劉曉峰，李 莉，劉新穎

（1.國(guó)投生物能源（鐵嶺）有限公司，遼寧調(diào)兵山 112700；2.廣西中糧生物質(zhì)能源有限公司，廣西北海 536100）

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，社會(huì)與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展所面臨的能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)等問題將日益凸顯，推廣使用乙醇汽油是國(guó)家著力緩解能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)問題的一項(xiàng)戰(zhàn)略性舉措。

2017 年9 月，國(guó)家十五部委下發(fā)《關(guān)于擴(kuò)大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車用乙醇汽油的實(shí)施方案》，目前國(guó)內(nèi)各原料主產(chǎn)區(qū)的省市擬建燃料乙醇項(xiàng)目積極性較高，但產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展水平，降低生產(chǎn)成本，研究新的生產(chǎn)工藝等諸多挑戰(zhàn)[1-3]。目前世界上傳統(tǒng)淀粉質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)酒精方式多采用玉米、木薯酒精生產(chǎn)工藝，隨著玉米價(jià)格越來(lái)越高，多種原料生產(chǎn)燃料乙醇已成為中國(guó)燃料乙醇技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，可以有效降低燃料乙醇企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本。

為了探究小麥與水稻在相同生產(chǎn)工藝條件下的共發(fā)酵效果，本文采用搖瓶法，對(duì)添加不同比例的陳小麥與水稻共發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇進(jìn)行研究，為燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)降低成本，提高生產(chǎn)效率提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑及儀器

原料：水稻，國(guó)內(nèi)某糧庫(kù)；小麥，國(guó)內(nèi)某糧庫(kù)。

菌種：干酵母，安琪超酒酵母。

試劑及耗材：0.25 %葡萄糖；斐林試劑；0.5 %次甲基藍(lán)指示劑；NaOH；HCl；H2SO4；淀粉酶，諾維信，酶活10萬(wàn)/mL；糖化酶，諾維信，酶活10萬(wàn)/mL。

儀器設(shè)備：分析天平（BSA4202S-CW，BSA224S-CW，SARTORIUS）；粉碎機(jī)（WK-400A），上海新諾儀器設(shè)備有限公司；pH計(jì)（PHSJ-4F），上海雷磁；顯微鏡（XSP-BM19），上海光學(xué)儀器；雙層大容量全溫?fù)u床（上海智城ZHWY-2012）；生化培養(yǎng)箱（LRH-250），上海一恒；高效液相色譜（LC-20A），日本島津；自動(dòng)旋光儀（SGW-2），上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司；數(shù)顯油浴鍋（HHS4），常州潤(rùn)華電器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程

燃料乙醇生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)圖見圖1[3]。

圖1 燃料乙醇生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)圖

1.2.2 工藝操作要點(diǎn)

（1）原料預(yù)處理：水稻、小麥原料分別去雜，粉碎，混合，按照每份400 g 稱取物料，用工藝水進(jìn)行調(diào)漿。

（2）拌料：配料后調(diào)粉漿pH5.6～5.8，加入淀粉酶，檢測(cè)拌料固形物。

（3）液化：樣品放入90 ℃水浴鍋中蒸煮液化2.0 h，形成液化醪，檢測(cè)液化醪黏度。

（4）發(fā)酵：液化醪冷卻至32 ℃后用硫酸溶液調(diào)pH 值至4.4，加入糖化酶、蛋白酶、抑菌劑、干酵母等輔料，搖勻，用紗布封口，然后置于雙層大容量全溫?fù)u床，8 h 后移入恒溫培養(yǎng)箱中發(fā)酵72 h，發(fā)酵溫度8 h 前控制在30 ℃，8 h 至成熟控制在32 ℃。發(fā)酵結(jié)束后取出分析酒精度、殘總糖、殘還原糖，并進(jìn)行色譜分析。

1.2.3 分析測(cè)定方法

水分含量測(cè)定：采用105 ℃烘箱法；淀粉含量測(cè)定：采用旋光法；發(fā)酵殘?zhí)?、還原糖的測(cè)定：采用斐林試劑法[4]；酒精度：酒精計(jì)法；麥芽四糖、麥芽三糖、葡萄糖、果糖、乳酸、甘油、乙酸、乙醇的檢測(cè)：HPLC法[5]。

殘淀粉、殘糊精的計(jì)算方法：

殘淀粉=（殘總糖-過(guò)濾總糖）×0.9；

殘糊精=（過(guò)濾總糖-還原糖）×0.9。

2 結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)設(shè)置2 批次平行試驗(yàn)，按小麥添加比例0 %、10 %、15 %、20 %分別編號(hào)為A1、A2，B1、B2，C1、C2，D1、D2。

2.1 原料檢測(cè)結(jié)果

將粉碎后的陳小麥、水稻進(jìn)行組分分析，其分析結(jié)果見表1。由表1 可知，小麥中淀粉含量比水稻中淀粉含量稍高，小麥中蛋白含量遠(yuǎn)高于水稻中蛋白含量。

表1 原料成分分析結(jié)果 (%)

2.2 液化醪檢測(cè)結(jié)果

液化后的液化醪檢測(cè)結(jié)果見表2。由表2 可知，添加小麥后液化醪液黏度比水稻液化醪黏度增加，添加比例越多，黏度越大，添加了20 %小麥的液化醪黏度達(dá)到609.44 mPa·S，比水稻液化醪黏度增加100～300 mPa·S。

表2 添加不同比例小麥的液化醪檢測(cè)結(jié)果

2.3 發(fā)酵失重和成熟醪酒精度對(duì)比

發(fā)酵過(guò)程失重主要是二氧化碳的溢出，也包括少量酒精和水分的揮發(fā)損失。發(fā)酵失重率高和低，速度快和慢均可體現(xiàn)出發(fā)酵醪質(zhì)量的優(yōu)劣和動(dòng)態(tài)變化。由圖2 和表3 可以看出，通過(guò)添加0 %～20%比例小麥的水稻發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，從酒精度和失重指標(biāo)來(lái)看，結(jié)果表明，添加不同比例小麥的水稻酒精發(fā)酵效果差別不大，添加15 %小麥比例水稻酒精發(fā)酵效果稍好，同時(shí)發(fā)酵失重較低。

表3 添加不同比例小麥的液化醪檢測(cè)結(jié)果

圖2 添加不同比例小麥70 h發(fā)酵失重對(duì)比

2.4 成熟醪殘總糖結(jié)果對(duì)比

成熟醪殘總糖在酒精發(fā)酵工藝中是一個(gè)重要的指標(biāo)，是衡量酒精發(fā)酵完全程度的重要指標(biāo)之一，隨著發(fā)酵過(guò)程的進(jìn)行，糖分含量不斷下降，在發(fā)酵結(jié)束后殘余的糖分越少，說(shuō)明發(fā)酵效果越好，意味著產(chǎn)酒率越高?？刂茪埧偺撬绞蔷凭髽I(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵[6]。由表4 可知，添加小麥后發(fā)酵成熟醪殘總糖會(huì)升高，是由于小麥淀粉與谷朊粉形成包埋狀，影響小麥淀粉的酒精發(fā)酵，同時(shí)還原糖、殘淀粉、殘糊精等指標(biāo)也相應(yīng)升高，是由于小麥中含有戊聚糖、葡聚糖等不可發(fā)酵的糖。

表4 發(fā)酵成熟終點(diǎn)指標(biāo)對(duì)比 (%)

從表4 中酸度、揮發(fā)酸結(jié)果分析可推測(cè)，同時(shí)綜合失重、酒精度、殘?zhí)堑戎笜?biāo)，添加小麥后，在產(chǎn)酸方面變化不明顯，說(shuō)明發(fā)酵過(guò)程抑菌效果較好。

2.5 成熟醪的HPLC分析結(jié)果

對(duì)添加不同比例小麥的水稻乙醇發(fā)酵醪的指標(biāo)進(jìn)行分析，其HPLC 數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果見表5。由表5 可知，對(duì)于發(fā)酵主產(chǎn)物乙醇的產(chǎn)量，添加15%比例小麥的C組乙醇最高，達(dá)到11.14 g/100 mL；乙醇與甘油比值是反映酒精發(fā)酵水平的一個(gè)重要指標(biāo)，乙醇相對(duì)于副產(chǎn)物甘油的比值越高說(shuō)明發(fā)酵水平越高，應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)。添加不同比例的小麥和水稻發(fā)酵結(jié)果來(lái)看，添加小麥后發(fā)酵水平稍有降低，酵母發(fā)酵產(chǎn)酒的同時(shí)，抑菌效果較好，產(chǎn)生了較少副產(chǎn)物甘油；DP1+DP2+DP3、麥芽三糖、葡萄糖等指標(biāo)，添加小麥后升高；琥珀酸、乳酸等，各個(gè)試驗(yàn)因素間的含量相差不大。

表5 發(fā)酵成熟醪HPLC檢測(cè)結(jié)果 (g/100 mL)

3 小結(jié)

本文使用國(guó)內(nèi)某糧庫(kù)陳小麥和水稻粉碎，進(jìn)行添加不同比例的小麥和水稻共發(fā)酵生產(chǎn)乙醇試驗(yàn)，從結(jié)果可以看出，對(duì)添加小于20%比例的小麥，與水稻共發(fā)酵生產(chǎn)酒精，影響不大。添加小麥后，小麥中的谷朊粉不能在酵母作下生成乙醇，而被加工成DDGS，使其蛋白含量較高，是生產(chǎn)高蛋白飼料的優(yōu)質(zhì)原料。但由于小麥中淀粉含量要相對(duì)較低，致使飼料酒精比會(huì)有所升高，對(duì)DDGS 生產(chǎn)中的離心分離、清液蒸發(fā)、干燥等過(guò)程會(huì)有一定的影響，需要在生產(chǎn)過(guò)程中制定好預(yù)案，重點(diǎn)關(guān)注。

建議企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)不同質(zhì)量和品種的小麥、水稻，先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室小試，再模擬生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在大生產(chǎn)中進(jìn)行應(yīng)用，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。