧無法被單寧酶水解，致使無法完全解除高粱中單寧對(duì)酒精生產(chǎn)的影響。因此，應(yīng)盡量杜絕種皮深的高粱作為原料直接用于酒精生產(chǎn)，可以與其他淀粉質(zhì)原料少量摻混使用，使用過程中科適當(dāng)添加單寧酶。最好是使用白高粱作為生產(chǎn)原料，完全杜絕高粱中單寧對(duì)酒精生產(chǎn)的影響，且毒素含量較低，能夠滿足 DDGS 國家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)毒素的限值。