实现酒精高效率发酵的控制途径 传统1亿／mL 2g／L.h 时60h

顾汉现

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实现酒精高效率发酵的控制途径

糖酒快讯 - 资讯 2004年08月20日

高强度酒精发酵是解决间歇式发酵弊端的唯一方法，因此，国内外就高强度酒精发酵进行了广泛的研究，取得了明显的成绩。研究者多从分析限制高效率（高强度）酒精发酵的因素着手，创造各种条件，以实现高效率酒精发酵。

l. 高效率酒精发酵应具备的条件

酒精发酵强度的高低一方面取决于酵母菌本身的生长繁殖力、发酵力以及对发酵环境的耐受能力，另一方面也取决于工艺对影响酵母菌发酵因素的控制上，具有了优良的生产菌种，工艺条件的控制就显得非常重要。现在一般认为，影响高效率酒精发酵的因素有葡萄糖浓度、乙醇浓度、酵母细胞密度及溶解氧浓度等四方面，针对上述影响因素，实行高效率发酵的条件是：

l．l 葡萄糖浓度应低于150g/L，否则，糖对酵母菌的发酵作用将会产生抑制。

1．2 发酵液中的酵母细胞数应尽量提高，以保证酒精发酵效率在高水平进行。

1．3 发酵液中的酒精浓度应维持在30g／L以下，以减少酒精的抑制作用。

1．4 定期供应必要的少量氧气，以保证酵母的正常代谢作用。

2. 提高发酵液中的酵母菌细胞密度

传统间歇式酒精发酵，醪液中的酵母细胞数一般为1亿个／mL左右，对应的发酵强度也只有1.8－2.2g乙醇／L.h，发酵时间长达50－68h，这种低酵母密度对应低水平酒精发酵强度是必然的。提高酵母密度的方法有：

2.1 保证酵母营养需求，增强酵母繁殖力和发酵力

2.1.1 氮源：利用淀粉质原料进行酒精生产工艺中一般不再另外添加氮源物质，虽然玉米等原料中蛋白质含量丰富（8％－11％），但由于酵母菌只能利用游离的氨基酸和极有限的二肽，不能直接利用蛋白质和多肽，而目前我国酒精生产使用的商品糖化酶中蛋白酶含量很少，致使发酵过程中蛋白质水解产生酵母可利用的氮量较少，抑制了酵母菌的增殖速度。在醪液接种之后，添加 10－16u／g原料的酸性蛋白酶，采用耐高温酵母菌种，主发酵期温度控制在35－38℃的条件下，主发酵期的酵母浓度增加一倍，发酵速率大大提高，发酵期缩短至48h，乙醇含量提高1个百分点以上。

2.1.2 无机盐：S，P，K+，Mg2+,Zn2+,Ca2+ 等无机盐在微生物的生命活动中起着十分重要的作用，它们或参与细胞结构物质的组成、或作为酶的活性基的组成部分及酶的激活剂、或可控制原生质的胶体状态和细胞透性。以玉米和薯干为原料的酒精发酵，磷、镁等无机元素含量较丰富，基本上能够满足酵母菌的要求，但对酵母发酵极为重要的 Zn2+，Ca2+含量不足，据研究，当Zn2+，Ca2+的浓度达到最佳值：Zn2+1.2mg/L，Ca2+300mg/L时，可大幅度增加游离细胞的发酵力，提高酵母细胞耐受酒精和温度的能力，因此，应以硫酸盐形式补充锌和钙元素。

2.2 固定化酵母发酵技术

固定化酵母酒精发酵技术是近年来迅速发展起来的一种生物技术，根据固定原理的不同，一般可分为吸附法、包埋法和共价键（交联）法三类，三类方法各有其特点。目前，固定化酵母发酵技术在糖蜜以及淀粉质原料酒精发酵中已有工业化规模的应用，由于将酵母活体细胞吸附或包埋于载体之中固定起来，使其能够不断快速地繁殖而又能阻止细胞流失，因此在发酵醪液中可形成高密度的酵母细胞，产生强大的生化反应动力，从而增加了酒精发酵的强度。在淀粉质原料的批生产中，增殖后的载体酵母细胞数稳定在8亿个/mL左右，发酵醪中游离细胞数一般在9－13h就达到传统发酵的水平（1.0-1.4亿个／mL），18h后可达到1.8－2.0亿个／mL，并趋于稳定，发酵强度平均为18g乙醇／L.h，发酵时间缩短近50%。

另一种新的固定化方法是利用絮凝酵母自身的凝聚力形成稳定的无载体酵母絮凝颗粒，这种方法与普通固定化方法相比较，具有方法简单、无附加费用、不易染菌等优点。絮凝作用首先由Louis Paseur在酵母培养过程中观察到，现象是悬浮于液体中的单细胞相互聚集形成絮凝状或丝状物，然后沉降或漂浮，这种特性使得絮凝酵母在单位体积醪液中的细胞数大大提高。有关工业化规模试验结果显示，絮凝酵母在淀粉质原料间歇式单罐发酵时，发酵醪中酵母细胞数为3亿个／mL左右，发酵强度为 4.5 g乙醇／L.h；在糖蜜原料连续发酵中，发酵强度由原来的2g乙醇／L.h提高到7－8g乙醇／L.h，发酵时间缩短到10－12h。表明应用絮凝酵母已成为解决传统发酵速度慢、效率低的方便而有效的途径。

2.3 酵母细胞分离回用技术

该技术的原理是将通常情况下会随发酵成熟醪流走的酵母细胞用一定的方法从醪液中分离出来，并返回到发酵系统中继续进行发酵，而使酵母细胞密度提高。这种形式的发酵系统得到了广泛的研究，并已有应用于大生产的实例，一种带离心机的细胞回用发酵系统，可使酵母细胞密度增加到83g/L发酵强度达30－40g乙醇／L．h。细胞回用技术的关键是酵母细胞的分离，离心机分离是常用的一种方法，近年来，膜分离技术的研究非常活跃，其中也涉及到酵母细胞的分离，但由于分离细胞而导致的设备投资和操作成本的增加是一个需要解决的问题。

3. 优化酵母菌发酵环境

酒精发酵的效率受诸多发酵环境因素，如温度、PH值、溶解氧、乙醇及发酵副产物等的影响，研究者对这些因素进行了广泛的研究。

3.1适当增加溶解氧

酵母菌是兼性厌氧微生物，氧的供给与否以及溶解氧含量的多少能使酵母菌的呼吸和发酵代谢发生变化，氧气的存在促使酵母采取有氧呼吸的代谢途径，从而破坏酒精发酵的厌氧代谢过程，这就是众所周知的巴斯德效应。但是，巴斯德效应主要发生在糖浓度比较低的时候（低于3g/L），而糖浓度在3－100g／L范围内，即使有相当量的氧气存在，酒精发酵也能进行，进一步的研究表明，适当通氧对采用高细胞密度、高强度酒精发酵是必要的，其原因是部分通氧可使酵母细胞产生更多的能量，细胞结构物质得以合成和更新，细胞活力得以长久维持，既提高了菌体浓度，又增强了酵母生产乙醇的能力。其中一项研究的结果是：在采用具有细胞循环装置的双罐连续发酵系统中，当温度控制34℃－35℃、单位醪液单位时间通气量为1．53vvm时，发酵强度最高可达30.5g乙醇/L.h。

　　3.2 应用分离技术减少乙醇对酵母发酵的抑制作用

酵母菌的代谢产物乙醇对其自身的生长繁殖及发酵具有抑制作用，酵母菌种不同，对乙醇的耐受能力是不同的，但一般当乙醇含量超过4%（v）时，酵母菌的出芽率明显降低，高于12％（v） ，酵母生长就会受阻而不能继续繁殖和产生乙醇。

真空发酵、萃取发酵以及膜分离技术应用于高效率酒精发酵，其原理都涉及将发酵醪中的乙醇迅速分离，使醪液中的乙醇浓度始终保持在较低水平，而将产物抑制作用降低到最低限度。其中，膜分离技术由于具有工艺简单、操作方便。易于控制与维修、设备费用低、能耗低等优点而显示出巨大的优越性。
膜分离技术是二十世纪六十年代发展起来的新型化工分离单元，以高分子半透膜两侧压力差或电位差为动力，将溶质与溶剂进行分离和纯化的技术，发酵工业主要用电渗析、微孔过滤、超过滤和反渗透等，由传统发酵罐与超滤机组组合而成的系统可用于酒精连续发酵，酵母在醪液中不断地将反应物转化为产物乙醇，而乙醇则借助于循环，连续不断地通过膜而分离，研究结果表明，当进料浓度和稀释率一定时，这种系统中的酵母细胞浓度比间歇式发酵提高l－2个数量级，乙醇产率比固定化酵母法高4倍左右、比传统间歇式发酵高10－20倍。

3.3 其它副产物的影响

酒精发酵过程中除了生成乙醇外，还会产生乙醛、甲酸。乙酸、乳酸、甘油、杂醇油等副产物；另外，原料蒸煮糊化过程中也会产生糠醛、羟甲基糠醛和氨基糖等。这些副产物对酵母菌的生长繁殖及酒精发酵有一定的抑制作用，研究表明，乙酸对酵母菌生长的抑制作用最强，抑制强度依次为：乙酸＞乳酸＞糠醛＞焦糖色素；若发酵液中同时含有上述四种物质，当含量为乙酸0.l％、乳酸0.l％、糠醛0.2％和焦糖色素2.0％时，酵母菌的酒精发酵受到强烈影响，原料出酒率仅为正常发酵时的50％。因此，高效率酒精发酵对这些因素的影响不能忽视，尤其是采用酒糟滤液回用工艺，随着回用批次的增加，醪液中有害物质不断积累，对酵母菌毒害作用逐渐加大，最终会严重影响酒精发酵结果。今后的研究应重视应用分离技术在必要的情况下进行副产物的分离，并选育对副产物耐受能力比较强的高效率酒精发酵酵母菌菌种。

4. 强化淀粉糖化过程

传统酒精发酵工艺将淀粉的糖化分为糖化和后糖化（指在发酵过程中的淀粉糖化），认为前糖化的糖化率应在40％－55％左右，糖化时间在30min以内，否则会造成发酵过程中后糖化作用的削弱。然而，采用固定化酵母或酵母细胞回用等高密度细胞高强度发酵技术，发酵体系中的酵母细胞在短时间内就可进入工作状态，这时缓慢的淀粉糖化速度就成为限制发酵速率的主要因素，即出现了糖化与发酵之间的不协调，因此，高效率酒精发酵必须改变边

[来源：《酿酒》]  作者：李雪雁  

文章关键词：酒精