CN104293760A - 一种多酶复合型抑泡剂及其在酒精发酵工业中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多酶复合型抑泡剂及其在酒精发酵工业中的应用，属于微生物发酵领域。该多酶复合型抑泡剂由胰酶、酸性蛋白酶、β-糖苷酶、风味蛋白酶、支链淀粉酶组成。每克所述多酶复合型抑泡剂中各组分活力分别为胰酶60000～90000U，酸性蛋白酶20000～30000U，β-糖苷酶15000～30000U，风味蛋白酶500～750U，支链淀粉酶200～300U。该抑泡剂用在酒精发酵工业，从源头处降解泡沫产生的前体物质，起到良好的抑泡作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种发酵用抑泡剂，特别涉及一种多酶复合型抑泡剂及其在酒精发酵工业中的应用。
背景技术
在酒精发酵过程中，由于通风搅拌和微生物呼出二氧化碳的作用，发酵罐内会产生大量的泡沫，减少发酵罐实际装填系数。泡沫过多，气体交换受阻，将影响生产菌的呼吸和代谢；如果泡沫控制不好，还会引起大量逃液，造成浪费和污染环境；泡沫上升到罐顶，会从轴封渗出造成染菌的危险；同时，过多的泡沫也给后道提取带来困难。
纯溶剂液体中引起的泡沫持续时间很短，但当溶剂中有一种或多种表面活性剂存在的话，泡沫的持续时间就会较长，难以自身破灭，在酒精发酵过程中，情况正是如此。蛋白质、油类、酯类等物质充当了起泡剂和稳泡剂的表面活性物质，增强了泡沫的稳定性，使气泡产生后不能及时破裂而给发酵带来危害。其中蛋白质的作用尤为突出，蛋白质虽然不易产生泡沫，但一旦形成便十分稳定。蛋白质分子具有亲水端和疏水端，分子带极性一端向着水溶液，而非极性端向着空气，力图在泡沫液膜表面作定向排列，增加了泡沫的机械强度。与其他表面活性剂不同，除了分子间引力外，蛋白质分子间的羧基和氨基还有吸引力，更加稳固了泡沫的结构。研究表明，蛋白质形成的泡沫具有很高的表面黏度，而表面黏度是决定泡沫稳定性至关重要的因素。A.Saint-Jalmes在描述蛋白质泡沫和表面活性剂泡沫不同之处的文章中表明泡沫最容易被蛋白质所稳定，A.Prins在“泡沫稳定性原理”一文中也做了同样的表述。E.Dickinson和E.A.Foegeding认为蛋白质依据其疏水性和柔性使其能够快速在气液界面形成稳定的吸附层，从而获得很好的起泡性和稳泡性，在泡沫稳定方面起着至关重要的作用。另外，华润雪花啤酒【中国】有限公司技术中心的研究表明，泡沫中蛋白质和多肽的含量明显高于溶液中的含量，证实了泡沫结构中蛋白质的重要性。但并不是所有的蛋白质都具有良好的起泡性和稳泡性，这与蛋白质的分子结构有关，事实上，在酒精发酵工业中，只有具有特定结构和大小的蛋白质才起到起泡和稳泡的作用。《表面活性剂化学第二版》中对具有起泡和稳泡作用的表面活性剂其分子结构做了表述，“当疏水基碳链为长度适当的直链时，表面活性剂依靠分子间力在液膜表面形成紧密的吸附层，液膜强度和泡沫稳定性提高。碳链太短，表面膜的强度较低；碳链太长，膜的刚性太强，缺乏弹性。通常含12～14个碳原子的疏水链效果最佳”。B.Rullier的研究发现蛋白质分子过大，或者过小都不利于蛋白质起泡性和稳泡性的提高，且蛋白质分子过大往往还会产生聚集沉淀。Tomás G.Villa的研究发现在啤酒和起泡酒中起稳泡作用的蛋白质分子量为10-200kDa。由此，特定大小和结构的蛋白质是导致酒精发酵工业中泡沫过量，难以消除的重要因素。
除此之外，发酵培养液中丰富的糊精和低聚糖是泡沫产生的另一大诱因。研究表明，糖分(特别是支链糊精)的大量存在极大的提高了溶液的黏度，减小了水分活度，从而提高了泡沫的稳定性。另一方面，低聚糖和糊精极易与蛋白质分子形成复合物，增强了蛋白质分子在液膜上定向排列的稳定性，减少了液膜中的水分流失，提高了泡沫的稳定性。这一点从Schmidt I发表的文章中可以得到证实。
目前，在酒精发酵工业中已经开始普遍使用酶制剂产品，主要包括高温α-淀粉酶和糖化酶。高温α-淀粉酶是一种内切酶，可从淀粉链内部随机水解α-1，4-葡萄糖苷键，使淀粉迅速水解为可溶性糊精、低聚糖和少量葡萄糖。获得的可溶性糊精和低聚糖再经糖化酶作用转变为可供酵母发酵利用的葡萄糖。该过程称为液化和糖化，是目前酒精发酵工业中不可或缺的工段。再由于酵母不能直接利用蛋白质，部分酒精厂还会添加蛋白酶用以降解发酵原料中的蛋白质，为酵母生长提供氮源，减少外加氮源的添加量，提高酒度。还有极少数酒精厂还会采用包括纤维素酶、木聚糖酶、植酸酶在内的其他酶种。如申请号为20071005361.6的专利《酒精酵母营养复合酶及其应用》，以及申请号为201410152401.9的专利《一种利用酶解法提高木薯发酵酒精产率的方法》。然而他们均是通过多种酶的联合起到提高原料利用率，增加酒分的作用。而通过酶制剂的联合来减少泡沫的生成，几乎无人涉及。另外，添加蛋白酶虽然在一定程度上可以提高N源的利用率，然而每一种蛋白酶都有特定的酶切位点，其不能完全降解蛋白质。相反蛋白质经过蛋白酶修饰后，分子量减小，水溶性提高，部分被隐藏在蛋白分子内部的疏水基团暴露，反而会提高泡沫稳定性，多种蛋白发泡剂就是通过这种手段制作完成的。在酒精发酵工业中，添加单一蛋白酶往往不断不会使泡沫减少，反而会带来更加严重的泡沫问题。
目前发酵工业消除泡沫的方法主要有两种，一是机械消泡，二是加消泡剂。机械消泡会增加工厂的设备投资，在泡沫量过大时，不能迅速消除泡沫，因此在生产中常常只起到辅助消泡的效果。另外，机械消泡器的安装容易产生死角导致灭菌不彻底，加重染菌的危险。消泡剂能快速消除泡沫，但抑泡性差，大多需要分批加入，且对微生物有一定的毒害作用，添加消泡剂时要严格控制添加量，一次性加入过多，消泡剂会聚集在微生物细胞表面及气泡液膜，增加传质阻力，大大降低氧的传递速率。另外，消泡剂的加入还会给染菌和食品安全带来威胁。
不管是机械消泡还是消泡剂消泡都只能治标不治本，不能从根本上解决泡沫问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种多酶复合型抑泡剂及其在酒精发酵工业中的应用，从源头降解泡沫产生的前体物质，根本上解决泡沫问题，起到良好的抑泡作用。
为实现上述目的，一种多酶复合型抑泡剂由胰酶、酸性蛋白酶、β-糖苷酶、风味蛋白酶、支链淀粉酶组成，每克所述多酶复合型抑泡剂中各组分活力分别为
胰酶：60000～90000U；
酸性蛋白酶：20000～30000U；
β-糖苷酶：15000～30000U；
风味蛋白酶：500～750U；
支链淀粉酶：200～300U。
优选的，每克该多酶复合型抑泡剂中各组分活力分别为：
胰酶：75000U；
酸性蛋白酶：25000U；
β-糖苷酶：20000U；
风味蛋白酶：750U；
支链淀粉酶：300U。
上述组分中的β-糖苷酶为广谱β-糖苷酶，能催化水解包括β-1，2、β-1，3、β-1，4、β-1，6在内的多种β-糖苷键，具有底物广谱性。
本发明所述的多酶复合型抑泡剂在酒精发酵工业中的应用为，该多酶复合型抑泡剂可与酒精发酵工业中所用到的糖化酶一起加入，也可单独添加在酒母罐或发酵罐中。
该多酶复合型抑泡剂应用于酒精发酵工业中的添加量为原料干物质重量的0.5-1.5‰。
本发明的制备方法：将原酶分别测定酶活后，按比例进入自动混配机混匀，然后测定酶活，检验合格后包装为成品。
本发明的有益效果是：
1.本发明克服了消泡剂以及机械消泡治标不治本的弊端，从源头处降解泡沫产生的前体物质，从根本上减少泡沫的产生，同时不引入对发酵有危害的其他物质。
2.不需要增加固定设备的投资，在现有酒精发酵工艺上可直接进行应用。
3.在抑制泡沫的同时可以提高发酵液中蛋白质、淀粉的利用率，减少不可发酵糖的生成，从而提高酒精度。
4.该多酶复合物能明显降低发酵液的黏度，从而提高酒精发酵工业中泵送系统的稳定性，并使发酵液的固液分离变得容易。
5.避免了消泡剂的添加，节约成本的同时避免了消泡剂给酒精分离提纯带来的麻烦。
附图说明
图1是将实施例1应用于工厂试验，使用消泡剂和多酶复合型抑泡剂后酒母罐中泡沫高度与发酵时间的曲线。
具体实施方式
一种多酶复合型抑泡剂及其在酒精发酵工业中的应用，该多酶复合型抑泡剂由胰酶、酸性蛋白酶、β-糖苷酶、风味蛋白酶、支链淀粉酶组成，每克所述多酶复合型抑泡剂中各组分活力分别为：
胰酶：60000～90000U；
酸性蛋白酶：20000～30000U；
β-糖苷酶：15000～30000U；
风味蛋白酶：500～750U；
支链淀粉酶：200～300U。
胰酶：从动物胰脏组织提取的多酶混合物，主要有胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、胰淀粉酶、胰脂肪酶。胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶同属于肽链内切酶，但底物特异性却完全不同。胰蛋白酶从多肽链中赖氨酸和精氨酸残基中的羧基侧进行切断，而胰凝乳蛋白酶主要从多肽链中的芳香族氨基酸残基的羧基侧进行剪切。本发明中胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和酸性蛋白酶一起对发酵液中的蛋白质进行多位点剪切，从而获得分子量更小的多肽，降低蛋白质对泡沫的稳定作用。另一方面，其中的淀粉酶作用于发酵液中的聚糖和糊精，减小发酵液的黏度。最后胰脂肪酶作用于发酵液中的脂肪，将其转变为甘油和脂肪酸，脂肪酸在一定程度上可以减少泡沫的生成，并且脂肪酸还可以作为表面活性物质，促进酶与底物分子之间的结合。
酸性蛋白酶：酸性蛋白酶不同于胰蛋白酶以及胰凝乳蛋白酶，它不受螯合剂、巯基试剂或丝氨酸蛋白酶抑制剂的影响，和胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶一起共同作用于发酵液中的蛋白质，通过多位点剪切获得分子量更小的多肽。
风味蛋白酶：风味蛋白酶是一种外切肽酶，能够从多肽分子的N端或是C端进行由外而内的剪切，产物为氨基酸。本发明中风味蛋白酶以蛋白酶作用后的多肽为底物，起到完全降解发酵液中蛋白质的作用，从而消除蛋白质对泡沫的稳定作用，同时起到提高蛋白质利用率的效果。
β-糖苷酶：β-糖苷酶可以催化水解多种β-糖苷键，其中广谱β-糖苷酶，底物谱较为广泛，能催化剪切包括β-1，2、β-1，3、β-1，4、β-1，6在内的多种β-糖苷键。在酒精发酵工业中，低聚糖和糊精往往都以β-糖苷键与蛋白质分子形成复合物，增强蛋白质分子在液膜上定向排列的稳定性，减少液膜中的水分流失，提高泡沫的稳定性。β-糖苷酶能够对该复合物进行分离，减少这一效应的产生。
支链淀粉酶：酒精发酵中酵母的C源绝大部分由淀粉经液化和糖化后产生。目前酒精发酵工业基本都采用边糖化边发酵的工艺，即液化完全后经过短暂糖化即开始发酵，由此发酵液中淀粉分解并不完全，绝大部分以糊精和低聚糖的形式存在，而糊精和低聚糖中的α-1，6糖苷键连接的支链结构极大的提高了发酵液的黏度。支链淀粉酶能够快速降解α-1，6糖苷键，从而减小发酵液黏度，降低泡沫稳定性。另一方面，支链淀粉酶还可减少不可发酵性糖的产生，提高原料利用率。
实施例1
在实施例1中，一种多酶复合型抑泡剂由胰酶、酸性蛋白酶、β-糖苷酶、风味蛋白酶、支链淀粉酶组成，每克所述多酶复合型抑泡剂中各组分活力分别为：胰酶75000U，酸性蛋白酶25000U，β-糖苷酶20000U，风味蛋白酶750U，支链淀粉酶300U。
制备方法：将原酶分别测定酶活后，再按比例进入自动混配机混匀，然后测定酶活，检验合格后包装为成品。
应用方法：与酒精发酵工业中所用到的糖化酶一起加入，添加量为干物质重量的1‰。
实施例2
在实施例2中，一种多酶复合型抑泡剂由胰酶、酸性蛋白酶、β-糖苷酶、风味蛋白酶、支链淀粉酶组成，每克所述多酶复合型抑泡剂中各组分活力分别为：胰酶90000U，酸性蛋白酶20000U，β-糖苷酶30000U，风味蛋白酶500U，支链淀粉酶200U。
制备方法与实施例1相同。
应用方法：单独添加到酒母罐中，添加量为干物质重量的0.5‰。
实施例3
在实施例3中，一种多酶复合型抑泡剂由胰酶、酸性蛋白酶、β-糖苷酶、风味蛋白酶、支链淀粉酶组成，每克所述多酶复合型抑泡剂中各组分活力分别为：胰酶60000U，酸性蛋白酶30000U，β-糖苷酶20000U，风味蛋白酶750U，支链淀粉酶300U。
制备方法与实施例1相同。
应用方法：单独添加到发酵罐中，添加量为干物质重量的1.5‰。
本发明多酶复合型抑泡剂的试验效果
1.试验材料与方法
实施例1中所述多酶复合型抑泡剂，木薯粉，液化酶，糖化酶，水浴锅，自制泡持杯(内径60mm，高135mm)，空气扩散器，液体CO2，摇床。
2.试验方法
试验分为空白组和试验组，空白组不加多酶复合型抑泡剂，试验组添加实施例1所述的多酶复合型抑泡剂。
2.1自制酒精发酵液
模拟工厂工艺自制酒精发酵液，其大体步骤为：木薯粉与水按1∶2.5配成淀粉乳→pH调至5.8，按原料干物质重量计添加0.6‰液化酶，水浴锅升温至68℃，保温糊化30分钟→继续升温至95℃以上，并保温，每隔一定时间取样进行碘试，碘试合格即液化结束→降低温度至60℃，pH调至4.3，按原料干物质重量计添加1‰糖化酶，糖化1小时→降温至室温，空白组不加多酶复合型抑泡剂，试验组按原料干物质重量计添加1‰多酶复合型抑泡剂→按原料干物质重量计添加0.2‰活性干酵母，均匀分装后置于30℃的摇床中进行发酵，得发酵液。
2.2发酵液泡沫性能测定
取发酵8h、24h、40h的空白组和试验组发酵液进行泡沫性能测试，每个样品做两个平行样。
3.评价方法
发酵液泡沫性能测定：取150ml发酵液倒入自制泡持杯中，通过空气扩散器向发酵液中通入CO2气体，CO2气压0.1MP，通气时间10min，记录下泡沫的体积V0。起泡性＝V0/150；静置10min后，再次测定泡沫体积V1，泡沫稳定性＝V1/V0
4.实验结果
4.1多酶复合型抑泡剂对起泡性的影响
表1 多酶复合型抑制剂对起泡性的影响
由以上实验结果可知，加入实施例1所述多酶复合型抑泡剂后，8h、24h、40h的发酵液起泡性分别降低了80.5％、82.9％和83.2％，可见该多酶复合型抑泡剂能够很好的降低发酵液的起泡性。
4.2多酶复合型抑泡剂对稳泡性的影响
表2 多酶复合型抑制剂对稳泡性的影响
由以上实验结果可知，加入实施例1所述多酶复合型抑泡剂后，8h、24h、40h的发酵液稳泡性分别降低了82.5％、87.2％和74.5％，可见该多酶复合型抑泡剂能够很好的降低发酵液的稳泡性。
将实施例1应用于工厂试验，厂家原料为玉米，生产大体流程为：玉米→干磨→调浆→预液化→液化→糖化→发酵→蒸馏→酒精。试验过程中检测酒母罐中泡沫的高度，试验组按实施例1添加多酶复合型抑泡剂，对照组按常规工艺进行，泡沫高度超过指定位置即添加消泡剂，将泡沫高度对发酵时间作图，结果如图1所示，试验组泡沫几乎维持在一个稳定的高度，不需要额外添加消泡剂。试验组与对照组发酵终了检测各项指标，结果对比如下表所示。
表3 发酵结束各项指标状况
由以上工厂试用结果可知，加入实施例1所述多酶复合型抑泡剂后，发酵终了的试验结果中，试验组酸度比对照组下降4.76％，还原糖比对照组下降8.33％，酒份比对照组提高2.93％，挥发酸比对照组降低12.5％，残总糖比对照组下降15.15％，过滤总糖比对照组下降32.73％，残糊精比对照组降低22.5％，残淀粉比对照组降低28.77％，可见，该多酶复合型抑泡剂不仅能抑制酒精发酵过程中泡沫的产生，而且将这些泡沫产生的前提物质重新利用，将其降解为酵母可发酵的糖及氨基酸，可明显使发酵过程中的各项指标得到很好地改善。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种多酶复合型抑泡剂，其特征在于该多酶复合型抑泡剂由胰酶、酸性蛋白酶、β-糖苷酶、风味蛋白酶、支链淀粉酶组成，每克所述多酶复合型抑泡剂中各组分活力分别为：
胰酶：60000～90000U；
酸性蛋白酶：20000～30000U；
β-糖苷酶：15000～30000U；
风味蛋白酶：500～750U；
支链淀粉酶：200～300U。
2.根据权利要求1所述的一种多酶复合型抑泡剂，其特征在于该多酶复合型抑泡剂由胰酶、酸性蛋白酶、β-糖苷酶、风味蛋白酶、支链淀粉酶组成，每克所述多酶复合型抑泡剂中各组分活力分别为：
胰酶：75000U；
酸性蛋白酶：25000U；
β-糖苷酶：20000U；
风味蛋白酶：750U；
支链淀粉酶：300U。
3.根据权利要求1所述的一种多酶复合型抑泡剂，其特征在于，所述的β-糖苷酶为广谱β-糖苷酶，不仅能催化剪切β-1，4糖苷键，同时还能催化剪切β-1，2、β-1，3、β-1，6糖苷键。
4.如权利要求1所述的多酶复合型抑泡剂在酒精发酵工业中的应用，其特征在于，该多酶复合型抑泡剂可用于以小麦、玉米、木薯、糖蜜为原料的酒精发酵工业。
5.根据权利要求4所述的多酶复合型抑泡剂在酒精发酵工业中的应用，其特征在于，该多酶复合型抑泡剂可与发酵工业中所用到的糖化酶一起添加，也可单独添加在酒母罐或发酵罐中。
6.根据权利要求4所述的多酶复合型抑泡剂在酒精发酵工业中的应用，其特征在于，该多酶复合型抑泡剂的添加量为原料干物质重量的0.5-1.5‰。
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