酿酒丢糟降解糖化工艺研究进展

雷翔云，邓 波，2，敖 灵，2，张宿义，2，熊燕飞，2，丁海龙，任剑波，曾 珊，李 勇

（1.泸州老窖股份有限公司，四川泸州 646000；2.国家固态酿造工程技术研究中心，四川泸州 646000）

酿酒丟糟是固态法白酒酿造的主要副产物，按照固态法白酒生产工艺计算，每生产1 t 白酒约将产生3 t 丟糟。据中国酒业协会统计，2015 年至2019 年期间，全国白酒年平均产量为971.6 万kL，将产生约3000 万t 酿酒丟糟，且随着白酒产业政策的逐渐回暖和各大酒企产能的升级改造，酿酒丟糟的产量将逐年增加。如此庞大的酿酒丟糟若不经合理处理直接排放到环境中，既会造成环境污染，又会造成资源的浪费。

近年来，众多学者围绕酿酒丟糟作为饲料添加、肥料生产、能源化利用和生物炭开发等方向开展了一系列研究，但白酒丟糟含水量高，乳酸、醋酸残存量大，易发霉、酸败和干化困难等特点，极大的限制了酿酒丟糟在饲料添加、肥料生产和能源化开发中的应用。本文将重点探讨酿酒丟糟降解糖化高附加值利用工艺，为酿酒丟糟的生物质资源化高效利用提供理论基础。

1 酿酒丢糟的组分

浓香型白酒和酱香型白酒均采用固态法酿造工艺，酿酒原料在微生物菌群的发酵作用下生成醇、酯、酮、酸等物质，大部分淀粉被利用消耗，而蛋白质、脂肪、纤维素、矿物质等成分被保留下来。酿酒丟糟的含水量一般在55 %～60 %，经干燥后一般含有蛋白质12%～18%、脂肪3%～5%、灰分6 %左右、纤维素30 %～35 %、半纤维素15 %～20%和淀粉10%～15%。

酿酒丟糟包含淀粉、纤维素和半纤维素等在内的碳水化合物总量65 %～70 %，不仅是提取多糖的优质原料，而且可通过处理对多糖降解，提高降解液中可发酵性糖的比例。近年来，针对酿酒丟糟中的降解糖化研究，有采用酸处理、碱处理、酶处理和酸酶复合处理等方法来使纤维素和半纤维素等碳水化合物降解的相关报道，使之转化为可被微生物利用的己糖和戊糖，进而通过发酵制备燃料乙醇、γ-氨基丁酸、L-乳酸、丁二酸等化工原料。

2 酿酒丢糟降解糖化工艺

2.1 酿酒丟糟的酸解糖化

酸水解是一种常用的生物质高效降解糖化方法，一般采用硫酸、马来酸、盐酸、硝酸、磷酸作为催化剂。木质纤维素在较高温度和H浓度下，主要生成葡萄糖、半乳糖、甘露糖等己糖以及木糖和阿拉伯糖等戊糖，但在较高温度和氢离子浓度下戊糖又极易发生副反应，产生大量的糠醛、5-羟甲基糠醛（HMF）和乙酰丙酸（LA）等发酵抑制物。因此，酿酒丟糟高温酸水解糖化过程，既要高效水解转化为还原糖以作为微生物发酵碳源，又要考虑尽可能减少糠醛类发酵抑制物的生成。

刘高梅等采用混合酸水解法提取白酒丟糟中的木糖，研究表明，温度110 ℃、固液比1∶12(g∶mL)、混合酸浓度1.5 %和水解145 min 时，木糖收率为61.24 %。任海伟等研究表明，在温度100 ℃，固液比1∶12，混合酸浓度2.5 %，水解时间120 min时，水解液中的还原糖浓度为59.32 g/L，该酸解阶段半纤维素和纤维素转化率分别为77.38 %和62.50 %，木质素溶出率为43.50 %，糠醛生成量为8.37 g/L。谭力等利用浓硫酸降解糖化白酒丟糟，结果显示，白酒丟糟经浓硫酸糖化降解后，糖回收率可达80 %；利用稀盐酸两步水解，第一步用1 % HCl 于120 ℃下水解0.5 h，第二步用2 % HCl于120 ℃水解3 h，此工艺条件下还原糖产率为3.35 g/g 酿酒丟糟。刘跃红等以干燥的酿酒丟糟作为实验材料，探索浓硫酸对酿酒丟糟降解糖化的影响，结果表明，在HSO为70%（m/m），固液比7∶5(g∶mL)，降解0.5 h，然后加水使硫酸的浓度稀释成22 %（m/m），在85 ℃的水浴条件下处理1 h，干丟糟的降解率可达到0.35 g/g，并初步探索了用大孔阴离子交换树脂实现糖酸分离的可行性。

2.2 酿酒丟糟的碱解糖化

目前，酿酒丟糟碱解处理的研究多用于提取木聚糖等高附加值产品，或者为纤维素的酶解做准备。常规的单一碱处理通常起不到破坏纤维素和半纤维素结合的作用，从而影响木聚糖的提取率。张蜀艳等采用先蒸煮后碱法抽提工艺，结果表明，在温度90 ℃，质量分数15%，固液比1∶20（g∶mL），碱提时间5 h，醇沉pH5，醇沉体积3 倍，醇沉时间1 h条件下，木聚糖得率为29.9 %。徐中香等利用NaOH 溶液提取青稞麸皮中的阿拉伯木聚糖，料液比1∶25（g/mL）、提取温度55 ℃、提取时间3 h、NaOH 质量浓度15 g/L，在此条件下阿拉伯木聚糖得率为14.31%，与理论值14.27%无显著差异。

2.3 酿酒丟糟的酶解糖化

纤维素和半纤维素链内和链间主要通过氢键连接，木质素内部除了有强大的氢键连接外，还与半纤维素形成稳定的复合体。三者组成的复合结构，相互影响，任何一类成分的降解必然受到其他成分的制约。普遍认为，木质素是纤维素酶的抑制剂，既是限制纤维素酶接近纤维素底物的物理屏障，又能吸附纤维素酶，发生无效吸附，导致酶解效率和糖得率下降，因此，一般在酶解前需进行预处理。常见的预处理方法主要有物理法（如机械粉碎、挤压、辐射处理等）、化学法（如酸、碱、臭氧、有机溶剂、离子液处理等）、物理化学综合法（如高温液态水、蒸汽爆破、氨纤维爆破、CO爆破）。

Zhang 等认为，碱处理对连接半纤维素和其他组分分子间的酯键起到皂化作用，膨胀纤维素，脱除木质素，提高酶解糖化率。章冬霞等研究表明，用稀酸对生物质进行处理可以将半纤维素有效降解为以木糖为主的可发酵糖，并能大大提高纤维素酶的接触面积和葡萄糖产率。任海伟等以脱除木质素、提高纤维素和半纤维素保留率为目标，分别考察了酸-超声波耦合、液氨、碱性双氧水和酸性亚硫酸氢盐4 种预处理法对酿酒丟糟化学组分、结构特性和酶解得率的影响。结果表明，酸性亚硫酸氢盐在固液比1∶3（g/mL）、HSO用量0.2 %、NaHSO用量3 %、温度130 ℃、处理20 min后，酿酒丟糟中的纤维素和半纤维素保留率最高，分别为84.59%和84.87%；4 种方法预处理后纤维素酶解得率分别提高49.12 %（酸-超声波）、55.48 %（液氨）、92.79 %（碱性双氧水）和99.15 %（酸性亚硫酸氢盐）。扫描电镜和X-衍射结果显示，酒糟经不同方法预处理后表观结构发生了明显变化，木质纤维网络结构遭到破坏，表面呈现无规则或形状各异的膨松状态，沟壑明显，孔隙率增加，比表面积增大，有利于提高水解酶活性。杨健等以NaOH-过氧乙酸预处理酿酒丟糟并利用纤维素酶降解制备可发酵糖液。结果表明，NaOH 浓度为1 %，固液比1∶10，时间60 min，温度75 ℃时，酶解液中还原糖、葡萄糖和木糖的质量浓度达到91.33 g/L、61.72 g/L、13.88 g/L，对应糖产率分别为565.41 mg/g、379.44 mg/g 和84.55 mg/g，较直接酶解糖化浓度及产率提高了2倍。任海伟等采用酸酶联合水解方法水解酿酒丟糟，结果表明，在温度为100 ℃、固液比为1∶12（g/mL）和酸浓度为2.0 %的条件下经混合酸水解120 min可获得59.32 g/L还原糖和6.49 g/L 木糖，该酸解阶段的半纤维素和纤维素转化率分别为77.38%和62.50%，木质素溶出率为43.50%。酸解残渣在纤维素酶用量为4000 U/g 原料、温度为45 ℃和pH4.8的条件下继续作用2.5 h，可获得13.27 g/L还原糖，该酶解阶段的纤维素转化率为66.67 %，酶解率高达90.73 %。利用扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)和X-衍射(XRD)技术考察不同水解阶段丟糟的结构特性变化，结果显示，水解作用前后的丟糟形貌结构变化明显，孔隙率和比表面积增加，有利于纤维素酶对AHR 中纤维结晶区的作用。水解前后的特征组分所对应的吸收峰强度发生了变化，相对结晶度逐渐提高。

2.4 酿酒丟糟的多酶复配酶解

纤维素酶的主要组分是葡萄糖内切酶、葡萄糖外切酶和β-葡萄糖苷酶。三者协同相互促进，才能完成对纤维素的高效降解，额外添加β-葡萄糖苷酶，会显著提高纤维素酶糖化效率。半纤维素的完全降解则需要半纤维素酶和木聚糖水解酶协同完成。半纤维素被木聚糖酶水解后，可降低物料对纤维素酶的无效吸附，提高单糖产率，而阿拉伯糖酶、果胶酶及淀粉酶等能有效降解阿拉伯糖、果胶及淀粉等多糖，提高酶水解液可发酵糖浓度。

程驰等从酿酒堆腐物中分离筛选出产纤维素酶活性高的5 株菌，研究复合菌系对酿酒丟糟的降解效果，结果表明，该复合菌系对丟糟的分解能力及羧甲基纤维素酶活均大幅度提高，分别达到37.54%和41.30 U，比最优单菌发酵高出15.87%和15.20 U。陈喆等用NaOH-过氧乙酸预处理白酒丟糟的过氧乙酸预处理阶段最佳组合为：过氧乙酸浓度为2 %，固液比1∶8，时间90 min，温度85 ℃，此时固体中96.20%纤维素被保留，71.90%木质素被去除；预处理后固体部分利用多酶复配进行糖化，通过补充β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶及葡萄糖淀粉酶等，酶解液中还原糖、葡萄糖及木糖浓度达到112.27 g/L、63.15 g/L 和16.58 g/L，对应糖产率分别为692.33 mg/g、395.47 mg/g 和108.75 mg/g（干丟糟）。

3 展望

从酿酒丟糟的组成成分和特性来看，结合生物质纤维降解技术的逐步成熟，将酿酒丟糟经过降解糖化，进而发酵成为乙醇、L-乳酸等化工原料，应当是今后酿酒丟糟资源化、高附加值利用的重要研究方向。

目前，国内研究者大多单独采用单一酸水解或者预处理后酶解以降解酿酒丟糟，单一酸水解温度高，条件苛刻，对设备要求高，腐蚀设备，污染严重，而且发酵抑制物需要后处理才能解除对后续微生物发酵的抑制。酶解转化率高，副产物少，但是酶液造价高，且需要预处理，造成生产成本较高。未来可考虑使用蒸汽爆破、添加表面活性剂、多酶复配等方法以提高酶解效率，同时考虑采用固定化酶技术,实现酶的回收和反复使用,以降低酶解成本。