玉米胚芽粕返混對玉米酒精發(fā)酵的影響

俞建良 ，劉佳卉，張春雪，姜明雪，高文玉，田楊柳，曲 雪，荊友良，李吉成，熊 強，崔喜貴，林海龍

（1.吉林省先進生物制造重點實驗室，吉林梅河口 135000；2.吉林省博大生化有限公司，吉林梅河口 135000；3.梅河口市阜康酒精有限責任公司，吉林梅河口 135000；4.國投生物科技投資有限公司，北京 100034）

為了提高玉米綜合利用率，降低主產(chǎn)品酒精的生產(chǎn)成本，很多酒精生產(chǎn)企業(yè)選擇采用半干法提胚，胚芽經(jīng)過壓榨和浸提后生產(chǎn)玉米胚芽油，提油后的副產(chǎn)品即玉米胚芽粕作為飼料[1-3]。然而，一般酒精企業(yè)加工獲得的玉米胚芽粕（水分10%）占玉米加工量的10%左右，胚芽粕中含淀粉30%以上，即約有4.9 %的淀粉沒有被利用于生產(chǎn)酒精。因此，有的企業(yè)選擇將胚芽粕與脫胚玉米粉混合后共同進行酒精發(fā)酵，一方面可以充分利用淀粉，提高出酒率，另一方面可以增加飼料得率，降低成本。陳世忠等[4]通過對大型玉米酒精廠半干法粉碎提胚制油后所得玉米胚芽粕再加工（粉碎后生產(chǎn)酒精和回收DDGS）與直接銷售的經(jīng)濟效益進行對比分析，得出如下結(jié)論：如果原有工藝不變，則玉米胚芽粕直接銷售比再加工降低成本85.8元/噸酒精，但如果通過提高出酒率并適當增加DDGS回收裝置，從而使干物質(zhì)全部回收，則玉米胚芽粕再加工要比直接銷售降低成本54.6元/噸酒精，經(jīng)濟效益非常可觀。

本試驗主要研究將胚芽粕返混至脫胚玉米粉進行酒精發(fā)酵時對裝置產(chǎn)能和飼料產(chǎn)品品質(zhì)的影響，為生產(chǎn)工藝的選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑及儀器

菌種：安琪濃醪釀酒高活性干酵母。

原料：脫胚玉米粉，玉米胚芽粕，均取自梅河口市阜康酒精有限責任公司，粉碎過20目篩。

酶制劑：諾維信淀粉酶（150000 U/g），諾維信糖化酶（260000 U/g）。

儀器設備：1260 IntinityⅡ型高效液相色譜儀，OMH180型烘箱，BSD-YX2600型搖床，XPR1002S型電子天平，XPE504型電子天平，HNS～26型電熱恒溫水浴鍋，IKA RW20型攪拌器，SG2型手持pH計+InLab 413 IP67電極，T-B-1型電子萬用爐，XFH-50CA型電熱式壓力蒸汽滅菌鍋，ST40型高速離心機。

1.2 分析方法

玉米水分測定：烘箱法。

淀粉含量測定：酶水解法[5]，酸水解法參考國標GB 5006—1985。

殘?zhí)菧y定：斐林試劑法[6]。

成熟醪的測定：采用1260 IntinityⅡ型安捷倫色譜進行測定，色譜柱：HPX-87H，300×7.8 mm；流動相：0.005 mol/L H2SO4；泵流：0.6 mL/min；柱溫：65 ℃；RID設置溫度：50 ℃；進樣量：15 μL；運行時間：50 min。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料液化

稱取相應物料克數(shù)至恒重的生物反應器中，加入相應溫度的工藝水，體系總重500 g。加入抑菌劑，調(diào)整pH5.6，加入淀粉酶。將反應器放入為97 ℃±1 ℃的水浴鍋內(nèi)，在水浴鍋溫度升至97 ℃時開始計時，調(diào)整攪拌速度為300 r/min，2 h將醪液迅速降溫至32 ℃，試驗配料方案見表1。

1.3.2 發(fā)酵

表1 試驗配料方案

調(diào)整液化醪pH值至4.2，稱取一定質(zhì)量的酵母至醪液中，加入糖化酶稀釋液于發(fā)酵醪中混合均勻，加入尿素，及時記錄樣品重量。發(fā)酵溫度為32 ℃，搖床轉(zhuǎn)速為180 r/min，發(fā)酵時間為72 h，取樣滴定全分析及HPLC乙醇分析檢測。

1.4 計算公式

淀粉利用率、殘淀粉、殘糊精的計算方法：

淀粉利用率（%）=殘淀粉÷初始淀粉；

殘淀粉=（殘總糖-過濾總糖）×0.9；

殘糊精=（過濾總體-還原糖）×0.9。

2 結(jié)果與討論

2.1 胚芽粕淀粉水解性能分析

玉米胚芽粕是將玉米經(jīng)潤水后水分達到18%進行提胚，提取胚芽為原料經(jīng)壓榨、浸出提取油后的副產(chǎn)物，玉米在提胚時并不能將胚芽中的淀粉完全提取出來，故而產(chǎn)生殘留。實驗首先采用化學法分析了胚芽粕的淀粉含量，3次分析結(jié)果的平均值為34.40 %。由于化學法的反應條件較為劇烈，淀粉水解相對徹底，因此，可以將化學法的分析結(jié)果設定為標準值。同時，實驗又采用了標準的酶法分析了胚芽粕的淀粉含量，3次分析結(jié)果的平均值為29.85%。由于酶法反應周期長，體系濃度較低，因此，可以認為酶法的分析結(jié)果能準確反映淀粉在酒精發(fā)酵過程中的酶的水解程度。表2的結(jié)果表明，胚芽粕中的淀粉在生物酶（淀粉酶、糖化酶）的作用下，最高水解率約為86.77%，遠遠低于玉米粉中淀粉水解率94%～95%。

表2 對比酶法水解與酸法水解(醋酸-氯化鈣法)的淀粉含量

2.2 胚芽粕返混脫胚玉米粉對酒精發(fā)酵的影響

試驗組1的原料是脫胚玉米粉，發(fā)酵結(jié)束時，其淀粉的利用率為94.1 %，乙醇濃度為12.657 %vol。試驗組2的原料是在試驗組1的原料基礎上增加了15.24 g的胚芽粕，發(fā)酵結(jié)束時，其淀粉的利用率僅為91.8%，乙醇濃度為13.164%vol。試驗組3與試驗組2的原料干重相同，全部為脫胚玉米粉，發(fā)酵結(jié)束時，淀粉利用率為93.0 %，乙醇濃度為13.862 %vol。假設試驗組2中的脫胚玉米粉的淀粉水解率與試驗組1中的脫胚玉米粉中的淀粉水解率一樣，則胚芽粕中淀粉水解率僅為46.7 %；假設試驗組2中的脫胚玉米粉的淀粉水解率與試驗組3中的脫胚玉米粉中的淀粉水解率一樣，則胚芽粕中淀粉水解率僅為67.6%。因此，從實驗結(jié)果可以判斷，胚芽粕中的淀粉在實際同步糖化發(fā)酵過程中的水解利用率僅為46.7 %～67.6 %。通過對比分析試驗組2和試驗組3的乙醇濃度，可以判斷，在相同配料干物質(zhì)濃度下，當胚芽粕添加比例為9%左右時，乙醇產(chǎn)量下降4%～6%，胚芽粕添加比例越高，產(chǎn)量下降將越大。另外，試驗組2的殘總糖、殘糊精、殘淀粉濃度均高于試驗組1和試驗組3，可見，添加胚芽粕導致了發(fā)酵成熟醪中殘?zhí)恰埖矸鬯降拿黠@增大，進而會給整個生產(chǎn)系統(tǒng)帶來物料黏度上升、離心清液固形物含量升高、發(fā)酵液升酸上升、泵送困難、蒸發(fā)濃縮能力受限、能耗增加等一系列問題。殘?zhí)撬教岣咦钪庇^的反映就是DDGS飼料色澤的變化，將發(fā)酵成熟醪放置在80 ℃的烘箱中加熱至恒重，粉碎過20目篩，結(jié)果見表3、圖1。顯然，試驗組2的DDGS飼料色澤最深。

表3 發(fā)酵成熟醪成分分析

2.3 結(jié)果分析

很多研究表明，直鏈淀粉與脂肪或其他物質(zhì)可以形成螺旋狀復合體，比如，直鏈淀粉與碘可以互相結(jié)合并顯藍色[7]。直鏈淀粉在外加條件（熱處理、溶劑處理等）的作用下，由于分子內(nèi)氫鍵發(fā)生相互作用，使得直鏈淀粉的鏈狀結(jié)構(gòu)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，平均每六個葡萄糖單元形成一個螺旋體，脂質(zhì)分子的非極性部分在疏水作用力的推動下進入直鏈淀粉的螺旋空腔，最終形成了直鏈淀粉-脂質(zhì)復合物[8]。AI等[9]將不同來源的油脂與淀粉混合加熱，然后再進行酶水解，與純淀粉的酶水解相比，經(jīng)過油脂作用后的樣品的酶水解率平均下降了14.3 %。在玉米胚芽高溫壓榨-溶劑浸泡提油過程中，玉米粉中的直鏈淀粉與胚芽中的脂肪酸復合形成淀粉-脂質(zhì)包合物，導致淀粉水解效率降低了13%以上，出酒率也下降。這與上述文獻報道的結(jié)果是一致的。

3 結(jié)論與建議

胚芽粕中的淀粉在發(fā)酵過程中的利用率不足70%，遠低于正常玉米粉中的淀粉利用率（95%～98%）。將玉米胚芽粕添加至脫胚玉米粉進入發(fā)酵后，不僅會導致DDGS飼料顏色變深，而且由于混合粉的淀粉含量低，發(fā)酵系統(tǒng)酒精產(chǎn)量會下降，玉米油產(chǎn)量也將下降，整體盈利能力下降。而且，添加胚芽粕還會導致物料黏度增大、離心清液固形物含量升高、發(fā)酵液升酸增大、泵送困難、蒸發(fā)濃縮能力受限、能耗增加、食用酒精口感變差等一系列生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量問題，因此，不建議將胚芽粕返混進入發(fā)酵系統(tǒng)。