陈小麦和水稻共发酵生产乙醇的效果研究

刘晓峰，李 莉，刘新颖

（1.国投生物能源（铁岭）有限公司，辽宁调兵山 112700；2.广西中粮生物质能源有限公司，广西北海 536100）

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。

2017 年9 月，国家十五部委下发《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》，目前国内各原料主产区的省市拟建燃料乙醇项目积极性较高，但产业发展面临着提高产业技术发展水平，降低生产成本，研究新的生产工艺等诸多挑战[1-3]。目前世界上传统淀粉质发酵生产酒精方式多采用玉米、木薯酒精生产工艺，随着玉米价格越来越高，多种原料生产燃料乙醇已成为中国燃料乙醇技术的发展趋势，可以有效降低燃料乙醇企业运营成本。

为了探究小麦与水稻在相同生产工艺条件下的共发酵效果，本文采用摇瓶法，对添加不同比例的陈小麦与水稻共发酵生产燃料乙醇进行研究，为燃料乙醇生产企业降低成本，提高生产效率提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂及仪器

原料：水稻，国内某粮库；小麦，国内某粮库。

菌种：干酵母，安琪超酒酵母。

试剂及耗材：0.25 %葡萄糖；斐林试剂；0.5 %次甲基蓝指示剂；NaOH；HCl；H2SO4；淀粉酶，诺维信，酶活10万/mL；糖化酶，诺维信，酶活10万/mL。

仪器设备：分析天平（BSA4202S-CW，BSA224S-CW，SARTORIUS）；粉碎机（WK-400A），上海新诺仪器设备有限公司；pH计（PHSJ-4F），上海雷磁；显微镜（XSP-BM19），上海光学仪器；双层大容量全温摇床（上海智城ZHWY-2012）；生化培养箱（LRH-250），上海一恒；高效液相色谱（LC-20A），日本岛津；自动旋光仪（SGW-2），上海仪电物理光学仪器有限公司；数显油浴锅（HHS4），常州润华电器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程

燃料乙醇生产工艺流程简图见图1[3]。

图1 燃料乙醇生产工艺流程简图

1.2.2 工艺操作要点

（1）原料预处理：水稻、小麦原料分别去杂，粉碎，混合，按照每份400 g 称取物料，用工艺水进行调浆。

（2）拌料：配料后调粉浆pH5.6～5.8，加入淀粉酶，检测拌料固形物。

（3）液化：样品放入90 ℃水浴锅中蒸煮液化2.0 h，形成液化醪，检测液化醪黏度。

（4）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、蛋白酶、抑菌剂、干酵母等辅料，摇匀，用纱布封口，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 至成熟控制在32 ℃。发酵结束后取出分析酒精度、残总糖、残还原糖，并进行色谱分析。

1.2.3 分析测定方法

水分含量测定：采用105 ℃烘箱法；淀粉含量测定：采用旋光法；发酵残糖、还原糖的测定：采用斐林试剂法[4]；酒精度：酒精计法；麦芽四糖、麦芽三糖、葡萄糖、果糖、乳酸、甘油、乙酸、乙醇的检测：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。

2 结果与分析

本次试验设置2 批次平行试验，按小麦添加比例0 %、10 %、15 %、20 %分别编号为A1、A2，B1、B2，C1、C2，D1、D2。

2.1 原料检测结果

将粉碎后的陈小麦、水稻进行组分分析，其分析结果见表1。由表1 可知，小麦中淀粉含量比水稻中淀粉含量稍高，小麦中蛋白含量远高于水稻中蛋白含量。

表1 原料成分分析结果 (%)

2.2 液化醪检测结果

液化后的液化醪检测结果见表2。由表2 可知，添加小麦后液化醪液黏度比水稻液化醪黏度增加，添加比例越多，黏度越大，添加了20 %小麦的液化醪黏度达到609.44 mPa·S，比水稻液化醪黏度增加100～300 mPa·S。

表2 添加不同比例小麦的液化醪检测结果

2.3 发酵失重和成熟醪酒精度对比

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。由图2 和表3 可以看出，通过添加0 %～20%比例小麦的水稻发酵实验，从酒精度和失重指标来看，结果表明，添加不同比例小麦的水稻酒精发酵效果差别不大，添加15 %小麦比例水稻酒精发酵效果稍好，同时发酵失重较低。

表3 添加不同比例小麦的液化醪检测结果

图2 添加不同比例小麦70 h发酵失重对比

2.4 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[6]。由表4 可知，添加小麦后发酵成熟醪残总糖会升高，是由于小麦淀粉与谷朊粉形成包埋状，影响小麦淀粉的酒精发酵，同时还原糖、残淀粉、残糊精等指标也相应升高，是由于小麦中含有戊聚糖、葡聚糖等不可发酵的糖。

表4 发酵成熟终点指标对比 (%)

从表4 中酸度、挥发酸结果分析可推测，同时综合失重、酒精度、残糖等指标，添加小麦后，在产酸方面变化不明显，说明发酵过程抑菌效果较好。

2.5 成熟醪的HPLC分析结果

对添加不同比例小麦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5。由表5 可知，对于发酵主产物乙醇的产量，添加15%比例小麦的C组乙醇最高，达到11.14 g/100 mL；乙醇与甘油比值是反映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。添加不同比例的小麦和水稻发酵结果来看，添加小麦后发酵水平稍有降低，酵母发酵产酒的同时，抑菌效果较好，产生了较少副产物甘油；DP1+DP2+DP3、麦芽三糖、葡萄糖等指标，添加小麦后升高；琥珀酸、乳酸等，各个试验因素间的含量相差不大。

表5 发酵成熟醪HPLC检测结果 (g/100 mL)

3 小结

本文使用国内某粮库陈小麦和水稻粉碎，进行添加不同比例的小麦和水稻共发酵生产乙醇试验，从结果可以看出，对添加小于20%比例的小麦，与水稻共发酵生产酒精，影响不大。添加小麦后，小麦中的谷朊粉不能在酵母作下生成乙醇，而被加工成DDGS，使其蛋白含量较高，是生产高蛋白饲料的优质原料。但由于小麦中淀粉含量要相对较低，致使饲料酒精比会有所升高，对DDGS 生产中的离心分离、清液蒸发、干燥等过程会有一定的影响，需要在生产过程中制定好预案，重点关注。

建议企业在生产过程中，根据不同质量和品种的小麦、水稻，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。