玉米原料超高濃度酒精發酵

季文波

摘要：由于石油危機而造成的國家能源安全、農民收入和環境等問題而使得生物酒精的生產日益受到重視。從現階段發展而言，玉米原料化工方面的研究相對較少，因此在玉米生產酒精的傳統工藝中出現了諸多問題，在工業轉化過程中，缺乏相應的成熟技術支持。為此，必須采取一些有效措施進行改進，提升酒精發酵的效果。本文就玉米原料超高濃度酒精發酵展開探討。

關鍵詞：玉米；濃醪發酵；溫度梯度控制；生料水解酶；酒精

引言

據釀酒協會酒精分會的統計，2004年我國酒精生產玉米原料占50.3%，經過近幾年的發展，玉米現在已經占到65%。適度發展玉米燃料乙醇有益于糧食供需平衡，依然可以起到玉米供需平衡蓄水池的作用。同時玉米也是深加工鏈條最長、產品系列最豐富的糧食品種，因此相對于其他淀粉質原料，玉米酒精發酵的研究意義更大。

1.玉米原料超高濃度酒精發酵的歷史

近些年來，全世界的石油危機問題變得越來越嚴重，從而給我國的能源安全帶來了一定程度的影響，依賴石油進行的化工工業發展受到一定的限制，隨之而來影響高濃度酒精的生產率。目前，我國整體經濟增長的速度非常高，已經成為了全世界第三大酒精生產國家。目前來看，生物酒精的主要材料則是燃料乙醇，也就是說能夠直接使用淀粉質原料完成生產工作。根據相關資料的統計可以得知，早在21世紀初期，我國的酒精生產，玉米原料便已經達到了50.4%。在經過了十多年的發展之后，當前玉米作為化工原料的實際占有率已經達到了66%。由于相應機械設備的革新和技術的提升，對于我國糧食的供需平衡帶來諸多幫助，不僅如此，玉米是工廠中整個深加工鏈最常用的一類食品，因此其研究工作便變得更為重要。高濃度酒精的發酵率非常高，并且實際殘糖量也很低，因此適合大面積生產。根據我國某企業的實踐可以發現，如果按照酒精年產量為6t進行計算，在采用濃醪發酵之后，節水約12萬t，整體資金成本節約680萬元。伴隨技術的發展，其已經成為了酒精行業的重點發展技術。我國對于生料釀酒工藝的研究起步于20世紀70年代，其主要研究方向則是節約能源、減少排放、提高出酒率以及高濃度發酵。近些年相關研究變得越來越多，從而使得商業化進展得到了提速。

2.超高濃酵酒精發酵優點

采用超高濃發酵（VHG）技術生產酒精，可以節約相當數量的水。當可溶性固形物含量從16g/100g，升高到31g/100g，可節水58.9%，同時采用VHG發酵技術還可以在不增加工廠生產能力的基礎上增加產出。而且由于超高濃度酒精發酵過程可以提高設備利用率，減少環境污染等等，因而近年來成為各國研究者所追求的目標。采用超濃發酵技術可增加工廠的生產能力并降低成本，酒精濃度可以大于18%（v/v）；由于去除了不溶性物質，因而增加了發酵罐的工作體積，提高工廠效率；降低勞動力成本；降低能源成本：不用冷卻發酵罐中的不溶性物質，不用在蒸餾中加熱不溶性物質，蒸餾中用水減少，高效蒸餾的最優酒精濃度，較少的固形物（液液提?。?。減少水的用量，減少發酵罐的停工期，減少清洗劑和殺菌劑的使用。其他優點：抑制酒精生產中雜菌的生長和增殖；生產食品級副產物的機會；高蛋白飼料的生產機會。超高濃醒發酵存在的問題超濃醛發酵的缺點有：發酵時間長，發酵不完全，這主要是由于產物抑制、高滲透壓和營養不足等因素所造成；還有物料粘度大，輸送困難等問題。

3.生料酒精產量較高的主要原因

通過相關研究可以得知，玉米內部游離糖的實際含量一般都在1.0%～3.0%，如果仍然采用早期的操作模式，這些游離糖中的一大部分會與蛋白之間產生化學副反應，亦或者基于高溫條件，從而出現了其他不同程度的變化，轉變為不可發酵性糖。而在采用了生料之后，正常操作過程不再會有高溫出現，這些糖便不會產生反應，進而能夠投入使用之中。不僅如此，由于生料工藝本身并不會有任何可溶性干物質，整個體系內部的滲透壓通常都比較低，因此在實際發酵的過程中，其中的副產物會有一定程度的減少，諸如甘油和有機酸。如此一來，內部的葡萄糖基本上全部都能夠轉變為酒精。在采取生料的方式時，由于整個操作過程中的酵母數量相對偏少，尤其是低于傳統操作中闡述的數量。由此可以判斷能夠合成酵母的葡萄糖數量少于傳統過程中，進而使得更多的糖能夠轉化為酒精。

4.傳統工藝和生料工藝的差別

4.1生料工藝

取一定量全磨玉米粉，全部通過40目篩（即顆粒度<0.420mm），測定水分，配制成絕對干物濃度為31%的玉米醪液，用26%H2SO4將料液pH值調整至4.5，加入顆粒淀粉水解酶STARGEN0010.785GAU/g，接入0.4%活化好的干酵母于32℃發酵，不同時間取樣進行色譜分析；發酵結束時對酵母顯微鏡觀察，用DT2000真彩色圖像分析系統計數并統計大小。

4.2傳統工藝

以前，工作人員普遍采用蒸煮的方式，以此對超高濃度的酒精進行發酵。由于具有黏度方面的問題，因此如果配料的濃度超過了預期，很容易造成液化不夠徹底的情況發生。不僅如此，濃醪本身的換熱和輸送難度都將得到提高，同時對于整個體系中的傳質也會帶來一定程度的影響，進而降低整個操作的效率。即使不將黏度方面的問題考慮進來，基于這一條件，實際工作中必須確保酵母本身具有較強的耐高糖度以及耐高酒度。

5.建議與展望

玉米酒精生產發酵過程的優化控制是企業節流創效的重要途徑，是企業不斷追求的目標一沒有最佳，只有更佳。因此務必要提高其對企業生產經營重要性的認識，因而就要轉變觀念，強化三個意識。一是要有競爭意識。對于企業在發酵過程工藝要不斷開展對標，向同行企業學習，找差距，定措施，形成競爭意識，提高工序質量。二是要有效益意識。要在玉米酒精生產發酵過程中仔細尋找創效點，逐步優化，做到一點一滴降成本、一分一厘增效益，從點滴入手，抓好質量效益每一項工作，提高原料的轉化率，提高產品的附加值，實現產品效益的最大化。三是要樹立全員營銷意識。隨著國內企業競爭日趨激烈，給企業帶來前所未有的挑戰，下游用戶的質量需求也在不斷變化與提高，這就要求我們從產品生產的每一個環節開始，不斷樹立生產一營銷意識，密切、嚴格把握控制產品質量，在競爭中永遠立于不敗之地。

6.結語

綜上所述，傳統酒精發酵工藝存在諸多缺陷，諸如黏度過高以及對于高耐久度酵母過于依賴的問題。而在應用生料工藝之后，這方面問題便能夠得到有效處理，進而提升生產效果。

參考文獻

[1]黃宇彤，伍松陵，杜連祥.玉米酒精超高濃度發酵工藝條件的優化[J].食品工業科技，2016，23（8）：67-70.

[2]段鋼，許宏賢.大米生料發酵酒精生產的研究[J].食品與生物技術學報，2016，27（1）：95-102.

[3]許宏賢，段鋼.固態間歇補料乙醇生料發酵新工[J].生物工程學報，2015.

[4]許宏賢，段鋼.溫度對超高濃度酒精生料發酵體系的影響[J].生物工程學報，2018.

[5]段鋼，許宏賢，孫長平，等.乙醇生產的技術進步———新型酶技術給乙醇生料發酵生產帶來的突破[J].食品與發酵工業，2016，32（7）：65-70.

[6]許宏賢，段鋼.以小麥為原料的乙醇生產方法[J].食品與發酵工業，2016.

[7]段鋼，許宏賢，阮振華.新鮮木薯直接轉化生產乙醇[J].食品與生物技術學報，2017.

（作者單位：中糧生化能源（肇東）有限公司）