提高淀粉质原料酒精浓醪发酵酒精度的方法

摘要

提高淀粉质原料酒精浓醪发酵酒精度的方法。本发明将传统酒曲作为发酵促进剂，应用于淀粉质原料的酒精浓醪发酵中，一方面，酒曲中含有较高糖化酶和其他酒精发酵有益酶系，可代替部分糖化酶，并协同糖化酶和酵母进行酒精发酵，提高发酵速度，缩短发酵周期6～15h；另一方面，酒曲中含有麦角甾醇、不饱和长链脂肪酸等保护因子，可以帮助酵母抵抗酒精毒性，保持酵母细胞活力，使最终发酵醪的酒精浓度提高1°～2°，使每吨酒精的生产成本下降50～200元。

说明书

【技术领域】：本发明涉及一种淀粉质原料酒精发酵的方法，特别是以酒曲为促进剂提高淀粉质原料酒精浓醪发酵酒精度的方法。

【背景技术】：酒精是酵母自然代谢的产物，在高浓度发酵后期，高浓度的酒精是抑制发酵的主要因素。酒精的毒性表现在：增加质子向酵母细胞的迁移速度，从而降低ATP酶活性，抑制氨基酸的吸收和细胞的繁殖；酒精还能破坏细胞膜中的磷脂双层结构，导致细胞内组分的流失；酒精对酒精脱氢酶的活力也有抑制作用，增加了乙醛的毒性。在正常发酵中，发酵停滞的主要原因是所产酒精的浓度过高带来的毒性作用。许多酵母研究者报道了在酒精浓度增加的情况下，细胞的反应是补充细胞膜中的存活因子，包括不饱和长链脂肪酸和甾醇(常带有不饱和侧链)。这些保护因子在一定程度上抵消了酒精的破坏作用，使细胞膜恢复原有的通透性和流动性。

我国传统的黄酒酿造过程中，采用米曲霉、根霉等菌种制成曲料，作为糖化剂，其发酵醪酒精含量可高达20％以上；在大曲酿造中，大曲中的微生物是自然采集的，酒醅酒精含量为8％～12％，对其中的液相而言酒精含量为14％～18％；而酒精发酵是以黑曲霉生产的纯糖化酶为糖化剂，相同的酵母菌种在酒精生产中其酒精耐性一般不超过12％。

国内外有不少关于酒精浓醪发酵的研究报告，其中许多报道的酒精浓度达15％～20％，但均为实验室成果，离实际应用还有一定距离。存在的主要问题有：一是有些菌种酒精耐性虽高，但其发酵速度慢，且只适宜于低温发酵，当发酵温度较高时菌种对酒精的耐性即大为下降；二是添加某些发酵辅助因子(如氨基酸、维生素、酵母膏、蛋白胨等)虽然可以提高发酵速度和酒精发酵浓度，但其成本过高，不符合生产实际；三是大多数报道均为实验室数据，一旦放大至发酵罐规模其发酵速度和酒精发酵浓度都大为下降，不能投入实际生产。我国年产酒精约300万吨，占世界第三位，但发酵浓度低、生产成本高，特别是与世界先进水平相比，发酵醪浓度低25～35％，能源消耗高30％左右。降低酒精生产的能耗和成本，是发展燃料酒精的关键所在。

【发明内容】：本发明的目的是解决上述已有酒精浓醪发酵方法或为实验室成果、或生产成本过高，不符合生产实际，不能投入实际生产的问题，开发一种廉价而又适合于大生产应用的酒精发酵促进剂，降低高浓度酒精对酿酒酵母的毒害作用，从而提供了一种提高发酵速率和酒精发酵浓度的酒精浓醪发酵的方法。

本发明为解决公知技术中存在的主要问题所采取的技术方案是：在淀粉质原料的酒精发酵中，添加一定量的传统酒曲代替部分糖化酶进行酒精发酵，其作用在于：一方面，酒曲中除含有较高的糖化酶活性外，还含有一定量的蛋白酶、纤维素酶和果胶酶等多酶系，这些酶的协同作用可提高淀粉质原料糖化发酵的效率，从而提高酒精发酵的速度；另一方面，酒曲中含有麦角甾醇、不饱和长链脂肪酸等保护因子，可以帮助酵母抵抗酒精毒性，保持细胞活力，从而可提高酒精发酵的浓度，其具体方法如下：

(1)将淀粉质原料经粉碎后，用50℃至70℃的温水按1∶1.8～3.0的加水比调浆；

(2)向(1)中加入耐高温α-淀粉酶2～12U/g原料，CaCl₂0.10～0.2g/100g原料，混匀后升温至80～95℃，糊化液化60～120min；

(3)糊化醪冷却到55～60℃，加糖化酶60～150U/g原料，糖化10～90min；

(4)糖化醪冷却至30℃，加原料重量0.10％～0.20％的尿素，0.5％～8％的酒曲粉，其中酒曲粉亦可在糖化过程中或发酵开始一段时间如0～24h后加入；

(5)接入培养的酒母或活性干酵母活化液，酵母细胞接种量为1.5×10⁷～4.5×10⁷/mL，30～40℃发酵，发酵后期间歇适量通风数次，发酵周期48～80h，发酵醪酒精浓度为14％(V)～18％(V)。

上述淀粉质原料可以是玉米、薯干、木薯、高粱、大米、小麦等。

上述酒曲可以是红曲、黄酒曲、根霉曲、大曲、小曲中的一种或它们中的几种组成的混合物。

本发明的优点和积极效果：本发明将传统酒曲作为发酵促进剂应用到淀粉质原料的酒精浓醪发酵生产中，一方面，酒曲中含有较高糖化酶和其他酒精发酵有益酶系，可代替部分糖化酶，并协同糖化酶和酵母进行酒精发酵，提高发酵速度，缩短发酵周期6～15h；另一方面，酒曲中含有麦角甾醇、不饱和长链脂肪酸等保护因子，可以帮助酵母抵抗酒精毒性，保持酵母细胞活力，使最终发酵醪的酒精浓度提高1～2°，而酒精浓度的提高将大大降低酒精蒸馏和DDGS的加工成本，使每吨酒精的生产成本可下降50～200元。

【具体实施方式】：

实施例1：杜氏管发酵试验

10Bx麦芽汁培养基，酒精含量16％(V)～24％(V)，每一酒精梯度分别添加液体体积2％的红曲、黄酒曲、根霉曲、大曲和小曲。液体酵母种子接种量为10％，置于30℃恒温箱静置培养，每种酒曲每个酒精浓度做三个平行试验。发酵12h后，随时观察有无气泡产生，实验结果见表1。与空白比较，添加酒曲后，酿酒酵母的耐酒精能力明显提高，其中添加黄酒曲和小曲的效果最好，耐酒精能力提高了4度。

表1不同酒曲对酿酒酵母耐酒精能力的影响

  酒精浓度  ％(V)    16   17    18    19    20   21   22   23   24  空  白    +    +     +     -     -    -    -    -    -  红  曲  黄酒曲  根霉曲  大  曲  小  曲    ++   ++    +     +     +    +    -    -    -    ++   ++    ++    ++    +    +    +    -    -    ++   ++    ++    +     +    +    -    -    -    ++   ++    +     +     +    +    -    -    -    ++   ++    ++    ++    +    +    +    -    -

注：“++”表示发酵良好，“+”表示发酵，“-”表示不发酵。

实施例2：250mL三角瓶发酵试验

(1)糊化液化：取80g玉米粉于250mL三角瓶中，加70℃温水160mL调浆，加耐高温α-淀粉酶800U，CaCl₂0.1g，混匀后升温至85～90℃，糊化液化90min。

(2)糖化：糊化醪冷却到60℃，每瓶加糖化酶8800～11040U(糖化酶的用量视酒曲糖化酶活力而定)，糖化40min。

(3)加酒曲：糖化醪冷却到30℃，每瓶加尿素0.12g，分别添加3.2g红曲、黄酒曲、根霉曲、大曲和小曲作发酵促进剂。每瓶的总糖化力(糖化酶+酒曲)相同，都为12000U(或150U/g原料)。

(4)发酵：每瓶接AY-15酵母培养种子(酵母细胞数为1.5亿/mL)40mL，30℃恒温静置发酵72h。

(5)发酵结束后分别测定残糖、酒精浓度，并计算淀粉对乙醇得率，结果见表2。从结果看，添加酒曲后，发酵醪酒精浓度明显提高，其中添加黄酒曲的效果最好，发酵醪酒精浓度比空白提高1.6度，相对出酒率提高11.1％。

表2不同酒曲酒精发酵效果比较(三次试验平均值)

    项  目  红曲   黄酒曲   根霉曲  大曲    小曲     空白残糖(g/100mL)酒精浓度(％，v/v)淀粉对乙醇得率(％)相对出酒率(％)  0.61   0.31     0.32    0.43    0.35     2.80  15.6   16.0     15.8    15.4    15.7     14.4  50.41  51.71    51.06   49.77   50.74    46.54  108.3  111.1    109.7   106.9   109.0    100

注：计算淀粉对乙醇得率时，按投入的总淀粉计。

实施例3：5L罐酒精浓醪发酵试验

(1)糊化液化：取玉米粉1350g，加70℃温水2430mL调浆，加耐高温α-淀粉酶(20000U/mL)0.7mL，CaCl₂1.7g，混匀后升温至85～90℃，糊化液化90min。

(2)糖化：糊化醪冷却到60℃，加糖化酶(10⁵U/mL)1.6mL，糖化30min。

(3)加酒曲：糖化醪冷却到30℃，加黄酒曲(糖化酶活力：1000U/g)27g，加尿素2.2g。

(4)接种发酵：取耐高温活性干酵母3.5g，加入2％糖水中，35℃活化30min，接入5L发酵罐开始发酵，发酵液总体积约3600mL。

(5)温度控制：发酵前期(0～12h)30℃，主发酵期(12～28h)35℃，后发酵期30℃，72h发酵结束。

(6)发酵结束后分测定残糖、酒精浓度，并计算淀粉对乙醇得率，结果见表3。结果表明，与对照相比，加黄酒曲的酒度提高0.9度，淀粉出酒度提高3.5个百分点；加黄酒曲且发酵后期间歇通风的酒度提高1.9度，淀粉出酒度提高6.04个百分点，相对出酒率提高13.1％，且发酵周期缩短12h。

表3  5L罐酒精浓醪发酵试验结果(三次试验平均值)

发酵条件  酒精度(％，v/v)  残糖     淀粉对乙醇(g/100mL)  得率(％)  48h    60h    72h对照加黄酒曲加黄酒曲且后发酵期间歇通风  13.2   14.0   14.5                               2.73      46.09  14.7   15.4   15.6                               0.88      49.59  15.7   16.3   16.4                               0.41      52.13

注：计算淀粉对乙醇得率时，按投入的总淀粉计。

实施例4：5m³罐酒精浓醪发酵试验

(1)糊化液化：取玉米粉1400kg，加60℃左右温水2500L调浆，加耐高温α-淀粉酶(20000U/mL)350mL，CaCl₂1.5kg，混匀后升温至85～90℃，糊化液化90min。

(2)糖化：糊化醪冷却到60℃，加糖化酶(10⁵U/mL)1.4L，糖化30min。

(3)加酒曲：糖化醪冷却到30℃，加小曲(糖化酶活力：800U/g)30kg，加尿素2kg。

(4)接种发酵：取耐高温活性干酵母3kg，加入2％糖水中，35℃活化30min，接入5m³发酵罐开始发酵，发酵液总体积约3900L。

(5)温度控制：发酵前期(0～12h)28～30℃，主发酵期(12～30h)33～35℃，后发酵期30～33℃。

(6)通风：发酵30h后，间歇通风，每次5min，每8h左右通一次。

发酵结束后分测定残糖、酒精浓度，并计算淀粉对乙醇得率，结果见表4。结果表明，与对照相比，加小曲的酒度提高1.3度，相对出酒率提高9.1％，发酵周期缩短8h。

表4  5L罐酒精浓醪发酵试验结果(三次试验平均值)

发酵条件发酵周期  (h)  酒精度 (％，v/v)  残糖(g/100mL)淀粉对乙醇得  率(％)相对出酒率    (％)对照  76  14.2  2.85    47.57    100加小曲  68  15.5  0.58    51.92    109.1

注：计算淀粉对乙醇得率时，按投入的总淀粉计。