不同返粕量对玉米混合粉发酵乙醇的影响

2013-03-20刘文信刘劲松金明亮

化学工程师 2013年4期

刘文信，刘劲松，刘辉，金明亮

（中粮生化能源（肇东）有限公司，黑龙江肇东151100）

我国是玉米生产大国，随着近年来玉米原料发酵酒精工业的发展[1]，企业生产乙醇的原料也在逐渐多样化。目前，企业的玉米原料主要有两种：全玉米粉和玉米混合粉。玉米胚芽经榨油后的玉米粕与脱胚玉米粉构成了玉米混合粉。在生产线上提取玉米胚芽油后，其营养成分几乎全部残留在胚芽粕中，粕中玉米纤维和蛋白质的含量极高[2]。由于玉米混合粉有提油处理的过程，因此，相对于全玉米粉发酵增加了利润，并且玉米粕对酵母的生长有一定的促进作用，是目前企业比较成熟的生产方式[3]。

中粮生化能源（肇东）有限公司采用半湿法脱胚，在提玉米胚芽的同时，携带了一定量的淀粉和纤维[4]，经过烘干、压榨、浸出等工序后，玉米胚芽粕回用发酵，经提油后的玉米粕中淀粉含量较高，与脱胚玉米粉一同混合进入酒精生产工艺流程中。其中胚芽粕回用发酵对DDGS的蛋白含量等产生影响。因此采用玉米混合粉发酵工艺来进行研究。本文主要考察了不同返粕量的混合粉发酵情况的对比，目的是为大生产提供数据支持。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料和设备

1.1.1 实验原料一期车间混合玉米粉（中粮生化能源肇东有限公司）；安琪超级酿酒高活性干酵母（湖北安琪酵母股份有限公司生产）。

图1 脱胚玉米粉的粒度分布Fig.1 Particle size distribution of degermed maize

图2 粕的粒度分布Fig.2 Particle size distributions of dregs

1.1.2 酶制剂诺维信II代淀粉酶（诺维信中国生物技术有限公司）；诺维信苏宏475（诺维信中国生物技术有限公司）。

1.1.3 主要试剂葡萄糖；斐林甲乙液；NaOH；HCl；H2SO4。

1.1.4 实验设备分析天平（Mettler AL204梅特勒-托利多仪器上海有限公司）；粘度计（NDJ-5S上海舜宇恒平科学仪器有限公司）；水浴锅（HWS-28浙江金坛市荣华仪器制造有限公司）；pH计（PHS-3C上海精密科学仪器有限公司雷磁仪器厂）；摇床（ZHWY-2112F上海智城分析仪器制造有限公司）；液相色谱（Agilent1260安捷伦科技发展有限公司）；离心机（SCIGA 3-18k Sigma公司）；显微镜（尼康50I日本尼康）。

1.2 实验方法

1.2.1 粘度的测定方法：醪液粘度使用粘度计NDJ -5进行测定。

1.2.2 残糖的测定方法：斐林试剂法[7]。

1.2.3 成熟醪各试验组的测定方法：高效液相色谱法。

1.2.4 淀粉出酒率、残淀粉、残糊精的计算方法：

1.2.5 成熟醪各实验组的测定方法：高效液相色谱法采用安捷伦1260型色谱进行测定，色谱柱：伯乐HPX-87H，300×7.8mm；预柱：伯乐125-0129，30*4.6mm；流动相：0.005mol·L-1H2SO4；泵流：0.6mL·min-1；柱温：65℃；RID设置温度：50℃；进样量15μL；运行时间30min。

2 实验部分

2.1 酵母活化

取8g安琪超级酿酒高活性酵母，加入100g水，35℃活化20min。

2.2 拌料液化

体系为2000g；配料浓度为31.0%；pH值为5.6；淀粉酶加量为0.2kg·t-1.Corn。

2.2.1 称一定量底物原料至恒重的生物反应器中，加入35%的60℃一次水（晾2h）、50%蒸发凝液、15%清液至总体系为2000g。配成返粕量分别为10%、13%、15%、17%、20%的底物。调节其pH值至5.6，并加入淀粉酶；

2.2.3 体系称重后将反应器放入温度为91℃的水浴锅，调整搅拌速度为300r·min-1。当料液温度升至84~86℃时，调整搅拌速度为160r·min-1，并开始计时，210min液化完成；

2.2.4 液化结束后将液化醪迅速冷却至32℃。检测液化醪的总糖、DE值、碘试、pH值和粘度。

2.3 发酵

将冷却后的液化醪调pH值为4.6，称量液化醪15瓶（分装每个试验因素为3瓶）,每瓶含400g醪液，加入酶制剂、酵母活化液和各辅料，及时记录每个样品的重量，在摇床内培养72h，转速80r·min-1，发酵温度32℃，发酵过程中24、48、72h各称重一次。

2.4 检测

斐林试剂法发酵后残还原糖、残总糖、过滤总糖；液相色谱法检测麦芽三糖、麦芽糖、葡萄糖、果糖、琥珀酸、乳酸、甘油、乙酸、乙醇等。

2.5 数据分析

发酵期间称重，发酵72h后，取样滴定全分析及HPLC分析检测。

3 结果与讨论

3.1 发酵过程的失重及成熟醪酒分对比

表1 失重情况对比Tab.1 Comparison ofweightlessness

发酵失重主要是CO2的逸出，也包括少量酒精和水分的挥发损失。发酵失重率高和低，速度快和慢均可体现出发酵醪质量的优劣和动态变化[5]。

从表1可以看出，各试验组的发酵失重情况差别不大；发酵24h：返粕10%的试验组的失重量最低，随着返粕量的增加，失重量依次增加；发酵48h至72h：返粕10%的试验组的失重量最高，随着返粕量的增加，失重量依次减少。返粕13%的试验组的酒分最高，为16.74，随着返粕量的增高，成熟醪的酒分逐渐降低。

3.2 成熟醪淀粉出酒率及蛋白含量对比

图3 不同返粕率的成熟醪的酒份Fig.3 Wine contentof different rate of returnmeal rice wine

图4 不同返粕率的成熟醪的淀粉出酒率Fig.4 The output rate of liquor of starch of different rate of returnmeal rice wine

目前的工艺是：玉米原料经过预处理，液化后加入酵母菌和酶发酵，进入蒸馏工段。蒸馏后的糟液经过分离、干燥等制得DDGS成品。因此，除了考虑成熟醪酒分外，DDGS的蛋白含量也是衡量最佳返粕量的标准[6]。从图4可以看出：返粕量为13%的试验组的淀粉出酒率最高为51.38%，而10%返粕量试验组的淀粉出酒率最低。返粕量为13%的试验组DDGS的粗蛋白含量最高，为31.25%。

3.3 成熟醪残糖对比

残糖在酒精发酵工艺中是一个重要的指标，随着发酵过程的进行，糖分含量不断下降，在发酵结束后残余的糖分越少说明发酵效果越好[7]。实验结果见表2。

表2 DDGS的粗蛋白含量Tab.2 Crude protein contentof DDGS

从表2可以看出，返粕量为10%的发酵残总糖和残淀粉含量最低，分别为2.88%和1.48%，其次是13%返粕量的试验组较低；在5个试验组中，随着返粕量的增加，残总糖和残淀粉有逐渐升高的趋势。

3.4 不同返粕量成熟醪的HPLC分析

表3 发酵终点的残糖对比Tab.3 Residual sugar comprison of fermentation

从表3可以看出，对于发酵主产物乙醇的产量，13%返粕量最高，较10%返粕量高出0.11g/100mL；其乙醇/甘油值也最高，为9.34；返粕20%的试验组的酒分最低，为16.23；DP1+DP2+DP3+果糖的趋势，从高到低依次为10%返粕→13%返粕→15%返粕→17%返粕→20%返粕；各个试验因素间的琥珀酸、乳酸含量相差不大。