木薯粉濃醪發酵酒精的研究

李北 李永恒 羅虎

摘 ? ? ?要： 濃醪發酵技術具有可以提高發酵強度、縮短發酵時間、節約一次水的用量、提高設備利用率等諸多優勢。高性能液化酶、糖化酶和高效優良酵母技術的開發，為解決濃醪發酵過程中黏度高帶來的物料輸送困難、傳質傳熱效率低下和高滲透壓影響酵母生長繁殖問題提供了可能，提高了木薯濃醪發酵酒精技術的可行性。本文對高性能釀酒酵母進行木薯濃醪同步糖化發酵研究，確定了最佳發酵條件為：接種量30%、氮源添加量為2.45 kg/t木薯。同時，篩選出NWTU1糖化酶和抑菌效果好的抑菌劑A，解決了濃醪同步糖化定量供糖的問題，實現了濃醪發酵酒分達到15%以上，殘糖含量也達到發酵結束指標。通過酒母培養工藝的研究，確定酒母培養的外觀糖為11～13oBx，解決了濃醪發酵過程滲透壓高不利于酵母生長、酒母質量差的問題。

關 ?鍵 ?詞：木薯;糖化酶;濃醪發酵

中圖分類號：TQ 920.6 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）05-0969-04

Abstract： High gravity fermentation technology can improve the fermentation intensity， shorten the fermentation time， save the amount of primary water， improve the utilization of equipment. With the development of high-performance liquefying enzyme， saccharifying enzyme and high-efficiency yeast technology， it is possible to solve the problems of difficult material transportation， low efficiency of mass transfer and heat transfer and high osmotic pressure affecting yeast growth and reproduction caused by high viscosity in the process of high-density mash fermentation， as well as increase the feasibility of cassava thick mash fermentation alcohol technology. In this paper， the simultaneous saccharification of cassava and high-performance Saccharomyces cerevisiae was studied. The optimal fermentation conditions were determined as follows： 30% inoculum amount， nitrogen source 2.45 kg/t（cassava powder）. NWTU1 saccharifying enzyme and bacteriostatic agent A with good bacteriostatic effect were screened out. The problem of simultaneous saccharification and quantitative sugar supply of high-performance Saccharomyces cerevisiae was solved. The liquor content of high-performance fermentation was over 15%， and the content of residual sugar reached the fermentation end index. Through the study of the culture technology of the mother of wine， the appearance sugar of the mother of wine culture was determined to be 11～13obx， which solved the problem that high osmotic pressure was not conducive to the growth of yeast and the quality of the mother of wine was poor.

Key words： cassava; Saccharifying enzyme; high gravity fermentation

酒精是國民經濟中的重要物質，應用于生物能源、化工生產、醫藥等諸多領域[1]。生物能源燃料乙醇可以替代成品油[2-4]，利用非糧木薯生產燃料乙醇[5-6]符合國家能源產業政策要求。

濃醪發酵就是發酵過程中的高濃度醪液發酵，其濃醪發酵的特點具體表現為高滲透壓、高酵母數、高產酒率等。濃醪發酵技術的應用可使企業在獲得最大產率的同時，提高企業生產能力，降低生產成本。酒精濃醪發酵意義在于[7-10，16，17]：

一是在有限空間增加發酵濃度，達到增加發酵強度和提高產能的目的。

二是降低能耗，提高成熟醪酒分，生產系統中單位產品所消耗水電汽隨之降低，達到降低生產成本的目的。

三是酒精精餾提純過程中，醪液酒分越高，精餾單位產品廢醪液殘留的酒分損失總量就越少，提高產品收率。

四是醪液酒分提高，單位產品所產生的廢醪減少，提高了飼料回收率，降低污水處理量，實現清潔生產，達到可持續發展的目的。

本文主要研究了木薯濃醪發酵技術，開發了木薯高酒分生產關鍵技術工藝包。

在進行濃醪發酵[9-14]時，醪液高滲透壓和高酒精濃度會限制酵母菌的生長繁殖[15-19]，從而對酒精發酵產生強烈的抑制作用。因此，酵母的選擇和發酵工藝的改進是進行濃醪同步糖化發酵[13-15]的關鍵，而以木薯為底物的濃醪發酵工藝并不多見。

1 ?實驗部分

1.1 ?材料與試劑

木薯，廣西地區種植加工的干片;a-淀粉酶（10萬U/g），諾維信（中國）生物技術有限公司;葡萄糖水解酶（10 萬U/g），諾維信（中國）生物技術有限公司;尿素，安徽金禾化工有限公司;酸性蛋白酶（10 萬U/g），山東萍聚生物科技有限公司;安菌泰，柳州龍泰科技有限公司;酵母，廣西科學院選育的一種高性能釀酒酵母;葡萄糖，廣西柳州億炫化工有限公司;鹽酸，濟南坤豐化工有限公司;硫酸，廣西銀泉化工有限責任公司;氫氧化鈉、次甲基藍指示劑、斐林試劑、酚酞指示劑，廣西天地揚生物科技有限公司。

1.2 ?儀器與設備

數碼生物顯微鏡，南寧啟博儀器設備有限公司;50 L三聯發酵罐，上海百侖生物科技有限公司;AL204分析天平，南寧啟博儀器設備有限公司;DL-1萬用電爐，上海喬躍電子科技有限公司;S40pH計，上海增駿實業有限公司;HH-8數顯恒溫水浴鍋，上海博迅醫療生物儀器股分有限公司。

1.3 ?實驗方法

1.3.1 ?高性能釀酒菌株發酵效果試驗

通過對不同比例混配酵母發酵效果或單一品種酵母發酵效果進行研究，對比其酒母罐的酸度、酵母數、死亡率以及雜菌數和發酵成熟醪中酸度、殘總糖等指標，最終篩選出適用于木薯粉濃醪發酵酒精的優良酵母菌種。試驗條件為：液化醪固形物含量≥30%（wt）， pH=4.40～4.60， 接種量25%～30%，尿素添加量1.30 kg/t原料，糖化酶添加量1.0 kg/t原料，安菌泰添加量5 μg/g，發酵溫度32～33 ℃，發酵時間48 h。

1.3.2 ?酒母梯度濃度培養工藝的研究

通過優選適合于木薯粉濃醪發酵的耐高酒分、耐高滲透壓、副產物低的酵母菌株或酵母組合菌株，并優化酒母培養工藝，解決濃醪發酵酒母質量差問題。

1.3.3 ?不同糖化酶對發酵效果的影響

通過研究糖化酶對濃醪發酵的影響，探討通過工藝控制來定量供糖，使發酵醪中的單糖濃度維持在較低的水平，以降低滲透壓高對發酵造成的負面影響。確定濃醪同步糖化發酵的最佳工藝，解決糖化率不穩定、雜菌污染嚴重、發酵成熟醪酒分不穩定等問題。

1.3.4 ?酒母接種量對發酵效果的影響

研究了酒母接種量在20%～50%范圍內時，不同接種量對耗糖速度、酵母生長情況以及產酒率的影響。

1.3.5 ?尿素添加量對發酵效果的影響

取一定量的液化醪，添加糖化酶（1.20 kg/t木薯）、抑菌劑（5 μg/g）、酒母（30%）以及不同量的尿素，然后在30～33 ℃條件下發酵。通過對成熟醪產酒率、酵母生長情況以及尿素添加成本進行分析，來確定尿素最佳添加量。

1.3.6 ?抑菌劑的篩選

取車間一定量的液化醪，依次添加尿素（2.45 kg/t木薯）、抑菌劑、糖化酶（1.2 kg/t木薯）、酒母（30%），然后在32～33 ℃條件下進行發酵。最終通過實驗，對比分析發酵醪中的揮發酸、酸度、升酸差、酵母情況、酒分等指標，評價不同類型抑菌劑的抑菌效果。

1.3.7 ?分析檢測

采用酶解法測定淀粉含量;采用斐林試劑熱滴定定糖法測定還原糖、總糖的含量;采用血球計數板法檢測酵母質量;采用酒精廠常用方法測定外觀糖度、酒精度、揮發酸、酸度等。

2 ?結果與討論

2.1 ?高效酵母的篩選和適宜的混合比例的確定

在濃醪發酵過程中，選育耐高酒分、耐高滲透壓、低副產物的優良酵母菌株可以大幅度提高發酵產酒能力。

單一酵母與復配酵母發酵成熟醪比較結果見圖1。不同比例的酵母B與酵母A混合，酵母B的添加量越大，在同樣發酵條件下，成熟醪還原糖降低，酵母后發酵力強，酒分越高，酸度越低，發酵效率越高。但是B酵母添加比例超過30%時，則會降低前期發酵速度。因此，B酵母與A酵母菌株最佳比例為30%B+70%A。

傳統酒精發酵時間一般要60 ～70 h [6]，而從圖1可看出，酵母在發酵48 h后酒分就超過了15.0 %，殘糖含量也達到發酵結束指標，說明使用該酵母可縮短發酵時間12～22 h，從而大量減少發酵能耗，提升設備利用率，增加酒精收率。

2.2 ?酒母培養濃度優化和最佳工藝的確定

為了減少濃醪發酵過程中高滲透壓對酒母擴培造成的影響，改善酒母形態，提高酒母質量，必須根據酵母生長的不同時期對糖耐量的不同特點進行培養，以確定最佳的擴培工藝。試驗條件：將液化醪分別按照外觀糖16～18oBx和11～13oBx兩個范圍進行稀釋，然后接種干酵母，在28～30 ℃條件下培養8～12 h，通過對比不同液化醪濃度擴培條件下酵母生長形態、酵母出芽率、死亡率、產酒率等指標，最終確定酒母培養最佳工藝條件。酒母培養濃度優化和最佳工藝研究結果見圖2。

由圖2可以看出，在較低外觀糖條件下，酵母形狀從橢圓形轉向圓形，形態較原來稍小，酵母健壯。而在高糖濃度下酵母形狀出現拉長，數量相對較少，酵母生長明顯受抑制。