釀酒丟糟降解糖化工藝研究進展

雷翔云，鄧 波，2，敖 靈，2，張宿義，2，熊燕飛，2，丁海龍，任劍波，曾 珊，李 勇

（1.瀘州老窖股份有限公司，四川瀘州 646000；2.國家固態釀造工程技術研究中心，四川瀘州 646000）

釀酒丟糟是固態法白酒釀造的主要副產物，按照固態法白酒生產工藝計算，每生產1 t 白酒約將產生3 t 丟糟。據中國酒業協會統計，2015 年至2019 年期間，全國白酒年平均產量為971.6 萬kL，將產生約3000 萬t 釀酒丟糟，且隨著白酒產業政策的逐漸回暖和各大酒企產能的升級改造，釀酒丟糟的產量將逐年增加。如此龐大的釀酒丟糟若不經合理處理直接排放到環境中，既會造成環境污染，又會造成資源的浪費。

近年來，眾多學者圍繞釀酒丟糟作為飼料添加、肥料生產、能源化利用和生物炭開發等方向開展了一系列研究，但白酒丟糟含水量高，乳酸、醋酸殘存量大，易發霉、酸敗和干化困難等特點，極大的限制了釀酒丟糟在飼料添加、肥料生產和能源化開發中的應用。本文將重點探討釀酒丟糟降解糖化高附加值利用工藝，為釀酒丟糟的生物質資源化高效利用提供理論基礎。

1 釀酒丟糟的組分

濃香型白酒和醬香型白酒均采用固態法釀造工藝，釀酒原料在微生物菌群的發酵作用下生成醇、酯、酮、酸等物質，大部分淀粉被利用消耗，而蛋白質、脂肪、纖維素、礦物質等成分被保留下來。釀酒丟糟的含水量一般在55 %～60 %，經干燥后一般含有蛋白質12%～18%、脂肪3%～5%、灰分6 %左右、纖維素30 %～35 %、半纖維素15 %～20%和淀粉10%～15%。

釀酒丟糟包含淀粉、纖維素和半纖維素等在內的碳水化合物總量65 %～70 %，不僅是提取多糖的優質原料，而且可通過處理對多糖降解，提高降解液中可發酵性糖的比例。近年來，針對釀酒丟糟中的降解糖化研究，有采用酸處理、堿處理、酶處理和酸酶復合處理等方法來使纖維素和半纖維素等碳水化合物降解的相關報道，使之轉化為可被微生物利用的己糖和戊糖，進而通過發酵制備燃料乙醇、γ-氨基丁酸、L-乳酸、丁二酸等化工原料。

2 釀酒丟糟降解糖化工藝

2.1 釀酒丟糟的酸解糖化

酸水解是一種常用的生物質高效降解糖化方法，一般采用硫酸、馬來酸、鹽酸、硝酸、磷酸作為催化劑。木質纖維素在較高溫度和H濃度下，主要生成葡萄糖、半乳糖、甘露糖等己糖以及木糖和阿拉伯糖等戊糖，但在較高溫度和氫離子濃度下戊糖又極易發生副反應，產生大量的糠醛、5-羥甲基糠醛（HMF）和乙酰丙酸（LA）等發酵抑制物。因此，釀酒丟糟高溫酸水解糖化過程，既要高效水解轉化為還原糖以作為微生物發酵碳源，又要考慮盡可能減少糠醛類發酵抑制物的生成。

劉高梅等采用混合酸水解法提取白酒丟糟中的木糖，研究表明，溫度110 ℃、固液比1∶12(g∶mL)、混合酸濃度1.5 %和水解145 min 時，木糖收率為61.24 %。任海偉等研究表明，在溫度100 ℃，固液比1∶12，混合酸濃度2.5 %，水解時間120 min時，水解液中的還原糖濃度為59.32 g/L，該酸解階段半纖維素和纖維素轉化率分別為77.38 %和62.50 %，木質素溶出率為43.50 %，糠醛生成量為8.37 g/L。譚力等利用濃硫酸降解糖化白酒丟糟，結果顯示，白酒丟糟經濃硫酸糖化降解后，糖回收率可達80 %；利用稀鹽酸兩步水解，第一步用1 % HCl 于120 ℃下水解0.5 h，第二步用2 % HCl于120 ℃水解3 h，此工藝條件下還原糖產率為3.35 g/g 釀酒丟糟。劉躍紅等以干燥的釀酒丟糟作為實驗材料，探索濃硫酸對釀酒丟糟降解糖化的影響，結果表明，在HSO為70%（m/m），固液比7∶5(g∶mL)，降解0.5 h，然后加水使硫酸的濃度稀釋成22 %（m/m），在85 ℃的水浴條件下處理1 h，干丟糟的降解率可達到0.35 g/g，并初步探索了用大孔陰離子交換樹脂實現糖酸分離的可行性。

2.2 釀酒丟糟的堿解糖化

目前，釀酒丟糟堿解處理的研究多用于提取木聚糖等高附加值產品，或者為纖維素的酶解做準備。常規的單一堿處理通常起不到破壞纖維素和半纖維素結合的作用，從而影響木聚糖的提取率。張蜀艷等采用先蒸煮后堿法抽提工藝，結果表明，在溫度90 ℃，質量分數15%，固液比1∶20（g∶mL），堿提時間5 h，醇沉pH5，醇沉體積3 倍，醇沉時間1 h條件下，木聚糖得率為29.9 %。徐中香等利用NaOH 溶液提取青稞麩皮中的阿拉伯木聚糖，料液比1∶25（g/mL）、提取溫度55 ℃、提取時間3 h、NaOH 質量濃度15 g/L，在此條件下阿拉伯木聚糖得率為14.31%，與理論值14.27%無顯著差異。

2.3 釀酒丟糟的酶解糖化

纖維素和半纖維素鏈內和鏈間主要通過氫鍵連接，木質素內部除了有強大的氫鍵連接外，還與半纖維素形成穩定的復合體。三者組成的復合結構，相互影響，任何一類成分的降解必然受到其他成分的制約。普遍認為，木質素是纖維素酶的抑制劑，既是限制纖維素酶接近纖維素底物的物理屏障，又能吸附纖維素酶，發生無效吸附，導致酶解效率和糖得率下降，因此，一般在酶解前需進行預處理。常見的預處理方法主要有物理法（如機械粉碎、擠壓、輻射處理等）、化學法（如酸、堿、臭氧、有機溶劑、離子液處理等）、物理化學綜合法（如高溫液態水、蒸汽爆破、氨纖維爆破、CO爆破）。

Zhang 等認為，堿處理對連接半纖維素和其他組分分子間的酯鍵起到皂化作用，膨脹纖維素，脫除木質素，提高酶解糖化率。章冬霞等研究表明，用稀酸對生物質進行處理可以將半纖維素有效降解為以木糖為主的可發酵糖，并能大大提高纖維素酶的接觸面積和葡萄糖產率。任海偉等以脫除木質素、提高纖維素和半纖維素保留率為目標，分別考察了酸-超聲波耦合、液氨、堿性雙氧水和酸性亞硫酸氫鹽4 種預處理法對釀酒丟糟化學組分、結構特性和酶解得率的影響。結果表明，酸性亞硫酸氫鹽在固液比1∶3（g/mL）、HSO用量0.2 %、NaHSO用量3 %、溫度130 ℃、處理20 min后，釀酒丟糟中的纖維素和半纖維素保留率最高，分別為84.59%和84.87%；4 種方法預處理后纖維素酶解得率分別提高49.12 %（酸-超聲波）、55.48 %（液氨）、92.79 %（堿性雙氧水）和99.15 %（酸性亞硫酸氫鹽）。掃描電鏡和X-衍射結果顯示，酒糟經不同方法預處理后表觀結構發生了明顯變化，木質纖維網絡結構遭到破壞，表面呈現無規則或形狀各異的膨松狀態，溝壑明顯，孔隙率增加，比表面積增大，有利于提高水解酶活性。楊健等以NaOH-過氧乙酸預處理釀酒丟糟并利用纖維素酶降解制備可發酵糖液。結果表明，NaOH 濃度為1 %，固液比1∶10，時間60 min，溫度75 ℃時，酶解液中還原糖、葡萄糖和木糖的質量濃度達到91.33 g/L、61.72 g/L、13.88 g/L，對應糖產率分別為565.41 mg/g、379.44 mg/g 和84.55 mg/g，較直接酶解糖化濃度及產率提高了2倍。任海偉等采用酸酶聯合水解方法水解釀酒丟糟，結果表明，在溫度為100 ℃、固液比為1∶12（g/mL）和酸濃度為2.0 %的條件下經混合酸水解120 min可獲得59.32 g/L還原糖和6.49 g/L 木糖，該酸解階段的半纖維素和纖維素轉化率分別為77.38%和62.50%，木質素溶出率為43.50%。酸解殘渣在纖維素酶用量為4000 U/g 原料、溫度為45 ℃和pH4.8的條件下繼續作用2.5 h，可獲得13.27 g/L還原糖，該酶解階段的纖維素轉化率為66.67 %，酶解率高達90.73 %。利用掃描電鏡(SEM)、紅外光譜(FTIR)和X-衍射(XRD)技術考察不同水解階段丟糟的結構特性變化，結果顯示，水解作用前后的丟糟形貌結構變化明顯，孔隙率和比表面積增加，有利于纖維素酶對AHR 中纖維結晶區的作用。水解前后的特征組分所對應的吸收峰強度發生了變化，相對結晶度逐漸提高。

2.4 釀酒丟糟的多酶復配酶解

纖維素酶的主要組分是葡萄糖內切酶、葡萄糖外切酶和β-葡萄糖苷酶。三者協同相互促進，才能完成對纖維素的高效降解，額外添加β-葡萄糖苷酶，會顯著提高纖維素酶糖化效率。半纖維素的完全降解則需要半纖維素酶和木聚糖水解酶協同完成。半纖維素被木聚糖酶水解后，可降低物料對纖維素酶的無效吸附，提高單糖產率，而阿拉伯糖酶、果膠酶及淀粉酶等能有效降解阿拉伯糖、果膠及淀粉等多糖，提高酶水解液可發酵糖濃度。

程馳等從釀酒堆腐物中分離篩選出產纖維素酶活性高的5 株菌，研究復合菌系對釀酒丟糟的降解效果，結果表明，該復合菌系對丟糟的分解能力及羧甲基纖維素酶活均大幅度提高，分別達到37.54%和41.30 U，比最優單菌發酵高出15.87%和15.20 U。陳喆等用NaOH-過氧乙酸預處理白酒丟糟的過氧乙酸預處理階段最佳組合為：過氧乙酸濃度為2 %，固液比1∶8，時間90 min，溫度85 ℃，此時固體中96.20%纖維素被保留，71.90%木質素被去除；預處理后固體部分利用多酶復配進行糖化，通過補充β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶及葡萄糖淀粉酶等，酶解液中還原糖、葡萄糖及木糖濃度達到112.27 g/L、63.15 g/L 和16.58 g/L，對應糖產率分別為692.33 mg/g、395.47 mg/g 和108.75 mg/g（干丟糟）。

3 展望

從釀酒丟糟的組成成分和特性來看，結合生物質纖維降解技術的逐步成熟，將釀酒丟糟經過降解糖化，進而發酵成為乙醇、L-乳酸等化工原料，應當是今后釀酒丟糟資源化、高附加值利用的重要研究方向。

目前，國內研究者大多單獨采用單一酸水解或者預處理后酶解以降解釀酒丟糟，單一酸水解溫度高，條件苛刻，對設備要求高，腐蝕設備，污染嚴重，而且發酵抑制物需要后處理才能解除對后續微生物發酵的抑制。酶解轉化率高，副產物少，但是酶液造價高，且需要預處理，造成生產成本較高。未來可考慮使用蒸汽爆破、添加表面活性劑、多酶復配等方法以提高酶解效率，同時考慮采用固定化酶技術,實現酶的回收和反復使用,以降低酶解成本。