不同酵母发酵生产水稻乙醇的研究

刘晓峰

(1.国投生物能源（鸡东）有限公司，黑龙江鸡东 158200；2.国投象屿生物能源（富锦）有限公司，黑龙江富锦 156100)

近年来，随着我国经济的高速发展，社会与经济可持续发展所面临的能源、环境、农业等问题将日益凸显，推广使用乙醇汽油是国家着力缓解能源、环境、农业问题的一项战略性举措。但产业发展面临着提高产业技术发展水平，如何降低生产成本，研究新的生产工艺等诸多挑战[1-2]。

用于乙醇发酵的酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）是一类不同于细菌的单细胞真核微生物，属于子囊菌纲。该类酵母要求具备较高的耐渗透压、耐受一定的底物（糖）和产物（酒精）、低产副物能力[3]。

随着酵母工业的发展，酿酒活性干酵母的问世，给酒精行业带来了新的生机，活性干酵母直接取代人工自培酒母，简化了乙醇生产工序，极大提高了生产效率。如何选用出酒率高，残余总糖低，不易升酸的优良酵母品种对降低乙醇生产成本有着非常重要的作用。本文以当前主流大生产工艺技术为出发点[3]，研究不同厂家的酵母在水稻乙醇发酵的应用性能，为乙醇生产企业降低成本，提高生产效率提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂及仪器

原料：水稻，取自国内某粮库。

耗材及试剂：干酵母，分别购于不同酵母公司，用A 和B 表示；淀粉酶，诺维信，酶活10 万/mL；糖化酶，诺维信，酶活10 万/mL；0.2%葡萄糖；斐林试剂；0.5%次甲基蓝指示剂；NaOH；HCL；H2SO4。

仪器设备：分析天平(Mettler AL204，Mettler PL-4002)；粉碎机(广西陆县9F-22)；pH 计，上海精密S40；生物显微镜，上海精密CX21-310；双层大容量全温摇床，上海智城ZHWY-2012；恒温培养箱，上海一恒LRH-150；高效液相色谱，美国戴安U-300；水浴锅(HH-8)。

1.2 试验方法

1.2.1 分析测定方法

水分含量测定：采用105 ℃烘箱法。

淀粉含量测定：采用酸水解法。

发酵残糖的测定：采用斐林试剂法[4]。

酒精度、残糖的检测：HPLC法[5]。

残淀粉、残糊精的计算方法：

残淀粉=（残总糖-过滤总糖）×0.9；

残糊精=（过滤总糖-还原糖）×0.9。

1.2.2 实验步骤

1.2.2.1 工艺流程水稻燃料乙醇生产工艺流程简图见图1[6]。

图1 水稻燃料乙醇发酵工艺流程简图

1.2.2.2 工艺操作要点

原料预处理：水稻原料去杂，粉碎，按照每份300 g称取物料，用工艺水进行调浆。

拌料：配料后调粉浆pH5.6～5.8，加入淀粉酶。

液化：样品放入90 ℃水浴锅中蒸煮液化2.2 h，形成液化醪。

发酵：液化醪冷却至32 ℃后用硫酸溶液调pH值至4.4，加入糖化酶及各种辅料，分别加入两种干酵母，然后置于双层大容量全温摇床，8 h 后移入恒温培养箱中发酵72 h，发酵温度8 h 前控制在30 ℃，8 h 至成熟分别控制在33 ℃和36 ℃。发酵结束后取出分析酒分、残总糖、残还原糖，并进行色谱分析。

2 结果与分析

本次试验设置两组不同发酵温度的试验，分别为每组发酵温度33 ℃和36 ℃，每组进行3 次平行试验。分别编号为A33和A36、B33和B36。

2.1 发酵失重和成熟醪酒分对比（图2、图3）

图2 不同酵母的70 h发酵失重对比

图3 不同酵母的发酵酒精度对比

表1 3批次结果平均值

发酵过程失重主要是二氧化碳的溢出，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。由表1 可以看出，通过对不同厂家酵母的水稻发酵实验，每个因素做平行实验。从酒精度和失重指标来看，结果表明，同一发酵温度两种酵母发酵效果区别不大。不同温度下发酵结果，两种酵母在33 ℃发酵温度下其酒精度含量稍高于在36 ℃发酵的，可见两种酵母更适合于33 ℃下发酵。由图3 可以看出，A 种酵母在33 ℃条件下的第二批次实验酒精度最高，达到11.58 %vol。由图2 也可以看出，A 种酵母也是在33 ℃条件下的第二批次实验发酵失重基本最低。

2.2 成熟醪残总糖结果对比

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。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。控制残总糖水平是酒精企业提高经济效益的关键[7]。实验结果由表2 可知，B酵母的乙醇发酵在36 ℃第二批次残总糖最低为1.18%，同时残还原糖也较低，为0.18%。

从表2 中酸度、挥发酸、酵母数结果分析可推测，第一批实验中B 酵母数据异常，可推断为染菌导致酸度高，而酵母数量少，其他两批酵母长势较好，发酵正常，指标较好。

2.3 成熟醪的HPLC分析结果

对不同厂家酵母的水稻乙醇发酵醪的指标进行分析，其HPLC数据对比分析结果见表3。

由表3 可以看出，对于发酵主产物乙醇的产量，A33-2 酵母乙醇产量最高，为10.18 g/100 mL。A36-3酵母乙醇产量最低，为9.53 g/100 mL；A33-2发酵结果乙醇/甘油比最高为13.39，乙醇与甘油比值是反应酒精发酵水平的一个重要指标，乙醇相对于副产物甘油的比值越高，说明发酵水平越高，应控制在合理的范围内，说明A33 酵母发酵产酒的同时，产生了副产物甘油；DP1+DP2+DP3、琥珀酸、乳酸等，各个试验因素间的含量相差不大。

表2 发酵成熟终点的指标对比

表3 成熟醪的HPLC检测结果 (g/100 mL)

3 展望

本研究使用国内某粮库水稻粉碎，进行不同酵母的乙醇发酵试验，从结果可以看出，不同厂家的酵母，不同温度的水稻原料乙醇发酵酒精含量稍有不同，A 酵母优于B 酵母，发酵酒分越高，意味着产酒率也越高。残总糖、残还原糖等指标也可以反映发酵水平和酵母的能力，A、B 酵母残总糖基本一样，A酵母残还原糖优于B酵母。从乙醇/甘油比指标来看，A 酵母指标优于B 酵母，说明A 酵母产生副产物相对较少，染菌相对也较少。

建议企业在生产过程中，应根据不同质量的原料，选择不同厂家的酵母，也可两家以上酵母配合使用[8]，先进行实验室小试，再模拟生产性实验，进而根据实验结果在大生产中进行应用，降低企业生产成本，提高生产效率。