安琪30年
食用酒精及燃料乙醇

食用酒精及燃料乙醇

小麦淀粉酒精发酵中新型有机氮的应用

发布人:酿造及生物能源事业部    发表时间:2014-02-21

小麦淀粉酒精发酵中新型有机氮的应用

   

  张志军1,施清2,罗天2,韩永超2,刘小民2,李志军2*

(1、滨州中裕食品有限公司,山东滨州,256651;2、安琪酵母股份有限公司,湖北宜昌,443003)

  摘  要:介绍了小麦淀粉酒精发酵中小麦B-淀粉的营养组成,对有机氮在小麦淀粉酒精发酵过程中的应用进行了实验和分析。结果表明,添加有机氮对小麦酒精发酵有明显的促进作用,在酒母培养中添加有机氮,酒母形态明显改善,相对酒母出芽率提高了5.83%,细胞活力提升明显,有效抑制杂菌对发酵系统的干扰,稳定发酵终了酸度、降低发酵残糖水平,有效地提高了原料的利用率。

  关键词:小麦淀粉;酒精发酵;营养;有机氮;发酵促进剂SP1;出芽率;

   

  Application of new organic nitrogen in wheat starch alcoholic fermentation

   

  ZHANG Zhi-jun1, SHI Qing2, LUO Tian2, HAN Yong-chao2, LIU Xiao-min2, LI Zhi-jun2*.

  (1、Zhongyu Food Co., Ltd.,Binzhou,Shandong,China 256651;2、Angel Yeast Co., Ltd., Yichang, Hubei, China  443003)

  Abstract: The nutritional components of wheat B-starch in wheat starch alcoholic fermentation were introduced. The application of new organic nitrogen in wheat starch alcoholic fermentation was tested and analyzed. The results show that the application of new organic nitrogen have a significant role in promoting wheat starch alcoholic fermentation.After adding the new organic nitrogen , yeast morphologies are improved, relative yeast budding rate is increased by 5.83% , cell viabilities are enhanced , bacteria interference for fermentation systems are inhibited,what's more,the acidities in the end of fermentation are stabilized,the residual sugars are reduced,the utilization rate of raw materials is improved effectively.

  Key words: wheat starch; alcoholic fermentation; nutrition; organic nitrogen; Ferment accelerant SP1;budding rate

   

  ————————————————————————

  通讯作者:李志军,lizj@angelyeast.com

  1

  我国是世界上最大的小麦生产国,由于小麦综合利用价值的不断提高和小麦产业链不断深精加工,国内多家小麦加工企业均已开发出一条综合利用小麦淀粉粉浆生产食用酒精生产链[1]。但在实际小麦淀粉生产酒精过程中,目前还存在着一些实际问题。在小麦淀粉中占比例很大的小麦B-淀粉质量差,营养贫乏,用B-淀粉培养的酒母出芽率偏低,细胞形态不佳、细胞数偏低,酒母活力不足,降低了酒精发酵的效率,另外,小麦淀粉中的残留面筋和戊聚糖[2],造成发酵环境恶劣,发酵罐泡沫积累,填料系数降低,发酵结束酸度、残糖偏高。本文就小麦淀粉在酒精发酵中利用新型有机氮在技术和生产上提供的帮助作详细讨论。

   

  1、小麦B-淀粉的组成

  目前,小麦的加工以生产小麦淀粉和提取谷朊粉为主,个别企业引入国内外先进设备,还提取戊聚糖等产品。小麦B-淀粉是小麦淀粉厂和谷朊粉厂数量庞大的副产物,通常其含量占整个淀粉含量的35%左右[3]。小麦B-淀粉中含有大量的淀粉、蛋白质和非淀粉质多糖等成分。

  

  图1.小麦B-淀粉主要化学成分(干基,%)

   

  在小麦淀粉酒精发酵中,小麦B-淀粉占有很大一部分比例,部分小麦淀粉发酵酒精生产工艺中,甚至只用B-淀粉进行酒精发酵。这导致酒精发酵中出现了以下问题:

  I、作为酒精发酵的小麦B-淀粉,粗淀粉含量高,蛋白质结构复杂,含有大量的、不能为酵母利用的非淀粉多糖,阻碍了酵母的正常繁殖代谢;

  II、小麦B-淀粉营养匮乏,尤其是缺乏可利用氮源,小麦B-淀粉缺少正常酒精发酵酵母繁殖所需的氮源、生长因子等;

  III、小麦B-淀粉是谷朊粉提取后的副产物,长期以来作为“废料”排放,故粉浆储存粗放,大大增加了粉浆的染菌几率,对后期的酒母培养、酒精发酵造成极大干扰。

  所以,利用小麦B-淀粉生产酒精不仅要注意酒精生产设备的匹配,更要注意发酵过程醪液中营养物质的添加和营养组分的正确配比。

   

  2、小麦酒精中有机氮添加对酒母的影响试验

  2.1.实验材料

  小麦B-淀粉浆:实验室制造;

  耐高温α-淀粉酶:杰能科(中国)生物工程有限公司;

  糖化酶:苏州宏达制酶有限公司;

  耐高温酿酒高活性干酵母:安琪酵母股份有限公司;

  发酵促进剂SP1:安琪酵母股份有限公司;

  磷酸氢二铵、尿素、工业硫酸等。

  2.2 实验方法及步骤

      普通营养盐和发酵促进剂小麦淀粉酒精发酵对比实验:

  小麦B-淀粉的制备采用面团法,离心机3000rad/min分离10min[4]。在500ml三角瓶中,加入300ml淀粉浆和一定量的耐高温α-淀粉酶,在水浴锅中90℃糊化90min,降温至35℃调节pH至4.5,添加糖化酶、干酵母和不同营养盐。移至33℃恒温箱中培养72小时。

  2.3 实验结果分析

  2.3.1实验结果

  对发酵结果进行分析,分析数据见表1、图2、图3、图4和表1

   

  

  图2.使用普通营养盐和发酵促进剂时

  二氧化碳失重变化

  

   图3.普通营养盐发酵24h酵母形态

  

  图4.发酵促进剂发酵24h酵母形态

  注:普通营养为添加尿素、磷酸氢二铵,实验组为添加安琪发酵促进剂SP1。

  6

   

   

  表1、使用普通营养盐和发酵促进剂时发酵期间酵母指标变化

  

  时间

  12hr

  24hr

  36hr

  48hr

  60hr

  普通营养

  细胞数(亿)

  2.48

  2.42

  2.21

  2.26

  2.04

  出芽率(%)

  11.2

  9.4

  6.2

  4.3

  1

  死亡率(%)

  1

  3

  11

  13

  52

  发酵促进剂

  细胞数(亿)

  3.12

  3.23

  3.03

  2.87

  2.68

  出芽率(%)

  18

  12

  10.2

  5.2

  3

  死亡率(%)

  0.5

  1.3

  6.7

  11.7

  26.7

   

  由图2看出,添加有机氮发酵速度要快于添加普通营养盐,24h失重增加9%,至48h失重增加15%,总失重增加3%。这是由于该品种有机氮含有大量可供酵母直接利用的速效氮源,使得酵母获得可利用氮源的效率提高,主发酵期发酵速率提升,酵母快速繁殖且强壮。

  由表1看出,添加有机氮的实验组,细胞出芽率较添加普通营养盐有明显提升,前发酵期细胞出芽率达到18 %,细胞数量明显提升,达到3.23亿/ml,这对于主发酵起到很好的稳定作用。

  且从镜检情况来看,由图3、图4看出,主发酵阶段,添加有机氮的发酵酒母要比添加普通营养的发酵酒母更加强壮,细胞形态更加饱满、均匀,内含物丰富。

  2.3.2分析讨论

     发酵促进剂含有大量可供酵母直接利用的速效氮源[5],使得酵母获得可利用氮源的效率提高,提升主发酵期发酵速率,酵母快速繁殖且强壮;提升酒母出芽及酒母细胞数,从而确保酒精发酵高效进行。

   

  3、 三万吨小麦淀粉酒精工厂大生产发酵实验

  3.1 材料

  小麦B-淀粉:市场收购小麦,经磨麸皮、提精制面粉、谷朊粉后剩余的清液,所有实验为同一批次;

  α-淀粉酶:7 U/g 原料,杰能科(中国)生物工程有限公司;

  糖化酶:100 U/g 原料,苏州宏达制酶有限公司;

  耐高温酿酒高活性干酵母:安琪酵母股份有限公司;

  发酵促进剂SP1:安琪酵母股份有限公司;

  磷酸铵、工业硫酸、尿素等。

  3.2 试验方法

  3.2.1 工艺流程

  如图3所示,采用连续发酵工艺。

   

  淀粉酶     糖化酶、硫酸

  ↓       ↓

  小麦B淀粉浆→过分离筛→蒸煮、液化→糖化→发酵→蒸馏

  ↑

  干酵母、发酵促进剂→酒母

                图5、工艺流程图

   

  3.2.2 操作步骤及工艺控制

  酒母罐:清空杀菌后,进锤度17Bx的糖化醪至15%液位,微通风,保持温度32℃,调节pH至4.2左右,投干酵母,4小时后添加酵母营养剂,即发酵促进剂10kg、磷酸铵10kg,以后每隔8h添加一次发酵促进剂、磷酸铵。对照组酵母营养添加尿素,酒母首次培养时间10小时,控制稀释率在0.03-0.05之间。

  酒母罐温度控制:31.5~32.5 ℃;pH 值控制在:3.9~4.3 之间;

  发酵罐温度控制:主发酵期温度控制在33~35 ℃,最高不超过36 ℃;

  酒母罐及发酵罐指标检测:检测项目同现有生产工艺。

  3.2.3分析方法

  还原糖质量分数用斐林试剂直接滴定法;糖度使用锤度计,pH 值采用pH计测定;酒精度采用标准酒度蒸馏法。

  3.3结果讨论与分析

  3.3.1酒母及发酵结果

  对酒母及发酵结果统计,酒母罐培养指标见表2、表3;发酵结果指标分析见表4、表5。

   

  表2、实验组酒母罐数据

  项目

  酒母罐

  平均值

  A

  B

  C

  出芽率

  19

  18.9

  20.9

  19.6

  细胞数

  0.92

  1.06

  0.95

  0.98

  酸度

  3.0

  3.0

  3.0

  3.0

   

   

  表3、同期酒母罐对比数据

  项目

  酒母罐

  平均值

  A

  B

  C

  出芽率

  12.3

  13.3

  15.7

  13.77

  细胞数

  0.89

  0.95

  1.02

  0.95

  酸度

  3.0

  3.1

  3.0

  3.0

   

   

  表4、发酵罐成熟醪实验数据对比

  项目

  罐号

  平均值

  5#

  6#

  7#

  8#

  糖化醪糖度

  19

  18

  18

  19

  18.5

  pH

  3.87

  3.80

  3.85

  3.84

  3.84

  酒份

  11.1

  10.9

  10.8

  11.0

  11.0

  酒份/糖度

  0.584

  0.606

  0.600

  0.579

  0.595

  挥发酸

  0.15

  0.1

  0.1

  0.15

  0.125

  残还原糖

  0.0075

  0.0100

  0.0075

  0.0075

  0.008

  总酸

  4.5

  4.5

  4.5

  4.5

  4.5

   

   

   

   

  表5、发酵罐成熟醪同期对比

  项目

  罐号

  平均值

  5#

  6#

  7#

  8#

  糖化醪糖度

  19

  18

  18

  18

  18.25

  pH

  3.55

  3.75

  3.90

  3.85

  3.76

  酒份

  10.7

  10.6

  10.4

  10.6

  10.575

  酒份/糖度

  0.563

  0.589

  0.578

  0.589

  0.579

  挥发酸

  0.3

  0.25

  0.15

  0.25

  0.238

  残还原糖

  0.175

  0.125

  0.125

  0.15

  0.144

  总酸

  5.0

  4.75

  4.5

  4.75

  4.75

   

  由表2、表3大生产数据对比看出,添加发酵促进剂的酒母培养,细胞出芽率较以前有明显提升,主发酵期细胞出芽率达到19%,但细胞数量基本与原工艺持平,这可能是酒母罐进料速度造成了稀释率较高导致;从镜检情况来看,细胞形态较添加以前更加饱满、细胞膜明显增厚,内含物丰富,这主要是酵母吸收该有机氮中氨基酸、小分子多肽合成自身细胞壁、细胞膜物质,巩固细胞结构。同时,由于酵母繁殖出芽后,细胞膜甾醇含量降低,因此当酵母再次接种的时候,首先要合成甾醇,产生新的细胞膜,恢复渗透性和进行繁殖,酵母有机氮含有的甾醇类物质能直接提供细胞膜所需物质,使得母细胞快速恢复,加快了出芽繁殖。

  由表4、表5数据对比看出,使用添加了发酵促进剂的酒母进行酒精发酵的实验组,发酵终了残还原糖、总酸及挥发酸都低于同期对照,酒糖比实验组较同期对照略有提高说明原料利用率提高。

  由于小麦淀粉尤其是小麦B-淀粉营养贫乏,缺少酵母生长繁殖需要的氮、磷、钾等矿物质和生长因子等,同时易产生泡沫、CO2,为满足酵母生长繁殖需要,需要增加酵母所需各种营养物质以保证酒精发酵的正常进行。

   

  3.3.2结果分析

  新型有机氮中含有的甾醇类物质能直接提供细胞膜所需物质,使得干酵母细胞快速恢复,迅速度过适应期,加快了出芽繁殖,使得酒母迅速建立种群优势,抑制杂菌的影响在前期的影响,从酵母形态上也能看出,新型有机氮中富含的微量元素及生长因子,有效的强化了酵母活力,从而提高了酵母对原料的利用率。

   

  4、结论

  通过本次实验表明,小麦淀粉酒精发酵过程中添加新型有机氮,即发酵促进剂,能够弥补小麦淀粉粉浆营养不足,提供酵母代谢所需的速效氮源、生长因子和微量元素等,强化酒母繁殖、发酵能力,抑制杂菌对发酵系统的干扰,稳定发酵终了酸度、降低发酵残糖水平,有效的提高了原料的利用率。通过提升酒母指标,达到了提升发酵水平的目的。

   

  参考文献

  [1] 王丽红,白钰,李刚.生料发酵技术在小麦淀粉乳酒精发酵上的应用概述[J].食品工业科技,2011(3):405-407.

  [2] 赵银峰.小麦酒精发酵新工艺的研究[D].河南郑州:郑州大学,2005

  [3] Roy L.Whistler.Methods in Carbohydrate Chemlstry [M].orlando:Aeedemie Press,1964,

  6-9.

  [4] 王良东.实验室小麦B淀粉的制备及提取率探讨[J].西部粮油科技,2003(6):11-13.

  [5] 陈雄,黄煌, 胡成远, 杜支红, 李沛, 姚娟, 肖冬光, 俞学锋.酵母浸出物的营养特性及其在微生物发酵中的应用[J].食品科技,2009,34(12):253-257.