CN113265429A - 控制酒精发酵过程中还原糖浓度的方法 - Google Patents

控制酒精发酵过程中还原糖浓度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及酒精发酵技术领域，具体涉及控制酒精发酵过程中还原糖浓度的方法，所述方法包括：(1)在淀粉酶的存在下，对淀粉质原料粉末进行糊化液化反应，得到液化醪，并将所述液化醪分为a股液和b股液；(2)将所述a股液中与第一部分糖化酶接触进行混合，得到第一混合液；将b股液与第二部分糖化酶混合，得到第二混合液，将所述第二混合液与酵母种子接触进行增殖反应，得到反应液；(3)将所述第一混合液和所述反应液混合得到第三混合液，接着将所述第三混合液进行反应，得到发酵醪液。本发明通过在a股液和b股液中加入不同量的糖化酶进行反应，既能够保证还原糖的生成量又能够保证酵母种子的活力，从而提高发酵醪液中的酒精含量。

Description

控制酒精发酵过程中还原糖浓度的方法
技术领域
本发明涉及酒精发酵技术领域，具体涉及酒精发酵过程中控制还原糖浓度的方法。
背景技术
随着石油资源的日益匮乏，人们开始转向以替代燃料来取代传统的汽油作为机动车燃料，较为常见的是利用生物质技术制备得到的乙醇。生物质技术制备得到的乙醇的工艺如下：在淀粉酶的作用下，将研磨烘干后粮食的淀粉质原料粉末进行糊化液化，得到液化醪，接着对液化醪进行糖化和发酵，得到酒精。
目前，糖化酶的添加方法有以下两种方式，(1)将液化醪冷却至60℃左右，然后加入糖化酶后进入糖化罐，进行糖化反应15-30分钟，反应结束后经换热器冷却后进入发酵系统进行发酵；(2)将液化醪液冷却至30℃左右，然后加入糖化酶，直接进入发酵系统进行发酵。上述两种方式，都会导致发酵初期系统中还原糖的浓度过高，而过高的还原糖浓度会抑制酵母种子的活性和生长率，导致酵母生长率降低、死亡率升高细胞抵抗力下降，降低了发酵醪液酒度；此外，由于糖化反应的温度为60℃，且反应罐内含有大量的糖类物质，因此有利于杂菌的生长，导致反应罐内的杂菌较多。
为了减低高浓度还原糖对酵母种子的抑制作用，目前行业做高浓度发酵的种子增殖时，采用多加水的方式来稀释物料中的还原糖浓度，但这种方式水消耗大、操作复杂、且产生的发酵醪液酒度降低，增加后续的浓缩工序的工作量。
因此，在不改变糖化酶投加总量的前提下，寻找一种简单的能够控制还原糖的浓度方法尤为重要。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的还原糖浓度控制方法的操作复杂，产生的发酵醪液酒度较低的问题，提供一种控制酒精发酵过程中还原糖浓度的方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种控制酒精发酵过程中还原糖浓度的方法，所述方法包括：
(1)在淀粉酶的存在下，对淀粉质原料粉末进行糊化液化反应，得到液化醪，并将所述液化醪分为a股液和b股液；
(2)将所述a股液中与第一部分糖化酶接触进行混合，得到第一混合液；
将所述b股液与第二部分糖化酶混合，得到第二混合液，将所述第二混合液与酵母种子接触进行增殖反应，得到反应液；
(3)将所述第一混合液和所述反应液混合得到第三混合液，接着将所述第三混合液进行反应，得到发酵醪液；
其中，以所述第一部分糖化酶和所述第二部分糖化酶的总量计，所述第一部分糖化酶的重量含量为60-80wt％；所述第二部分糖化酶的重量含量为20-40wt％。
通过上述技术方案，本发明通过将剩余20-40％的糖化酶加入b股液中，使b股液同时进行液化醪的糖化反应和酵母种子的增殖，且糖化反应中还原糖的生成速率与酵母种子的增殖过程中还原糖的消耗速率相当，使得反应液中还原糖浓度较低，保证了酵母种子的活力，从而提高发酵醪液中的酒精含量。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明提供一种控制还原糖浓度的方法，所述方法包括：
(1)在淀粉酶的存在下，对淀粉质原料粉末进行糊化液化反应，得到液化醪，并将所述液化醪分为a股液和b股液；
(2)将所述a股液中与第一部分糖化酶接触进行混合，得到第一混合液；
将所述b股液与第二部分糖化酶混合，得到第二混合液，将所述第二混合液与酵母种子接触进行增殖反应，得到反应液；
(3)将所述第一混合液和所述反应液混合得到第三混合液，接着将所述第三混合液进行反应，得到发酵醪液；
其中，以所述第一部分糖化酶和所述第二部分糖化酶的总量计，所述第一部分糖化酶的重量含量为60-80wt％；所述第二部分糖化酶的重量含量为20-40wt％。
本发明中，通过将液化醪分成两股(a股液和b股液)，并调节a股液和b股液中糖化酶的加入量，在b股液中加入较少的糖化酶(20-40wt％)，得到第二混合液，第二混合液同时进行糖化反应和增殖反应，由于第二混合液中糖化酶的浓度较低，生成的还原糖也较少，因此能够促进酵母种子的生长，原因如下：一方面一定浓度的还原糖能够满足酵母种子的生长增殖，糖化反应中还原糖的生成速率与酵母种子的增殖过程中还原糖的消耗速率相当；另一方面由于糖化酶的浓度较低，对酵母种子的损害非常小。优选条件下，所述反应液中还原糖的浓度为1-2.5g/100mL，优选1.5-2g/100mL。
在本发明的一些优选实施方式中，本发明中，由于第二混合液同时进行糖化反应和增殖反应，因此第二混合液中糖化酶的含量较低，则会导致糖化反应产生的还原糖较少，不能满足酵母种子增殖的需求，而糖化酶的含量较高，又会导致生成的还原糖的浓度过高，会抑制酵母种子的增殖，优选条件下，以所述第一部分糖化酶和所述第二部分糖化酶的总量计，所述第一部分糖化酶的重量含量为65-75wt％；所述第二部分糖化酶的重量含量为25-35wt％。
在本发明的一些优选实施方式中，本发明的发明人发现，通过调节a股液和所述b股液的比例，能够进一步促进发酵，提高发酵醪液的酒度，优选条件下，为了提高发酵醪液的酒度，所述a股液和所述b股液的体积比为1：0.8-1.2，例如可以为0.8：1、1：1、1.2：1或上述数值中任意两个所构成的范围中的任意值，最优选为1：1。
本发明中，所述第一混合液和所述反应液混合得到第三混合液中的还原糖浓度为3-8g/100mL，由于此时发酵罐中含有糖化酶、酵母种子，且酵母种子的浓度很高，因此，此时发酵罐中同时进行糖化反应和发酵反应，高的还原糖浓度能够促进发酵反应的进行，提高酒精的生成量，从而得到高酒精含量的发酵醪液。
在本发明的一些优选实施方式中，首先在种子罐中加入一定量的含有酵母种子的酵母种子液，然后将第二混合液持续通入种子罐中，使酵母种子进行持续增殖，直到种子罐满罐为止，优选条件下，所述酵母种子液中酵母种子的初始浓度为0.05-0.5亿个/mL，所述酵母种子液的加入体积为种子罐体积的2-10％，优选为4-6％；例如当种子罐的体积为250L时，种子罐中的酵母种子的初始体积可以为5-25L，优选为10-15L。
本发明中，由于种子罐中酵母种子的初始浓度较低，为了优化酵母种子的增殖条件，将种子罐中还原糖的含量控制在特定范围内，优选条件下，所述第二混合液通入种子罐中的流量为5-20L/h，进一步优选地，所述第二混合液的初始流量为5L/h，然后以5L/h的速率逐渐增加至20L/h，最后以20L/h通入种子罐至种子罐最大容量。
为了优化所述酵母种子的增殖速度，进一步优选地，所述增殖反应的条件至少满足：温度为25-35℃，pH 3-4，更优选的，所述增殖反应的条件至少满足：温度为28-30℃，pH3.3-3.7，更优选地，增殖反应结束后，所述种子罐内反应液中还原糖的浓度为1-2.5％，优选为1.8-2.2％，所述反应液中酵母的浓度为2-5亿个/mL，优选为2.5-3.5亿个/mL。
根据本发明，在发酵罐内同时进行糖化反应和发酵，糖化反应产生的还原糖在酵母的作用下进行发酵，为了提高所述发酵醪液中的酒精含量兼顾优化糖化反应的进行，优选条件下，在步骤(3)中，所述反应的条件至少满足：温度为32-34℃，时间为50-72h，由于该反应的温度较低，因此能够抑制杂菌的生长。
根据本发明，所述糖化酶的加入量与所述淀粉质原料的种类有关，例如，当所述淀粉质原料为水稻时，每吨水稻粉末约消耗500-600g糖化酶。
根据本发明，在步骤(1)中，淀粉质原料粉末经吸水膨胀后，在淀粉酶的作用下进行了糊化液化生成了糊精，为了提高所述发酵醪液中糊精的含量，优选条件下，每吨淀粉质原料粉末中淀粉酶的添加量为0.1-0.5kg；进一步优选地，所述糊化液化反应的条件至少满足：温度为80-100℃，时间为3-4h，pH为5-6。
本发明对淀粉质原料粉末的种类没有特殊的限制，可以为本领域技术人员所知，例如可以为水稻粉末、玉米粉末、小麦粉末、木薯粉末中的至少一种。
本发明中，首先将液化醪分为两股(a股和b股)，其中a股液流向发酵罐，在a股液流经发酵罐的管路上投加糖化酶，得到第一混合液；b股液流向含有酵母种子的种子罐，在b股液流经种子罐的管路上投加糖化酶，得到第二混合液，接着所述第二混合液引入种子罐内同时进行糖化反应和增殖反应得到反应液，然后再将反应液引入发酵罐中与所述第一混合液混合得到第三混合液，接着将所述第三混合液进行反应，得到发酵醪液。
在本发明的一个优选实施方式中，所述控制还原糖浓度的方法包括：
(1)在淀粉酶的存在下，将淀粉质原料粉末在温度为80-100℃、pH为5-6的条件下进行糊化液化反应3-4h，得到液化醪，并将所述液化醪分为a股液和b股液，所述a股液和所述b股液的体积比为1：0.8-1.2；
(2)将所述a股液引入发酵罐中，并在a股液流经发酵罐的管路上投加65-75wt％的糖化酶，使a股液和糖化酶混合得到第一混合液；
在b股液流经种子罐的管路上投加剩余的25-35wt％的糖化酶，得到第二混合液，将所述第二混合液引入含有酵母种子液的种子罐中，与酵母种子在发酵罐中接触，在温度为25-35℃，pH 3-4下进行增殖反应，得到反应液，所述反应液中还原糖的浓度为1.5-2g/100mL，所述反应液中酵母的浓度为2-5亿个/mL；
其中，第二混合液的初始流量为5L/h，然后以5L/h的速率逐渐增加至20L/h，最后以20L/h通入种子罐至种子罐最大容量；
所述酵母种子液中酵母种子的初始浓度为0.05-0.5亿个/mL，所述酵母种子液的体积为种子罐体积的2-10％；
(3)将所述第一混合液和所述反应液混合得到第三混合液，第三混合液中的还原糖浓度为3-8g/100mL，接着将所述第三混合液在温度为32-34℃下进行发酵50-72h，得到发酵醪液；
其中，以所述第一部分糖化酶和所述第二部分糖化酶的总量计，所述第一部分糖化酶的重量含量为60-80wt％；所述第二部分糖化酶的重量含量为20-40wt％。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，淀粉酶为杰能科(中国)生物工程有限公司的市售品；糖化酶为葡糖淀粉酶为山东隆科特酶制剂有限公司的市售品，糖化酶与水稻粉末的用量比为540g：1吨；酵母种子为超级酿酒高活性干酵母，为安琪酵母股份有限公司的市售品。
实施例1
(1)将水稻粉碎成粉末，得到水稻粉末，然后加入淀粉酶进行糊化液化反应，糊化液化反应的条件为：温度为90℃，时间为3.5h，pH为5.5，得到液化醪，并将所述液化醪分为a股液和b股液，所述a股液和所述b股液的体积比为1：1；
(2)将所述a股液引入发酵罐中，并在a股液流经发酵罐的管路上投加75wt％的糖化酶，使a股液和糖化酶混合得到第一混合液；
在体积为250L的种子罐中加入15L浓度为0.2亿个/mL的酵母种子液；
在b股液流经种子罐的管路上投加剩余的25wt％的糖化酶，得到第二混合液，将所述第二混合液引入含有酵母种子液的种子罐中(第二混合液的初始流量为5L/h，然后以5L/h的速率逐渐增加至20L/h，最后以20L/h通入种子罐至种子罐最大容量)，与酵母种子在发酵罐中接触，在温度为29℃，pH3.5下进行增殖反应，得到反应液，所述反应液中还原糖的浓度为2g/100mL，所述反应液中酵母的浓度为3亿个/mL；
(3)将所述反应液引入发酵罐中与第一混合液混合得到第三混合液，第三混合液中的还原糖浓度为4.8g/100mL，接着将所述第三混合液进行发酵，所述发酵的条件为：温度为32℃，时间为60h，得到发酵醪液。
本实施例的实验结果如表1所示。
实施例2-3
按照实施例1的方法，不同的是，糖化酶的投加量如表1所示。
对比例1
按照实施例1的方法，不同的是，糖化酶的投加量如表1所示。
表1
Figure BDA0003087943730000081
表1中，反应液糖浓度指的是反应液中还原糖的浓度，第三混合液糖浓度指的是第三混合液中还原糖的浓度；酒度是指发酵醪液中酒精的体积百分比。
从表1中可以看出，当第一部分糖化酶和第二部分糖化酶的投加比例为3：1时，发酵醪液的酒度最高，可达到16.1％(v/v)，这是因为反应液和第三混合液中的还原糖浓度刚好能够满足酵母种子增殖反应的需求，且不会抑制酵母种子的活度。
实施例4-7
按照实施例1的方法，不同的是：糖化反应的温度如表2所示。
表2
Figure BDA0003087943730000082
Figure BDA0003087943730000091
表2中，反应液的糖浓度指的是反应液中还原糖的浓度，第三混合液的糖浓度指的是第三混合液中还原糖的浓度；酒度是指发酵醪液中酒精的体积百分比。
从表2中可以看出，增殖反应条件和发酵反应的条件对最终得到的发酵醪液中的酒度影响也非常大。
实施例8
按照实施例1的方法，不同的是：第二混合液以10L/h的流量匀速加入含有酵母种子液的种子罐中进行增殖反应。
本实施例中，反应液中的还原糖浓度为6.4g/100mL，第三混合液的糖浓度中的还原糖浓度为5.8g/100mL；发酵醪液的酒度为15.1％(v/v)。
实施例9
按照实施例1的方法，不同的是：第二混合液以20L/h的流量匀速加入含有酵母种子液的种子罐中进行增殖反应。
本实施例中，反应液中的还原糖浓度为7.8g/100mL，第三混合液的糖浓度中的还原糖浓度为6.4g/100mL；发酵醪液的酒度为13.5％(v/v)。
对比例2
(1)将1吨水稻粉碎成粉末，得到水稻粉末，然后加入淀粉酶进行糊化液化反应，糊化液化反应的条件为：温度为90℃，时间为3.5h，pH为5.5，得到液化醪；
(2)在所述液化醪中加入540g糖化酶进行糖化反应，糖化反应的条件为60℃，得到糖化反应液，所述糖化反应液中还原糖的浓度为10g/100mL；接着将糖化反应液分为a股液和b股液(a股液和b股液的体积比为1：1)，a股液进入发酵罐内进行发酵；
在体积为250L的种子罐中加入15L浓度为0.2亿个/mL的酵母种子液；
将b股液引入种子罐内进行增殖反应，得到增殖反应液，所述增殖反应的条件为：温度为32℃，pH为3.5，增殖反应液中还原糖的浓度为5g/100mL，酵母的浓度为2.5亿个/mL；
将所述增殖反应液引入发酵罐内与所述a股液混合进行发酵，所述发酵的条件为：温度为32℃，时间为60h，得到发酵醪液。
本对比例得到的发酵醪液的酒度为13.5％(v/v)。
通过实施例1和对比例2对比可以看出，当先在液化醪中加入糖化酶进行糖化反应，再将糖化反应液分为两股分别进行发酵和增殖，得到的发酵醪液的酒度为13.5％(v/v)，明显低于实施例1的16.1％(v/v)，这是因为直接对液化醪进行糖化反应，糖化反应液中的还原糖浓度较高达10％，抑制酵母种子的活性和生长率，导致酵母出芽率降低、死亡率升高，细胞抵抗力下降，发酵醪液酒度降低。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种控制酒精发酵过程中还原糖浓度的方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)在淀粉酶的存在下，将淀粉质原料粉末进行糊化液化反应，得到液化醪，并将所述液化醪分为a股液和b股液；
(2)将所述a股液中与第一部分糖化酶进行混合，得到第一混合液；
将所述b股液与第二部分糖化酶混合，得到第二混合液，将所述第二混合液与酵母种子接触进行增殖反应，得到反应液；
(3)将所述第一混合液和所述反应液混合得到第三混合液，接着将所述第三混合液进行反应，得到发酵醪液；
其中，以所述第一部分糖化酶和所述第二部分糖化酶的总量计，所述第一部分糖化酶的重量含量为60-80wt％；所述第二部分糖化酶的重量含量为20-40wt％。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，以所述第一部分糖化酶和所述第二部分糖化酶的总量计，所述第一部分糖化酶的重量含量为65-75wt％；所述第二部分糖化酶的重量含量为25-35wt％。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述a股液和所述b股液的体积比为1：0.8-1.2。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的方法，其中，所述增殖反应的条件至少满足：温度为25-35℃，pH 3-4。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的方法，其中，所述反应液中还原糖的浓度为1-2.5g/100mL。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的方法，其中，所述反应液中酵母的浓度为2-5亿个/mL。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的方法，其中，所述第三混合液中还原糖的浓度为3-8g/100mL。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的方法，其中，所述步骤(2)包括：
将所述第二混合液引入含有酵母种子的种子罐中，使酵母种子进行增殖反应；
优选地，所述第二混合液通入所述种子罐中的流量为5-20L/h。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的方法，其中，在步骤(3)中，所述反应的条件至少满足：温度为30-36℃，时间为50-72h。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的方法，其中，所述糊化液化反应的条件至少满足：温度为80-100℃，时间为3-4h，pH为5-6。
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王景胜等: "Logistic 模型在不同还原糖初始浓度乙醇发酵中的应用", 《中国生物工程杂志》 *

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