全水稻发酵生产食用酒精工艺研究

罗 虎，梁坤国*，孙振江，许旺发，赖铭雪，李永恒

（广西中粮生物质能源有限公司，广西 北海 536100）

利用可再生资源（如粮食、植物纤维）发酵生产酒精，随着玉米价格的波动，酒精装置产能的过剩，北方以玉米为原料生产酒精的成本优势越来越小，国内外酒精行业的过度竞争也使得企业经营面临很大的压力，兼之国际国内上不断有“与人争粮”的意见，寻找新的非粮可替代原料就成为了日益迫切的课题[1]。

中国是世界上栽培水稻最古老的国家之一，很早已成为世界上播种面积最大、稻谷产量最多的国家[2]。根据数据统计，2016年中国水稻种植面积4.55亿hm2，总产约2.07亿t，占全球水稻产量的1/3[3]。由于全国水稻连续丰收，根据有关部门预计，2016～2017年末，我国稻谷年库存1.25亿t，实际库存可能更高，国内水稻市场供应远远大于需求[4]。

根据国家制定的粮食储存品质判定规则中，按储存品质的优劣，将粮食分为宜存、不宜存、陈化三类，用以指导粮食储存企业对库存粮食适时推陈储新。储存品质判定规则将陈化粮定义为：储存品质明显下降，一般不宜直接作为口粮食用的稻谷、玉米、小麦，不包括成品粮。而我国全年水稻产量40%需要经历一定时间的储藏。水稻的特性之一是不易保存，极易产生米质“陈化”和发霉变质[5]。通常在一般贮藏条件下储藏0.5～1.0年、在高温条件下储藏就会导致大米的陈化。这种变化通常是不可避免的。陈米由于品质，特别是食用品质劣变，导致色、香、味较差而不能被消费者接受，最终使陈米滞销压库，或者陈稻被压价拍卖或作为饲料粮处理，使国库的水稻资源利用率大幅度下降，给国家和企业造成巨大的经济损失[6]。而陈化水稻长期（3年以上）储藏后，其有害物质含量超标，已不能直接作为口粮的粮食，亦不能直接用于畜牧养殖，必须经过特殊加工后方可进入动物食物链环节中[7]。

利用陈化水稻同步糖化发酵生产食用酒精[8]、燃料乙醇，既可以有效控制不能食用的陈化粮流入粮食加工市场，减少国家对此进行控制的费用，更能进一步缓解酒精行业原料紧缺的情况，有效缓解玉米等粮食的消耗量[9]。另外，国家发展改革委、国家能源局、财政部等十五部委下发了《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》，大力支持发展我国可再生液体燃料，并为燃料乙醇行业提供每年产生的超期超标等粮食，其中就包括陈化水稻。通过同步糖化发酵工艺，利用陈化水稻进行燃料乙醇和食用酒精的生产，可提高企业生产设备的利用率，降低公摊折旧，增加企业盈利能力。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

陈化水稻：来自中央储备粮惠州直属库；玉米：来自国家临储库；液化酶（15万U/g）：山东隆科特酶制剂有限公司；糖化酶（26万U/g）：杰能科（中国）生物工程有限公司；尿素：陕西渭河重化工有限责任公司；酸性蛋白酶（10万U/g）：山东隆大生物工程有限公司；安菌泰：柳州龙泰科技有限公司；超级酿酒高活性干酵母：安琪酵母股份有限公司。

葡萄糖：天津市致远化学试剂有限公司；盐酸：西陇科学股份有限公司；硫酸：成都市科龙化工试剂厂；氢氧化钠、次甲基蓝指示剂、酚酞指示剂：天津市光复科技发展有限公司；斐林试剂：天津市恒兴化学试剂制造有限公司。所有试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

年产20万t燃料乙醇生产线：广西中粮生物质能源有限公司；AL204分析天平、S40pH计：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；HH-8数显恒温水浴锅：金坛市杰瑞尔电器有限公司；DL-1万用电炉：北京市永光明医疗仪器有限公司；CX21-310数码生物显微镜：日本奥林巴斯公司。

1.3 方法

1.3.1 水稻发酵生产食用酒精的工艺流程及操作要点

操作要点：

粉碎拌浆：水稻原料用筛网孔径为1.8 mm的粉碎机进行粉碎，水稻粉和一次工艺水按1∶2.0（g∶mL）的料水比拌浆，控制粉浆干物质含量28%～30%。

液化：调节粉浆pH为5.60左右，添加液化酶（0.10 kg/t水稻粉），在粉浆罐预热至82～84℃，然后进行喷射液化（95～97℃），再经过液化闪蒸后进入液化罐（87～89℃，2 h），取样做碘试，醪液呈棕红色即液化结束，液化结束经换热器降温至28～32℃，得到水稻液化醪。

同步糖化发酵：液化醪调节pH至4.40～4.60，添加糖化酶（1.10 kg/t水稻粉）、尿素（1.30 kg/t水稻粉）、酸性蛋白酶[10-13]（0.05 kg/t水稻粉）和安菌泰杀菌剂（5 mg/kg），最后按20%接种量添加酒母醪（水稻液化醪用一次工艺水稀释至16～20 °Bx，pH调节值3.8～4.0，添加糖化酶（1.10 kg/t水稻粉）、尿素（1.30 kg/t水稻粉）、安菌泰杀菌剂（5 mg/kg）和2‰超级酿酒高活性干酵母，在29℃条件下培养至酵母数≥2亿/mL）后进入发酵罐，发酵0～8 h控制温度28.0～30.0℃，8 h后温度控制32.5～33.5℃，发酵至60 h结束，得到水稻发酵成熟醪。

精馏：成熟醪经预热后（55～62℃）进入粗塔蒸馏（塔底温度75～85℃，塔顶温度60～70℃），然后进入精馏塔（塔底温度112～124℃，塔顶温度86～95℃），再经过脱甲醇、杂醇油萃取后即可得到成品食用酒精。

精馏提取酒精产品后，得到水稻废醪液，经板框压滤机分离（进料时间1.0～1.5 h，压榨时间20～30 min），得到清液和湿糟，清液经蒸发浓缩塔得到浓缩物，湿糟经滚筒干燥后再与清液浓缩物混合进入管束干燥机干燥，即可得到水稻干全酒精糟（distillersdried grainswithsoluble，DDGS）成品。

1.3.2 分析检测

淀粉含量测定：按照GB/T 5009.9—2016《食品中淀粉的测定》中的方法；水分、粗脂肪、粗纤维、蛋白质含量测定：按照GB/T 18868—2002《饲料中水分、粗蛋白质、粗纤维、粗脂肪、赖氨酸、蛋氨酸快速测定》中的方法；残糖含量测定：按照斐林试剂法[14]；外观糖度、酒精度、挥发酸、酸度等指标测定按照酒精厂常规分析测定方法[15]。

残淀粉含量=（残总糖-过滤总糖）×0.9

残糊精含量=（过滤总糖-还原糖）×0.9

2 结果与分析

2.1 陈化水稻、玉米原料检测

通过与玉米原料成分分析对比（见表1），参照玉米发酵生产食用酒精和玉米DDGS的成熟工艺，确定陈化水稻发酵工艺的研究范围。由表1可知，陈化水稻淀粉含量55.94%，玉米淀粉含量64.00%，因此陈化水稻粉浆干物质含量需要比玉米粉浆干物质含量高；而陈化水稻粗纤维含量较高，达到11.06%，如粉浆干物质含量过高会影响发酵过程中物料输送以及水稻DDGS产品质量等问题。通过研究表明，陈化水稻粉浆干物质在28%～30%为宜。

表1 原料成分分析结果Table 1 Results of raw material composition analysis

2.2 酒母扩培试验结果

针对水稻原料，对外观糖、温度和pH值的工艺条件进行了研究，首先用500mL三角瓶进行小试研究，结果见表2。由表2可知，在外观糖度16 °Bx、pH 3.8，培养温度28～30 ℃条件下酵母生长速度较快，且死亡率较低；在小试的基础上，进一步在50 L发酵罐进行了中试验证优化试验，结果见表3。由表3可知，在外观糖度16°Bx、温度29℃、pH值为3.8的条件下培养酵母数最多，生长效果最好。

表2 酒母小试培养结果Table 2 Results of yeast culture on a small scale

表3 酒母在50 L发酵罐中培养结果Table 3 Results of yeast culture in 50 L fermenter

2.3 发酵试验结果

在广西中粮生物质能源有限公司年产20万t燃料乙醇生产线上，用全水稻做了共13批次的生产试验，结果见表4和图1。

表4 水稻生产酒精发酵结果Table 4 Results of alcohol fermentation with rice

成熟醪残总糖在酒精发酵工艺中是一个重要的指标，是衡量酒精发酵完全程度的重要指标之一[15]，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，意味着产酒率越高。由表4可知，整体发酵较为稳定，平均残总糖含量为1.38%，最低残总糖0.85%；平均还原糖含量0.18%、残淀粉含量0.59%、残糊精含量0.49%、酸度6.28°T、挥发酸0.17g/L，达到酒精生产指标要求。

图1 成熟醪酒精度Fig.1 Alcohol content of fermented mash

由图1可知，共进行了13批次生产试验，发酵成熟醪酒精度最低11.80%vol，高达到12.80%vol，平均酒精度12.35%vol，达到酒精生产要求。

2.4 精馏结果

水稻生产发酵得到的成熟醪经过精馏提纯后得到成品食用普酒，与玉米食用普酒进行了对比，结果分别见表5和表6。

表5 食用酒精外观、口味质量对比结果Table 5 Comparison results of the appearance and taste quality of edible alcohol

表6 不同原料生产的食用酒精质量比较Table 6 Quality comparison of edible alcohol production by different raw material

表5为产品外观、口味质量对比结果，可见水稻食用酒精产品的外观、气味和口味都符合国标GB 31640—2016《食品安全国家标准食用酒精》，并且与玉米酒精口感、气味、理化指标相当，被不同行业客户接受，广泛用于白酒、化工、食品、医药行业，与玉米食用酒精一样受客户认可。

由表6可知，水稻食用酒精化学分析结果与玉米食用酒精基本一致，并且各个指标均已经达到优级食用酒精的标准，说明水稻生产食用酒精是可行的。

2.5 经济效益分析

对全水稻生产食用酒精的生产运营成本进行了分析，并与玉米食用酒精生产成本进行了对比。由表7可知，玉米酒生产成本为5 368.30元/t，副产品玉米DDGS冲减1 370.49元，故总玉米酒成本为4 354.73元/t；而水稻酒生产成本为4 557.6元/t，副产品水稻DDGS冲减1 320.00元，故水稻酒总成本为3 603.52元/t，比玉米酒生产成本低751.21元/t，即利润提高了751.21元/t，提高了企业的经济效益。

表7 生产成本分析结果Table 7 Results of production cost analysis

3 结论

使用全水稻进行发酵生产食用酒精，经过广西中粮生物质能源有限公司生产线试验研究，全水稻发酵成熟醪平均酒精度12.35%vol、平均残总糖1.38%，精馏后得到的食用酒精达到优级食用酒精国家标准，同时废醪液经过分离干燥后值得副产品水稻DDGS，可作为饲料原料出售，降低了酒精生产成本，与玉米酒精生产成本相比降低了751.21元/t。

因此，使用全水稻进行发酵生产食用酒精是有效可行的，还可提高企业经济效益，同时可以缓解酒精原料短缺以及国库陈化水稻积压的问题。

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