CN114807245A - 通过酒糟二次发酵提高玉米乙醇工艺中ddgs品质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过酒糟二次发酵提高玉米乙醇工艺中DDGS品质的方法。传统玉米乙醇生产工艺以玉米粉为原料，经过液化、同步糖化发酵和蒸馏工艺获得燃料乙醇和酒糟。本发明在上述玉米乙醇生产工艺的基础上，对获得的酒糟进行二次同步糖化发酵，降低酒糟中纤维素、残留淀粉和残留葡萄糖的含量，增产乙醇的同时减弱DDGS制备过程中美拉德反应的强度，进而获得品质提高的DDGS。本发明的方法可以改善DDGS色泽，提高DDGS品质，增强了DDGS市场竞争力和原有玉米乙醇工艺的技术经济性。
Description
技术领域
本发明属于生物能源技术领域，涉及一种提高玉米乙醇工艺中DDGS品质的方法，特别涉及一种通过酒糟二次发酵技术提高玉米乙醇工艺中DDGS品质的方法。
背景技术
生物燃料乙醇由于其具有良好的环保性、可再生性、与汽油良好的互溶性等诸多优点已成为当今世界主要的地面交通替代燃料之一。玉米富含淀粉质，是发酵生产燃料乙醇的理想原料之一，玉米原料经粉碎、液化、糖化处理后得到富含可发酵性糖的醪液，再经酵母菌发酵生成乙醇，乙醇经蒸馏及精馏工艺、脱水工艺得到满足燃料乙醇质量标准的无水乙醇(水体积分数含量≤0.8％)。但根据品种、产地、储藏时间等不同，玉米的组成有差异，不同的发酵工艺得到的乙醇含量也有所不同，同时在此工艺过程中，会副产大量酒糟蛋白饲料(DDGS)，每生产1吨乙醇可副产约0.8～1吨DDGS。
DDGS是玉米经菌株发酵生产乙醇并蒸馏后，剩余发酵醪液，即酒糟通过干燥工艺形成产品，由于DDGS最大限度的保留了原谷物的蛋白质、核黄素、硫胺素、烟碱酸、泛酸等营养成分，并且还融入了糖化曲和醪液残留酵母所含的营养成分和生长素、胆碱等微量活性因子，所以DDGS是一种高蛋白、高营养、无任何抗营养因子的优质蛋白饲料原料，客观上也大大缓解了生物燃料乙醇发展与畜牧业发展之间的矛盾，受到行业青睐，成为燃料乙醇生产企业乃至整个酒精发酵行业的重要盈利产品之一。
DDGS的色泽与其营养成分关系密切，研究发现DDGS颜色与赖氨酸的有效含量呈线性关系，颜色较浅的DDGS营养价值和市场价格明显高于颜色较深的，故DDGS的颜色已成为直观衡量其质量的标准之一。不过酒糟在干燥加工过程中易发生美拉德反应，使DDGS的颜色变深为暗褐色、糊焦或烟熏味变浓，影响其中赖氨酸的有效含量，降低其利用率，从而影响DDGS的品质。美国进口优质DDGS呈现金黄色，国内燃料乙醇厂所产DDGS普遍存在色泽暗褐问题，除了本土玉米与美国原产优质玉米原料差异，酒糟干燥工艺生产工艺也和美国燃料乙醇厂工艺有较大不同，因此为了提高DDGS作为饲料的利用价值，最大限度的保持它的营养成分，有必要对现有燃料乙醇DDGS生产工艺进行研究和改进。
美拉德反应又称羰氨反应,指含有氨基的化合物(氨基酸、肽及蛋白质)与含有羰基的化合物(糖类)之间经缩合、聚合而生成类黑精的反应。其中酒糟分离后上清液因发酵程度的不同而含有一定量的还原糖物质，在DDGS制备中上清液添加比例越高，混合干燥过程中越容易与蛋白质发生美拉德反应，使赖氨酸的含量降低，颜色变深，从而影响DDGS品质，因此，降低上清液中的还原糖含量是提高DDGS品质的有效手段之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高玉米乙醇工艺中DDGS品质的方法，该方法通过酒糟二次发酵技术提高玉米乙醇工艺中DDGS品质的方法。具体地，本发明的方法是在玉米一次发酵后，对酒糟进行二次同步糖化发酵，充分减少酒糟中纤维素、残留淀粉和残留葡萄糖的含量，减轻干燥制备DDGS过程中美拉德反应产生的副作用，改善DDGS色泽，从而有效提高DDGS的品质。
为达上述目的，本发明提供一种提高玉米乙醇工艺中DDGS品质的方法，包括以下步骤：
步骤(1)：将玉米粉与水混合，形成玉米粉浆液；
步骤(2)：调节玉米粉浆液的pH至5.5～6.0，加入淀粉液化酶，液化，得到玉米液化液；
步骤(3)：将玉米液化液冷却，调节pH至4.0～5.5，加入糖化酶，以及纤维素酶和半纤维素酶中的至少一种，再加入培养基营养物质和乙醇生产菌株，进行发酵，发酵24h～72h后，蒸馏，得到乙醇和酒糟；
步骤(4)：调节酒糟pH至4.0～5.5，加入糖化酶，以及纤维素酶和半纤维素酶中的至少一种，再加入培养基营养物质和乙醇生产菌株，进行二次发酵，发酵6～18h后，蒸馏，得到乙醇和二次发酵后酒糟；
步骤(5)：将二次发酵后酒糟进行离心分离，得到上清液和湿酒糟固体，蒸发浓缩上清液及烘干湿酒糟固体后，混合干燥，得到DDGS。
优选的，步骤(1)中，所述液化温度为80-100℃，液化时间为0-5h。
优选的，步骤(2)中，所述淀粉液化酶的加入量为玉米粉干重的0％～0.3wt％。
优选的，步骤(3)和/或步骤(4)中，所述添加的酶为糖化酶、纤维素酶和半纤维素酶中的一种或几种组合。
优选的，步骤(3)和/或步骤(4)中，所述糖化酶的添加量为玉米粉干重的0％～0.3wt％。
优选的，步骤(3)和/或步骤(4)中，所述纤维素酶的添加量为玉米粉干重的0％～1.2wt％。
优选的，步骤(3)和/或步骤(4)中，所述半纤维素酶的添加量为玉米粉干重的0％～0.6wt％。
本发明并不特别限制步骤(3)、步骤(4)中氮源营养物质及乙醇生产菌株，氮源营养物质及乙醇生产菌株的选择及加入量并不影响本发明DDGS的品质；本发明的氮源营养物质可以为例如尿素、酵母粉和蛋白胨中的至少一种，优选的加入量为0-5g/kg发酵液；本发明的乙醇生产菌株可以为例如酵母菌、运动发酵单胞菌、曲霉和根霉中的一种，优选的加入量OD600为0.1-2.0。
优选的，步骤(5)中，所述上清液蒸发浓缩至25～60wt％干物浓度。
优选的，步骤(5)中，所述混合干燥程度为含水量8～15wt％。
本发明提供的通过酒糟二次发酵技术提高玉米乙醇工艺中DDGS品质的方法，与现有DDGS生产工艺相比，具备以下优势：
(1)本发明发酵过程中除了添加淀粉酶和糖化酶以外，还添加了纤维素酶和半纤维素酶进行同步糖化发酵(SSF)，不仅获得了较高玉米淀粉转化率和乙醇得率，还能有效减弱DDGS制备过程中的美拉德反应。
(2)本发明在玉米发酵完成后，对酒糟进行二次同步糖化发酵，将酒糟中纤维素、残留淀粉和残留葡萄糖进一步转化成乙醇，有效地降低了体系中糖类化合物的含量，从根源上抑制美拉德反应的发生，最终提高DDGS品质。
附图说明
图1为本发明提高玉米乙醇工艺中DDGS品质的方法流程图。
图2为实施例1-2、对比例1的DDGS色泽变化。
具体实施方式
下面实施例将对本发明做进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
图1为本发明提高玉米乙醇工艺中DDGS品质的方法流程图，本发明的提高玉米乙醇工艺中DDGS品质的方法，包括以下步骤：
步骤(1)：将玉米粉与水混合，形成玉米粉浆液；
步骤(2)：调节玉米粉浆液的pH至5.5～6.0，加入淀粉液化酶，液化，得到玉米液化液；
步骤(3)：将玉米液化液冷却，调节pH至4.0～5.5，加入糖化酶、纤维素酶和半纤维素酶中的至少一种酶，再加入培养基营养物质和乙醇生产菌株，进行发酵，发酵24h～72h后，蒸馏，得到乙醇和酒糟；
步骤(4)：调节酒糟pH至4.0～5.5，加入糖化酶、纤维素酶和半纤维素酶中的至少一种酶，再加入培养基营养物质和乙醇生产菌株，进行二次发酵，发酵6～18h后，蒸馏，得到乙醇和二次发酵后酒糟；
步骤(5)：将二次发酵后酒糟进行离心分离，得到上清液和湿酒糟固体，蒸发浓缩上清液及烘干湿酒糟固体后，混合干燥，得到DDGS。
优选的，步骤(1)中，所述液化温度为80-100℃，液化时间为0-5h。
优选的，步骤(2)中，所述淀粉液化酶的加入量为玉米粉干重的0％～0.3wt％。
优选的，步骤(3)和/或步骤(4)中，所述糖化酶的添加量为玉米粉干重的0％～0.3wt％。
优选的，步骤(3)和/或步骤(4)中，所述纤维素酶的添加量为玉米粉干重的0％～1.2wt％。
优选的，步骤(3)和/或步骤(4)中，所述半纤维素酶的添加量为玉米粉干重的0％～0.6wt％。
优选的，步骤(3)和/或步骤(4)中，所述培养基营养物质为尿素、酵母粉和蛋白胨中的至少一种；所述乙醇生产菌株为酵母菌、运动发酵单胞菌、曲霉和根霉中的一种。
优选的，步骤(3)和/或步骤(4)中，所述培养基营养物质的加入量为0-5g/kg发酵液；所述乙醇生产菌株的加入量为OD6000.1-2.0。
优选的，步骤(5)中，所述上清液蒸发浓缩至25～60wt％干物浓度。
优选的，步骤(5)中，所述的混合干燥至含水量为8～15wt％。
对比例1
本对比例的DDGS通过以下方法制备：
(1)将玉米粉与水混合，使得混合溶液中玉米干重为30wt％，搅拌均匀；
(2)将上述玉米混悬液调节pH至5.8，加入淀粉液化酶，淀粉液化酶加量为玉米干重的0.048wt％，90℃条件下液化3h，获得玉米液化液；
(3)将上述玉米液化液冷却至30℃，调节pH至5.0，加入淀粉糖化酶和尿素，其中糖化酶添加量为玉米干重的0.1wt％，尿素的添加量为1.28g/kg浆液，再加入干酿酒酵母，酿酒酵母的添加量为0.4g/L浆液。在30℃、150rpm条件下发酵72h后，通过蒸馏工艺获得乙醇产品。
(4)将酒糟采用4000rpm/min离心，之后取70wt％上清液和全部DDG烘干至45wt％干物浓度，然后混合烘干至12wt％含水量。
(5)采用Hunter Lab(WS2300)测色仪检测DDGS的色泽(Lab色彩模型是由照度和有关色彩的a、b三个要素组成。L表示亮度，a表示从洋红色至绿色的范围，b表示从黄色至蓝色的范围。L的值域由0到100，L＝50时，就相当于50％的黑。L值越大，样品越亮，品质越高)。
本对比例1中，DDGS的最终L值为32.45。
实施例1
本实施例的DDGS通过以下方法制备：
(1)将玉米粉与水混合，使得混合溶液中玉米粉干重为30wt％，搅拌均匀；
(2)将上述玉米混悬液调节pH至5.8，加入淀粉液化酶，淀粉液化酶加量为玉米粉干重的0.048wt％，90℃条件下液化3h，获得玉米液化液；
(3)将上述玉米液化液冷却至30℃，调节pH至5.0，加入淀粉糖化酶、纤维素酶和半纤维素酶，其中糖化酶添加量为玉米粉干重的0.1wt％，纤维素酶添加量为玉米粉干重的0.6wt％，半纤维素酶添加量为玉米粉干重的0.1wt％，加入尿素，尿素的添加量为1.28g/kg浆液，再加入干酿酒酵母，酿酒酵母的添加量为0.4g/L浆液。在30℃、150rpm条件下发酵72h后，通过蒸馏工艺获得乙醇产品。
(4)将上述得到的酒糟调节pH至5.0，加入淀粉糖化酶，其中糖化酶添加量为酒糟干重的0.1wt％，加入尿素，尿素的添加量为1.28g/kg浆液，再加入干酿酒酵母，酿酒酵母的添加量为0.4g/L浆液。在30℃、150rpm条件下二次发酵12h后，通过蒸馏工艺获得乙醇产品。
(5)将二次发酵后的酒糟采用4000rpm/min离心，之后取70wt％上清液和全部湿酒糟烘干至45wt％干物浓度，然后混合烘干至12wt％含水量。
(6)采用Hunter Lab(WS2300)测色仪检测DDGS的色泽。
本实施例中，DDGS的最终L值为60.81。
实施例2
本实施例的DDGS通过以下方法制备：
(1)将玉米粉与水混合，使得混合溶液中玉米粉干重为30wt％，搅拌均匀；
(2)将上述玉米混悬液调节pH至5.8，加入淀粉液化酶，淀粉液化酶加量为玉米粉干重的0.048wt％，90℃条件下液化3h，获得玉米液化液；
(3)将上述玉米液化液冷却至30℃，调节pH至5.0，加入淀粉糖化酶、纤维素酶和半纤维素酶，其中糖化酶添加量为玉米粉干重的0.1wt％，纤维素酶添加量为玉米粉干重的0.6wt％，半纤维素酶添加量为玉米粉干重的0.1wt％，加入尿素，尿素的添加量为1.28g/kg浆液，再加入干酿酒酵母，酿酒酵母的添加量为0.4g/L浆液。在30℃、150rpm条件下发酵72h后，通过蒸馏工艺获得乙醇产品。
(4)将上述得到的酒糟调节pH至5.0，加入淀粉糖化酶、纤维素酶和半纤维素酶，其中糖化酶添加量为酒糟干重的0.1wt％，纤维素酶添加量为玉米粉干重的0.6wt％，半纤维素酶添加量为玉米粉干重的0.1wt％，加入尿素，尿素的添加量为1.28g/kg浆液，再加入干酿酒酵母，酿酒酵母的添加量为0.4g/L浆液。在30℃、150rpm条件下二次发酵12h后，通过蒸馏工艺获得乙醇产品。
(5)将二次发酵后的酒糟采用4000rpm/min离心，之后取70wt％上清液和全部湿酒糟烘干至45wt％干物浓度，然后混合烘干至12wt％含水量。
(6)采用Hunter Lab(WS2300)测色仪检测DDGS的色泽。
本实施例中，DDGS的最终L值为61.78。
实施例1-2中二次发酵的葡萄糖乙醇浓度变化情况如下表1所示：
表1实施例1-2中二次发酵的葡萄糖乙醇浓度变化情况
实施例1-2、对比例1的DDGS的色泽结果如下表2及图2所示：
表2实施例1-2、对比例1的DDGS的色泽
图2为实施例1-2、对比例1的DDGS颜色变化图，其中a、b、c分别为实施例1、实施例2、对比例1制得的DDGS。从图2、表1、表2的结果可以看出，实施例2制得的DDGS的亮度L值最高，对比例1DDGS的亮度L值最低，表明实施例2得到的DDGS品质最高，对比例1得到的DDGS品质最差；由此可以证明本发明的方法能明显改善DDGS色泽，提高DDGS的品质。
综上所述，本发明发酵过程中添加了纤维素酶和半纤维素酶进行同步糖化发酵获得了较高玉米淀粉转化率和乙醇得率，还能有效减弱DDGS制备过程中的美拉德反应，同时对酒糟进行二次同步糖化发酵，将酒糟中纤维素、残留淀粉和残留葡萄糖进一步转化成乙醇，有效地降低了体系中糖类化合物的含量，从根源上抑制美拉德反应的发生，最终提高DDGS品质。相较于现有技术，应用本发明的方法提高了DDGS的品质。
虽然本发明已以一些实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有公知常识者，在不脱离本发明的精神及范围内，当可作些许更动及润饰。因此本发明的专利保护范围须视本发明所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (7)
1.一种通过酒糟二次发酵提高玉米乙醇工艺中DDGS品质的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：将玉米粉与水混合，形成玉米粉浆液；
步骤(2)：调节玉米粉浆液的pH至5.5～6.0，加入淀粉液化酶，液化，得到玉米液化液；
步骤(3)：将玉米液化液冷却，调节pH至4.0～5.5，加入糖化酶，以及纤维素酶和半纤维素酶中的至少一种，再加入培养基营养物质和乙醇生产菌株，进行发酵，发酵24h～72h后，蒸馏，得到乙醇和酒糟；
步骤(4)：调节酒糟pH至4.0～5.5，加入糖化酶，以及纤维素酶和半纤维素酶中的至少一种，再加入培养基营养物质和乙醇生产菌株，进行二次发酵，发酵6～18h后，蒸馏，得到乙醇和二次发酵后酒糟；
步骤(5)：将二次发酵后酒糟进行离心分离，得到上清液和湿酒糟固体，蒸发浓缩上清液及烘干湿酒糟固体后，混合干燥，得到DDGS。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)和/或步骤(4)中，所述糖化酶的添加量为玉米粉干重的0％～0.3wt％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)和/或步骤(4)中，所述纤维素酶的添加量为玉米粉干重的0％～1.2wt％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)和/或步骤(4)中，所述半纤维素酶的添加量为玉米粉干重的0％～0.6wt％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)和/或步骤(4)中，所述培养基营养物质为尿素、酵母粉和蛋白胨中的至少一种；所述乙醇生产菌株为酵母菌、运动发酵单胞菌、曲霉和根霉中的一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中，所述上清液蒸发浓缩至25～60wt％干物浓度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中，所述混合干燥至含水量为8～15wt％。
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