小麥發(fā)酵產(chǎn)酒精及酒糟蛋白飼料工藝的研究

孫振江，佟 毅*，梁坤國，羅 虎，賈紅娜，賴銘雪

（廣西中糧生物質(zhì)能源有限公司，廣西 北海 536100）

酒精是目前世界上生產(chǎn)歷史最悠久、產(chǎn)量最大的發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品[1]。發(fā)酵法酒精生產(chǎn)以玉米、麥類以及薯類和其他系物質(zhì)為原料，將其轉化為酒精并得到可用于農(nóng)牧的副產(chǎn)物酒糟飼料，該法是酒精生產(chǎn)的重要工業(yè)化途徑。

目前世界上傳統(tǒng)發(fā)酵方式基本上采用薯干或玉米酒精生產(chǎn)工藝[2]，當前我國小麥加工行業(yè)以生產(chǎn)淀粉為主，關于利用小麥來生產(chǎn)酒精的研究極少。小麥的組成中含淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪等成分，營養(yǎng)十分豐富，食用價值很高。小麥除食用外還是釀酒中制曲的好原料。我國白酒和黃酒制曲時，多用小麥為原料，使釀酒微生物得以充分繁殖，以利于獲得有益的菌種和多量的酶，保證糖化發(fā)酵作用，增進酒的香味[3-6]。用小麥為原料發(fā)酵生產(chǎn)酒精，除小麥價格低、多年陳糧和國家戰(zhàn)略需要外，則必須首先考慮其綜合利用的價值。小麥酒精糟是小麥在生產(chǎn)酒精過程中的主要副產(chǎn)物，干物質(zhì)中粗蛋白含量約占39%[7]，且含有豐富的氨基酸、維生素和多種微量元素等[8-9]，可直接飼喂動物[10]，但其含水量高達70%～85%，運輸成本高且易腐敗變質(zhì)[11]，因此，通常是烘干生產(chǎn)小麥酒精糟[12]。由于目前國內(nèi)的小麥生產(chǎn)在某些年份和某些地區(qū)相對過剩，甚至出現(xiàn)了陳化小麥，其中含有一些真菌毒素會抑制酵母的生長，影響酒母的質(zhì)量[13]，劉飛翔等[14]在酒母培養(yǎng)過程中添加了碳酸鈉來破壞真菌毒素結構，有效解決這一難題。相關研究也為生產(chǎn)燃料乙醇提供了有利條件[15-17]。

為了探究液化糖化工藝條件的變化對后期發(fā)酵效果的影響程度，研究液化糖化階段的小麥的粉漿濃度、液化時間、糖化酶的添加量、酸性蛋白酶的添加量，為小麥發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇產(chǎn)業(yè)化及廢醪的綜合利用提供科學理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥：市售；尿素（總氮≥46.4%），湖南宜化化工有限責任公司；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；酸性蛋白酶（2萬U/g）：廣西樂酵生物科技有限公司；安菌泰殺菌劑：柳州龍?zhí)┛萍加邢薰荆怀夅劸聘呋钚愿山湍福喊茬鹘湍腹煞萦邢薰尽Ｆ渌噭┚鶠閲a(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設備

U3000型高效液相色譜儀：美國戴安公司；CX21-310型數(shù)碼生物顯微鏡：日本奧林巴斯株式會社；BIOF6050B/3型50 L三聯(lián)中試發(fā)酵罐：上海高機生物工程有限公司；SKY-110X型往返式水浴恒溫振蕩器：上海蘇坤實業(yè)有限公司；S40型精密型臺式pH/電導率測量儀：梅特勒-托利多有限公司；HWY-2102型雙層大容量恒溫搖床：上海智誠有限公司；MF-50型水分測定儀：日本AND公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程及操作要點

小麥用篩網(wǎng)孔徑為1.8 mm的粉碎機進行粉碎，取小麥粉，按照1∶2（g∶mL）的料水比拌漿，控制粉漿干物質(zhì)含量28%～30%，調(diào)節(jié)pH在5.6左右，添加液化酶0.10 kg/t小麥粉，87～89℃液化，得到液化醪。

使用安琪超級釀酒高活性干酵母為菌種，接種量0.1%，pH值為4.40～4.50，加入糖化酶1.1 kg/t原料、安菌泰殺菌劑5 mg/L、尿素1.30 kg/t小麥粉，糖化發(fā)酵過程同步進行，發(fā)酵前的0～8 h溫度控制為28～30℃，轉速控制到120 r/min，后期溫度控制32～33℃，靜置培養(yǎng)70 h結束，得到小麥發(fā)酵成熟醪。

1.3.2 試驗方法

液化時間的確定：為了掌握液化程度，在液化過程中采取碘試實驗，根據(jù)碘試結果判斷液化程度。按照液化流程，在液化開始1 h后每隔0.5 h取樣做碘試，醪液呈棕紅色即液化結束。每次取樣檢測黏度、還原糖指標。

粉漿固形物含量的確定：將小麥粉和自來水按不同比例分別配制固形物含量分別為26%、28%和30%的粉漿，然后三組同時進行液化，將液化醪調(diào)節(jié)pH至5.6，分裝入500 mL錐形瓶中，每組分裝兩瓶，每瓶400 g液化醪，最后加入輔料進行發(fā)酵，裝好的樣品用八層紗布封口并稱質(zhì)量。同時將三組樣品放入恒溫搖床中進行培養(yǎng)，結束后得到小麥發(fā)酵成熟醪，檢測殘?zhí)恰⒕凭取⑺岫鹊戎笜恕?/p>

糖化酶添加量的確定：配制小麥粉漿固形物含量為28%，調(diào)節(jié)pH至5.60，添加液化酶0.10 kg/t小麥粉，87～89 ℃液化1 h，然后冷卻，按照糖化酶添加量不同分裝成4組，按照發(fā)酵程序發(fā)酵，4組添加量依次為0.7 kg/t小麥粉、1.1 kg/t小麥粉、2.2 kg/t小麥粉和1.1 kg/t小麥粉＋酸性蛋白酶0.03 kg/t小麥粉，發(fā)酵結束后得到小麥發(fā)酵成熟醪，檢測殘?zhí)恰⒕凭取⑺岫鹊戎笜恕?/p>

1.3.3 分析檢測方法

水分按照GB 5009.3—2016《食品中水分的測定》中的方法測定；淀粉按照GB 5009.9—2016《食品中淀粉的測定》中的方法測定；粗脂肪按照GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測定》中的方法測定；粗蛋白按照GB 5009.5—2010《食品中蛋白質(zhì)的測定》[18]中的方法測定；粗纖維按照GB/T 5009.10—2003《植物類食品中粗纖維的測定》[19]中的方法測定；灰分按照GB 5009.4—2016《食品中灰分的測定》[20]中的方法測定。

殘總糖、殘過濾總糖、還原糖檢測：斐林試劑法[21]；外觀糖度：糖度計法；酒精度：酒精計法；揮發(fā)酸、總酸：中和滴定法[22]；麥芽四糖、麥芽三糖、麥芽糖、葡萄糖、果糖、乳酸、甘油、乙酸、乙醇的測定采用高效液相色譜法測定。

1.3.4 計算公式

2 結果與分析

2.1 小麥成分分析結果

將粉碎后的小麥進行組分分析，其成分的分析結果見表1。由表1可知，小麥淀粉含量較高，達到75.00%，很適合作為酒精發(fā)酵原料，同時小麥纖維含量低（2.20%），蛋白含量高（13.45%），酒精發(fā)酵后的廢醪液用來生產(chǎn)飼料原料有很高的營養(yǎng)價值。

表1 小麥成分分析結果Table 1 Analysis results of wheat components%

2.2 液化試驗結果

液化過程中合適的液化時間會使淀粉酶發(fā)生充分作用，增加液化液過濾性能。小麥的液化試驗結果見表2。

表2 液化試驗結果Table 2 Results of liquefaction test

由表2可知，隨著液化時間增加，淀粉酶分解水解小麥淀粉生成還原糖越來越多，粉漿固形物含量為30%的小麥粉漿黏度為165.66 mPa·S，液化2.5 h后黏度為338.00 mPa·S；從DE值和碘試試驗均可看出，小麥的液化時間較短，1.0 h就可以達到液化結束狀態(tài)，碘試呈棕色，葡萄糖值（dextrose equivalent，DE）達到了22.31。

2.3 不同粉漿固形物含量發(fā)酵效果實驗

將同時發(fā)酵的三組不同粉漿固形物含量的樣品同時檢測分析，其化學檢測結果見表3。由表3可知，不同粉漿固形物含量（26%、28%、30%）的液化醪中，粉漿固形物含量30%的試驗組質(zhì)量損失最大（46.93 g），酒精度最高（13.90%vol），但殘?zhí)且哺撸?.61%）；從淀粉出酒率和淀粉利用率來看，粉漿固形物含量為28%的試驗組最高，淀粉出酒率達到54.03%，淀粉利用率達到95.16%；液相檢測分析結果如表4，結果表明，隨著粉漿固形物濃度增高，麥芽四糖含量有升高趨勢，28%粉漿固形物含量最高，麥芽三糖三組粉漿固形物含量（26%、28%、30%）檢測結果一致。26%粉漿濃度液相檢測指標麥芽糖、葡萄糖、果糖都低于28%、30%粉漿固形物含量條件發(fā)酵液的指標。30%濃度的試驗組酒份最高，但只比28%試驗組的高了0.07%vol，而30%濃度的試驗組乳酸、乙酸和有機酸等含量明顯較高，因此，綜合兩個檢測結果分析，從淀粉利用率可知，小麥發(fā)酵粉漿固形物濃度28%最佳。

表3 不同粉漿固形物含量條件下成熟醪化學成分的檢測結果Table 3 Determination results of chemical components of fermentation liquid with different slurry concentrations

表4 不同粉漿固形物含量條件下成熟醪化學成分的HPLC檢測結果Table 4 HPLC determination results of chemical components of fermentation liquid with different slurry concentrations

2.4 糖化酶與酸性蛋白酶組合應用研究

糖化酶與酸性蛋白酶組合應用研究對發(fā)酵成熟醪化學檢測結果見表5。從表5可知，添加糖化酶同時添加酸性蛋白酶的試驗組發(fā)酵效果更好，質(zhì)量損失和酒精度均最高，酒精度達到（13.15±0.10）%vol；從殘?zhí)欠矫孢M行分析，不同糖化酶添加量的試驗殘?zhí)菂^(qū)別不明顯，而添加酸性蛋白酶的試驗殘?zhí)窍鄬^高，但殘淀粉最低；糖化酶添加量越大，產(chǎn)酒越高，淀粉出酒率和淀粉利用率越高，添加酸性蛋白酶可減少糖化酶使用量，而且發(fā)酵效果更佳，淀粉出酒率和淀粉利用率分別達到53.46%和94.15%。

表5 不同酶添加量條件下成熟醪化學成分的檢測結果Table 5 Determination results of chemical components of fermentation liquid with different enzyme addition

發(fā)酵成熟醪成分的高效液相色譜檢測結果見表6，從表6可看出，糖化酶添加量越高，發(fā)酵成熟醪糊精含量相應升高，說明糖化酶分解出來的麥芽四糖及以上的多糖越來越多，甘油、有機酸產(chǎn)量也相應隨著增加；添加量2.2 kg/t糖化酶的試驗組麥芽糖、葡萄糖和果糖含量明顯高于其他試驗組；添加酸性蛋白酶可減少糖化酶使用量，而且發(fā)酵效果更佳，酒精度最高達到（13.54±0.10）%vol。因此，小麥酒精發(fā)酵酶制劑最佳添加工藝為1.1 kg/t糖化酶和0.03 kg/t酸性蛋白酶混合發(fā)酵。

表6 不同酶添加量條件下成熟醪成分的HPLC檢測結果Table 6 HPLC determination results of fermentation liquid with different enzyme addition

2.5 廢醪液及濾渣成分分析

小麥廢醪液及濾渣成分的檢測結果見表7。結果表明，小麥廢醪液經(jīng)分離烘干后得到小麥酒糟蛋白飼料（distillers dried grains with soluble，DDGS）（水分含量11%）的蛋白含量為（38.58±2.00）%。小麥的蛋白質(zhì)主要是谷朊粉，一般含量在10%～14%，隨小麥的品種不同而稍有差異。谷朊粉與淀粉共生鑲嵌于小麥籽粒中，在原料粉碎中一起被破碎，由于谷朊粉不能在酵母作用下生產(chǎn)乙醇，而是被加工成DDGS，使其蛋白含量較高[23-24]，是生產(chǎn)蛋白飼料的優(yōu)質(zhì)原料。

表7 廢醪液及濾渣成分分析Table 7 Component analysis of waste mash liquid and filter residue

3 結論

小麥的淀粉含量較高，絕干淀粉含量為（75.00±1.00）%，但是小麥粉漿液化時間較短，按木薯液化條件1 h便可達到液化結束狀態(tài)，DE達到26.94%。

當小麥粉漿固形物含量為28%時，綜合發(fā)酵效果最佳，淀粉出酒率和淀粉利用率分別達到54.03%和95.16%，殘?zhí)恰a(chǎn)酸等指標均在控制范圍內(nèi)。

糖化階段糖化酶添加越高，糖化酶添加量為2.2 kg/t原料時，產(chǎn)酒量越多，淀粉利用率也越高，同時按照0.03 kg/t小麥粉添加酸性蛋白酶可以有效減少糖化酶用量，而且發(fā)酵效果更佳。

小麥發(fā)酵后廢醪液生產(chǎn)DDGS（11%水分）的粗蛋白含量高達（38.58±2.00）%，在實際利用中可根據(jù)飼料產(chǎn)品要求降低蛋白含量，可考慮在原料處理時分離提取谷朊粉成分以提高經(jīng)濟效益。