劉勁松，施　清，羅　天，鄔善遠(yuǎn)，李梅忠，許引虎

（1.中糧生化能源（肇東）有限公司，黑龍江綏化152000； 2.國(guó)家酵母技術(shù)研究推廣中心，湖北宜昌443003； 3.安琪酵母股份有限公司，湖北宜昌443003）

應(yīng)用有機(jī)營(yíng)養(yǎng)優(yōu)化酒精發(fā)酵水平

劉勁松1，施清3，羅天3，鄔善遠(yuǎn)3，李梅忠2，許引虎2

（1.中糧生化能源（肇東）有限公司，黑龍江綏化152000； 2.國(guó)家酵母技術(shù)研究推廣中心，湖北宜昌443003； 3.安琪酵母股份有限公司，湖北宜昌443003）

介紹了酒精發(fā)酵中酵母的組成，包括元素、含量以及作用。闡述了酒精發(fā)酵有機(jī)營(yíng)養(yǎng)劑的機(jī)理，重點(diǎn)說(shuō)明了應(yīng)用發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)劑提高發(fā)酵酒精生產(chǎn)水平的措施，包括微調(diào)原料蒸煮工藝、改變成熟酒母指標(biāo)、取消額外加酸、改變營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)等方式，通過(guò)以上措施可實(shí)現(xiàn)指標(biāo)優(yōu)化。

酒精發(fā)酵； 發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)劑； 有機(jī)氮； 酵母

發(fā)酵酒精以其低能耗、高產(chǎn)出、少污染、低投資、高效益等特點(diǎn)，已成21世紀(jì)最具發(fā)展前景的行業(yè)之一。截止2015年，全球發(fā)酵化學(xué)品市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)5500萬(wàn)t，其中，發(fā)酵乙醇的市場(chǎng)規(guī)模約為3000萬(wàn)t。預(yù)計(jì)到2020年，全球發(fā)酵化學(xué)品市場(chǎng)產(chǎn)值將達(dá)到658.1億美元，其中，發(fā)酵乙醇的市場(chǎng)產(chǎn)值將達(dá)到372億美元［1］。2015年，我國(guó)發(fā)酵酒精的產(chǎn)量更是超過(guò)1000萬(wàn)kL，銷(xiāo)售收入近800億元，同比增長(zhǎng)6.34%［2］。但是，在看到增長(zhǎng)額的同時(shí)，也要看到目前我國(guó)酒精發(fā)酵生產(chǎn)行業(yè)存在的問(wèn)題，特別是對(duì)于酒精酵母在培養(yǎng)中的營(yíng)養(yǎng)方面的認(rèn)識(shí)還存在不足，依然停留在單一變量階段，能省則省，往往忽略了營(yíng)養(yǎng)、酵母和整個(gè)發(fā)酵體系的相互關(guān)系。本文通過(guò)對(duì)一款發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)劑的添加，闡述了針對(duì)該產(chǎn)品的微調(diào)工藝（即符合最佳使用條件），以最大化發(fā)揮其效果，為廣大同行提供一種新的優(yōu)化酒精生產(chǎn)工藝的思路。

1　酒精酵母的成分分析及營(yíng)養(yǎng)需求

酒精酵母，作為一種單細(xì)胞真菌，其細(xì)胞內(nèi)的元素種類以及含量見(jiàn)表1。

表1　酵母細(xì)胞內(nèi)的元素種類及含量［3］

高活性干酵母主要由蛋白質(zhì)、核酸、脂肪、灰分以及維生素構(gòu)成。其中灰分主要含有磷、鉀、鈉等元素。在酒精發(fā)酵液中，酵母細(xì)胞中含氮量雖然不高，只占到2%左右［4］，但是它的作用卻非常重要。大量研究表明，在發(fā)酵液中游離氨基氮的濃度大于100 mg/L時(shí)，酵母菌的繁殖呈直線增長(zhǎng)，而當(dāng)含量超過(guò)870 mg/L時(shí)，再增加含氮量也不會(huì)對(duì)其有明顯的影響。因此氮濃度在150～870 mg/L的范圍，會(huì)直接影響到發(fā)酵的速度。磷是構(gòu)成酵母的核酸、磷脂和許多輔酶的成分，它參與碳水化合物代謝主要步驟的磷酸化過(guò)程，生成高能磷酸化合物ATP，貯存和輸送能量；同時(shí)磷酸鹽又是重要的pH值緩沖劑。磷酸鹽的添加量是根據(jù)氮源的添加量來(lái)確定，一般3份N2需要1 份P2O5。其他元素對(duì)氮源吸收的作用見(jiàn)圖1。

圖1　不同元素對(duì)酵母代謝的作用

2　酒精發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)劑的特性分析

酒精發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)劑，是指一種采用酵母制品進(jìn)行生產(chǎn)、復(fù)配而成的含有豐富氮源、微量元素、生長(zhǎng)因子和有機(jī)酸，用于提供給酒精發(fā)酵中酵母新陳代謝所需的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。酒精發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)鹽主要包含以下幾種物質(zhì)：酵母粉、多組分無(wú)機(jī)鹽、生長(zhǎng)素、抗酒精試劑和抗?jié)B透壓試劑等。其有效作用包括：合法、高效營(yíng)養(yǎng)助推器，為酒精酵母提供天然、安全的生物營(yíng)養(yǎng)源；改善和促進(jìn)酵母生長(zhǎng)，提高酵母活力；提供豐富的可利用氮；不產(chǎn)生任何副產(chǎn)物，不影響副產(chǎn)品的生產(chǎn)。目前，隨著超期儲(chǔ)存和蓆茓囤儲(chǔ)存糧食定向競(jìng)價(jià)銷(xiāo)售，原料質(zhì)量存在不同程度的波動(dòng)，這些原料對(duì)于酒精生產(chǎn)有較大的負(fù)面影響，可能抑制釀酒酵母菌的生長(zhǎng)、繁殖和發(fā)酵等代謝活動(dòng)。在發(fā)酵中可能缺乏的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)包括低分子量氮、維生素以及無(wú)機(jī)鹽如鋅、磷、硫、鎂、鈣等。添加酒精發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)劑，使釀酒酵母在酒精發(fā)酵中保持高效、持久和旺盛的發(fā)酵狀態(tài)，從而提高其發(fā)酵速率、耐滲透壓性能和抗酒精能力。

3　原料處理的微調(diào)

長(zhǎng)期以來(lái)，各大酒精生產(chǎn)企業(yè)實(shí)行中、高溫蒸煮或者噴射液化工藝。采用這種工藝，一是為了給液化酶的作用提供良好的條件，縮短高分子淀粉降解為低分子糊精或單糖所需的時(shí)間；二是因?yàn)樯a(chǎn)原料的粗放，而酒精生產(chǎn)需要無(wú)菌條件，高溫能夠控制雜菌對(duì)生產(chǎn)的影響；三是控制合理的DE值，為糖化酶的高效工作提供良好的條件。使用酒精發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)鹽時(shí)，為了保證營(yíng)養(yǎng)鹽的高效，需要對(duì)液化蒸煮溫度做一定程度的調(diào)整，一方面保持合理的糊精及低聚糖和少量的單糖，配合糖化酶的高效酶解；另一方面，也是為了最大化地發(fā)揮營(yíng)養(yǎng)鹽的優(yōu)勢(shì)。液化工段分為4個(gè)步驟：調(diào)漿、預(yù)液化、液化、后液化。調(diào)漿，即拌料，55～60℃工藝水調(diào)節(jié)至所需的料液濃度，調(diào)節(jié)pH值，加入所需淀粉酶（一次添加或二次添加）；預(yù)液化，即升溫階段，目的是使粉料吸水膨脹，同時(shí)將粉漿溫度提高至85℃，有利于二次蒸汽的高效利用；液化，目前國(guó)內(nèi)廠家主要有兩種液化方式，較先進(jìn)的有噴射液化，這種技術(shù)可配合耐高溫α-淀粉酶的使用，最大限度地提高液化效果，該工藝蒸汽用量較少，結(jié)構(gòu)輕巧、控制精度高、操作運(yùn)行平穩(wěn)；另一種為直接升溫液化，該工藝要求在劇烈的攪拌下將粉漿升溫至85～90℃，并維持30～60 min。采用該法易造成料液過(guò)濾性差，糖濃度低，一般是在液化完成后升溫至130～140℃保溫10 min。采用發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)鹽后，可適當(dāng)降低后液化溫度至85～90℃，或者取消后液化操作，原因是發(fā)酵鹽在進(jìn)入料液后，可部分作用于原料，降低料液黏度、提高DE值。

4　成熟酒母指標(biāo)的微調(diào)

目前，大部分酒精廠在酒母培養(yǎng)過(guò)程中，通常將成熟酒母的指標(biāo)定義為高細(xì)胞數(shù)、一定的出芽率。這本身沒(méi)有錯(cuò)，因?yàn)橛捎诰凭a(chǎn)的特殊性，需要依靠高細(xì)胞數(shù)來(lái)最大程度地減少雜菌進(jìn)入整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)，導(dǎo)致料液生酸，也是保證高發(fā)酵強(qiáng)度的要求。而采用酒精發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)鹽后，為了更好的發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，需要將成熟酒母指標(biāo)控制在一定的細(xì)胞數(shù)、高出芽率（每個(gè)工廠檢測(cè)出芽率的習(xí)慣各不相同，只要比現(xiàn)有出芽率有較大幅度的提高即可）。因?yàn)橐欢ǖ募?xì)胞數(shù)和高出芽率能夠保證酒母旺盛，同時(shí)能夠發(fā)揮酒精發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)鹽高效、復(fù)合營(yíng)養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)，又能夠有效抑制雜菌的繁殖，降低產(chǎn)酸損失?？梢圆扇〉拇胧┌ㄟm當(dāng)縮短酒母培養(yǎng)時(shí)間；優(yōu)化干酵母接種初始糖濃度，提高干酵母接種量等。

5　pH值的微調(diào)

目前，酒精生產(chǎn)中的pH值調(diào)節(jié)主要通過(guò)硫酸和片堿來(lái)實(shí)現(xiàn)。液化酶、糖化酶和酵母均對(duì)pH值有要求，其中又以酵母對(duì)pH值的要求更加苛刻，酵母生長(zhǎng)、繁殖、發(fā)酵所需的pH值均有差異，酶制劑和酵母均需要微酸環(huán)境。一般情況下，無(wú)論何種形式的氮源，酵母均需要將其首先作用為谷氨酸，再合成自身所需的各種氨基酸、多肽以及蛋白質(zhì)，而谷氨酸呈酸性，尿素溶液呈中性，所以需要用硫酸調(diào)節(jié)pH值。而酒精發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)鹽本身來(lái)源于酵母，產(chǎn)品屬于酸性，故不需要添加硫酸調(diào)節(jié)pH值。這就實(shí)現(xiàn)了酒母培養(yǎng)的無(wú)酸發(fā)酵。至于原料處理實(shí)現(xiàn)無(wú)酸，則需要對(duì)酶制劑和原料處理工藝進(jìn)行研究。

6　酵母營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的微調(diào)

研究表明，一般情況下，酒精酵母優(yōu)先利用體系中的谷氨酰胺、谷氨酸和銨離子這3種氨基酸。其次被優(yōu)先利用的游離α-氨基酸包括蘇氨酸、絲氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、脲和精氨酸。另外，發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)劑中的脯氨酸含量較高，由于酵母菌只有在有氧條件下才能利用脯氨酸作為氮源，因此在酒母培養(yǎng)階段使用發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)劑，能夠極大地補(bǔ)充氮源。1995年，Jiranek、Langridge和Henschke［5-6］利用合成培養(yǎng)基對(duì)釀酒酵母進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)，對(duì)氨基酸和銨態(tài)氮的利用水平進(jìn)行觀察后指出，除甘氨酸外，在酒精發(fā)酵體系中，所有種類的氨基酸含量都有不同程度的減少。Cooper、Gorinstein、Henschke和Large［7-10］不同時(shí)間報(bào)道了酵母菌優(yōu)先利用的氨基酸種類依次為谷氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、天冬酰胺、蘇氨酸、酪氨酸、精氨酸。一般情況下，發(fā)酵體系中保持鋅離子的含量在0.25～2 mg/L。如果鋅離子含量不足，乙醇脫氫酶等胞內(nèi)酶活力明顯下降，引起酵母增殖緩慢、發(fā)酵速度減慢；如果鋅離子濃度過(guò)高，可以促進(jìn)酵母的生長(zhǎng)代謝，但是酵母極易衰老、自溶。氟離子、硝酸根離子會(huì)改變酵母遺傳，抑制發(fā)酵和酵母生長(zhǎng)，氧化硅離子與蛋白質(zhì)結(jié)合形成硅體渾濁，在發(fā)酵時(shí)形成膠團(tuán)，吸附在酵母表面，降低酵母的代謝能力。發(fā)酵體系中有效磷含量不足時(shí)，酒精酵母的整個(gè)生命過(guò)程都會(huì)受到不良影響［11］。所以，應(yīng)用于酒精發(fā)酵的營(yíng)養(yǎng)劑，選擇很關(guān)鍵，選擇的原則要符合食品安全、酵母易吸收利用、營(yíng)養(yǎng)全面、價(jià)格合理等條件。

7　直接指標(biāo)優(yōu)化

采用酒精發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)劑并進(jìn)行以上的工藝微調(diào)后，最直接的現(xiàn)象是：①酵母的細(xì)胞數(shù)有一定程度的下降，但是出芽率較對(duì)照有了明顯的提升；細(xì)胞形態(tài)較之前更加飽滿、細(xì)胞膜明顯增厚，內(nèi)含物豐富；②生酸值降低了約10%，尤其是揮發(fā)酸，降低幅度達(dá)到50%；③降低了原料處理的蒸汽能耗，減少了由于高溫蒸煮造成的糖分損失；④取消了硫酸的添加，消除了危險(xiǎn)源和酸對(duì)設(shè)備的腐蝕影響；⑤提升了成品酒精的品質(zhì)。

8　小結(jié)

酒精生產(chǎn)中，應(yīng)用于酵母的營(yíng)養(yǎng)劑，一方面要保證其安全、豐富和高效；另一方面，必須嚴(yán)格把控工藝，使得生產(chǎn)工藝符合發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)劑的最優(yōu)要求，只有這樣，才能真正提高酒精生產(chǎn)水平。

［1］Fermentation chemicals market analysis by product（alcohols，enzymes，organic acids），by application（industrial，food& beverages，nutritional&pharmaceuticals，plastics&fibers）and segment forecast to 2024［EB/OL］.（2016-07-01）. http://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/ fermentation-chemicals-market.

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Optimization of Alcohol Fermentation Using Organic Nutrients

LIU Jingsong1，SHI Qing3，LUO Tian3，WU Shanyuan3，LI Meizhong2and XU Yinhu2
（1.COFCO Energy（Zhaodong）Co.Ltd.，Suihua，Heilongjiang 152000；2.State Yeast Technology Research&Promotion Center，Yichang，Hubei 443003；3.Angel Yeast Co.Ltd.，Yichang，Hubei 443003，China）

In this paper，the composition of yeast in alcohol fermentation was introduced including elements，content，and functions.In addition，the working mechanism of organic nutrients in alcohol fermentation was elaborated.Especially，the measures of using fermentation nutrients to improve alcohol fermentation levels were put forward，including regulating raw material cooking and steaming techniques，changing fermentation starter indexes，cancelling acid addition，and changing nutritional structure，etc.The above measures might improve alcohol fermentation in practice.（Trans.by YUE Yang）

alcohol fermentation；fermentation nutrients；organic nitrogen；yeast

TS262.2；TS261.1；TS261.4

A

1001-9286（2016）09-0083-03

10.13746/j.njkj.2016232

2016-07-21

劉勁松（1974-），男，高級(jí)工程師，博士，主要從事谷物發(fā)酵生產(chǎn)酒精及生物質(zhì)能源方面的研究工作，E-mail：liujinsong@cofco.com。

優(yōu)先數(shù)字出版時(shí)間：2016-08-12；地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20160812.1028.004.html。