TW201414844A - 利用選擇性發酵方法之砂糖及乙醇之製造方法 - Google Patents

利用選擇性發酵方法之砂糖及乙醇之製造方法 Download PDF

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Abstract

本發明之課題在於提供一種於糖液之發酵中蔗糖不易分解，砂糖之產量較多，同時乙醇之產量亦較多的砂糖及乙醇之製造方法。課題之解決方法係包括如下步驟之砂糖及乙醇之製造方法：將源自植物之糖液加熱及淨化之步驟；藉由使調節為適溫之潔淨液發酵，而選擇性地將潔淨液中之蔗糖以外之糖分轉化成乙醇之步驟；及將所獲得之發酵液濃縮之步驟。

Description

利用選擇性發酵方法之砂糖及乙醇之製造方法
本發明係關於一種砂糖及乙醇之製造方法，進一步詳細而言，係關於一種使源自植物之糖液發酵之砂糖及乙醇之製造方法。
源自植物之燃料用乙醇作為防止二氧化碳增加之代替汽油之液體燃料而備受期待，先前研究有以微生物使源自植物之糖液發酵而製造乙醇之方法。然而，若消耗源自植物之糖液作為乙醇之製造原料，則存在作為食料之砂糖之生產受到壓迫的問題。
作為解決該問題之方法，專利文獻1中記載有如下砂糖及乙醇之製造方法：在不會導致砂糖之減量之情況下，可藉由使壓榨甘蔗後之殘渣燃燒所獲得之能量，供應幾乎全部砂糖及乙醇之製造步驟等中所消耗之能量。
又，於專利文獻2中，為了進一步提高砂糖及乙醇之製造效率記載有如下方法：最初利用不具有蔗糖分解酶之酵母使源自植物之糖液發酵，進行加熱及過濾器過濾將發酵液淨化，將經淨化之糖液濃縮，藉此分離發酵後糖液中所含之乙醇，使蔗糖結晶化，而製造砂糖及乙醇。該方法之特徵在於活用先前之砂糖製造步驟，利用用以使糖液中之水分蒸發之濃縮步驟，同時使乙醇蒸發。
源自植物之糖液、例如甘蔗榨汁液等具有適合利用酵母之乙醇發酵之糖濃度、溫度。通常，源自植物之糖液、例如甘蔗榨汁液等係最初進行加熱，進行源自原料之微生物之殺菌及糖液中之蛋白質之析 出後，經由添加石灰或凝聚沈澱劑等添加物使夾雜物沈澱分離的淨化步驟，而用以製造砂糖或乙醇。因此，淨化步驟後之糖液之溫度成為不適合乙醇發酵之高溫，因此專利文獻2之方法之特徵在於發酵步驟係對淨化步驟前之糖液進行。
然而，於專利文獻2之方法中，為了使加熱前未殺菌之源自植物之糖液發酵，例如於對轉化糖較多之糖液延長發酵時間之情形時，因於糖液之發酵中混入酵母以外之微生物而進行分解之蔗糖之量較多，增大砂糖之產量變得困難。又，此種微生物中，所分解之糖分亦轉化成乳酸或乙酸等其他物質，因此於增大乙醇之產量上亦存在極限。又，源自植物之糖液通常包含大量夾雜物、微生物等，因此酵母之反覆利用較為困難，尤其是發酵槽中始終存在凝聚性酵母，無酵母分離且連續地發酵之類的效率良好之發酵方法較為困難。此外，於發酵後之淨化步驟中，於利用沈澱槽使經加熱之發酵液靜置時，通常之沈澱槽為大氣開放系統之槽，因此存在經加熱之醇之一部分蒸發，最終之乙醇回收量減少的問題。
專利文獻3中記載有對含有蔗糖及果糖聚合物之基質之水溶液，使用可使葡萄糖發酵成醇但無法使果糖聚合物或蔗糖水解的酵母，選擇性地使葡萄糖進行乙醇發酵。含有蔗糖及果糖聚合物之基質係藉由於含蔗糖之基質中使果糖基轉移酶及葡萄糖異構酶同時發揮作用而製備。作為含蔗糖之基質，可例示糖蜜(molasses)等。
專利文獻3之發明之目的在於提供一種以糖蜜等為原料且果糖之含量較高之甜糖漿。糖蜜係於糖液中使砂糖結晶化並回收後之殘渣、即利用先前之砂糖製造方法獲得之殘渣，但專利文獻3之發明並非如專利文獻2般活用先前之砂糖製造步驟的方法，目標生成物亦不同。含有大量果糖之糖漿中，蔗糖之含量較低，不僅消耗葡萄糖，亦消耗蔗糖。
本案發明係關於一種以提高作為蔗糖結晶之砂糖之產率為目的，藉由葡萄糖與果糖之選擇性發酵而提高糖液之純糖率、即蔗糖於全部可溶性固形物成分中所占之含有比率，提高砂糖之結晶回收效率的技術，因此專利文獻3之發明與本案發明之解決課題不同。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2004-321174號公報
[專利文獻2]日本專利第4883511號公報
[專利文獻3]美國專利第4335207號
本發明係解決上述先前之問題者，其目的在於提供一種活用先前之砂糖製造步驟，於糖液之發酵中蔗糖不會分解，增加砂糖之回收量，同時亦增加乙醇之回收量的砂糖及乙醇之製造方法。
本發明提供一種砂糖及乙醇之製造方法，其包括：將源自植物之糖液加熱及淨化之步驟；藉由使調節為適溫之潔淨液發酵，而選擇性地將潔淨液中之蔗糖以外之糖分轉化成乙醇之步驟；及將所獲得之發酵液濃縮之步驟。
於某一形態中，上述發酵係使用不具有蔗糖分解酶之酵母進行。
於某一形態中，上述發酵係使用已破壞蔗糖分解酶基因之酵母進行。
於某一形態中，上述發酵係於蔗糖分解酶抑制劑之存在下進行。
於某一形態中，上述砂糖之原料作物係選自由甘蔗、甜菜、砂糖椰子、糖楓、高粱所組成之群中之至少一種。
於某一形態中，上述潔淨液具有9重量%以上之蔗糖濃度。
於某一形態中，上述發酵液具有50%以上之純糖率。
於某一形態中，上述濃縮係藉由於減壓下蒸餾發酵液而進行，此時將乙醇自發酵液中分離並進行回收。
於某一形態中，上述砂糖及乙醇之製造方法進而包括於將發酵液濃縮所獲得之濃縮糖液中使砂糖結晶化之步驟。
根據本發明之方法，由於使用經加熱及淨化之糖液進行發酵，故而即便於對高含有轉化糖之糖液延長發酵時間之情形時，於糖液之發酵中蔗糖亦不易分解，砂糖之產量增加，同時乙醇之產量亦增加。又，對供於發酵之糖液進行利用由加熱引起之微生物之不活化及夾雜物去除的淨化，因此不易發生因所混入之微生物或夾雜物而污染酵母之情況，可容易地進行酵母之回收及再利用。進而，於利用潔淨液之情形時，不會使微生物或夾雜物累積於發酵槽中，可利用具有凝聚性之酵母，因此不需要酵母分離機，可縮短步驟時間。此外，由於發酵後不經由沈澱槽而直接進行濃縮，故而亦可消除由沈澱槽中之蒸發導致之乙醇損失。
圖1係實施例1中使用之製程的流程圖。
圖2係表示實施例1之製程之物質收支的圖。
圖3係表示比較例1之製程之物質收支的圖。
於本發明之方法中，成為源自植物之糖液之原料的植物係可累積糖分之植物。其中，較佳為所謂砂糖之原料作物。作為砂糖之原料 作物，具體而言，可列舉：甘蔗、甜菜、砂糖椰子、糖楓、高粱等。尤佳之植物係甘蔗及甜菜。於該等中，糖分之累積量較多，有以該等為原料之製糖工廠，因此可容易地導入本發明。
源自植物之糖液係指提取植物中之包含糖分之成分所獲得的液體。源自植物之糖液中通常含有將累積有植物之糖分之部位壓榨所獲得之榨汁、及由累積有植物糖分之部位煮出之煮汁等。
通常，植物係於進行壓榨或煮出前，裁斷或粉碎成適當之尺寸。植物之壓榨亦可使用輥磨機等榨汁設備。又，於煮出植物時，亦可使用導流器等煮出設備。壓榨時之注入水之溫度及煮出溫度係考慮糖分之萃取效率等而適當決定，通常為30℃~40℃。
為了使蔗糖分解酶失活，使糖液中之蛋白質等改性並析出、沈澱，而進行糖液之加熱。加熱溫度為65~105℃，較佳為80~105℃。 若加熱溫度未達65℃，則於糖液之發酵中無法使蔗糖分解酶失活。再者，為了使蔗糖分解酶失活，加熱時間以數秒~10分鐘即足矣。又，若加熱溫度未達65℃，則糖液之殺菌變得不充分。為了充分地進行糖液之殺菌，加熱溫度較佳為調節為100℃以上。
淨化步驟中之加熱係依存於實施規模等而改變最佳之條件。實際製造製程中，為了使糖液中之雜質沈澱，較佳為進行數小時加熱。用以使糖液中之雜質沈澱之加熱時間為2小時~4小時，較佳為3小時左右。若加熱時間未達2小時，則會使糖液中之雜質沈澱變得困難。
糖液之淨化係指去除糖液中所含之蔗糖以外之固形物成分。蔗糖以外之固形物成分中含有纖維素、半纖維素等不溶性固形物成分，及蛋白質、果膠、胺基酸、有機酸、轉化糖、灰分等可溶性固形物成分。
去除糖液中之蔗糖以外之固形物成分例如係以如下方式進行。首先，於經加熱之糖液中添加石灰，使蛋白質、果膠等凝聚。視需要 於其中添加氫氧化鈣或氧化鈣，或者吹入二氧化碳而生成碳酸鈣，使非糖分凝聚物吸附於碳酸鈣，並使之沈澱。其次，將包含凝聚物及沈澱物之不溶物過濾，而獲得潔淨液。潔淨液中主要含有蔗糖、葡萄糖、果糖等。
潔淨液係經淨化之糖液，且為具有9重量%以上、較佳為9~18重量%、更佳為12~15重量%之蔗糖濃度的水溶液。若蔗糖濃度未達9重量%，則於先前之製糖步驟中之濃縮裝置、例如五效蒸發器中，濃縮液之蔗糖濃度低於50重量%，結晶化步驟會導致砂糖結晶之熔解，可能減少砂糖之回收量。潔淨液具有50%以上之純糖率。
繼而，藉由將潔淨液冷卻、放置或視需要之加熱等，調節為適合發酵之溫度。適合發酵之溫度為10~50℃，較佳為20~40℃，更佳為25~35℃。調節為適溫之潔淨液係進行發酵並選擇性地將潔淨液中之蔗糖以外之糖分轉化為乙醇。此種選擇性發酵方法之概念係揭示於日本專利第4883511號中。
選擇性發酵之結果為潔淨液中之蔗糖以外之糖分之含量變得非常少。根據選擇性發酵之條件，有潔淨液中之轉化糖之含量實質上變為零之情況。藉由選擇性發酵而降低潔淨液中之轉化糖之濃度，降低可溶性固形物成分之濃度，另一方面，蔗糖量未發生變化，因此純糖率提高。選擇性發酵結束後之潔淨液具有70%以上、更佳為80%以上、進而較佳為90%以上之純糖率。
再者，所謂純糖率係指液中之可溶性固形物成分(Brix)中所含之蔗糖之重量%。
選擇性發酵之一方法係使用不具有蔗糖分解酶之酵母進行之發酵。
作為不具有蔗糖分解酶之酵母，可列舉：釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)ATCC56805、STX347-1D株、酸酒酵母 (Saccharomyces aceti)NBRC10055、橄欖油酵母(Saccharomyces hienipiensis)NBRC1994、意大利酵母(Saccharomyces italicus)ATCC13057、大連酵母(Saccharomyces dairenensis)NBRC 0211、特地酵母(Saccharomyces transvaalensis)NBRC 1625、Rosinii酵母(Saccharomyces rosinii)NBRC 10008、二孢接合酵母(Zygosaccharomyces bisporus)NBRC 1131等。又，即便於具有蔗糖分解酶之微生物中，亦可使用藉由基因操作將微生物所具有之6種蔗糖分解酶基因(SUC1、SUC2、SUC3、SUC4、SUC6、SUC7)之全部或一部分破壞而成之菌株。
選擇性發酵之其他方法係使用蔗糖分解酶抑制劑進行之發酵。
作為蔗糖分解酶抑制劑，可列舉銀離子、銅離子、汞離子、鉛離子、甲基-α-D-葡萄糖苷、PCMB(p-chloromercuribenzoate，對氯汞苯甲酸)、葡糖基-D-阿洛酮糖等。
使潔淨液發酵之操作及條件可藉由業者所公知之方法而進行，例如可列舉：以特定之比例添加發酵微生物與糖液並使之發酵之批次式；及使發酵微生物固定化後，連續供給糖液並使之發酵之連續式等。
其中，於本發明之方法中，由於藉由上述淨化步驟進行微生物之不活化、夾雜物之去除，故而於發酵時不會引起由野生酵母、乳酸菌或乙酸菌等微生物導致之蔗糖分解，又，可防止由轉化糖生產乙醇以外之生產物(例如乳酸或乙酸等)，因此可以較高之效率進行乙醇發酵。又，藉由淨化步驟中之微生物之不活化、夾雜物之去除，而使將潔淨液發酵後之酵母中不含微生物或夾雜物，因此可反覆利用發酵後之酵母。潔淨液與糖蜜不同，可不稀釋而用作發酵原料，因此可減少發酵時必要之水之量。
使潔淨液發酵時所添加之酵母之量以濕重量計為5g/L以上，較 佳為10~100g/L，更佳為15~60g/L。若酵母之添加量未達5g/L，則不會進行發酵，若過於多量，則於回收酵母時液與酵母之分離變得無效率。
於發酵之結果所得之發酵液中含有酵母、乙醇、水、蔗糖、礦物、胺基酸等。於發酵結束後，分離酵母。
繼而，將已分離酵母之發酵液濃縮而獲得濃縮糖液。濃縮係為了自發酵液中回收乙醇，進而繼而使水蒸發並使發酵液濃縮，來製造砂糖而進行。
濃縮糖液具有85%以上、更佳為90%以上、進而較佳為95%以上之純糖率。濃縮糖液之純糖率越高，所含之蔗糖越容易進行結晶化，砂糖之產率越提高。
自已分離酵母之發酵液中回收乙醇可藉由業者所公知之方法而進行，例如可列舉藉由蒸餾分離乙醇。尤其是，若進行利用有製糖工廠之多效蒸發器之蒸餾，則可以第一效蒸發器分離乙醇，以第二效蒸發器以後使水分蒸發，藉此同時使發酵液成為濃縮糖液，因此於砂糖製造中無需再次進行加熱濃縮，可一併節約時間及能量。
於濃縮糖液中製造砂糖可藉由業者所公知之方法進行，例如可列舉使砂糖結晶化等。具體而言，於吸引減壓下將濃縮糖液之一部分加熱，以保持過飽和度1.1~1.2之方式逐次少量添加剩餘之濃縮糖液而使砂糖結晶成長為較大。成長為一定大小以上之砂糖結晶後，繼而利用離心分離機將砂糖結晶與糖液分離。
自砂糖結晶中分離之糖液通常稱為糖蜜。糖蜜可適量混合於潔淨液中而再次用作發酵原料。藉此，糖液中所含之糖分之利用效率進一步提高。
[實施例]
藉由以下實施例進一步具體地說明本發明，但本發明並不限定 於該等。
實施例1
(證實於以甘蔗為原料並使用不具有蔗糖分解酶之酵母之情形時，使潔淨液發酵之製程)
(1)壓榨步驟
利用撕碎機裁斷收穫後之甘蔗(NiF8)之蔗莖部3000g後，利用四輥研磨機進行壓榨，獲得榨汁2843mL(榨汁重量=2985g、蔗糖含量=351g、轉化糖含量=112g、純糖率=63.9%)。
(2-1)加熱及淨化步驟
將榨汁移至5L燒杯中，於100℃下加熱10分鐘。繼而，添加相對於榨汁重量為0.085重量%之消石灰Ca(OH)2，進行pH值調整及雜質之凝聚。利用過濾器將凝聚後之雜質過濾，分離潔淨液2684mL(潔淨液重量=2818g、蔗糖含量=346g、轉化糖含量=111g、純糖率=71.7%)。榨汁中所含之102g之雜質於潔淨液中減少至26g。並且，潔淨液係藉由加熱對榨汁中所含之微生物進行殺菌。
(2-2)發酵步驟
將所獲得之潔淨液移至5L缸式發酵槽中，冷卻至30℃後，將以濕重量計為134g之不具有蔗糖分解酶之凝聚性酵母Saccharomyces cerevisiae(STX347-1D)進行植菌，於厭氧條件下，於30℃下使之進行乙醇發酵24小時。酵母使用預先於YM培養基中進行了預培養者。於發酵結束後，藉由沈澱分離將酵母及凝聚後之雜質回收計145g，分離發酵液2748g(乙醇濃度1.75wt%、蔗糖含量=346g、轉化糖含量=11g)。
(3)乙醇蒸餾及糖液濃縮步驟
於減壓下加熱發酵液，將已蒸發之乙醇46g冷卻回收後，繼而使2073mL之水蒸發，獲得濃縮糖液630g(蔗糖含量=346g、轉化糖含 量=11g、純糖率=91.6%)。
(4)結晶化步驟
取出糖液之1/2，進而於減壓下進行加熱，濃縮直至蔗糖之過飽和度為1.2後，添加砂糖之籽晶(粒徑250μm)32g，一面逐次少量添加剩餘之濃縮糖液一面使之進行約3小時結晶化。
(5)粗糖、糖蜜分離步驟
利用使用有50~100μm網眼之濾布之有孔壁型離心分離機將經結晶化之砂糖及糖蜜之混合物於3000rpm下離心分離20分鐘，分離成砂糖253g(蔗糖回收率=71%：去除籽晶添加量)與糖蜜137g(蔗糖含量=100g、轉化糖含量=8g、純糖率=80.6%)。
將生產製程之流程圖示於圖1，將物質收支之結果示於圖2。
比較例1
(證實於以甘蔗為原料並使用不具有蔗糖分解酶之酵母之情形時，使淨化步驟前之榨汁發酵之製程)
(1)壓榨步驟
利用撕碎機裁斷收穫後之甘蔗(NiF8)之蔗莖部3000g後，利用四輥研磨機進行壓榨，獲得榨汁2843mL(榨汁重量=2985g、蔗糖含量=351g、轉化糖含量=112g、純糖率=63.9%)。
(2-1)發酵步驟
將所獲得之榨汁移至5L缸式發酵槽中，將以濕重量計為142g之不具有蔗糖分解酶之凝聚性酵母Saccharomyces cerevisiae(STX347-1D)進行植菌，於厭氧條件下，於30℃下使之進行乙醇發酵24小時。酵母使用預先於YM培養基中進行了預培養者。於發酵結束後，藉由沈澱分離回收酵母及凝聚後之雜質計245g，分離發酵液2822g(乙醇濃度2.16wt%、蔗糖含量=281g、轉化糖含量=15g)。
(2-2)加熱及淨化步驟
將發酵液移至5L燒杯中，於100℃下加熱10分鐘。繼而，添加相對於榨汁重量為0.085重量%之消石灰Ca(OH)2，進行pH值調整及雜質之凝聚。利用過濾器將凝聚後之雜質過濾，分離潔淨液2719g(乙醇濃度1.53wt%、蔗糖含量=277g、轉化糖含量=15g、純糖率=68.6%)。與實施例1不同，乙醇19g已於加熱步驟中蒸發。
(3)乙醇蒸餾及糖液濃縮步驟
將潔淨液移至5L蒸發器中，於減壓下進行加熱，將已蒸發之乙醇42g冷卻回收後，繼而使2104mL之水蒸發，獲得濃縮糖液573g(蔗糖含量=277g、轉化糖含量=15g、純糖率=80.6%)。
(4)結晶化步驟
取出糖液之1/2，進而於減壓下進行加熱，濃縮直至蔗糖之過飽和度為1.2後，添加砂糖之籽晶(粒徑250μm)29g，一面逐次少量添加剩餘之濃縮糖液一面使之進行約3小時結晶化。
(5)粗糖、糖蜜分離步驟
利用使用有50~100μm網眼之濾布之有孔壁型離心分離機將經結晶化之砂糖及糖蜜之混合物於3000rpm下離心分離20分鐘，分離成砂糖186g(蔗糖回收率=65%：去除籽晶添加量)與糖蜜172g(蔗糖含量=97g、轉化糖含量=12g、純糖率=61.3%)。
將比較例1之物質收支之結果示於圖3。

Claims (9)

  1. 一種砂糖及乙醇之製造方法，其包括：將源自植物之糖液加熱及淨化之步驟；藉由使調節為適溫之潔淨液發酵，而選擇性地將潔淨液中之蔗糖以外之糖分轉化成乙醇之步驟；及將所獲得之發酵液濃縮之步驟。
  2. 如請求項1之砂糖及乙醇之製造方法，其中上述發酵係使用不具有蔗糖分解酶之酵母進行。
  3. 如請求項1之砂糖及乙醇之製造方法，其中上述發酵係使用已破壞蔗糖分解酶基因之酵母進行。
  4. 如請求項1之砂糖及乙醇之製造方法，其中上述發酵係於蔗糖分解酶抑制劑之存在下進行。
  5. 如請求項1之砂糖及乙醇之製造方法，其中上述砂糖之原料作物為選自由甘蔗、甜菜、砂糖椰子、糖楓、高粱所組成之群中之至少一種。
  6. 如請求項1至5中任一項之砂糖及乙醇之製造方法，其中上述潔淨液具有9重量%以上之蔗糖濃度。
  7. 如請求項1至6中任一項之砂糖及乙醇之製造方法，其中上述發酵液具有50%以上之純糖率。
  8. 如請求項1至7中任一項之砂糖及乙醇之製造方法，其中上述濃縮係藉由於減壓下蒸餾發酵液而進行，此時將乙醇自發酵液中分離並回收。
  9. 如請求項1至8中任一項之砂糖及乙醇之製造方法，其進而包括自將發酵液濃縮所獲得之濃縮糖液中使砂糖結晶化之步驟。
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