不同酵母發(fā)酵生產(chǎn)水稻乙醇的研究

劉曉峰

(1.國投生物能源（雞東）有限公司，黑龍江雞東 158200；2.國投象嶼生物能源（富錦）有限公司，黑龍江富錦 156100)

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，社會與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展所面臨的能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)等問題將日益凸顯，推廣使用乙醇汽油是國家著力緩解能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)問題的一項戰(zhàn)略性舉措。但產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展水平，如何降低生產(chǎn)成本，研究新的生產(chǎn)工藝等諸多挑戰(zhàn)[1-2]。

用于乙醇發(fā)酵的酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）是一類不同于細(xì)菌的單細(xì)胞真核微生物，屬于子囊菌綱。該類酵母要求具備較高的耐滲透壓、耐受一定的底物（糖）和產(chǎn)物（酒精）、低產(chǎn)副物能力[3]。

隨著酵母工業(yè)的發(fā)展，釀酒活性干酵母的問世，給酒精行業(yè)帶來了新的生機(jī)，活性干酵母直接取代人工自培酒母，簡化了乙醇生產(chǎn)工序，極大提高了生產(chǎn)效率。如何選用出酒率高，殘余總糖低，不易升酸的優(yōu)良酵母品種對降低乙醇生產(chǎn)成本有著非常重要的作用。本文以當(dāng)前主流大生產(chǎn)工藝技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)[3]，研究不同廠家的酵母在水稻乙醇發(fā)酵的應(yīng)用性能，為乙醇生產(chǎn)企業(yè)降低成本，提高生產(chǎn)效率提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑及儀器

原料：水稻，取自國內(nèi)某糧庫。

耗材及試劑：干酵母，分別購于不同酵母公司，用A 和B 表示；淀粉酶，諾維信，酶活10 萬/mL；糖化酶，諾維信，酶活10 萬/mL；0.2%葡萄糖；斐林試劑；0.5%次甲基藍(lán)指示劑；NaOH；HCL；H2SO4。

儀器設(shè)備：分析天平(Mettler AL204，Mettler PL-4002)；粉碎機(jī)(廣西陸縣9F-22)；pH 計，上海精密S40；生物顯微鏡，上海精密CX21-310；雙層大容量全溫?fù)u床，上海智城ZHWY-2012；恒溫培養(yǎng)箱，上海一恒LRH-150；高效液相色譜，美國戴安U-300；水浴鍋(HH-8)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 分析測定方法

水分含量測定：采用105 ℃烘箱法。

淀粉含量測定：采用酸水解法。

發(fā)酵殘?zhí)堑臏y定：采用斐林試劑法[4]。

酒精度、殘?zhí)堑臋z測：HPLC法[5]。

殘淀粉、殘糊精的計算方法：

殘淀粉=（殘總糖-過濾總糖）×0.9；

殘糊精=（過濾總糖-還原糖）×0.9。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.2.1 工藝流程水稻燃料乙醇生產(chǎn)工藝流程簡圖見圖1[6]。

圖1 水稻燃料乙醇發(fā)酵工藝流程簡圖

1.2.2.2 工藝操作要點(diǎn)

原料預(yù)處理：水稻原料去雜，粉碎，按照每份300 g稱取物料，用工藝水進(jìn)行調(diào)漿。

拌料：配料后調(diào)粉漿pH5.6～5.8，加入淀粉酶。

液化：樣品放入90 ℃水浴鍋中蒸煮液化2.2 h，形成液化醪。

發(fā)酵：液化醪冷卻至32 ℃后用硫酸溶液調(diào)pH值至4.4，加入糖化酶及各種輔料，分別加入兩種干酵母，然后置于雙層大容量全溫?fù)u床，8 h 后移入恒溫培養(yǎng)箱中發(fā)酵72 h，發(fā)酵溫度8 h 前控制在30 ℃，8 h 至成熟分別控制在33 ℃和36 ℃。發(fā)酵結(jié)束后取出分析酒分、殘總糖、殘還原糖，并進(jìn)行色譜分析。

2 結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)設(shè)置兩組不同發(fā)酵溫度的試驗(yàn)，分別為每組發(fā)酵溫度33 ℃和36 ℃，每組進(jìn)行3 次平行試驗(yàn)。分別編號為A33和A36、B33和B36。

2.1 發(fā)酵失重和成熟醪酒分對比（圖2、圖3）

圖2 不同酵母的70 h發(fā)酵失重對比

圖3 不同酵母的發(fā)酵酒精度對比

表1 3批次結(jié)果平均值

發(fā)酵過程失重主要是二氧化碳的溢出，也包括少量酒精和水分的揮發(fā)損失。發(fā)酵失重率高和低，速度快和慢均可體現(xiàn)出發(fā)酵醪質(zhì)量的優(yōu)劣和動態(tài)變化。由表1 可以看出，通過對不同廠家酵母的水稻發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，每個因素做平行實(shí)驗(yàn)。從酒精度和失重指標(biāo)來看，結(jié)果表明，同一發(fā)酵溫度兩種酵母發(fā)酵效果區(qū)別不大。不同溫度下發(fā)酵結(jié)果，兩種酵母在33 ℃發(fā)酵溫度下其酒精度含量稍高于在36 ℃發(fā)酵的，可見兩種酵母更適合于33 ℃下發(fā)酵。由圖3 可以看出，A 種酵母在33 ℃條件下的第二批次實(shí)驗(yàn)酒精度最高，達(dá)到11.58 %vol。由圖2 也可以看出，A 種酵母也是在33 ℃條件下的第二批次實(shí)驗(yàn)發(fā)酵失重基本最低。

2.2 成熟醪殘總糖結(jié)果對比

成熟醪殘總糖在酒精發(fā)酵工藝中是一個重要的指標(biāo)，是衡量酒精發(fā)酵完全程度的重要指標(biāo)之一。隨著發(fā)酵過程的進(jìn)行，糖分含量不斷下降，在發(fā)酵結(jié)束后，殘余的糖分越少，說明發(fā)酵效果越好，意味著產(chǎn)酒率越高。控制殘總糖水平是酒精企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵[7]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果由表2 可知，B酵母的乙醇發(fā)酵在36 ℃第二批次殘總糖最低為1.18%，同時殘還原糖也較低，為0.18%。

從表2 中酸度、揮發(fā)酸、酵母數(shù)結(jié)果分析可推測，第一批實(shí)驗(yàn)中B 酵母數(shù)據(jù)異常，可推斷為染菌導(dǎo)致酸度高，而酵母數(shù)量少，其他兩批酵母長勢較好，發(fā)酵正常，指標(biāo)較好。

2.3 成熟醪的HPLC分析結(jié)果

對不同廠家酵母的水稻乙醇發(fā)酵醪的指標(biāo)進(jìn)行分析，其HPLC數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果見表3。

由表3 可以看出，對于發(fā)酵主產(chǎn)物乙醇的產(chǎn)量，A33-2 酵母乙醇產(chǎn)量最高，為10.18 g/100 mL。A36-3酵母乙醇產(chǎn)量最低，為9.53 g/100 mL；A33-2發(fā)酵結(jié)果乙醇/甘油比最高為13.39，乙醇與甘油比值是反應(yīng)酒精發(fā)酵水平的一個重要指標(biāo)，乙醇相對于副產(chǎn)物甘油的比值越高，說明發(fā)酵水平越高，應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)，說明A33 酵母發(fā)酵產(chǎn)酒的同時，產(chǎn)生了副產(chǎn)物甘油；DP1+DP2+DP3、琥珀酸、乳酸等，各個試驗(yàn)因素間的含量相差不大。

表2 發(fā)酵成熟終點(diǎn)的指標(biāo)對比

表3 成熟醪的HPLC檢測結(jié)果 (g/100 mL)

3 展望

本研究使用國內(nèi)某糧庫水稻粉碎，進(jìn)行不同酵母的乙醇發(fā)酵試驗(yàn)，從結(jié)果可以看出，不同廠家的酵母，不同溫度的水稻原料乙醇發(fā)酵酒精含量稍有不同，A 酵母優(yōu)于B 酵母，發(fā)酵酒分越高，意味著產(chǎn)酒率也越高。殘總糖、殘還原糖等指標(biāo)也可以反映發(fā)酵水平和酵母的能力，A、B 酵母殘總糖基本一樣，A酵母殘還原糖優(yōu)于B酵母。從乙醇/甘油比指標(biāo)來看，A 酵母指標(biāo)優(yōu)于B 酵母，說明A 酵母產(chǎn)生副產(chǎn)物相對較少，染菌相對也較少。

建議企業(yè)在生產(chǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)不同質(zhì)量的原料，選擇不同廠家的酵母，也可兩家以上酵母配合使用[8]，先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室小試，再模擬生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在大生產(chǎn)中進(jìn)行應(yīng)用，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。