CN102559776A - 浓醪表面糊化稀释液化糖化的酒精发酵生产方法 - Google Patents

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刘坤
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Abstract

本发明为一种浓醪表面糊化稀释液化糖化的酒精发酵生产方法。该方法包括一个高浓度淀粉质原料的蒸汽或高温水的预处理过程；蒸汽或高温水预处理是指将粉碎后的淀粉质原料先直接用高温水配成浓浆或与工艺用水配成浓浆后用蒸汽蒸煮，然后用工艺用水调整至合适的料液比和糖化温度；预处理后，60~65℃液化糖化处理30~60min，最后28~35℃同步糖化发酵至酒精发酵终点。本发明的预处理过程充分利用了蒸汽、高温水对淀粉质原料的热冲击，使原料处于表面部分糊化状态，然后继续进行液化、糖化、发酵过程。因为相对于传统蒸煮酒精发酵工艺而言，部分工艺用水没有经过高温，且是夹生蒸煮的工艺过程，从而节省了部分蒸汽，为传统酒精生产工艺的低碳节能指明了一条可行的路径。

Description

浓醪表面糊化稀释液化糖化的酒精发酵生产方法
技术领域
本发明公开一种浓醪表面糊化稀释液化糖化的酒精发酵生产方法。
背景技术
在淀粉质原料发酵生产酒精的历史蒸煮工艺中，蒸煮糊化温度高达120℃以上，蒸煮工段所消耗的蒸汽量占整个生产过程总耗能的30~40%。为节能和降低成本，人们设法降低蒸煮温度，传统的酒精发酵工艺改进为用水热器（喷射液化器）将蒸汽和淀粉质原料充分混合加热的90~110℃喷射蒸煮液化工艺。尽管如此，蒸煮工段所消耗蒸汽量占整个生产过程总耗能比还是接近30%，所以生料发酵酒精技术成了国内外研究的热点。生料酒精发酵工艺是指，淀粉质原料在糊化温度以下进行液化糖化处理，然后同步糖化发酵。虽然近年来，该方面的研究取得了一定的进展，但是截至目前，该工艺仍处于实验室小试水平和试验性生产阶段，尚未得到大规模的工业化应用。
目前对于发酵工艺的研究多局限于对高活力淀粉液化糖化酶产生菌的选育和高活力酵母菌的选育，很少涉及对传统蒸煮工艺的改进和糊化、液化和糖化机理方面的的深入探讨上。
发明内容
本发明的目的在于克服传统蒸煮和生料酒精发酵工艺的不足，提供一种生产效率相当但更加节能的浓醪热冲击，夹生蒸煮预处理，稀释后继续液化糖化发酵的浓醪表面糊化稀释液化糖化的酒精发酵生产方法。
本发明是这样实现的：一种浓醪表面糊化稀释液化糖化的酒精发酵生产方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）预处理过程：取粉碎后的淀粉质原料，加入0~10U/g淀粉质原料的高温液化酶，用温度为75~100℃的高温水充分混匀物料、或者先与工艺用水配成浓浆，然后用温度为70~100℃的二次蒸汽或用来自锅炉的生蒸汽使物料充分混合，处理后润湿均匀并使淀粉质原料表面糊化，其混合后的物料为料水比1:0.5~1:2.5的浓醪；
2）然后用工艺用水将浓醪的料水比按质量比调节，稀释到1:1~1:5，并在降温过程中加入6~15U/g淀粉质原料的中温液化酶，降温至60~65℃，加入100~300U/g淀粉质原料糖化酶，搅拌均匀后保温同步液化糖化30~60min；
3）降温至28~35℃，加入100-300U/g淀粉质原料糖化酶和酒精酵母，接入接种量按重量比为淀粉质原料重量的0.1%~0.2%的干酵母或8%~10%的扩培酒精酵母，然后恒温同步糖化发酵64~72h。
所述步骤2与步骤3的糖化酶添加总量小于或等于400 U/g淀粉质原料。
所述二次蒸汽、高温水为后续工段的废汽、废热水，所述工艺用水为室温水或后续工段的废温水，所述后续工段的废热、废温水包括酒糟离心液的回流液、蒸发浓缩工段的二次蒸汽、精馏塔底部余馏水、成品冷却器用后的冷却水中选择一种或几种的混合液。
所述预处理过程是一个淀粉质原料经过热冲击的表面蒸煮糊化的夹生蒸煮过程。
所述预处理过程的高浓度淀粉质原料采用生蒸汽和喷射液化工艺设备进行蒸煮时，夹生蒸煮糊化或完全蒸煮糊化。
所述步骤3中，在加入糖化酶的同时加入中性蛋白酶或者酸性蛋白酶，酸性蛋白酶添加量按重量比为淀粉质原料重量的0.01%~0.05%，中性蛋白酶的添加量按重量比为淀粉质原料重量的0.002%~0.02%。
本发明充分利用蒸汽或高温水的能量进行热冲击，即采用的是浓醪夹生不完全蒸煮过程，改进了完全生料发酵工艺的不足，因此可以利用现有的酒精用商品酶，若对传统蒸煮酒精发酵工艺和设备进行适当的改造，使之能够适应工业化的应用成为了可能。
本发明的有益效果是：本发明在传统蒸煮酒精发酵工艺中改进了淀粉质原料的蒸煮糊化预处理过程，该预处理过程利用蒸汽或高温水的热能给予淀粉质原料以热冲击，瞬间提升原料表面温度。温差的剧烈变化会使淀粉颗粒表面短时内吸收大量的热而迅速膨胀并发生破裂，产生糊化现象。由于热量由表及里传递会发生衰减，内层得不到足够的热量而仍保持生淀粉性质。这种使淀粉质原料表面产生糊化层而内层仍保持生料性质的预处理过程，称之为不完全糊化。本发明有以下几点优点：
一是蒸汽消耗低。淀粉质原料经过预处理后，表面层的糊化程度达到要求，完全能使后继液化、糖化和发酵过程顺利进行，而内部生淀粉层也会在发酵的过程中逐步被酶作用而缓释出还原糖供酵母利用。相对于目前普遍采用的喷射蒸煮液化工艺，需要在90~110℃维持60min左右的充分糊化液化过程，本发明是一个高浓度蒸煮过程，由于原料液化糖化过程是低温水稀释后进行的，这本身就降低了蒸煮糊化过程的能耗。本发明的最大特色就是其蒸煮预处理一个瞬间热冲击的混合过程，为不完全蒸煮的表面糊化液化夹生蒸煮过程，从而节省了大量蒸煮工段能耗；
二是改造成本低。传统蒸煮酒精发酵设备无需多大改进，只要配更高的蒸煮糊化醪液浓度，然后稀释后同步液化、糖化和发酵而已。
具体实施方式
本发明包括如下步骤：
1）淀粉质原料的预处理过程：选取小麦粉、玉米粉、大米粉或薯类淀粉中任意一种作为淀粉质原料，粉碎后加入0~10U/g淀粉质原料的高温液化酶，用温度为75~100℃的高温水充分混匀物料、或者先与水配成浓浆，然后用温度为70~100℃的二次蒸汽或用来自锅炉的生蒸汽使物料充分混合，处理后润湿均匀并使淀粉质原料表面糊化，其混合后的物料为料水比1:0.5~1:2.5的浓醪； 
 2）用工艺用水稀释，并按照质量比将淀粉质原料与水的比例调节为1:1~1:5，料水混合物降温至60~65℃，并在降温过程中加入6~15U/g淀粉质原料的中温液化酶，降温至60~65℃后，后加入100~300U/g淀粉质原料的糖化酶，搅拌均匀后保温同步液化糖化30~60min；
3）将步骤2所得产物降温至28~35℃，加入100~300U/g淀粉质原料糖化酶，使步骤2与步骤3的糖化酶总添加量不超过400U/g淀粉质原料，酒精酵母添加量按重量比为淀粉质原料重量的0.1%~0.2%的干酵母或8%~10%扩培酒精酵母，然后恒温发酵64~72h。或者在加入糖化酶的同时加入中性蛋白酶或者酸性蛋白酶，酸性蛋白酶添加量按重量比为淀粉质原料重量的0.01%~0.05%，中性蛋白酶的添加量按重量比为淀粉质原料重量的0.002%~0.02%；然后再按上述加入酒精酵母进行恒温发酵。
所述二次蒸汽、高温水为后续工段的废汽、废热水，所述工艺用水为室温水或后续工段的废温水，所述后续工段的废热、废温水包括酒糟离心液的回流液、蒸发浓缩工段的二次蒸汽、精馏塔底部余馏水、成品冷却器用后的冷却水中选择一种或几种的混合液。
所述步骤1的预处理过程是一个淀粉质原料经过热冲击的表面蒸煮糊化的夹生蒸煮过程。所述预处理过程的高浓度淀粉质原料采用生蒸汽和喷射液化工艺设备进行蒸煮时，夹生蒸煮糊化或完全蒸煮糊化。
下面通过具体实施例对本发明作进一步阐述。
实施例一： 
1）淀粉质原料预处理：选取50g小麦全粉作为淀粉质原料，取100g自来水加热至85℃，然后将50g小麦全粉原料，放入85℃的高温水中拌料，并继续加热2min，此时按重量比料水比为1:2。
2）然后加入常温水，并按照重量比将小麦全粉与水的比例调节为1:4，搅拌均匀，得料水混合物。液化、糖化过程：将料水混合物降温至60℃，并加入6U/g淀粉质原料的中温淀粉酶，加入150U/g淀粉质原料糖化酶，于60℃水浴中保存60min。
3）糖化、发酵过程：将步骤2的产物降温至32℃，并加入200U/g淀粉质原料的糖化酶。搅拌均匀后按重量比接入淀粉质原料的0.1%的酒精酵母，塞好棉塞，称取初重，32℃发酵72h。间或搅拌，定时记录失重，发酵结束后用蒸馏法测定酒度。
表1. 小麦全粉原料的发酵结果比较
类别 酒度（%） pH 残还原糖（%） 残总糖（%） 总失重（g）
实施例一 10.8 4.00 0.08 1.99 17.57
传统蒸煮法 10.8 4.28 0.12 1.74 17.06
从表1可以看出，本实施例用小麦原料85℃热冲击预处理，得到与传统蒸煮法相当的酒度，即粮耗相当，相对于传统蒸煮法能耗大幅下降。
实施例二：
1）淀粉质原料预处理：选取1000g大米粉作为淀粉质原料，取2000g自来水，加热至95℃，然后加入4U/g淀粉质原料的高温液化酶，并将1000g大米粉原料放入95℃的高温水中继续加热2min，此时大米粉与95℃高温水的料水比为1:1。
2）然后加入常温水，并按照质量比将大米粉与水的比例调节为1:3.5，搅拌均匀，得料水混合物。液化、糖化过程：将料水混合物降温至65℃，并加入7.5U/g淀粉质原料的中温淀粉酶和200U/g淀粉质原料的糖化酶，于60℃水浴中保存45min。
3）糖化、发酵过程：将步骤2的产物降温至32℃，并加入200U/g淀粉质原料的糖化酶。搅拌均匀后按重量比接入0.2%干酵母，添加淀粉质原料重量0.01%的酸性蛋白酶塞好棉塞，称取初重，32℃发酵70h。间或搅拌，定时记录失重，发酵结束后用蒸馏法测定酒度。
表2. 大米粉原料的发酵结果比较
类别 酒度（%） pH 残还原糖（%） 残总糖（%）  
实施例二 12.0 4.02 0.06 1.3  
传统蒸煮法 12.1 3.93 0.1 1.4  
从表2可以看出，本实施例用大米原料95℃热冲击预处理，得到与传统蒸煮法相当的酒度，即粮耗相当，相对于传统蒸煮法能耗也下降。
实施例三：
1）淀粉质原料预处理：选取130g木薯粉作为淀粉质原料，取195g自来水，加热至沸点，然后加入6U/g淀粉质原料的高温液化酶，并将130g木薯粉加入沸水中拌料并继续加热2min，此时料水比为1:1.5。
2）然后加入48℃低温水，并按照质量比将木薯粉与水的比例调节为1:3，搅拌均匀，得料水混合物。液化、糖化过程：将料水混合物降温至60℃，并加入10U/g淀粉质原料的中温淀粉酶，加入100U/g淀粉质原料糖化酶，于60℃水浴中保存60min。
3）糖化、发酵过程：将步骤2的产物冷却至34℃，并加入300U/g淀粉质原料的糖化酶和0.01%的酸性蛋白酶。搅拌均匀后接入8.5%扩培酒精酵母，塞好棉塞，称取初重，34℃发酵70h。间或搅拌，定时记录失重，发酵结束后用蒸馏法测定酒度。
表3. 木薯粉原料的发酵结果比较
类别 酒度（%） pH 残还原糖（%） 残总糖（%）  
实施例三 13.0 4.12 0.26 1.89  
传统蒸煮法 13.4 4.12 0.24 3.18  
从表3可以看出，本实施例用木薯原料沸水热冲击预处理，得到与传统蒸煮法相当的酒度，即粮耗相当，相对于传统蒸煮法能耗也有所下降。
实施例四：
1）淀粉质原料预处理：选取50%过80目筛的玉米粉作为淀粉质原料，将50g玉米粉原料、7U/g高温液化酶与120℃的生蒸汽充分混合、润湿均匀并使玉米粉表面糊化，此时玉米粉与生蒸汽的料水比为1：0.5。
2）然后加入常温水，并按照重量体积比将原料与水的比例调节为1:2.5，搅拌均匀，得料水混合物。液化、糖化过程：在料水混合物降温至63℃，加入8.5U/g淀粉质原料的中温淀粉酶，加入300U/g淀粉质原料的糖化酶，于63℃水浴中保存50min。
3）糖化和发酵：将步骤2的产物冷却至34℃，并加入100U/g淀粉质原料的糖化酶和0.05%的酸性蛋白酶。搅拌均匀后接入10%扩培酒精酵母，塞好棉塞，称取初重，34℃发酵68h。间或搅拌，定时记录失重，发酵结束后用蒸馏法测定酒度。
表4. 玉米粉原料发酵的结果比较
类别 酒度（%） pH 残还原糖（%） 残总糖（%） 总失重（g）
实施例四 12.4 4.06 0.11 2.55 18.22
传统蒸煮法 12.3 4.02 0.12 1.71 18.25
从表4可以看出，本实施例用玉米原料75℃左右热冲击预处理，在50%过80目筛细度的条件下，得到与传统蒸煮法相当的酒度，即粮耗相当，相对于传统蒸煮法能耗也可以下降。
实施例五：
1）淀粉质原料预处理：选取玉米粉作为淀粉质原料100g，将玉米粉原料与75℃的蒸馏废水和75℃的二次蒸汽充分混合、润湿均匀并使玉米粉表面糊化，此时料水比为1：1。并加入5U/g淀粉质原料的高温淀粉酶，然后放置到加热至100℃的高压灭菌锅中，升温至120℃，马上降温至100℃取出。
2）液化、糖化过程：在步骤1所得物料中加入常温水，将料水比按重量比调整为1:2，降温至60℃，并加入7.5U/g淀粉质原料的中温淀粉酶，加入100 U/g淀粉质原料的糖化酶，于60℃水浴中保存55min。
3）糖化和发酵：将步骤2的产物冷却至30℃，并加入300U/g淀粉质原料的糖化酶。搅拌均匀后接入0.15%干酵母，塞好棉塞，称取初重，30℃发酵72h。间或搅拌，定时记录失重，发酵结束后用蒸馏法测定酒度。
表5高温预处理发酵的结果比较
类别 酒度（%） pH 残还原糖（%） 残总糖（%） 总失重（g）
实施例五 15.0 4.01 0.13 1.55 18.82
传统蒸煮法 14.3 4.02 0.12 1.71 18.25
   从表5可以看出，本实施例用较高的预处理温度和醪液浓度，得到比传统蒸煮法更当的酒度，即粮耗有所降低，相对于传统蒸煮法能耗也大幅度下降。

Claims (6)

1.一种浓醪表面糊化稀释液化糖化的酒精发酵生产方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）预处理过程：取粉碎后的淀粉质原料，加入0~10U/g淀粉质原料的高温液化酶，用温度为75~100℃的高温水充分混匀物料、或者先与工艺用水配成浓浆，然后用温度为70~100℃的二次蒸汽或用来自锅炉的生蒸汽使物料充分混合，处理后润湿均匀并使淀粉质原料表面糊化，其混合后的物料为料水比1:0.5~1:2.5的浓醪；
2）然后用工艺用水将浓醪的料水比按质量比调节，稀释到1:1~1:5，并在降温过程中加入6~15U/g淀粉质原料的中温液化酶，降温至60~65℃，加入100~300U/g淀粉质原料糖化酶，搅拌均匀后保温同步液化糖化30~60min；
3）降温至28~35℃，加入100-300U/g淀粉质原料糖化酶和酒精酵母，接入接种量按重量比为淀粉质原料重量的0.1%~0.2%的干酵母或8%~10%的扩培酒精酵母，然后恒温同步糖化发酵64~72h。
2.根据权利要求1所述的浓醪表面糊化稀释液化糖化的酒精发酵生产方法，其特征在于：所述步骤2与步骤3的糖化酶添加总量小于或等于400 U/g淀粉质原料。
3.根据权利要求1所述的浓醪表面糊化稀释液化糖化的酒精发酵生产方法，其特征在于：所述二次蒸汽、高温水为后续工段的废汽、废热水，所述工艺用水为室温水或后续工段的废温水，所述后续工段的废热、废温水包括酒糟离心液的回流液、蒸发浓缩工段的二次蒸汽、精馏塔底部余馏水、成品冷却器用后的冷却水中选择一种或几种的混合液。
4.根据权利要求1所述的浓醪表面糊化稀释液化糖化的酒精发酵生产方法，其特征在于：所述预处理过程是一个淀粉质原料经过热冲击的表面蒸煮糊化的夹生蒸煮过程。
5.根据权利要求1所述的浓醪表面糊化稀释液化糖化的酒精发酵生产方法，其特征在于：所述预处理过程的高浓度淀粉质原料采用生蒸汽和喷射液化工艺设备进行蒸煮时，夹生蒸煮糊化或完全蒸煮糊化。
6.根据权利要求1所述的浓醪表面糊化稀释液化糖化的酒精发酵生产方法，其特征在于：所述步骤3中，在加入糖化酶的同时加入中性蛋白酶或者酸性蛋白酶，酸性蛋白酶添加量按重量比为淀粉质原料重量的0.01%~0.05%，中性蛋白酶的添加量按重量比为淀粉质原料重量的0.002%~0.02%。
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