酒精復合酶在酒精發酵工業中的應用及效益分析

代淑梅，李秋園，李自強

(中溶科技股份有限公司研發中心，河北省非糧乙醇工程技術研究中心，河北 唐山，064000)

酒精復合酶在酒精發酵工業中的應用及效益分析

代淑梅，李秋園*，李自強

(中溶科技股份有限公司研發中心，河北省非糧乙醇工程技術研究中心，河北 唐山，064000)

酒精復合酶是通過生物發酵精制復配得到的一種多組分復合酶制劑。研究探討了酒精復合酶在酒精發酵中的應用，并對其經濟效益進行分析。研究結果表明：在酒精發酵過程中添加酒精復合酶，可縮短酒精發酵周期，提高原料的利用率和酒精產率，還能降低酒精糟液處理難度。與對照組相比，在酒精發酵過程中添加0.05%的酒精復合酶，原料出酒率提高2.05%。

酒精復合酶；酒精發酵；出酒率；經濟效益

從2000到2014年，全球燃料乙醇產量年均增長超過16%，2014年產量達到7 338萬t[1]。美國和巴西是世界上最大的燃料乙醇生產和消費國，美國主要以玉米為原料生產燃料乙醇，全美玉米產量的40%都用來生產燃料乙醇，且生產效率高于中國[2]，2015年產量達4 422萬t，占全世界產量的58%。巴西是全世界最大的蔗糖生產基地，在燃料乙醇生產的原料方面優勢明顯。目前，巴西的燃料乙醇己替代了國內50%汽油。截至2013年，巴西的燃料乙醇產量約為1 880萬t，占全球總產量的26.75%。我國自2001年起開始籌建燃料乙醇試點項目，經過十幾年的飛速發展，我國燃料乙醇技術和裝備已達到國際先進水平。雖然我國燃料乙醇產業取得了一定成績，但相對于美國和巴西差距很大，2014年中國燃料乙醇產量僅為全球總產量的3%[3-4]。

我國是生物質能源生產和應用大國，以燃料乙醇為代表的生物質能源對保障國家能源安全具有重要意義。隨著國家對環保產業的新要求和燃料乙醇的不斷推廣和應用，預計到2020年燃料乙醇年利用量將達到1 000萬t，這對燃料乙醇原料多樣性提出了更高的挑戰[5]。現階段，以纖維素、半纖維素為代表的二代燃料乙醇的發展仍處于小規模中試階段，大規模生產應用短期內還不具備條件[6]。在燃料乙醇生產過程中，主要利用來源廣泛的玉米和木薯為主要原材料，提高玉米和木薯酒精發酵原料利用率，降低生產成本仍有重要意義。

當前利用木薯和玉米生產酒精過程中，存在著粗放經營弊端，主要表現在：①原料淀粉的利用率低，大分子生物成分降解不完全；②原料中纖維素及半纖維素沒有被有效利用；③人為添加酵母營養劑的不平衡、不持續，造成后期發酵不徹底和尾罐酵母老化；④蒸餾后續糟液的厭氧處理生產沼氣效率不高，不利于節能環保，同時造成企業生產成本增加，競爭力下降，成為酒精企業發展的瓶頸，也限制了國家燃料乙醇行業的發展。

酒精復合酶含有纖維素酶、木聚糖酶酶等多種酶組分，并添加部分微量元素和有機活性因子復配而成的復合酶制劑[7]。酒精復合酶可以使酒精發酵醪液中的纖維素、半纖維素、蛋白質、果膠質等得到有效降解。有提高原料利用率，增加酒精得率和縮短發酵周期的潛力。本試驗中我們將酒精復合酶應用于酒精發酵工業，探索其對發酵工藝的影響，并對其經濟效益進行分析。

1 材料與方法

1.1試驗材料

酒精復合酶：來自中溶科技股份有限公司酶制劑車間；木薯粉、青霉素、活性干酵母：均來自中溶科技股份有限公司木薯酒精生產車間；試驗地點：中溶科技股份有限公司木薯酒精生產線。

1.2試驗工藝和方法

在發酵工段添加酒精復合酶，酒精生產工藝流程見圖1，設置試驗組(加酶組)和對照組2條生產線，試驗組除添加酒精復合酶之外，其他條件均與對照組保持一致，包括木薯粉濃度、酵母和輔料的添加、培養溫度等。

圖1 酒精生產工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of alcohol production

酒精復合酶均在發酵罐進料到1/3時添加，不影響酒精生產的原有工藝。本試驗控制酒精復合酶添加量在0.05%，由于本公司生產采用了連續的糖化和發酵工藝，生產流程見圖2，因此首罐要2倍添加，滿罐后要下連約一半醪液，其他罐1倍添加，尾罐不添加。試驗罐組和對照罐組，2組罐同時連罐，同時補料，同時滿罐，并且保證2組車速一致。

圖2 發酵工序生產工藝圖Fig.2 Process flow diagram of fermentation technology

1.3測定方法

酵母菌細胞數：血球計數板法。

淀粉、還原糖和葡萄糖量：均采用酒精企業常用分析方法[4]。

酒精度測定：用量筒量取100 mL樣品，倒入500 mL錐形瓶中，加入100 mL蒸餾水搖均，放蒸餾裝置上蒸餾至餾出液100 mL為止，將餾出液上下搖勻放上酒精計，同時測定餾出液溫度，待平衡5 min后水平觀察酒精計讀數，并校正到20 ℃時酒度值。

總糖的測定：稱取10 g糊化醪， 加70 mL蒸餾水，20 mL 20% HCl，水解1 h，取出用冷水冷卻，用20% NaOH中和至微酸性，用蒸餾水定容至250 mL。用脫脂棉過濾，取濾液5 mL，蒸餾水20 mL，甲、乙液各5 mL，先加0.25%葡萄糖標準溶液10 mL混勻，加熱沸騰后，加0.5%甲基蘭指示劑，繼續用萄萄糖標準溶液滴定至紅色，記下消耗體積V2(mL)，同時作空白對照，消耗體積V1(mL)。

ω=(V1-V2)×1.25

(1)

糊精的測定：稱取10 g糊化醪的醪液，用100 mL 95%的乙醇稀釋，靜置5 min，用紗網過濾，取過濾糟于250 mL三角瓶中，加70 mL蒸餾水，再用20 mL 20% HCl水解1 h，冷卻至室溫，用20 % NaOH溶液中和至微酸性，用蒸餾水定溶于250 mL容量瓶中。用脫脂棉過濾，取濾液5 mL，加20 mL蒸餾水，甲、乙液各5 mL混合，先加0.25%葡萄糖標準溶液10 mL混勻，加熱沸騰后，加甲基蘭指示劑，繼續用萄萄糖標準溶液滴定至紅色，記下消耗體積V3(mL)，同時作空白，消耗體積V1(mL)。

ω=(V1-V3)×1.2

(2)

(3)

2 結果與討論

2.1對產酒發酵影響及分析

添加酒精復合酶到酒精生產過程中，經過2批次的生產試驗，對2個批次的試驗組和對照組做比較，試驗組和對照組的主要數據指標見表1，表1中的對比結果是指2次試驗平均數對比結果。酒精復合酶對酵母生長具有促進作用，加酶組普遍比對照組酵母細胞多，種子發芽率也有相應提高，說明酒精復合酶對酵母的生長繁殖起到了促進作用。另外，對比試驗組和對照組發酵滿罐后的酒度，試驗組高出對照組10.9%，說明酵母代謝旺盛，合成轉化作用增強。

表1 試驗過程中發酵主要指標變化

淀粉、纖維素、半纖維素等這些碳源物質，只有經過各種酶的催化作用，降解到葡萄糖才能被釀酒酵母利用生成乙醇。對比發酵過程中試驗組和對照組的葡萄糖的殘量可以看出，在復合酶持續酶解、各種糖消耗降解明顯快于對照組的同時，加酶組的葡萄糖殘量卻維持了更低的水平。這也說明了加酶組的發酵更快更為徹底，酒精復合酶使原料的利用更為徹底。

2.2對酒精糟液影響及分析

酒精糟液發酵生產沼氣，微生物主要利用糟液中殘留的淀粉、纖維素等大分子有機物質[8]。產酒發酵過程中添加酒精復合酶后，試驗組發酵醪液的還原糖和總糖較高。因為酒精復合酶中含有蛋白酶和半纖維素酶，可以代謝原料生成生物肽類物質和戊糖。酵母代謝生成乙醇，主要利用的是六碳糖，這些物質僅有部分作為碳源在發酵階段被消耗掉，大部分隨酒精糟液進入廢水處理工段，他們可直接被產酸菌和產甲烷菌利用，這必然加速細菌分解處理糟液的效率，提高沼氣產率，縮短污水處理周期。

2.3結果討論

傳統乙醇工藝中，酒精生產原料主要采用玉米和木薯，其理化指標見表2。表2分析可知，酒精生產用的原料里除了大部分的淀粉外，還有一部分的粗纖維、蛋白質、脂肪等，另外木薯原料還含有較多的果膠物質[9]。酒精工廠對原料進行液化、糖化時使用α-高溫淀粉酶和糖化酶，可以對淀粉進行高效率的轉化，但對粗纖維、蛋白質等物質卻無法水解，只能依靠酵母自身分泌的內源酶來進行水解利用[10]。由于作用環境和酵母本身的特點，這種分解是緩慢低效的，發酵時間較短，很難將這些物質有效利用，只能任由其進入酒精糟液，造成原料利用不徹底。

表2 酒精生產原料主要理化指標

酒精復合酶主要成分是纖維素酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶、蛋白酶、果膠酶。其中淀粉酶可以使原料中淀粉充分釋放，淀粉的發酵利用率提高；纖維素酶將纖維素、半纖維素降解，使發酵可利用糖增多；蛋白酶將原料中蛋白質分解為氨基酸和二肽，減少了酵母合成氨基酸的能量消耗，為酵母菌提供可利用氮源，減輕了酵母菌細胞氨基酸合成代謝的負荷，使糖底物更多地轉向發酵生成酒精[11-12]。同時這些酶共同作用可使醪液粘度降低，從而促進酵母生長，使酒精發酵周期縮短、揮發酸降低，并使酒度和酒質提高。木薯纖維經過復合酶的降解后，發酵醪液可利用的成分增多，提高了原料利用率，減少了糟液中COD和固渣的排放量，可以降低酒精廢水處理成本。

3 經濟效益

試驗組和對照組發酵醪液中酒度見表3，由表3可知，經過72 h發酵，試驗罐酒度比對照組增加了2.05%。對酒精復合酶的經濟效益進行計算，添加復合酶的費用：每噸原料按0.05%添加，復合酶需500 mL,即0.57 kg/t原料，按單價35.0 元計算，1 t原料增加的酒精復合酶成本為19.95 元。以木薯為例，1 t木薯可生產357.29 t酒精，因原料的產酒率提高2.05%，即每噸木薯原料可多出7.32 kg酒精。按每噸酒精5 450 元計算，消耗1 t木薯可創收39.89 元。扣除成本，1 t木薯可增加效益19.94 元。1條年產5萬t的木薯酒精生產線，利用酒精復合酶可提高收益將近100 萬元，并且不需要對工藝設施進行改造。另外，發酵及蒸餾后續糟液的厭氧消化時，由于前期復合酶持續的降解作用，使厭氧罐內的產酸菌和甲烷菌對有機底物的降解將更徹底，污水處理周期變短，并提高污水凈化質量，利與環保，間接降低污水處理成本[13]。

表3 酒精發酵過程中醪液酒度變化

4 結果

添加0.05%的酒精復合酶到酒精發酵過程中，原料出酒率提高2.05%，可使每噸木薯原料可多生產酒精7.32 kg，提高了出酒率和原料利用率；1 t木薯可增加效益19.94 元。在控制相同指標情況下，添加酒精復合酶，可以使發酵周期縮短4～8 h。另外，酒精復合酶還可以產生了一些酵母不能利用的小分子糖類，并使糟液渣的結構變得松散，從而為后續糟液厭氧處理菌群提供了良好的營養和降解環境，使沼氣產量增加；經過纖維素酶等多種酶的協同降解，減少了酒精廢液中的固形物含量，減少最終的固渣排放；減少了酒精廢水中的氨氮含量，減輕后續企業的治污成本。

5 展望

本研究將酒精復合酶應用于酒精的生產工業，在行業競爭日趨激烈的情況下，對企業節能降耗及增加效益等方面具有一定意義。它從一個全新的角度，詮釋了酒精生產工藝的進步，能產生多方面的效益；添加酒精復合酶能夠提高酒精度，說明在發酵過程中存在這未被利用的淀粉，液化和糖化工藝上還有改進的空間。但是，尚有幾個問題需要進一步研究，酒精復合酶是多組分酶復配而來的，文中對各組單酶的作用進行分析，對各種單酶的用量也進行了優化。但對各種單酶復配以后相互的拮抗和促進作用還需進行更深刻的機理研究。

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Theapplicationofalcoholcompoundenzymeinalcoholfermentationindustryandbenefitanalysis

DAI Shu-mei, LI Qiu-yuan*, LI Zi-qiang

(Research and Development Center of Zhongrong Technology Corporation Ltd,Hebei Research Centerofnon-grain Ethanol Engineering, Tangshan 064000, China)

Alcohol compound enzyme are multi-enzymes obtained by biological fermentation. In this paper, the application of alcohol compound enzyme in the alcoholic fermentation was investigated, and its economic benefit was also analyzed. The results indicated that the alcoholic fermentation period was significantly shortened by adding alcohol compound enzyme. Thus, both the utilization percentage of raw materials and the yield of alcohol were increased, and the difficulties of post-treatment of alcohol distillation slurry were decreased. Compared with the control group, the relative liquor yield of raw materials increased 2.05% through adding 5% of alcohol compound enzyme.

alcohol compound enzyme; alcoholic fermentation; liquor yield; economic benefits

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.014437

碩士(李秋園為通訊作者,E-mail:qyli@zhrtech.com)。

2017-04-01，改回日期：2017-05-16