以高粱为原料生产燃料酒精行业治理研究

陶磊，满云

1.安徽中粮生化燃料酒精有限公司；2.蚌埠学院

高粱作为一种重要的粮食作物，与玉米相比无论是化学成分，还是维生素、无机盐等都相差不大，见表 1、表 2，因此高粱也被用作酿酒或饲养动物。随着玉米、小麦等谷物原料价格的上涨，以高粱、木薯等为原料生产燃料酒精得到越来越多的关注和实践。

表1 高粱与玉米的化学成分（g/100g）

表2 高粱与玉米的维生素和无机盐含量（mg/100g）

高粱中还含有一定量的单宁和色素，大部分集中在种皮上。对不同种类的高粱研究表明，高粱籽粒的颜色与单宁含量成正比，随着籽粒颜色的越来越深，单宁含量也越来越高[1]。单宁入口发涩，能与铁反应呈蓝黑色，可以与蛋白质结合致使蛋白质凝固变性。因此，单宁可以改变细胞膜的生物活性，影响细胞的代谢活动和对外界营养的吸收和利用，致使微生物失去生物活性[2]。研究表明，单宁可以抑制酵母的正常生理活动[3-4]。

由此可见，由于单宁可以抑制酒精生产中必须使用的淀粉酶、糖化酶和酵母，直接以高粱为原料生产酒精与其他谷物原料相比较困难。Rooney[5]、Ezeogua[6]、Duodu[7]等研究表明，使用传统酒精生产工艺，高粱生产酒精的淀粉出酒率较低。Wu[8]的研究表明，影响高粱酒精出酒率的主要因素在与高含量单宁带来的醪液粘度高、酵母的蛋白利用能力弱、蛋白质与淀粉包裹、直链淀粉和脂肪形成的络合物等。因此，需在生产中采取措施，将单宁的影响消除，或降低到尽可能低的程度。

一、材料与方法

（一）材料与试剂

全磨红高粱粉（产自东北，20 目通过率 100%）、全磨白高粱粉（产自山东，20 目通过率 100%）、耐高温α-淀粉酶（无锡杰能科）、糖化酶（山东隆大）、酸性蛋白酶（山东隆大）、单宁酶（宁夏夏盛）、活性干酵母（法国乐斯福）。

（二）仪器与设备

沃特世高效液相色谱 Waters E2695、色谱柱 Bio-rad87H、Brookfield DV-II+PR粘度计、Mettler Toledo XP6002SDR 分析天平、Mettler Toledo AL204 分析天平、Mettler Toledo FE20台式 pH 计、SGD-IV 全自动还原糖测定仪、WAY-Z 自动阿贝折射仪、BS-211C 卧式恒温摇床。

二、实验方法与结果分析

（一）以不同品种高粱为原料的技术研究

分别称取红高粱粉和白高粱粉312.5g，按照料水比 2.2 加入 75℃热水，搅拌均匀。调节 pH5.4-5.6，按 0.15g/kg高粱加入耐高温α-淀粉酶，放入恒温水浴锅内 60℃保温 30min 后升温至 90℃，保温 1.5h。用硫酸调节 pH 至 4.4，降温至 30℃，按 0.8g/kg 高粱加入糖化酶、200mg/kg 尿素、25mg/kg 酸性蛋白酶、0.1%活性干酵母。放入恒温摇床，32℃发酵 60h。

高粱中毒素含量较低。高粱籽粒中单宁多集中在种皮上，种皮的颜色与单宁含量有相关性[9]，即籽粒颜色深的类型单宁含量较高，籽粒颜色浅的单宁含量较低。我国高粱的单宁平均含量为 0.982%，变幅为 0.03%-3.27%。低单宁型占 14.5%，中低单宁型仅占 3.7%，而中高单宁和高单宁型则占 81.7%。这充分说明我国高粱大部分属于高丹宁含量的类型。从表3可以看出白高粱中无单宁，证明高粱种皮的颜色与单宁含量有相关性的特点。

表3 高粱淀粉、单宁、毒素含量检测结果

从表4可以看出，由于红高粱中单宁对淀粉酶的钝化作用，糊化阶段粘度很大，影响搅拌效果，物料流动性差，很难液化，液化 DE 值低；高粘度阶段温度跨越大，从约 70℃粘度开始增大，到 80℃粘度达到最大。白高粱糊化温度跨越约 5℃，且糊化粘度变化不大。加大红高粱组淀粉酶用量，液化终点粘度有所改善，但仍然无法解决糊化阶段粘度大的问题。

表 4 高粱液化液检测结果

（二）添加单宁酶降解高粱中单宁的研究

单宁酶的使用条件为 45℃，30min，最适 pH5.0-6.5，在液化阶段添加，添加量为单宁质量的 0.025%-0.10%，以高粱单宁含量为 3%计，添加量为 7.5-30ppm。

从表 5、表 6可以看出，添加单宁酶后液化 DE 值上升，发酵成熟醪酒度上升。说明单宁酶在此种工况下能够水解单宁，减弱了单宁对酶制剂和酵母的抑制作用。但 DE 值不高，说明添加单宁酶后并未完全解除单宁对淀粉酶的抑制作用，无法从根本上解决糊化时醪液粘度大的问题。

表5 红高粱液化液检测结果

表6 红高粱酒精发酵成熟醪液 HPLC 分析结果

因为单宁酶对底物有一定的要求，单宁酶对底物是否具有催化作用取决于 ES复合物是否形成。单宁酶 ES 复合物形成具有几个特点[10]：①底物属于脂类，且由没食子酸和任何醇类形成；②任何酚羟基可以和酶的活性中心相结合，抑制形成 ES 复合物；③ES 复合物中酚羟基形成的酯键可被水解，而其他酯键或羧基由于没有直接与酶结合，故不能发生水解反应。所以单宁酶只能水解没食子酸脂类化合物，即水解单宁，对缩合单宁不起作用。

三、讨论与结论

在以高粱为原料生产燃料酒精的过程中添加单宁酶，能够减弱单宁对淀粉酶和酵母的抑制作用，改善糊化粘度、提高液化 DE 值和效果、增加酒精产量。但高粱中的缩合单宁无法被单宁酶水解，致使无法完全解除高粱中单宁对酒精生产的影响。因此，应尽量杜绝种皮深的高粱作为原料直接用于酒精生产，可以与其他淀粉质原料少量掺混使用，使用过程中科适当添加单宁酶。最好是使用白高粱作为生产原料，完全杜绝高粱中单宁对酒精生产的影响，且毒素含量较低，能够满足 DDGS 国家标准中对毒素的限值。