不同酵母發酵生產水稻乙醇的研究

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，隨著我國經濟的高速發展，社會與經濟可持續發展所面臨的能源、環境、農業等問題將日益凸顯，推廣使用乙醇汽油是國家著力緩解能源、環境、農業問題的一項戰略性舉措。但產業發展面臨著提高產業技術發展水平，如何降低生產成本，研究新的生產工藝等諸多挑戰[1-2]。

用于乙醇發酵的酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）是一類不同于細菌的單細胞真核微生物，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）和產物（酒精）、低產副物能力[3]。

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

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%次甲基藍指示劑；NaOH；HCL；H2SO4。

儀器設備：分析天平(Mettler AL204，Mettler PL-4002)；粉碎機(廣西陸縣9F-22)；pH 計，上海精密S40；生物顯微鏡，上海精密CX21-310；雙層大容量全溫搖床，上海智城ZHWY-2012；恒溫培養箱，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。

發酵殘糖的測定：采用斐林試劑法[4]。

酒精度、殘糖的檢測：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 實驗步驟

1.2.2.1 工藝流程水稻燃料乙醇生產工藝流程簡圖見圖1[6]。

圖1 水稻燃料乙醇發酵工藝流程簡圖

1.2.2.2 工藝操作要點

原料預處理：水稻原料去雜，粉碎，按照每份300 g稱取物料，用工藝水進行調漿。

拌料：配料后調粉漿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。

發酵：液化醪冷卻至32 ℃后用硫酸溶液調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搖床，8 h 后移入恒溫培養箱中發酵72 h，發酵溫度8 h 前控制在30 ℃，8 h 至成熟分別控制在33 ℃和36 ℃。發酵結束后取出分析酒分、殘總糖、殘還原糖，并進行色譜分析。

2 結果與分析

本次試驗設置兩組不同發酵溫度的試驗，分別為每組發酵溫度33 ℃和36 ℃，每組進行3 次平行試驗。分別編號為A33和A36、B33和B36。

2.1 發酵失重和成熟醪酒分對比（圖2、圖3）

圖2 不同酵母的70 h發酵失重對比

圖3 不同酵母的發酵酒精度對比

表1 3批次結果平均值

發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損失。發酵失重率高和低，速度快和慢均可體現出發酵醪質量的優劣和動態變化。由表1 可以看出，通過對不同廠家酵母的水稻發酵實驗，每個因素做平行實驗。從酒精度和失重指標來看，結果表明，同一發酵溫度兩種酵母發酵效果區別不大。不同溫度下發酵結果，兩種酵母在33 ℃發酵溫度下其酒精度含量稍高于在36 ℃發酵的，可見兩種酵母更適合于33 ℃下發酵。由圖3 可以看出，A 種酵母在33 ℃條件下的第二批次實驗酒精度最高，達到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驗發酵失重基本最低。

2.2 成熟醪殘總糖結果對比

成熟醪殘總糖在酒精發酵工藝中是一個重要的指標，是衡量酒精發酵完全程度的重要指標之一。隨著發酵過程的進行，糖分含量不斷下降，在發酵結束后，殘余的糖分越少，說明發酵效果越好，意味著產酒率越高。控制殘總糖水平是酒精企業提高經濟效益的關鍵[7]。實驗結果由表2 可知，B酵母的乙醇發酵在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、揮發酸、酵母數結果分析可推測，第一批實驗中B 酵母數據異常，可推斷為染菌導致酸度高，而酵母數量少，其他兩批酵母長勢較好，發酵正常，指標較好。

2.3 成熟醪的HPLC分析結果

對不同廠家酵母的水稻乙醇發酵醪的指標進行分析，其HPLC數據對比分析結果見表3。

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

表2 發酵成熟終點的指標對比

表3 成熟醪的HPLC檢測結果 (g/100 mL)

3 展望

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

建議企業在生產過程中，應根據不同質量的原料，選擇不同廠家的酵母，也可兩家以上酵母配合使用[8]，先進行實驗室小試，再模擬生產性實驗，進而根據實驗結果在大生產中進行應用，降低企業生產成本，提高生產效率。