全水稻發酵生產食用酒精工藝研究

羅 虎，梁坤國*，孫振江，許旺發，賴銘雪，李永恒

（廣西中糧生物質能源有限公司，廣西 北海 536100）

利用可再生資源（如糧食、植物纖維）發酵生產酒精，隨著玉米價格的波動，酒精裝置產能的過剩，北方以玉米為原料生產酒精的成本優勢越來越小，國內外酒精行業的過度競爭也使得企業經營面臨很大的壓力，兼之國際國內上不斷有“與人爭糧”的意見，尋找新的非糧可替代原料就成為了日益迫切的課題[1]。

中國是世界上栽培水稻最古老的國家之一，很早已成為世界上播種面積最大、稻谷產量最多的國家[2]。根據數據統計，2016年中國水稻種植面積4.55億hm2，總產約2.07億t，占全球水稻產量的1/3[3]。由于全國水稻連續豐收，根據有關部門預計，2016～2017年末，我國稻谷年庫存1.25億t，實際庫存可能更高，國內水稻市場供應遠遠大于需求[4]。

根據國家制定的糧食儲存品質判定規則中，按儲存品質的優劣，將糧食分為宜存、不宜存、陳化三類，用以指導糧食儲存企業對庫存糧食適時推陳儲新。儲存品質判定規則將陳化糧定義為：儲存品質明顯下降，一般不宜直接作為口糧食用的稻谷、玉米、小麥，不包括成品糧。而我國全年水稻產量40%需要經歷一定時間的儲藏。水稻的特性之一是不易保存，極易產生米質“陳化”和發霉變質[5]。通常在一般貯藏條件下儲藏0.5～1.0年、在高溫條件下儲藏就會導致大米的陳化。這種變化通常是不可避免的。陳米由于品質，特別是食用品質劣變，導致色、香、味較差而不能被消費者接受，最終使陳米滯銷壓庫，或者陳稻被壓價拍賣或作為飼料糧處理，使國庫的水稻資源利用率大幅度下降，給國家和企業造成巨大的經濟損失[6]。而陳化水稻長期（3年以上）儲藏后，其有害物質含量超標，已不能直接作為口糧的糧食，亦不能直接用于畜牧養殖，必須經過特殊加工后方可進入動物食物鏈環節中[7]。

利用陳化水稻同步糖化發酵生產食用酒精[8]、燃料乙醇，既可以有效控制不能食用的陳化糧流入糧食加工市場，減少國家對此進行控制的費用，更能進一步緩解酒精行業原料緊缺的情況，有效緩解玉米等糧食的消耗量[9]。另外，國家發展改革委、國家能源局、財政部等十五部委下發了《關于擴大生物燃料乙醇生產和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》，大力支持發展我國可再生液體燃料，并為燃料乙醇行業提供每年產生的超期超標等糧食，其中就包括陳化水稻。通過同步糖化發酵工藝，利用陳化水稻進行燃料乙醇和食用酒精的生產，可提高企業生產設備的利用率，降低公攤折舊，增加企業盈利能力。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

陳化水稻：來自中央儲備糧惠州直屬庫；玉米：來自國家臨儲庫；液化酶（15萬U/g）：山東隆科特酶制劑有限公司；糖化酶（26萬U/g）：杰能科（中國）生物工程有限公司；尿素：陜西渭河重化工有限責任公司；酸性蛋白酶（10萬U/g）：山東隆大生物工程有限公司；安菌泰：柳州龍泰科技有限公司；超級釀酒高活性干酵母：安琪酵母股份有限公司。

葡萄糖：天津市致遠化學試劑有限公司；鹽酸：西隴科學股份有限公司；硫酸：成都市科龍化工試劑廠；氫氧化鈉、次甲基藍指示劑、酚酞指示劑：天津市光復科技發展有限公司；斐林試劑：天津市恒興化學試劑制造有限公司。所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

年產20萬t燃料乙醇生產線：廣西中糧生物質能源有限公司；AL204分析天平、S40pH計：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；HH-8數顯恒溫水浴鍋：金壇市杰瑞爾電器有限公司；DL-1萬用電爐：北京市永光明醫療儀器有限公司；CX21-310數碼生物顯微鏡：日本奧林巴斯公司。

1.3 方法

1.3.1 水稻發酵生產食用酒精的工藝流程及操作要點

操作要點：

粉碎拌漿：水稻原料用篩網孔徑為1.8 mm的粉碎機進行粉碎，水稻粉和一次工藝水按1∶2.0（g∶mL）的料水比拌漿，控制粉漿干物質含量28%～30%。

液化：調節粉漿pH為5.60左右，添加液化酶（0.10 kg/t水稻粉），在粉漿罐預熱至82～84℃，然后進行噴射液化（95～97℃），再經過液化閃蒸后進入液化罐（87～89℃，2 h），取樣做碘試，醪液呈棕紅色即液化結束，液化結束經換熱器降溫至28～32℃，得到水稻液化醪。

同步糖化發酵：液化醪調節pH至4.40～4.60，添加糖化酶（1.10 kg/t水稻粉）、尿素（1.30 kg/t水稻粉）、酸性蛋白酶[10-13]（0.05 kg/t水稻粉）和安菌泰殺菌劑（5 mg/kg），最后按20%接種量添加酒母醪（水稻液化醪用一次工藝水稀釋至16～20 °Bx，pH調節值3.8～4.0，添加糖化酶（1.10 kg/t水稻粉）、尿素（1.30 kg/t水稻粉）、安菌泰殺菌劑（5 mg/kg）和2‰超級釀酒高活性干酵母，在29℃條件下培養至酵母數≥2億/mL）后進入發酵罐，發酵0～8 h控制溫度28.0～30.0℃，8 h后溫度控制32.5～33.5℃，發酵至60 h結束，得到水稻發酵成熟醪。

精餾：成熟醪經預熱后（55～62℃）進入粗塔蒸餾（塔底溫度75～85℃，塔頂溫度60～70℃），然后進入精餾塔（塔底溫度112～124℃，塔頂溫度86～95℃），再經過脫甲醇、雜醇油萃取后即可得到成品食用酒精。

精餾提取酒精產品后，得到水稻廢醪液，經板框壓濾機分離（進料時間1.0～1.5 h，壓榨時間20～30 min），得到清液和濕糟，清液經蒸發濃縮塔得到濃縮物，濕糟經滾筒干燥后再與清液濃縮物混合進入管束干燥機干燥，即可得到水稻干全酒精糟（distillersdried grainswithsoluble，DDGS）成品。

1.3.2 分析檢測

淀粉含量測定：按照GB/T 5009.9—2016《食品中淀粉的測定》中的方法；水分、粗脂肪、粗纖維、蛋白質含量測定：按照GB/T 18868—2002《飼料中水分、粗蛋白質、粗纖維、粗脂肪、賴氨酸、蛋氨酸快速測定》中的方法；殘糖含量測定：按照斐林試劑法[14]；外觀糖度、酒精度、揮發酸、酸度等指標測定按照酒精廠常規分析測定方法[15]。

殘淀粉含量=（殘總糖-過濾總糖）×0.9

殘糊精含量=（過濾總糖-還原糖）×0.9

2 結果與分析

2.1 陳化水稻、玉米原料檢測

通過與玉米原料成分分析對比（見表1），參照玉米發酵生產食用酒精和玉米DDGS的成熟工藝，確定陳化水稻發酵工藝的研究范圍。由表1可知，陳化水稻淀粉含量55.94%，玉米淀粉含量64.00%，因此陳化水稻粉漿干物質含量需要比玉米粉漿干物質含量高；而陳化水稻粗纖維含量較高，達到11.06%，如粉漿干物質含量過高會影響發酵過程中物料輸送以及水稻DDGS產品質量等問題。通過研究表明，陳化水稻粉漿干物質在28%～30%為宜。

表1 原料成分分析結果Table 1 Results of raw material composition analysis

2.2 酒母擴培試驗結果

針對水稻原料，對外觀糖、溫度和pH值的工藝條件進行了研究，首先用500mL三角瓶進行小試研究，結果見表2。由表2可知，在外觀糖度16 °Bx、pH 3.8，培養溫度28～30 ℃條件下酵母生長速度較快，且死亡率較低；在小試的基礎上，進一步在50 L發酵罐進行了中試驗證優化試驗，結果見表3。由表3可知，在外觀糖度16°Bx、溫度29℃、pH值為3.8的條件下培養酵母數最多，生長效果最好。

表2 酒母小試培養結果Table 2 Results of yeast culture on a small scale

表3 酒母在50 L發酵罐中培養結果Table 3 Results of yeast culture in 50 L fermenter

2.3 發酵試驗結果

在廣西中糧生物質能源有限公司年產20萬t燃料乙醇生產線上，用全水稻做了共13批次的生產試驗，結果見表4和圖1。

表4 水稻生產酒精發酵結果Table 4 Results of alcohol fermentation with rice

成熟醪殘總糖在酒精發酵工藝中是一個重要的指標，是衡量酒精發酵完全程度的重要指標之一[15]，隨著發酵過程的進行，糖分含量不斷下降，在發酵結束后殘余的糖分越少，說明發酵效果越好，意味著產酒率越高。由表4可知，整體發酵較為穩定，平均殘總糖含量為1.38%，最低殘總糖0.85%；平均還原糖含量0.18%、殘淀粉含量0.59%、殘糊精含量0.49%、酸度6.28°T、揮發酸0.17g/L，達到酒精生產指標要求。

圖1 成熟醪酒精度Fig.1 Alcohol content of fermented mash

由圖1可知，共進行了13批次生產試驗，發酵成熟醪酒精度最低11.80%vol，高達到12.80%vol，平均酒精度12.35%vol，達到酒精生產要求。

2.4 精餾結果

水稻生產發酵得到的成熟醪經過精餾提純后得到成品食用普酒，與玉米食用普酒進行了對比，結果分別見表5和表6。

表5 食用酒精外觀、口味質量對比結果Table 5 Comparison results of the appearance and taste quality of edible alcohol

表6 不同原料生產的食用酒精質量比較Table 6 Quality comparison of edible alcohol production by different raw material

表5為產品外觀、口味質量對比結果，可見水稻食用酒精產品的外觀、氣味和口味都符合國標GB 31640—2016《食品安全國家標準食用酒精》，并且與玉米酒精口感、氣味、理化指標相當，被不同行業客戶接受，廣泛用于白酒、化工、食品、醫藥行業，與玉米食用酒精一樣受客戶認可。

由表6可知，水稻食用酒精化學分析結果與玉米食用酒精基本一致，并且各個指標均已經達到優級食用酒精的標準，說明水稻生產食用酒精是可行的。

2.5 經濟效益分析

對全水稻生產食用酒精的生產運營成本進行了分析，并與玉米食用酒精生產成本進行了對比。由表7可知，玉米酒生產成本為5 368.30元/t，副產品玉米DDGS沖減1 370.49元，故總玉米酒成本為4 354.73元/t；而水稻酒生產成本為4 557.6元/t，副產品水稻DDGS沖減1 320.00元，故水稻酒總成本為3 603.52元/t，比玉米酒生產成本低751.21元/t，即利潤提高了751.21元/t，提高了企業的經濟效益。

表7 生產成本分析結果Table 7 Results of production cost analysis

3 結論

使用全水稻進行發酵生產食用酒精，經過廣西中糧生物質能源有限公司生產線試驗研究，全水稻發酵成熟醪平均酒精度12.35%vol、平均殘總糖1.38%，精餾后得到的食用酒精達到優級食用酒精國家標準，同時廢醪液經過分離干燥后值得副產品水稻DDGS，可作為飼料原料出售，降低了酒精生產成本，與玉米酒精生產成本相比降低了751.21元/t。

因此，使用全水稻進行發酵生產食用酒精是有效可行的，還可提高企業經濟效益，同時可以緩解酒精原料短缺以及國庫陳化水稻積壓的問題。

參考文獻：

[1]劉勁松，宮殿良，董克芝，等.玉米與陳化水稻共發酵生產燃料乙醇的研究[J].釀酒，2014，41（5）：86-88.

[2]劉珍環，李正國，唐鵬欽，等.近30年中國水稻種植區域與產量時空變化分析[J].地理學報，2013，68（5）：680-693.

[3]王曉煜，楊曉光，呂 碩，等.全球氣候變暖對中國種植制度可能影響Ⅻ.氣候變暖對黑龍江寒地水稻安全種植區域和冷害風險的影響[J].中國農業科學，2016，49（10）：1859-1871.

[4]稻米市場月度分析報告[J].黑龍江糧食，2017（9）：22-24.

[5]宋 超，辛 霞，陳曉玲，等.三種保存條件下水稻和小麥種質資源安全保存期的分析[J].植物遺傳資源學報，2014，15（4）：685-691.

[6]鄭紅明.新稻價格有所走高陳稻市場或將跟漲[J].中國糧食經濟，2010（9）：33-34.

[7]肖軍霞，張 巖，黃國清，等.黃曲霉毒素脫除方法研究進展[J].食品安全質量檢測學報，2012，3（5）：395-399.

[8]陳 亮，蘇小軍，熊興耀，等.輻照預處理水稻秸稈酶解糖化與發酵產乙醇工藝[J].核農學報，2015，29（4）：704-709.

[9]劉俊紅.生物乙醇原料的開發與利用[J].食品研究與開發，2014，35（15）：1-2.

[10]李樹森.酸性蛋白酶在酒精生產中的應用[J].釀酒，2014，41（3）：84-86.

[11]劉勁松，靳玉雙，從志會，等.酸性蛋白酶對濃醪發酵生產酒精工藝影響的研究[J].釀酒，2014，41（4）：108-110.

[12]吳偉偉，王 丹，錢世凱，等.酸性蛋白酶在酒精生產的應用[J].現代食品，2017（20）：105-107.

[13]郭佰興，張志凌，劉海濱，等.酸性蛋白酶在酒精行業的推廣應用[J].中國釀造，2013，32（S1）：65-67.

[14]韓 萍.斐林試劑用法再探究[J].教育教學論壇，2013（21）：226-227.

[15]孫 偉，吳冬志，吳偉偉，等.關于提升玉米DDGS質量的研究[J].輕工標準與質量，2016（6）：23-24.