郭孝孝，苗春雨，劉佳卉，姜明雪，田楊柳，張春雪，曲 雪

(1.吉林省博大生化有限公司，吉林吉林 132000；2.先進(jìn)生物制造吉林省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春 130021；3.國投生物能源（鐵嶺）有限公司，遼寧調(diào)兵山 112000)

乙醇是全球重要的化學(xué)品，可廣泛應(yīng)用于車用燃料、食品、化工、醫(yī)藥、電子、化妝品等領(lǐng)域，其中作為燃料乙醇的用量最大。作為最成熟的汽油替代能源[1-2]，燃料乙醇2021 年全球產(chǎn)量達(dá)到8193 萬噸[3]。現(xiàn)階段全球的乙醇生產(chǎn)原料主要有玉米、甘蔗、木薯、水稻、小麥等，玉米和甘蔗用量最大[4-5]，技術(shù)也最為成熟[6]，纖維素乙醇則是未來的發(fā)展方向[7]。

我國燃料乙醇產(chǎn)業(yè)起源于消化陳化糧[8]。近兩年除了玉米外，陳化水稻和陳化小麥也逐漸用于燃料乙醇的生產(chǎn)。陳化水稻使用中遇到的主要問題是稻殼對(duì)設(shè)備的磨損較大，脫殼處理后以糙米為原料時(shí)，與玉米的生產(chǎn)工藝差別不大[9-10]。使用小麥原料時(shí)，問題多，難度大，主要表現(xiàn)在：液化醪黏度高，輸送困難，廢醪液量大，清液懸浮物高，糖漿黏度高、干物低，蒸發(fā)和干燥能力要求遠(yuǎn)高于玉米和水稻原料等[11]。這些問題導(dǎo)致小麥的摻混比例始終比較低。河南天冠有長(zhǎng)時(shí)間以小麥為原料生產(chǎn)乙醇的經(jīng)驗(yàn)，在原料處理環(huán)節(jié)脫除了小麥中的谷朊粉[12-13]，其他部分企業(yè)也曾低比例添加過小麥作為補(bǔ)充原料，添加比例一般不超過10%[14-17]?？梢钥闯?，如果按照常規(guī)的玉米乙醇生產(chǎn)工藝進(jìn)行生產(chǎn)，以小麥為原料仍有不小的問題需要攻克。很多研究者進(jìn)行了研究，都對(duì)工藝進(jìn)行了較大的調(diào)整，許宏賢[18]、王年忠等[19]研究了小麥乙醇生料發(fā)酵工藝，趙銀峰等[20]研究了小麥清液發(fā)酵工藝，俞建良等[21]研究了脫麩皮預(yù)處理對(duì)小麥酒精發(fā)酵的影響。在不改變現(xiàn)有工藝的條件下，小麥與不同谷物混合使用時(shí)有沒有最佳的混配關(guān)系，仍未見到相關(guān)的研究報(bào)道。

本試驗(yàn)以小麥為研究主體，分別研究了小麥與玉米、小麥與水稻按照不同比例進(jìn)行混合發(fā)酵時(shí)的工藝變化情況，旨在獲得一些規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，為乙醇行業(yè)生產(chǎn)一線及廣大的科研工作者提供可借鑒的數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑及儀器

原料及耗材：陳化小麥，江蘇?。魂惢衩?，吉林省；陳化水稻，黑龍江?。桓邷匾夯福?4萬U/g）、糖化酶（40 萬U/g）、酸性蛋白酶（10 萬U/g）、高溫木聚糖酶（1760 fxu/g），諾維信（中國）生物技術(shù)有限公司；濃醪干酵母，安琪酵母股份有限公司。

儀器設(shè)備：WF-20B 萬能粉碎機(jī)，江陰市億豐機(jī)械設(shè)備有限公司；BIOTECH-5JG-7000 發(fā)酵罐，上海寶興生物設(shè)備工程有限公司；NDJ-5S 旋轉(zhuǎn)黏度儀，上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司；1260 高效液相色譜HPLC，安捷倫科技（中國）有限公司；ST40 離心機(jī)，賽默飛世爾科技（中國）有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

分別將小麥與玉米、糙米按照不同的比例進(jìn)行混合作為原料，對(duì)乙醇生產(chǎn)工藝進(jìn)行全流程模擬，對(duì)比各環(huán)節(jié)參數(shù)的不同特點(diǎn)，考察不同谷物混合比例下的工藝參數(shù)變化趨勢(shì)，每組實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

1.2.1 樣品處理

用萬能粉碎機(jī)分別對(duì)陳化小麥、陳化玉米、生產(chǎn)線上取回的脫殼糙米（脫殼率80 %）進(jìn)行粉碎，獲得3種原料粉備用，篩片孔徑選擇2 mm。

1.2.2 操作步驟

分別按照小麥粉∶玉米粉、小麥粉∶糙米粉=100∶0、80∶20、60∶40、40∶60、20∶80、0∶100 的比例進(jìn)行混合，在5 L 發(fā)酵罐中配置30 %干物濃度的粉漿，加入高溫淀粉酶0.15 g/kg 原料、高溫木聚糖酶0.05 g/kg 小麥粉，粉漿在400 r/min、85 ℃下液化3 h。隨后用質(zhì)量濃度為38 %的硫酸溶液將pH值調(diào)節(jié)至4.2，液化醪降溫至32 ℃，加入糖化酶0.33 g/kg 原料、酸性蛋白酶0.1 g/kg 原料，按醪液總量分別加入3 mg/L 青霉素和0.1%的濃醪干酵母，在300 r/min、32 ℃下厭氧發(fā)酵64～72 h。

取100 mL 成熟醪加入100 mL 去離子水，采用回流冷凝裝置進(jìn)行蒸餾，蒸取100 mL 酒精溶液后剩余的為廢醪液。將廢醪液用離心機(jī)1700 r/min離心90 s，取上清液作為清液，下層固體部分為濕糟。

1.2.3 分析檢測(cè)

水分、淀粉、粗蛋白、粗脂肪、粗纖維分別按照食品中組分的標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[22-26]；黏度用旋轉(zhuǎn)黏度儀法測(cè)定；發(fā)酵醪指標(biāo)采用高效液相色譜法測(cè)定[27]；清液懸浮物采用水質(zhì)懸浮物標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法測(cè)定[28]。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種原料的成分對(duì)比

對(duì)小麥、玉米和糙米的組分進(jìn)行了分析對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 小麥、玉米、糙米成分對(duì)比表 (wt%)

通過表1 可以看出，淀粉含量糙米最高，其次是玉米，小麥最低，蛋白含量則正好相反。從原料組分可以推測(cè)，相同條件下糙米產(chǎn)乙醇最多，DDGS 最少、粗蛋白最低，其次是玉米，小麥產(chǎn)乙醇最少，DDGS 最多且粗蛋白最高。可以看出小麥的木聚糖含量明顯高于玉米和糙米，將導(dǎo)致小麥發(fā)酵制乙醇過程中物料黏度過高等問題。

2.2 液化指標(biāo)對(duì)比

液化醪黏度是生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)。對(duì)3種原料的液化醪黏度指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 3種原料的液化醪黏度

從圖1 可以看出，玉米和糙米的液化醪黏度基本相同，小麥原料在不添加木聚糖酶時(shí)，液化醪的黏度高達(dá)1240 cp，在生產(chǎn)中是無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)的。但是添加0.5 g/kg 小麥的木聚糖酶后，小麥液化醪的黏度降至424 cp，基本達(dá)到與玉米、糙米液化醪相當(dāng)?shù)乃健Ｊ聦?shí)上，實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)如果不加木聚糖酶，小麥乙醇的全過程黏度都顯著高于玉米乙醇，因此小麥乙醇在液化階段添加耐高溫的木聚糖酶對(duì)于生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行十分必要。后續(xù)實(shí)驗(yàn)都在添加了木聚糖酶的條件下進(jìn)行。

進(jìn)一步研究了不同谷物混合比例下的液化醪黏度變化情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同摻混比例下的液化醪黏度對(duì)比

隨著谷物混合比例的變化，液化醪黏度變化不大，均在280～430 cp 之間，屬于生產(chǎn)允許的正常范圍。這也說明，配合使用高溫木聚糖酶后，小麥的混合使用對(duì)液化不會(huì)造成影響。

2.3 發(fā)酵指標(biāo)對(duì)比

發(fā)酵是乙醇生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，成熟醪酒精度、殘?zhí)羌案碑a(chǎn)物指標(biāo)的高低都直接關(guān)系淀粉轉(zhuǎn)化率及最終的生產(chǎn)成本。表2 和表3 分別展示了小麥與糙米、玉米按照不同比例混合發(fā)酵后的液相色譜數(shù)據(jù)。

表2 小麥與糙米不同混合比例發(fā)酵液相色譜數(shù)據(jù) (g/100 mL)

表3 小麥與玉米不同混合比例發(fā)酵液相色譜數(shù)據(jù) (g/100 mL)

通過表2、表3 的色譜數(shù)據(jù)可以看出：隨著小麥混合比例的提高，成熟醪中琥珀酸、乳酸和乙酸的變化不大，沒有明顯的規(guī)律性，酒精度、色譜總糖和甘油都表現(xiàn)出了較為明顯的變化規(guī)律。進(jìn)一步對(duì)其變化規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果見圖3。

由圖3 可以發(fā)現(xiàn)，無論是與糙米還是玉米混合，隨著小麥混合比例的升高，酒精度均逐漸下降，在相同混配比例條件下，小麥與水稻混合的酒精度要略高于玉米，這主要是因?yàn)椴诿字械牡矸酆孔罡撸浯问怯衩?，小麥中淀分含量最低?/p>

圖3 不同混合比例發(fā)酵制乙醇酒精度變化曲線

通過圖4 可以看出，隨著小麥混合比例的增加，色譜總糖均有上升趨勢(shì)，隨著小麥的增加，不能被酵母利用的戊聚糖及木糖隨之增加。還可以看出，與糙米混合時(shí)，小麥混合比例低于50 %時(shí)，色譜總糖變化不大，當(dāng)超過50%時(shí)，色譜總糖會(huì)顯著增加；與玉米混合時(shí)，隨著小麥比例提升，色譜總糖逐步上升，當(dāng)小麥比例超過60 %時(shí)，基本達(dá)到峰值，小麥比例再增加，色譜總糖變化不大。

圖4 不同混合比例發(fā)酵制乙醇色譜總糖變化曲線

從圖5 可以看出，隨著小麥摻混比例的提高，甘油均有所下降，這主要是因?yàn)榫凭戎饾u走低，對(duì)酵母的滲透壓下降引起的。當(dāng)小麥摻混比例低于50 %時(shí)，與糙米摻混的甘油含量要低于與玉米摻混的結(jié)果，當(dāng)小麥摻混比例高于50%時(shí)反之。

圖5 不同混合比例發(fā)酵制乙醇甘油變化曲線

2.4 清液指標(biāo)對(duì)比

清液懸浮物的高低是影響蒸發(fā)濃縮倍數(shù)的主要因素，懸浮物越高，濃縮后的糖漿黏度越高，濃縮倍數(shù)越低。清液中的懸浮物主要是蛋白質(zhì)，小麥中的蛋白含量較高。從圖6 可以看出，隨著小麥摻混比例的提升，清液懸浮物有明顯的上升趨勢(shì)，對(duì)蒸發(fā)濃縮造成了不小的壓力。為了保持蒸發(fā)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須降低糖漿干物，導(dǎo)致糖漿量顯著增加。發(fā)現(xiàn)當(dāng)小麥摻混比例低于50 %時(shí)，與糙米混合發(fā)酵后的清液懸浮物要顯著低于與玉米混合的結(jié)果，當(dāng)小麥比例超過50 %時(shí)，與玉米摻混的清液懸浮物變化不大，效果更優(yōu)。

圖6 不同混合比例發(fā)酵制乙醇清液懸浮物變化曲線

3 結(jié)論

3.1 小麥液化黏度顯著高于糙米和玉米，添加木聚糖酶能夠顯著降低小麥液化黏度，在不同摻混比例下均能夠達(dá)到生產(chǎn)所需的要求，這對(duì)使用小麥為原料生產(chǎn)乙醇至關(guān)重要。

3.2 由于小麥中淀粉含量最低，隨著小麥摻混比例的增加，發(fā)酵酒精度會(huì)有所下降，甘油會(huì)有所下降，由于戊聚糖和木糖的增加，殘總糖會(huì)有所上升。當(dāng)小麥摻混比例低于50 %時(shí)，與糙米摻混的發(fā)酵指標(biāo)要略優(yōu)于與玉米摻混，當(dāng)小麥摻混比例高于50%時(shí)，與玉米摻混更優(yōu)。

3.3 隨著小麥摻混比例的增加，清液懸浮物上升，當(dāng)小麥比例超過50 %時(shí)，與糙米摻混的清液懸浮物低于與玉米混合的結(jié)果，當(dāng)小麥比例超過50 %時(shí)，與玉米混合使用更優(yōu)，與發(fā)酵指標(biāo)得出的結(jié)論一致。此外，隨著小麥混合比例的增加，廢醪液和糖漿的量都會(huì)有所增加，實(shí)際運(yùn)行中要確保足夠的蒸發(fā)能力和干燥能力。