小麥發酵產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

（廣西中糧生物質能源有限公司，廣西 北海 536100）

酒精是目前世界上生產歷史最悠久、產量最大的發酵工業產品[1]。發酵法酒精生產以玉米、麥類以及薯類和其他系物質為原料，將其轉化為酒精并得到可用于農牧的副產物酒糟飼料，該法是酒精生產的重要工業化途徑。

目前世界上傳統發酵方式基本上采用薯干或玉米酒精生產工藝[2]，當前我國小麥加工行業以生產淀粉為主，關于利用小麥來生產酒精的研究極少。小麥的組成中含淀粉、蛋白質和脂肪等成分，營養十分豐富，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，保證糖化發酵作用，增進酒的香味[3-6]。用小麥為原料發酵生產酒精，除小麥價格低、多年陳糧和國家戰略需要外，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酒精過程中的主要副產物，干物質中粗蛋白含量約占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[11]，因此，通常是烘干生產小麥酒精糟[12]。由于目前國內的小麥生產在某些年份和某些地區相對過剩，甚至出現了陳化小麥，其中含有一些真菌毒素會抑制酵母的生長，影響酒母的質量[13]，劉飛翔等[14]在酒母培養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，為小麥發酵生產燃料乙醇產業化及廢醪的綜合利用提供科學理論依據。

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：柳州龍泰科技有限公司；超級釀酒高活性干酵母：安琪酵母股份有限公司。其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

U3000型高效液相色譜儀：美國戴安公司；CX21-310型數碼生物顯微鏡：日本奧林巴斯株式會社；BIOF6050B/3型50 L三聯中試發酵罐：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，控制粉漿干物質含量28%～30%，調節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，糖化發酵過程同步進行，發酵前的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70 h結束，得到小麥發酵成熟醪。

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，將液化醪調節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酵，裝好的樣品用八層紗布封口并稱質量。同時將三組樣品放入恒溫搖床中進行培養，結束后得到小麥發酵成熟醪，檢測殘糖、酒精度、酸度等指標。

糖化酶添加量的確定：配制小麥粉漿固形物含量為28%，調節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，按照發酵程序發酵，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，發酵結束后得到小麥發酵成熟醪，檢測殘糖、酒精度、酸度等指標。

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%，很適合作為酒精發酵原料，同時小麥纖維含量低（2.20%），蛋白含量高（13.45%），酒精發酵后的廢醪液用來生產飼料原料有很高的營養價值。

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，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酵效果實驗

將同時發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%的試驗組質量損失最大（46.93 g），酒精度最高（13.90%vol），但殘糖也高（2.61%）；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酵效果更好，質量損失和酒精度均最高，酒精度達到（13.15±0.10）%vol；從殘糖方面進行分析，不同糖化酶添加量的試驗殘糖區別不明顯，而添加酸性蛋白酶的試驗殘糖相對較高，但殘淀粉最低；糖化酶添加量越大，產酒越高，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，而且發酵效果更佳，酒精度最高達到（13.54±0.10）%vol。因此，小麥酒精發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乙醇，而是被加工成DDGS，使其蛋白含量較高[23-24]，是生產蛋白飼料的優質原料。

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，DE達到26.94%。

當小麥粉漿固形物含量為28%時，綜合發酵效果最佳，淀粉出酒率和淀粉利用率分別達到54.03%和95.16%，殘糖、產酸等指標均在控制范圍內。

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，而且發酵效果更佳。

小麥發酵后廢醪液生產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飼料產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濟效益。