耐高温α-淀粉酶在酒精生产中的应用

耐高温α-淀粉酶在酒精生产中的应用

徐宗仁郭春雷张武春宋金凤杨北川

广西中粮生物质能源有限公司广西北海536100

摘要：我国酒精工业通过数十年的努力,在生产、技术上有了很大的提高,特别在节能、综合利用和自动化等方面。自20世纪80年代末,在消化、吸收国外新技术、新设备的基础上,酒精生产技术也进入了一个新时期。“中温蒸煮”使用“耐高温α-淀粉酶”的双酶法液化、糖化工艺,在我国已推广多年,从使用效果、节能降耗、提高质量、出酒率及酒糟固液分离等方面表现出明显的优越性。

关键词：耐高温α-淀粉酶；酒精；应用；

现在每年仍以10%的产量在增加。美国主要以玉米谷物为原料,而巴西则是使用甘蔗与糖蜜。欧洲等其他发达国家正在立法推广实施燃料乙醇工程。现在全世界的酒精总产量中,燃料酒精占66%,食用酒精占14%,溶剂占11%,作为中间体占9%,由此可见,燃料乙醇已经成为酒精中主要的消费产品。我国的实际酒精生产能力已经达到500万吨左右,但开工率不足,近年来大体在70%左右,实际年生产酒精约为350万吨。

一、概述

淀粉酶是研究较多、生产最早、产量最大和应用最广泛的一种酶，特别是20世纪60年代以来，由于淀粉酶在淀粉糖工业生产及食品工业中的大规模应用，其的需要量与日俱增。到目前为止，几乎占整个酶制剂总产量的50%以上。工业生产中，一般采用纯种优良的枯草芽孢杆菌利用淀粉质原料通过深层通风发酵进行生产中温α-淀粉酶；利用纯种优良高产黑曲霉菌株，以薯类淀粉为原料，采用多级补料发酵法生产糖化酶。所以，在微生物发酵的酶废液内除了含有约20%没有被完全提取的淀粉酶，同时含有没有完全反应的原料，还含有菌体自溶物、核酸及未被微生物完全利用的糖类、无机盐、无机氮源、蛋白质等其他物质，充分利用这些营养成分，不但可以提高酒精的出酒率、给企业带来可观的经济效益，而且将营养丰富的有机废液转化为酒精发酵结束后营养贫瘠的酒糟处理，这对环境的污染程度大大降低，而且酒糟处理起来比发酵废液容易的多。因此，实验的主要目的是将酶制剂与酒精生产行业进行联合，共同创收，使得企业获得更大的收益。

二、耐高温α-淀粉酶在酒精生产中的应用

1.提高出酒率。众所周知,酒精生产的重要环节是发酵,而发酵的重点是酵母,酵母是酒精发酵的重要菌种,它的质量的好坏将直接影响到酒精发酵的成绩,关系到一个工厂的存亡,这是每一个酒精工厂所控制的重点。α-淀粉酶（液化酶）是一种催化淀粉水解成糊精的淀粉酶。该酶作用于淀粉与糖原时，从底物分子内部随机切开α-1，4-糖苷键，而生成麦芽糖、少量葡萄糖与一系列相对分子质量不等的低聚糖和糊精，现在国外在淀粉液化工艺中普遍使用耐高温α-淀粉酶。α-淀粉酶一般在pH5.5~8.0时稳定，最适pH值为5~6，pH值＜4容易失活；α-淀粉酶在40℃时活力最高，50℃以上容易失活，一些细菌来源的α-淀粉酶的最适温度为70℃。以传统黄酒的生产工艺为基础，应用黄酒活性干酵母、α-淀粉酶在不改变原工艺的条件下生产籼米乌衣红曲黄酒。使用黄酒活性干酵母、α-淀粉酶，能使发酵体系加快进入前发酵阶段，大大缩短迟缓期，减少杂菌入侵的机会，形成酵母生长与作用旺盛的优势，抑制杂菌生长，降低发酵酸度，防止酸败现象。酶活的测定方法：取底物5mL在40℃水浴预热10min，加入0.5mL酶液，准确保温5min，取0.5mL混合液加入5mL0.1mol/L的H2SO4终止反应，从中取0.5mL加入5mL稀碘液显色，在660nm处测定吸光值。以0.5mL缓冲液代替0.5mL的酶液为对照，以蒸馏水作为比色的空白。结果表明，应用黄酒活性干酵母、α-淀粉酶生产乌衣红曲黄酒，能有效降低发酵醪生酸幅度，防止酸败现象，将酒液酸度控制在较适宜的范围内，对提高出酒率、改善口味和保持酒体原有风格效果显著。目前，很多厂家为了降低生产成本，使用黄斑米作为原料，致使黄酒大米原料蛋白质含量偏高，影响了黄酒成品的风味。在以Q303菌种等霉纯种麸皮酒曲中添加适量酸性蛋白酶，对促进根霉和酵母更健壮生长、提高酒曲的糖化发酵能力有明显作用，提高了原料出酒率。但酸性蛋白酶添加于绍兴白药和上海根霉制作的谷粉小曲中基本无作用或作用较小。

2.降低能耗。由于酶制剂生产技术的千差万别,生产菌种的性能不同,一些小型的酶制剂生产企业只能生产低活性、作用条件狭窄的粗酶制品,由于添加量偏大,作用条件苛刻而无法满足现代酒精大规模生产的需要。目前在酒精糖化工艺中所使用的糖化酶全部来自于黑曲霉菌糖化酶,其最适pH范围在4.0～4.5,当采用清液回配工艺时,液化液需要用酸调整其pH到4.0～4.5,以保证糖化酶的活性发挥及达到酵母菌发酵的最适pH。由此可见,在液化中选择耐低pH的高温淀粉酶可以节省大量的酸碱等化学品。糖化酶的最适作用温度为58～62℃,一般温度升高到70℃以上时会引起严重失活。一般来说,外界因素可以影响到酵母机体的改变,如发酵醪液的温度、pH、浓度、营养成分都可以影响到酵母的质量。作为酵母营养物质所必需的碳源来自糖化好的可发酵性糖,而作为氮源,酵母并不能完全利用原料自身所含有的这些成分,一般仍需要外加补充利用。研究表明,蛋白酶在发酵醪中的加入可以促进糖化酶的水解,这两种酶起到协同增效的作用。原因是蛋白酶对于原料中蛋白质的水解可以破坏原料淀粉颗粒间质细胞壁的结构,使其包裹的淀粉释放出来,有利于糖化酶的作用。由于酸性蛋白酶是在酸性条件下起作用,而在糖化酶水解淀粉与酵母发酵也都是在低的pH下进行的,因此在pH为4.0~4.5时的发酵醪对于糖化酶、酸性蛋白酶与酒精酵母都是最佳的,酸性蛋白酶可以将原料中的蛋白质水解得比较彻底,这会使发酵成熟醪的粘度明显降低,有利于浓醪发酵和发酵罐的清洁以及酒精蒸馏。酒精工业所应用的商品酸性蛋白酶都为液体制剂,由于其生产的特殊性,产品质量各不相同,国内的一些工厂由于技术因素的影响所生产的酸性蛋白酶酶活力较低、纯度不高以及杂质超标,特别是卫生指标比较低,只能是在工业级范围内使用,生产的酸性蛋白酶酶活力高、纯度高、特别是卫生指标完全符合食品级标准,因此被广泛应用在国内外的酒精行业。加入耐高温α-淀粉酶后,使蒸煮醪、糖化醪粘度降低,流动性好,有利于管道输送,便于浓醪发酵,提高设备利用率。加入耐高温α-淀粉酶后,其酒糟固液分离容易,有利于废糟水的综合治理,减少了环境污染。

3.存在问题。酶废液中的具体成分及其含量尚不清楚，对影响酵母生长的因素不明确，在第一批酒精发酵结束前的100h里对酵母影响不大，但是如果要进行连续发酵，酵母生长是否不受影响，需要进一步分析研究。同时，酶废液的添加量及其添加时间也需要进一步实验，以得到最佳效果。另外，实验只是在实验室进行小批量生产酒精水平上进行的研究，是否适用于大批量生产酒精需要进一步探索。

结束语：

总之,耐高温α-淀粉酶中温蒸煮工艺应用于酒精生产,综合效益显著,是酒精行业节能降耗,提高经济效益的最佳途径之一,对于推动酒精工业的发展具有重要的现实意义。

参考文献：

[1]贾树彪,李盛贤,吴国峰.新编酒精工艺学[M].北京:化学工业出版社,2016.71

[2]赵华,赵树欣,才向东,等.玉米原料酒精浓醪发酵技术的研究[J].酿酒科技,2016(5):38-40

[3]王岩,王傲宇.添加酸性蛋白酶生产玉米酒精新技术[J]。实用技术,2016(6):15