小麥和玉米發酵制備乙醇生產工藝比較

郭孝孝，苗春雨，劉佳卉，姜明雪，田楊柳，張春雪，曲 雪

（1.吉林省博大生化有限公司，吉林 吉林 132000；2.先進生物制造吉林省重點實驗室，吉林 長春 130021；3.國投生物能源（鐵嶺）有限公司，遼寧 鐵嶺 112000）

燃料乙醇作為最成熟的汽油替代能源[1-2]，2021年全球產量達到8 193萬t[3]，是可再生能源行業不容忽視的力量，對我國能源安全、碳減排等同樣具有重要作用[4-8]。玉米是我國乙醇生產的主要原料[9]。近三年來由于玉米價格持續上漲，汽油價格低位徘徊等多方面原因，我國乙醇行業面臨著不小的壓力，很多企業甚至被迫停工停產。2020年起我國開始定向拍賣陳化小麥，很多燃料乙醇企業嘗試使用陳化小麥為原料，這對燃料乙醇企業緩解原料成本壓力起到了重要作用。

玉米乙醇的技術已經非常成熟[10]，但是小麥在我國很少用于生產乙醇。河南天冠曾經用脫除谷朊粉后的物料進行過小麥乙醇生產[11-12]，其他部分企業也曾短時間低比例添加過小麥作為補充原料[13-17]，但是都沒有完全使用小麥原料或者高比例使用小麥進行長時間穩定生產的經驗。孫振江等[18]研究不同條件的小麥乙醇工藝；趙銀峰[19]研究小麥清液發酵工藝，許宏賢等[20-21]研究了小麥乙醇生料發酵工藝，俞建良等[22]研究脫麩皮預處理對小麥酒精發酵的影響。然而目前仍沒有系統的對小麥乙醇與玉米乙醇的工藝對比，以及對小麥乙醇的生產工藝條件的優化研究。

小麥發酵制備乙醇生產中出現的問題主要表現在三個方面[23]：①是在拌漿、液化過程中黏度顯著上升，影響物料輸送；②是相同拌漿濃度下，因淀粉含量少，乙醇產量會少于玉米原料，同時廢醪液的量會大幅增加，導致離心、蒸發和干燥的處理能力需求要比玉米原料顯著加大；③是成熟醪殘總糖會升高，清液中懸浮物也會明顯升高，導致糖漿黏度大幅攀升。為了生產穩定運行，需要適當降低拌漿干物濃度，這進一步增加了糖漿的量。在干燥機能力不變的情況下，蒸汽消耗會增加。針對以上問題，本研究系統比較了玉米乙醇和小麥乙醇工藝中的差異，并進一步考察了拌漿干物、粉碎粒度以及木聚糖酶加量等對小麥乙醇工藝穩定性的影響，優化了小麥發酵乙醇生產工藝，為乙醇行業生產一線及廣大的科研工作提供可借鑒的數據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

陳化小麥：江蘇省徐州市；陳化玉米：吉林省吉林市；高溫液化酶（14萬U/g）、糖化酶（40萬U/g）、酸性蛋白酶（10萬U/g）、高溫木聚糖酶（1 760 FXU/g）：諾維信（中國）生物技術有限公司；濃醪干酵母：安琪酵母股份有限公司；果糖、葡萄糖、木糖、麥芽糖DP2、麥芽三糖DP3、琥珀酸、甘油、乙酸、乳酸、乙醇標準品（均為色譜純）：美國西格瑪公司。

1.2 儀器與設備

WF-20B萬能粉碎機：江陰市億豐機械設備有限公司；BIOTECH-5JG-7000發酵罐：上海寶興生物設備工程有限公司；NDJ-5S旋轉黏度儀：上海昌吉地質儀器有限公司；1260高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）儀：安捷倫科技（中國）有限公司；ST40離心機：賽默飛世爾科技（中國）有限公司；400 mm球形回流冷凝管：蜀牛玻璃儀器廠；R300真空旋轉蒸發儀：瑞士步崎有限公司。

1.3 方法

對以玉米和小麥為原料的乙醇生產工藝進行全流程模擬試驗，對比各環節參數的不同特點，進一步考察拌漿干物、粉碎粒度、木聚糖酶加量對全小麥生產乙醇工藝的影響規律和優化控制，每組實驗至少重復3次，試驗結果取平均值。

1.3.1 樣品處理

用萬能粉碎機分別對陳化小麥、陳化玉米進行粉碎，采用2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm孔徑的篩片獲得3種不同粒徑的原料粉備用。

1.3.2 小麥和玉米發酵生產乙醇

取原料粉在5L發酵罐中配制28%～32%干物含量的粉漿，同時加入高溫淀粉酶0.15 g/kg原料、高溫木聚糖酶0～0.15 g/kg小麥粉。粉漿在400 r/min、85 ℃下液化3 h。隨后用38%的硫酸溶液將pH調節至4.2，將液化醪降溫至32 ℃，加入糖化酶0.33 g/kg原料、酸性蛋白酶0.1 g/kg原料，按醪液總含量分別加入3 mg/kg青霉素和0.1%的濃醪干酵母，隨后在300 r/min、32 ℃條件下厭氧發酵68 h，得到成熟醪。

取500 mL成熟醪加入500 mL去離子水，采用400 mm球形回流冷凝管進行蒸餾，蒸取500 mL酒精溶液后的剩余液體為廢醪液。將廢醪液用離心機在1 700 r/min條件下離心90 s，取上清液作為清液，下層固體部分為濕糟。

在旋轉蒸發瓶中加入清液300 mL，使用R300真空旋轉蒸發器進行旋轉蒸發，蒸發溫度80 ℃，直到蒸發后的糖漿濃度達到30%左右。

1.3.3 分析檢測

水分、淀粉、粗蛋白、粗脂肪、粗纖維分別按照食品中組分的國標方法測定[24-28]；半纖維素按照農業農村部發布的農業生物質原料行業標準方法測定[29]，黏度按照旋轉黏度儀法測定；發酵醪的組分指標采用高效液相色譜法測定[30]；清液懸浮物含量采用水質懸浮物國標方法測定[31]。

2 結果與分析

2.1 小麥與玉米的化學成分對比

由表1可知，小麥的粗淀粉和粗脂肪含量分別為59.1%和1.6%，明顯低于玉米的64.0%和3.2%，而小麥的粗蛋白、半纖維素含量分別為10.4%和6.9%，明顯高于玉米的8.3%和3.5%，這些差別導致了小麥發酵制乙醇過程中物料黏度過高，糖漿黏度過大等問題，同時導致小麥干全酒精糟（distillers dried grains with solubles，DDGS）粗蛋白（約31%）要高于玉米DDGS粗蛋白（約27%），小麥DDGS粗脂肪（約5%）要低于玉米DDGS粗脂肪（約8%）。

表1 玉米和小麥化學成分對比Table 1 Comparison of chemical compositions of corn and wheat

2.2 小麥與玉米發酵生產乙醇中液化醪黏度對比

在2.0 mm篩片、30%干物、不添加木聚糖酶和添加木聚糖酶（添加量為0.05 kg/t小麥）的條件下對兩種原料的液化指標進行了對比，結果發現不添加木聚糖酶時，小麥液化醪的黏度高達1 240 cP，達到玉米液化醪黏度395 cP的3倍以上，而添加0.5 g/kg小麥的木聚糖酶后小麥液化醪的黏度降至424 cP。從乙醇行業生產經驗來看，通常液化階段的黏度控制在600 cP以內可保證物料傳質傳熱運行穩定，超過600 cP以后，攪拌電機和泵電機電流會出現過載，管線結垢速率加快，影響生產長周期穩定運行。實驗過程中發現如果不加木聚糖酶，小麥乙醇的全過程黏度都明顯高于玉米乙醇，因此在液化階段添加耐高溫的木聚糖酶對于生產的穩定運行至關重要。后續實驗也都是在添加了木聚糖酶的條件下進行的。

2.3 小麥與玉米成熟醪指標的對比

由表2可知，在30%拌漿干物條件下，玉米發酵的成熟醪乙醇含量為13.333 g/100 mL，高于小麥發酵的成熟醪乙醇含量11.426 g/100 mL，這是玉米中淀粉含量高于小麥的結果。玉米乙醇成熟醪中的二糖含量達到0.515 g/100 mL，高出小麥乙醇成熟醪一倍以上，甘油含量也明顯高于小麥乙醇。二糖中的主要成分為海藻糖，海藻糖是釀酒酵母在乙醇脅迫下產生的重要應激產物，能夠特異性保護菌體蛋白質、生物膜和核酸等大分子結構[32]。甘油與海藻糖類似，同樣是釀酒酵母在乙醇脅迫下產生的重要應激產物，因其良好的生物相容性溶質，親水性能好，能有效地維持細胞內水分活度，保護細胞免受脫水的侵害[33]。因此乙醇濃度越高、滲透壓越高，海藻糖和甘油的產量也就越高，這也就解釋了為什么玉米乙醇的二糖和甘油含量明顯高于小麥乙醇。玉米乙醇成熟醪中的琥珀酸也高于小麥乙醇，這主要是由釀酒酵母的代謝途徑決定的。李曉軍[34]研究了釀酒酵母在不同環境下有機酸的代謝途徑，發現在常規培養中0.05%的碳流向琥珀酸，而在高滲培養中，琥珀酸處的碳流量較常規培養更高。玉米中淀粉含量高，發酵過程中酵母的滲透壓也高于小麥乙醇，因此琥珀酸產量高于小麥乙醇。小麥乙醇成熟醪中的三糖及以上多糖含量要高于玉米乙醇成熟醪，這主要是由于小麥中的戊聚糖含量高于玉米造成的。果糖含量也略高于玉米乙醇，乳酸、乙酸的含量主要受染菌影響，兩種原料差別不大。淀粉出酒率是評價發酵好壞的重要綜合性指標。同等條件下玉米的淀粉出酒率為51.93%，小麥的淀粉出酒率為51.08%。

表2 玉米和小麥成熟醪指標高效液相色譜分析對比Table 2 Comparison of corn and wheat mature mash indexes analyzed by HPLC

2.4 小麥與玉米發酵廢醪液指標的對比

對小麥與玉米發酵成熟醪進行蒸餾處理得到廢醪液，采用管式離心機對廢醪液分別進行離心處理得到了清液，清液干物、懸浮物及占廢醪液比例的指標見表3。

表3 玉米和小麥發酵廢醪液指標對比Table 3 Comparison of indexes of waste mash fermented with corn and wheat

由表3可知，在相同離心條件下，玉米清液占廢醪液的比例為40.26%，而小麥清液占廢醪液的比例達到48.89%，清液占比的升高將直接導致蒸發量的增加；其次玉米清液的干物質和懸浮物分別為5.20%和2.14%，而小麥清液的干物質和懸浮物分別達到9.34%和4.09%，均明顯高于玉米清液指標，這都將增加蒸發環節的負擔。清液懸浮物含量的高低是影響蒸發濃縮倍數的主要因素，懸浮物越高，濃縮后的糖漿黏度越高，濃縮倍數越低。玉米乙醇企業典型的糖漿干物含量約30%，此時的糖漿黏度大約985 cP，而小麥乙醇此時的黏度達到1 956 cP，如此高黏度下的糖漿無法長周期穩定輸送，還會加快蒸發器和管線的結垢速度，因此需要降低糖漿干物含量以緩解糖漿黏度太高帶來的影響，然而這也將導致后期的干燥機負荷增加，能耗增加。進一步對清液中的懸浮物組分進行了分析，發現小麥清液懸浮物中蛋白含量高達70.36%，玉米清液懸浮物中也達到了47.35%。說明小麥清液中最主要的細小的懸浮物主要是蛋白質。可以判斷，使用小麥后應盡可能的采用分離能力更強的分離設備，或采用其他辦法降低清液懸浮物，有效降低糖漿黏度過高帶來的影響，提高糖漿的干物，降低干燥機的干燥負荷和蒸汽消耗。

2.5 小麥發酵制備乙醇工藝優化研究

為了進一步優化小麥乙醇工藝，特針對拌漿干物質含量、粉碎粒度和木聚糖酶添加量三個工藝參數進行了進一步研究，試驗設計見表4。

表4 小麥發酵制備乙醇工藝優化試驗設計Table 4 Experiments design of ethanol production process by wheat fermentation

2.5.1 對液化醪黏度的影響

由圖1可知，隨著拌漿干物質含量的提高，液化醪黏度也隨之升高，當拌漿干物達到32%時，液化醪黏度達到642 cP。如前所述，當液化醪黏度超過600 cP時，粉漿罐攪拌以及泵的電機都會出現電流過載的情況，因此建議使用小麥為原料時，拌漿干物不能過高，最好不要超過32%。

圖1 拌漿干物質含量、粉碎粒度及木聚糖酶加量對液化醪黏度影響Fig.1 Effect of dry matter content of slurry mixing,grinding particle size and xylanase addition on liquefied mash viscosity

當篩片孔徑＜2.5 mm時，液化醪黏度隨著粒度變大略有增加，但是當篩片孔徑達到3.0 mm時，液化醪黏度急劇上升至1 320 cP，嚴重超出了生產可接受的范圍。分析原因是小麥粉粒度過粗時，酶制劑與物料顆粒接觸面積變小，酶解速度顯著下降，物料黏度顯著上升。

木聚糖酶的添加量從0.05 g/kg小麥增加至0.10 g/kg小麥時，液化醪黏度略有降低，說明木聚糖酶添加量的增加有助于木聚糖的分解，降低黏度。但是當酶加量從0.10 g/kg小麥增加至0.15 g/kg小麥時，黏度沒有進一步下降，反而略有上升。分析原因認為：造成黏度變化的主要原因是水溶性木聚糖含量的多少，水溶性木聚糖含量越高、分子質量越大，黏度越高[35]；因更容易相互接觸，木聚糖酶會優先作用于水溶性木聚糖，從而降低物料黏度。然而隨著木聚糖酶加量的增加，有部分木聚糖酶開始作用于水不溶性木聚糖，將部分水不溶性木聚糖轉化為水溶性木聚糖，從而使得物料中的水溶物木聚糖在被分解的同時又有所增加，進而導致了物料黏度的升高。這一結論與李明菲等[36]在添加外源戊聚糖酶對小麥淀粉與谷朊粉分離效果影響的研究中的結論一致。所以單從降低液化醪黏度的角度來講，木聚糖酶添加量并不是越高越好，根據本實驗結論建議添加量控制在0.10 g/kg小麥以內更為適宜。

2.5.2 對成熟醪指標影響

由表5可知，隨著拌漿干物質含量的提高，成熟醪的乙醇含量有所提高，這是拌漿干物提高、淀粉量增加帶來的結果。同時三糖及以上多糖、二糖、葡萄糖等殘糖指標以及副產物甘油、乙酸的含量也均有增加，說明隨著干物質含量增加，滲透壓增加，酵母受到抑制，無法有效利用糖分，同時應激產生更多的副產物，這與玉米乙醇的發酵規律是一致的。從淀粉出酒率來看，當拌漿干物為28%時，淀粉出酒率達到了最高，為51.48%，隨著拌漿干物提升，淀粉出酒率逐漸下降，當拌漿干物達到32%時，淀粉出酒率下降至50.53%。

表5 拌漿干物含量、粉碎粒度及木聚糖酶添加量對成熟醪指標的影響Table 5 Effect of dry matter content of slurry mixing,grinding particle size and xylanase addition on mature mash indexes

粒徑對發酵的影響規律不明顯，由表5可知，乙醇質量濃度在粉碎粒徑為2.0 mm時既出現最高值，又出現最低值。從淀粉出酒率指標來看，粉碎粒徑為2.5mm時出酒率最高為51.30%，粒徑為2.0 mm和3.0 mm時的出酒率相差無幾。

隨著木聚糖酶添加量的升高，乙醇含量略有提高，其他指標變化不大。分析原因認為隨著木聚糖酶添加量的增加，半纖維素被分解的更加徹底，淀粉得到更加充分的釋放，對酵母多產乙醇有利。淀粉出酒率指標同樣反映出相同的規律，木聚糖酶添加量為0.15 g/kg小麥時出酒率較高，為51.34%，添加量為0.10 g/kg小麥時次之，添加量為0.05 g/kg小麥時最低。

2.5.3 對清液指標和糖漿黏度的影響

由表6可知，在其他條件相同的前提下，隨著拌漿干物質含量的提高，清液干物、懸浮物和糖漿黏度均呈上升趨勢。可見在其他工藝條件不做調整的情況下降低拌漿干物含量是控制糖漿黏度最為直接的辦法。

表6 拌漿干物含量、粉碎粒度及木聚糖酶加量對清液指標及糖漿黏度的影響Table 6 Effect of dry matter content of slurry mixing,grinding particle size and xylanase addition on thin stillage indexes and syrup viscosity

粉碎粒度對清液干物、懸浮物的影響規律不明顯，均在粒徑為2.5 mm時達到最低，相應的糖漿黏度也達到所有實驗組的最低點，為1 249 cP，比較接近玉米乙醇糖漿黏度。分析原因認為當粉碎粒度過細時，會導致一些細小的無法被酵母利用的顆粒物增加，這些細小的顆粒物最終會留在清液中成為懸浮物。然而粒徑3 mm條件下的懸浮物同樣沒有下降，分析原因認為所用的小麥屬于粉質小麥，通過粗粉碎來降低懸浮物的作用不明顯，但是粒度過粗導致的發酵不徹底效應更為顯著，最終導致清液懸浮物升高。

木聚糖酶添加量對清液干物的影響規律同樣不明顯，但是隨著木聚糖酶添加量的增加，懸浮物和糖漿黏度均有所上升，添加量達到0.15 g/kg后，懸浮物上升至5.37%，蒸發濃縮后的糖漿黏度也攀升到了2 687 cP，達到整個實驗組的最高值。分析原因認為，當木聚糖酶添加過量時，會將水不溶性木聚糖轉化為水溶性木聚糖，水溶性木聚糖分子結構呈纏繞狀態[36]，黏度高，影響離心效率，使得更多的固形物未能得以分離而留在清液之中，導致清液懸浮物上升。

3 結論

小麥與玉米的化學組成差別明顯，主要表現在小麥的淀粉含量低于玉米，蛋白和半纖維素含量高于玉米，這些差距導致在生產乙醇時，小麥的液化醪黏度要明顯高于玉米，乙醇含量和淀粉出酒率均低于玉米，清液干物和和懸浮物明顯高于玉米，糖漿黏度也明顯高于玉米。這些差異都給小麥乙醇的工業化生產帶來了不小的挑戰。

拌漿干物含量、粉碎粒度和木聚糖酶添加量對小麥液化黏度、成熟醪組分以及清液懸浮物、糖漿黏度等指標的影響規律不盡相同。最佳的小麥乙醇工藝生產拌漿干物含量30%，粉碎粒度2.5mm，木聚糖酶添加量0.05 g/kg小麥，此時的液化醪黏度為458 cP，成熟醪乙醇質量濃度為11.483 g/100 mL，淀粉出酒率達到51.3%，糖漿黏度為1 249 cP。

我國乙醇企業正面臨多種原料混合使用的現狀，本研究中得出的小麥乙醇關鍵工藝指標的規律性認識對于乙醇生產企業摻混使用小麥原料具有借鑒作用。