生料發酵技術在小麥淀粉乳酒精發酵上的應用概述

王麗紅，白 鈺，李 剛

(陜西科技大學生命科學與工程學院，陜西西安710021)

生料發酵技術在小麥淀粉乳酒精發酵上的應用概述

王麗紅，白 鈺，李 剛

(陜西科技大學生命科學與工程學院，陜西西安710021)

介紹了生料發酵酒精的機理以及與傳統小麥酒精發酵相比生料發酵技術存在的優勢和應用前景。

小麥，生料，酒精

1 生料發酵酒精的理論基礎

1.1 生淀粉的糖化發酵機理

淀粉原料在自然情況下是以分散微?；蝾w粒形式存在，包含結晶區和無定形區，結晶區主要由支鏈淀粉分子以雙螺旋結構形成，結構較為致密，不易被外力和化學試劑作用;無定形區主要由直鏈淀粉分子以松散的結構形成，容易受到外力和化學試劑作用［6］。在天然淀粉形態中，半晶體和無定形體交互而組成淀粉顆粒，生淀粉由于存在結晶區，酶較難作用，故轉化率很低。

傳統淀粉糖化生產工藝是在干法粉碎的谷物中加水制成粉漿，加入α-淀粉酶，粉漿經過高溫蒸煮(105～130℃)使其中的淀粉糊化和液化，淀粉顆粒結構被破壞，顆粒內部分子間氫鍵被破壞，淀粉分子與水分子之間形成氫鍵，顆粒吸水膨脹，分子從顆粒內部游離出來，淀粉顆粒的結晶結構逐漸消失［6］。隨著結晶結構的消失，酶作用的效率就大大增加，最終使轉化率得到提高。醪液冷卻后加入糖化酶，分解液化后的淀粉成為可發酵性糖，調節pH并在糖化醪中添加酵母，發酵葡萄糖產生乙醇和CO2。

而生淀粉的糖化是淀粉不經過無蒸煮環節，半晶體和無定形體形成的三維網封閉，利用生淀粉酶極強水解特性將淀粉分解成可發酵性糖。目前報道的生淀粉酶主要包括α-淀粉酶和糖化酶。在生料酒精發酵過程中，糖化酶外切活力能使淀粉表面形成無數個小孔，且形成的小孔尖而深，而α-淀粉酶內切活力則能擴大小孔。二者協同水解生淀粉得到微孔淀粉這一過程中，首先糖化酶酶解突出在生淀粉顆粒表面不規則部分及較容易水解無定形區，沿著淀粉分子非還原末端逐級水解，隨著水解進行，淀粉顆粒吸水溶脹使α-淀粉酶能接近顆粒內部，α-淀粉酶隨機內切作用為糖化酶提供新的非還原末端，這兩種酶復合協同作用不僅提高水解速率，也為水解沿著更多點逐級向淀粉分子內部推進。這樣，在生淀粉酶作用下，淀粉顆粒連續釋放葡萄糖既能滿足酵母生長代謝，又能保證幾乎所有淀粉轉化成糖而被酵母利用，使酵母始終處于一種健康旺盛代謝狀態，從而能產生并積累大量乙醇，使生料發酵成為可能。

1.2 生淀粉酶及主要菌種

生淀粉酶是一種包括α-淀粉酶及糖化酶的混合酶，二者相互協同作用可將淀粉徹底水解成可發酵性糖。但適量添加其它酶也有一定促進作用，覃紅梅等［7］在玉米生料發酵酒精中，適量添加纖維素酶、淀粉酶、蛋白酶對生產有明顯的促進作用。劉振等［8］對稻谷生料發酵添加果膠酶、纖維素酶、酸性蛋白酶、植酸酶對稻谷生料發酵酒精有促進作用。

資料顯示［9］，豬胰臟α-淀粉酶對生淀粉具有較好的水解能力，霉菌的α-淀粉酶分解生淀粉的能力較弱，糖化酶能較好地分解生淀粉。報道產生淀粉酶的菌最多的是曲霉(Aspergillus)、芽孢桿菌(Bacillus)、根霉(Rhizopus)。除微生物外已知的生淀粉酶來源有50多種。

目前，通過選育生淀粉酶高產菌株和提高淀粉對酶解的敏感性等途徑來增加生淀粉的糖化效率，是當前的研究重點和熱點。

而且，隨著酶工程的飛快發展，專業化的生料酶制劑的開發使得生料酒精發酵已變成現實。段鋼等［10-11］報道了新型酶制劑在小麥、大米、玉米等淀粉質原料生料發酵上的應用，給生料發酵生產帶來了突破。

1.3 生料酒精發酵的酵母菌種

目前工業化酒精發酵為了縮短發酵周期、提高酒精發酵效率，越來越多的廠家采用酵母菌種主要是專業生產機構生產的應用于酒精發酵的耐高溫、耐高濃度酒精的活性干酵母。

但對于生料發酵的酵母菌種，研究利用基因技術、原生質體融合技術構建高活力淀粉糖化酶表達菌種將更有利于生料酒精發酵［12-13］。顧亞婧等［14］采用新型融合子AK-2(K氏酵母與黑曲霉原生質體融合)對生料直接進行免蒸煮法生產酒精，提高了酒精得率，從而大大地降低了生產成本。

2 傳統小麥酒精發酵過程中的問題及生料發酵的優勢

2.1 小麥淀粉乳蒸煮發酵酒精過程中存在的問題

當前，國內外小麥產量有所增加，乙醇工業特別是燃料乙醇迅猛發展，但是以小麥為原料生產乙醇并沒有太大的增長。其中生產難度大、操作困難是影響其發展的主要原因。

小麥的綜合加工中，提取谷朊蛋白后，利用淀粉乳生產酒精。但在小麥淀粉乳中由于含有較多的可溶性蛋白和戊聚糖不能被酒精酵母所利用，經過蒸煮液化、糖化后，發酵時造成發酵液粘稠度大，從而引起生產中的一系列問題。

2.1.1 造成發酵時產生大量泡沫甚至溢出，從而造成了原料的浪費及易污染。

2.1.2 濃醪發酵難以實現 濃醪發酵是酒精生產的發展方向，對生產企業提高效益，節約能源，保護環境將有積極的促進作用。但由于小麥發酵液粘稠度大，導致用小麥生產酒精時發酵終了時含酒精量僅在9%。

2.1.3 增大了能量消耗和設備投資 由于粘性物質的存在，在蒸餾時要多耗用部分蒸汽(10%～20%)，也要求使用特殊的塔板結構。

2.1.4 DDGS分離困難 在小麥的綜合加工中將酒精發酵后的醪液，經過濾或離心制備DDGS、制備飼料，但由于發酵液粘稠度大，造成分離困難，降低了設備的利用率。

2.2 小麥生料酒精發酵的優勢

小麥生料酒精發酵除具有一般生料發酵的提高產量、減少能耗、出酒率高、通過減少操作步驟來降低成本等優點外，由于不需要經過高溫蒸煮過程，對小麥淀粉發酵的控制非常有利，從而使小麥生產酒精變得容易。

2.2.1 降低醪液粘度 傳統工藝應用在小麥淀粉深加工中，醪液將會變得非常粘稠，糊化后尤甚，給生產帶來很大困難。生料發酵小麥醪液不需要經過高能耗的淀粉蒸煮過程，淀粉分解糖化較緩慢，對醪液粘度的控制較有利。

2.2.2 促進濃醪技術的發展 生料發酵采取邊糖化、邊發酵工藝，是一種連續的葡萄糖釋放機制，盡管配料濃度高，但起始糖的濃度不高，整個體系的葡萄糖始終處于較低的水平，從而不存在高葡萄糖濃度抑制問題，從而使酵母對乙醇濃度增加的耐受性也有了顯著的提高。而且有利于酵母的起始生長，隨著發酵的深入，酵母數量增加，并始終保持較旺盛狀態。旺盛生長的酵母可以抑制雜質的產生，有利于殘淀粉和殘糖的降低，從而有利于出酒率的提高。

2.2.3 提高乙醇質量 在生料發酵的發酵醪中，由于沒有高溫蒸煮環節，減少蛋白質、淀粉、纖維、脂肪等變性分解，避免酮類物質，焦糖色素等產生，雜醇油和酸類的含量較低，乙醇質量較高。

2.3 小麥生料酒精發酵的研究進展

小麥生料發酵在國外發展較快，尤其是新型小麥淀粉酶的應用，已在歐洲幾個大型的以小麥類為原料的酒精廠采用，效益明顯。

國內目前還處于研究階段，許宏賢等［15］比較小麥淀粉傳統高溫發酵與生料發酵新工藝，結果說明生料工藝發酵醪中的乙醇含量略高于傳統工藝。而且醪液的粘度始終維持在較低的水平。殘余淀粉含量低于傳統工藝。說明生料工藝可以使小麥淀粉更有效地轉化成乙醇，應用前景廣闊。

3 小麥生料酒精發酵的展望

目前盡管在小麥生料技術上還存在應用酶制劑使用量較大、雜菌污染、發酵周期較長等一系列問題，但是生料發酵具有傳統法發酵所不具有的節能降耗、節約建設投資、簡化工藝、降低成本、提高綜合經濟效益等無可比擬的優勢，因此生料發酵技術值得大力推廣。而且隨著科技進步，上述問題會不斷解決，并且逐步取代傳統的熟料發酵，為國家和社會作出更大貢獻。

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Application summarize of fermentation with uncooked materials in alcoholic fermentation of wheat starch

WANG Li-hong，BAI Yu，LI Gang
(College of Life Science and Engineering，Shannxi University of Science＆Technology，Xi’an 710021，China)

This article introduced the mechanism of alcoholic fermentation with uncooked materials，as well as the advantages and application prospects of uncooked material fermentation compared with the traditional alcoholic fermentation of wheat.

wheat;uncooked materials;alcoholic

TS210.1

A

1002-0306(2011)03-0405-03

近年來，隨著能源危機的加劇，燃料酒精作為一種可再生的清潔能源，在減少空氣污染及汽油的使用方面顯示了較大的優勢，因而需求越來越大。小麥作為人們的主要糧食來源，很少應用于酒精生產。但是，隨著近年來小麥綜合利用價值的提高，拓展小麥產業鏈，進行深度加工綜合利用受到人們的重視，小麥生產酒精發展很快。方書起等［1］將小麥經提取面筋后的清液用來發酵生產酒精?；矢喼龋?］證明小麥原料可以生產出優質酒精，其出酒率達到30.5%，理化指標也優于玉米酒精，一些主要指標已達到優級食用酒精標準。河南天冠企業集團、安徽瑞福祥等小麥加工公司均已開發一條綜合利用小麥生產燃料或食用乙醇的生產鏈。但在實際小麥綜合加工中，目前還存在小麥淀粉發酵粘度較大，發酵時泡沫多，裝料系數小，難以進行濃醪發酵及發酵液過濾制備DDGS困難等問題。生料酒精發酵是指原料不用蒸煮、糊化直接將生淀粉添加酶進行邊糖化邊發酵的雙邊發酵。目前在燃料酒精、釀酒、釀醋、單細胞蛋白生產中獲得成功［3-5］。我國在生料發酵研究方面雖然起步晚，但隨著酶制劑、基因工程菌種、專業化活性干酵母研究開發，生料發酵有了新的進步，技術逐漸成熟。小麥生料發酵酒精技術最大優勢在于無蒸煮環節，糖化發酵比較平穩，不僅有效節約蒸煮和糖化工段的能耗，而且可解決發酵液粘度、濃醪發酵、乙醇質量等問題。使小麥生料發酵酒精越來越受到重視。

2010-02-22

王麗紅(1978-)，女，碩士，講師，主要從事生物工程微生物發酵方向研究。

陜西科技大學自然科學基金項目(ZX09-20)。