CN103374551B - 用于糖蜜发酵的复合酶及其制备方法和用途 - Google Patents

用于糖蜜发酵的复合酶及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于糖蜜发酵的复合酶及其制备方法和用途。按照重量份计，该复合酶包括酸性蛋白酶1-2份，纤维素酶2-10份，半纤维素酶67.5-80份，果胶酶10-20份，以及糖化酶0.1-0.5份。该复合酶应用于以糖蜜为原料生产酒精的发酵，能够将糖蜜中的非发酵性糖转换成可发酵性糖，从而增加糖蜜中可利用的糖，提高原料的利用率，减轻环保压力。

Description

用于糖蜜发酵的复合酶及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种用于发酵的复合酶，特别是涉及一种适用于以糖蜜为原料进行发酵生产酒精的复合酶。
背景技术
工业上生物酒精的生产原料基本有两类：淀粉质原料和糖质原料。关于淀粉质为原料及酶制剂在转化过程中的应用已有很多研究。例如专利申请号200710055361.6的中国专利和专利申请号200410034454.7，都公开了使用酶制剂由淀粉质原料制备酒精。
糖质原料主要是以糖蜜为主。糖蜜是工业制糖过程中剩余的不能再结晶的液体残留物。糖蜜中的总糖含量一般在50％左右，其中可发酵性糖在45％左右，非发酵性糖在5％左右。由于目前现有的复合酶都是用于淀粉质酒精发酵，没有专门用于糖质原料发酵的复合酶，因此将现有酶应用于糖蜜酒精发酵中，基本可以将可发酵性糖利用完，但是非发酵性糖的利用却微乎其微。随着原料价格的上涨和酒精行业的内外部竞争以及环保的压力，迫使生产商想方设法来提高生产水平和减少排放。
要达到此目的，最有效的途径就是使原料得到充分利用，目前的生产水平已经能将可发酵性糖利用殆尽，因此如何使非发酵性糖更多的转换为可发酵性糖，从而提高原料的利用率将会是糖蜜酒精发展的重要研究方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有复合酶仅适用于淀粉质为原料进行酒精发酵，或现有复合酶仅能利用糖蜜中的可发酵性糖，而不能利用糖蜜中的非发酵性糖的缺陷，提供一种用于糖蜜发酵的复合酶，在应用糖蜜发酵生产酒精时，能够将糖蜜中的非发酵性糖转换成可发酵性糖，从而增加糖蜜中可利用的糖，提高原料的利用率，减轻环保压力。
本发明将酸性蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶和糖化酶按科学合理的比例组合成一种复合酶，在应用糖蜜发酵生产酒精时，利用适当含量的酸性蛋白酶分解糖蜜中的蛋白质，提高发酵速度；利用适当含量的纤维素酶和半纤维素酶部分降解糖蜜中的多聚糖，然后进一步被适当含量的糖化酶分解为酵母可利用的糖。本发明有效的将糖蜜中的部分非发酵性糖转换成可发酵性糖，增加糖蜜中可利用的糖，降低发酵醪液中最终的残总糖和残还原糖，从而提高原料的利用率和最终的发酵酒度，减轻环保压力。另外，本发明针对糖蜜组成特点，控制酸性蛋白酶、糖化酶在合理配比，降低了原料成本。
为解决上述技术问题，本发明提供的第一技术方案是，一种用于糖蜜发酵的复合酶，按照重量份计，该复合酶包括酸性蛋白酶1-2份，纤维素酶2-10份，半纤维素酶67.5-80份，果胶酶10-20份，以及糖化酶0.1-0.5份。
前述的用于糖蜜发酵的复合酶，按照重量份计，该复合酶包括酸性蛋白酶1.3-1.8份，纤维素酶4-8份，半纤维素酶72-80份，果胶酶14.5-18份，以及糖化酶0.2-0.5份。
前述的用于糖蜜发酵的复合酶，按照重量份计，该复合酶包括酸性蛋白酶1.5-1.7份，纤维素酶3.4-8份，半纤维素酶72-77份，果胶酶17-18份，以及糖化酶0.17-0.5份。
本发明提供的第二技术方案是，一种用于糖蜜发酵的复合酶的制备方法，按照重量份计，称取酸性蛋白酶1-2份，纤维素酶2-10份，半纤维素酶67.5-80份，果胶酶10-20份，以及糖化酶0.1-0.5份；将上述原料混合后搅拌均匀。
本发明提供的第三技术方案是，一种复合酶用于糖蜜发酵生产酒精的方法，该方法包括：在糖蜜中加入酵母和尿素；然后在糖蜜中加入复合酶，其中按照重量份计，所述复合酶包括酸性蛋白酶1-2份，纤维素酶2-10份，半纤维素酶67.5-80份，果胶酶10-20份，以及糖化酶0.1-0.5份；搅拌均匀，然后密封条件下发酵，直至失重趋于平衡。
前述的复合酶用于糖蜜酒精发酵的方法，所述糖蜜是锤度为23-30Brix，优选25Brix的糖蜜。
前述的复合酶用于糖蜜发酵生产酒精的方法，所述糖蜜、酵母和尿素以及复合酶的添加量为，每200ml糖蜜计，加入酵母0.5-0.7g，尿素0.07-0.12g，复合酶0.07-0.12g；优选，酵母0.6g，尿素0.1g，复合酶0.1g。
前述的复合酶用于糖蜜发酵生产酒精的方法，所述发酵温度为30-40℃。
具体实施方式
为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明。
本发明将酸性蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶和糖化酶按科学合理的比例组合成一种复合酶，在应用糖蜜发酵生产酒精时，有效的将糖蜜中的部分非发酵性糖转换成可发酵性糖，增加糖蜜中可利用的糖。另外，本发明针对糖蜜组成特点，控制酸性蛋白酶、糖化酶在合理配比，降低了原料成本。
一种用于糖蜜发酵的复合酶，按照重量份计，该复合酶包括酸性蛋白酶1-2份，纤维素酶2-10份，半纤维素酶67.5-80份，果胶酶10-20份，以及糖化酶0.1-0.5份。
以下内容仅是示例性描述，请发明人根据实际情况确认。
糖蜜是工业制糖过程中，结晶后剩余的不能结晶但仍含有较多糖的液体残留物。本发明优选的糖蜜为甘蔗糖蜜，包括45-55％的总糖(其中可发酵性糖45％左右，非发酵性糖在5％左右)，15％左右的可溶性胶体(主要为木糖胶、阿拉伯糖胶和果胶等)，1 0％左右的灰分，锤度(白利度)为75-92 Brix。
优选的，本发明糖蜜在用于酒精发酵前要进行稀释，所用任何现有的稀释糖蜜的方法均可应用于本发明，例如将糖蜜送入稀释罐，同时加入一定量的水，开动搅拌器充分拌匀。本发明糖蜜在稀释后锤度(白利度)为23-30Brix，优选25 Brix。
酸性蛋白酶是一种羧基蛋白酶，相对分子量3×104Da-4×104Da，等电点pH为3.0-5.0。常规市售酸性蛋白酶均可应用于本发明，例如由黑曲霉3.350产酸性蛋白酶，最适pH为2.5，最适温度4 7℃。本发明优选的酸性蛋白酶的酶活力在4.5-5.5万u/g，更优选5万u/g。本发明选用1-2重量份(优选1.3-1.8重量份，更优选1.5-1.7重量份)的酸性蛋白酶，能分解糖蜜中的蛋白质，增加醪液中可被酵母利用的有机氮，促进酵母的生长和繁殖，提高发酵速度。
纤维素酶是包括C1酶、Cx酶和β葡糖苷酶的多酶复合物，上述三种酶在水解糖蜜过程中起到协同作用。常规市售发酵用纤维素酶均可应用于本发明，例如绿色木霉、里氏木霉91-3、康氏木霉W-925产纤维素酶。本发明优选的纤维素酶的酶活力在4500-5500u/g，更优选5000u/g。本发明选用2-10重量份(优选4-8重量份，更优选3.4-8重量份)的纤维素酶，降解糖蜜中的多聚糖。
半纤维素酶是甘露聚糖酶、阿拉伯聚糖酶、阿拉伯半乳糖酶和木聚糖酶等多组酶的总称。常规市售发酵用半纤维素酶均可应用于本发明。本发明优选的半纤维素酶的酶活力在0.8-1.2万u/g，更优选1万u/g。本发明选用67.5-80重量份(优选72-80重量份，更优选72-77重量份)的半纤维素酶，与2-10重量份(优选4-8重量份，更优选3.4-8重量份)的纤维素酶协同作用，一起降解糖蜜中的多聚糖。
果胶酶是包括原果胶酶、果胶甲酯水解酶、果胶酸酶的多酶复合物。常规市售发酵用果胶酶均可应用于本发明，例如黑曲霉产果胶酶。本发明优选的果胶酶的酶活力在0.8-1.2万u/g，更优选1万u/g。本发明选用10-20重量份(优选14.5-18重量份，更优选17-18重量份)的果胶酶，降解糖蜜中的果胶质成份。
糖化酶又称葡萄糖淀粉酶，由曲霉菌制成，常规市售发酵用糖化酶均可应用于本发明。本发明优选的糖化酶的酶活力在9-11万u/g，更优选10万u/g。本发明选用0.1-0.5重量份(优选0.17-0.5重量份)的糖化酶，进一步分解半纤维素酶和纤维素酶降解的多聚糖，将其分解为酵母可利用的糖；并且将糖蜜中的生淀粉和少量糊精分解为酵母可发酵的葡萄糖。
优选的本发明的复合酶，以1g复合酶计，含500-1000u酸性蛋白酶酶活力，100-500u纤维素酶酶活力，4200-8000u半纤维素酶酶活力，1000-2000u果胶酶酶活力，100-500u糖化酶酶活力。
一种用于糖蜜发酵的复合酶的制备方法，按照重量份计，称取酸性蛋白酶1-2份，纤维素酶2-10份，半纤维素酶67.5-80份，果胶酶10-20份，以及糖化酶0.1-0.5份；将上述原料混合后搅拌均匀。
一种复合酶用于糖蜜发酵生产酒精的方法，该方法包括：在糖蜜中加入酵母和尿素；然后在糖蜜中加入复合酶，其中按照重量份计，所述复合酶包括酸性蛋白酶1-2份，纤维素酶2-10份，半纤维素酶67.5-80份，果胶酶10-20份，以及糖化酶0.1-0.5份；搅拌均匀，然后密封条件下发酵，直至失重趋于平衡。所述糖蜜是按照常规稀释工艺得到的，锤度为23-30Brix，优选25Brix的糖蜜。所述发酵为常规发酵方法，例如在30-35℃温度下在培养箱中发酵。
实施例
下面，举出实施例对本发明进一步描述，但本发明并不限于下述的实施例。
本发明发酵糖是指能够被酵母直接利用的糖。
本发明非发酵糖是指不能够被酵母直接利用的糖。
本发明酒度是标准酒度，即在20℃条件下，每1 00毫升酒液中含有多少毫升的酒精。
本发明残总糖是指糖蜜发酵完全(失重平衡)后，所有糖在所得发酵醪液中占有的质量比重，以g/1 00ml表示。
本发明残还原糖是指糖蜜发酵完全(失重平衡)后，残留的能够还原斐林试剂的糖在所得发酵醪液中占有的质量比重，以g/100ml表示。
本发明实施例采用的原料如表1所示：
表1
本发明实施例中可以采用常规总糖、还原糖、酒度的测试方法测定糖蜜中总糖和非发酵性糖含量，发酵后酒精中残总糖和残还原糖含量，以及发酵后酒精中酒度，例如采用如下的测试方法：
1.采用兰因-艾农法检测糖蜜中的总糖含量，斐林氏法检测糖蜜中的非发酵性糖含量；
2.采用兰因-艾农法检测发酵后酒精中的残总糖含量，斐林氏法检测发酵后酒精中的残还原糖含量；
3.采用密度瓶法制备试样，然后采用酒精比重计(东莞市星乔仪器设备有限公司型号：XQ-200A)测定发酵后酒精中酒度。
实施例1
称取1.65g酸性蛋白酶，8g纤维素酶，72g半纤维素酶，18g果胶酶，0.35g糖化酶，将上述称取好的酶混合，然后搅拌至混合均匀。
实施例2-9
按照与实施例1基本相同的方法，进行实施例2-9复合酶的制备，不同仅在于各酶组分的含量，详见表2。
表2
酸性蛋白酶 纤维素酶 半纤维素酶 果胶酶 糖化酶
实施例1 1.65g 8g 72g 18g 0.35g
实施例2 1.5g 6g 75g 17g 0.5g
实施例3 1.8g 5g 78g 15g 0.2g
实施例4 1.7g 3.4g 77g 17.2g 0.17g
实施例5 1.78g 8.92g 71.42g 17.86g 0.47g
实施例6 1g 2g 80g 16.9g 0.1g
实施例7 2g 10g 67.5g 20g 0.5g
实施例8 1.5g 8g 80g 10g 0.5g
实施例9 1.3g 4g 80g 14.5g 0.2g
对比例1-6
按照与实施例1基本相同的方法，进行对比例1-6复合酶的制备，不同仅在于各酶组分的含量，详见表3。
表3
酸性蛋白酶 纤维素酶 半纤维素酶 果胶酶 糖化酶
对比例1 28.57g 42.85g 14.28g 7.14g 14.28g
对比例2 1.65g 8g 58g(范围外) 18g 0.35g
对比例3 1.65g 1g(范围外) 72g 18g 0.35g
对比例4 1.65g 1.7g(范围外) 62g(范围外) 18g 0.35g
对比例5 1.65g 8g 58g(范围外) 18g 14.35g(范围外)
对比例6 31.65g(范围外) 8g 42g(范围外) 18g 0.35g
效果实施例
操作方法：取蔗糖糖蜜，将上述糖蜜按照常规稀释方法，稀释到25Brix，用10％硫酸调节pH至4.5-5，然后分装到500ml干燥洁净的三角瓶中，每个三角瓶中装入200ml稀释好的糖蜜，共计准备16个这样的三角瓶，标号为1-16#；在上述1-16#三角瓶中均加入0.6g酵母和0.1g尿素，并将1#三角瓶标记为对照组；然后在2-10#三角瓶中分别加入实施例1-9制备的复合酶，加入量分别为各实施例复合酶总量的千分之一(0.1g)；在11-16#三角瓶中分别加入对比例1-6制备的复合酶，加入量分别为各对比例复合酶总量的千分之一；分别将1-16#三角瓶中的物质搅拌均匀，然后用透气的棉塞塞住各三角瓶瓶口，接着放入32℃的培养箱中进行发酵，每隔一段时间进行称重，记录发酵过程中的失重情况，待失重趋于平衡时，说明发酵已经完全，然后检测各样品的指标，详见表4。
表4
从上表数据可以看出，实施例1-9的复合酶应用于糖蜜发酵酒精，其残总糖低于3.11wt％，残还原糖低于1.69wt％，20℃下酒度高于9.1。该结果表明，以重量份计，包括酸性蛋白酶1-2份，纤维素酶2-10份，半纤维素酶67.5-80份，果胶酶10-20份，以及糖化酶0.1-0.5份的复合酶，适用于糖蜜为原料的酒精发酵，能够将糖蜜中的部分非发酵性糖转换成可发酵性糖，增加糖蜜中可利用的糖。
从上表数据可以看出，将对比例1的复合酶应用于糖蜜，其残总糖为5.15wt％，残还原糖为1.70wt％，20℃下酒度仅达到8.5。由此可见，对比例1的复合酶应用到糖蜜为原料的酒精发酵时，其效果远远差于实施例1-9的复合酶。
另外，对比例2的复合酶中的半纤维素酶量为58g，将该复合酶应用于糖蜜发酵酒精，残总糖为5.14wt％，20℃下酒度为8.4。对比例3的复合酶中的纤维素酶量为1g，将该复合酶应用于糖蜜发酵酒精，残总糖为5.14wt％，20℃下酒度为8.4。对比例4的复合酶中的半纤维素酶量为62g，纤维素酶量为1.7g，将该复合酶应用于糖蜜发酵酒精，残总糖为5.35wt％，20℃下酒度为8.1。由此可见，对比例4的复合酶其应用效果略于对比例2和3的复合酶，纤维素酶与半纤维素酶对将糖蜜中的非发酵性糖转换成可发酵性糖，具有协同作用。
对比例5和6的复合酶是与实施例1-9的复合酶相比，减少了纤维素酶或半纤维素酶用量，增加了酸性蛋白酶或糖化酶用量。从上表数据可以看出，对比例5和6的复合酶应用到糖蜜发酵酒精，残总糖为5.15wt％和5.42wt％，20℃下酒度为8.3和8.2。由此可见，当减少纤维素酶或半纤维素酶的用量时，即使增加其它酶(酸性蛋白酶或糖化酶)的用量，也不能有效利用糖蜜，其制品中残总糖、残还原性糖含量高，酒度低。
综上所述，本发明将酸性蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶和糖化酶按科学合理的比例组合成一种复合酶，将糖蜜中的部分非发酵性糖转换成可发酵性糖，增加糖蜜中可利用的糖，降低发酵醪液中最终的残总糖和残还原糖，从而提高原料的利用率和最终的发酵酒度，减轻环保压力。

Claims (10)

1.一种用于糖蜜发酵的复合酶，其特征在于，按照重量份计，该复合酶包括酸性蛋白酶1-2份，纤维素酶2-10份，半纤维素酶67.5-80份，果胶酶10-20份，以及糖化酶0.1-0.5份。
2.根据权利要求1所述的用于糖蜜发酵的复合酶，其特征在于，按照重量份计，该复合酶包括酸性蛋白酶1.3-1.8份，纤维素酶4-8份，半纤维素酶72-80份，果胶酶14.5-18份，以及糖化酶0.2-0.5份。
3.根据权利要求1所述的用于糖蜜发酵的复合酶，其特征在于，按照重量份计，该复合酶包括酸性蛋白酶1.5-1.7份，纤维素酶3.4-8份，半纤维素酶72-77份，果胶酶17-18份，以及糖化酶0.17-0.5份。
4.一种根据权利要求1所述的用于糖蜜发酵的复合酶的制备方法，其特征在于，按照重量份计，称取酸性蛋白酶1-2份，纤维素酶2-10份，半纤维素酶67.5-80份，果胶酶10-20份，以及糖化酶0.1-0.5份；将上述原料混合后搅拌均匀。
5.一种根据权利要求1所述的复合酶用于糖蜜发酵生产酒精的方法，其特征在于，该方法包括：在糖蜜中加入酵母和尿素；接着在糖蜜中加入复合酶，其中按照重量份计，所述复合酶包括酸性蛋白酶1-2份，纤维素酶2-10份，半纤维素酶67.5-80份，果胶酶10-20份，以及糖化酶0.1-0.5份；搅拌均匀，然后密封条件下发酵，直至失重趋于平衡。
6.根据权利要求5所述的复合酶用于糖蜜发酵生产酒精的方法，其特征在于，所述糖蜜是锤度为23-30Brix的糖蜜。
7.根据权利要求6所述的复合酶用于糖蜜发酵生产酒精的方法，其特征在于，所述糖蜜是锤度为25Brix的糖蜜。
8.根据权利要求7所述的复合酶用于糖蜜发酵生产酒精的方法，其特征在于，所述糖蜜、酵母和尿素以及复合酶的添加量为，每200ml糖蜜计，加入酵母0.5-0.7g，尿素0.07-0.12g，复合酶0.07-0.12g。
9.根据权利要求8所述的复合酶用于糖蜜发酵生产酒精的方法，其特征在于，所述糖蜜、酵母和尿素以及复合酶的添加量为，每200ml糖蜜计，加入酵母0.6g，尿素0.1g，复合酶0.1g。
10.根据权利要求5-7任一项所述的复合酶用于糖蜜发酵生产酒精的方法，其特征在于，所述发酵在温度为30-40℃条件下进行。
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