第四章酒精发酵

第四章酒精发酵第四章酒精发酵•一、酒精发酵原料•二、与酒清发酵有关的微生物•三、酒精发酵生化机制•四、酒精发酵工艺•五、酒精蒸馏与精馏一、酒精发酵原料(一)淀粉质原料淀粉质原料是生产酒精的主要原料。我国发酵酒精的80%是用淀粉质原料生产的，其中以甘薯干等薯类为原料的约占45%，玉米等谷物为原料的约占35%。•1.薯类原料薯类原料包括甘薯、木薯和马铃薯等(一)淀粉质原料•淀粉质原料是生产酒精的主要原料。我国发酵酒精的80%是用淀粉质原料生产的，其中以甘薯干等薯类为原料的约占45%，玉米等谷物为原料的约占35%。•1.薯类原料薯类原料包括甘薯、木薯和马铃薯等1.薯类原料•甘薯北方俗称红薯、地瓜，南方称为山芋，蕃薯。新鲜甘薯可能直接作酒精生产原料，但一般将鲜甘薯制成薯干，这样便于保存并能供工厂全年使用。甘薯中固形物的主要成分是淀粉，还含有少量的糖类和蛋白质。甘薯干及鲜甘薯是一种良好的酒精生产原料，为我国大多数工厂所采用，是我国生产酒精的主要薯类原料。2.谷物原料(粮食原料)•谷物原料包括玉米、小麦、高梁、大米等。谷物原料也是很好的酒精生产原料。国际上最常用的谷物原料是玉米和小麦。我国由于人多地少，粮食珍贵，以往除玉米外，其他粮食一般较少用于生产酒精，只有当其他原料不足，或谷物受潮发热霉变的情况下才用谷物原料。随着我国粮食生产的发展，用于酒精生产的谷物数量会增加。(二)糖质原料•常用的糖质原料有糖蜜、甘蔗、甜菜和甜高梁等。•糖蜜又称废糖蜜，它是干蔗或甜菜糖厂制糖过程中形成的一种副产物，分别称为甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜，其产量分别为加工甘蔗和甜菜间的30%左右和3.5%～5%。糖蜜含糖量较高，一级甘蔗糖蜜含糖分50%以上，甜菜糖蜜含糖量50%左右，所含主要成分为蔗糖。(二)糖质原料•甘蔗是一种良好的制糖原料。20世纪70年代起，国外开始直接利用甘蔗生产酒精，即利用甘蔗压榨或萃取后的蔗汁进行酒精发酵。甘蔗法中可发酵固形物包括蔗糖、淀粉及其他碳水化合物。•甜菜和甘蔗一样是主要的制糖原料。国外(如前苏联和东欧诸国)有用过剩的甜菜或受冻、变质的甜菜生产酒精。甜菜所含主要糖分是蔗糖。此外还含少量其他碳水合物和果胶质。(二)糖质原料•甜高粱是一种高秆作物，起源于美国。其秆中含糖分10%～12%，所结的高粱米富含淀粉，均可用于发酵酒精，是具有潜在发展前途的糖质原料。•糖质原料生产酒精工序简单，成本比较低，是酒精发酵的理想原料，只是制糖和其他发酵工业也都需要糖质原料，能用到酒精生产上的不太多，特别是我国糖质原料用于酒精生产较为有限。(三)纤维质原料•纤维类物质是自然界中的可再生资源。其含量十分丰富。天然纤维原料由纤维素、半纤维素和木质素三大成分组成，它们均较难被降解，长期以来人们都在研究如何利用纤维质原料来生产酒精及其他化工产品。近年来，纤维素和半纤维素生产酒精的研究有了突破性的进展，纤维素和半纤维已成为很有潜力的酒精生产原料。(三)纤维质原料•可用于酒精生产的纤维质原料包括农作物纤维质下脚料(稻草、麦草、玉米秆、玉米芯、花生壳、稻壳、棉籽壳等)，森林和木材加工工业的下脚料(树枝、木屑等)，工厂纤维素和半纤维素下脚料(甘蔗渣、废甜菜丝、废纸浆等)及城市废纤维垃圾等四类。用纤维质原料发酵酒精目前尚不盛行。(四)其他原料•主要指亚硫酸盐纸浆废液、甘薯和马铃薯淀粉渣、各种野生植物和乳清等。用这些原料生产酒精目前还不多见。二、与酒清发酵有关的微生物•(一)糖化菌•用淀粉质原料生产酒精时，在进行乙醇发酵之前，一定要先将淀粉全部或部分转化成葡萄糖等可发酵性糖，这种淀粉转化为糖的过程称为糖化，所用催化剂称为糖化剂。糖化剂可以是由微生物制成的糖化曲(包括固体曲和液体曲)，也可以是商品酶制剂。无机酸也可以起糖化剂作用，但酒精生产中一般不采用酸糖化(一)糖化菌•能产生淀粉酶类水解淀粉的微生物种类很多，但它们不是都能作为糖化菌用于生产糖化曲，在实际生产中主要用的是曲霉和根霉。•历史上曾用过的曲霉包括黑曲霉、白曲霉、黄曲霉、米曲霉等，黑曲霉群中以宇佐美氏曲霉(Aspergillususamii)、泡盛曲霉(Asp.awamori)和甘薯曲霉(Asp.batatae)应用最广。白曲霉以河内白曲霉、轻研二号最为著名。酒精和白酒生产中，不断更新菌种，是改进生产、提高淀粉利用率的有效途径之一。我国的糖化菌种经历了从米曲霉到黄曲霉，进而发展到用黑曲霉的过程(一)糖化菌•我国20世纪70年代选育出黑曲霉新菌株As.3.4309(UV-11)，该菌株性能优良，目前的过程。我国很多酒精厂和酶制剂厂都以该菌种生产麸曲、液体曲以及糖化酶等，新的糖化菌株也都是As.3.4309的变异菌株。•根霉和毛霉也是常用的糖化菌。著名的阿米诺法，即是以根霉作糖化菌的酒精生产方法。著名的根霉菌有东京根霉(又叫河内根霉)(R.tonkinensis)、鲁氏毛霉(M.rouxii)和爪哇根霉(R.javanicus)等。(二)酒精发酵微生物•许多微生物都能利用已糖化进行酒精发酵，但在实际生产中用于酒精发酵的几乎全是酒精酵母，俗称酒母。利用淀粉质原料的酒母在分类上叫啤酒酵母(Saccharomycescerevisiae)，是属于子囊菌亚门酵母属的一种单细胞微生物。该种酵母菌繁殖速度快，发酵能力即产酒精能力强，并具有较强的耐酒精能力。常用的酵母的菌株有南阳酵母(1300及1308)、拉斯2号酵母(RasseⅡ)、拉斯12号酵母(RasseⅪⅠ)、K字酵母、M酵母(HefeM)、日本发研1号、卡尔斯伯酵母等。利用糖质原料的酒母除啤酒酵母外，还有粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomycespombe)和克鲁维酵母(Kluyveromyces.sp)等(二)酒精发酵微生物•除上述酵母菌外，一些细菌如森奈假单胞菌(Ps.Lindneri)和嗜糖假单胞菌(Ps.saccharophila)，可以利用葡萄糖进行发酵生产乙醇。总状毛霉深层培养时也要产生乙醇。利用细菌发酵酒精早在80年代初就引起了注意，但此方法还未达到工业化，其中有许多问题有待研究。三、酒精发酵生化机制•不同生产原料，酒精发酵生化过程不同。对糖质原料，可直接利用酵母将糖转化成乙醇。对于淀粉质和纤维质原料，首先要进行淀粉和纤维质的水解（糖化），再由酒精发酵菌将糖发酵成乙醇。1.淀粉质和纤维质原料的水解•淀粉持原料的水解•⑴淀粉分子淀粉是多糖中最易分解的一种，由许多葡萄糖基团聚合而成。天然淀粉具有直链淀粉和支链淀粉两种结构，它们在性质和结构上有差异。•直链淀粉是α-D葡萄糖通过α－1，4糖苷键连接而成的聚合物。一般认为，直链淀粉的聚合度在200～1000范围内，分子量32400～162000，近来发现聚合度更高的直链淀粉。天然直链淀粉分子卷曲成螺旋形，螺旋的每一圈含有6个葡萄糖残基。直链淀粉水溶解于70～80℃的温水,遇碘呈深蓝色。在大多数植物淀粉中，直链淀粉含量为20％～29％、25％和24％。1.淀粉质和纤维质原料的水解1.淀粉质和纤维质原料的水解•支链淀粉是α－D葡萄糖通过α－1，4糖苷键及α－1，6糖苷键（在分支点上）连接而成的聚合物。其分子较直接淀粉的大，分子量可达107，分支点之间平均有5～8个葡萄糖苷键。支链淀粉各个分支卷曲成螺旋状，整个分子近似球形。支链淀粉不溶解于温水,遇碘呈蓝紫。1.淀粉质和纤维质原料的水解1.淀粉质和纤维质原料的水解•⑵淀粉的糊化、液化淀粉在水中经加热会吸收一部分水而发生溶胀。如果继续加热至一定温度（一般60～80℃）,淀粉粒即发生破裂,造成黏度迅速增大,体积也随之迅速变大,这种现象称为淀粉的糊化,经糊化的淀粉称为α-淀粉.1.淀粉质和纤维质原料的水解•不同种类淀粉糊化温度有所不同,苷薯、马铃薯、玉米和小麦淀粉的糊化温度分别为70～76℃、59～67℃、64～72℃和65～68℃。发生糊化现象称为淀粉的溶解，或称为液化。马铃薯、小麦和玉米支链淀粉完全液化的温度为132℃、70～80℃、136～141℃和146～151℃。⑶淀粉水解•淀粉水解又称糖化，通过添加酶制剂或糖化曲来完成。糖化曲中含有的并起作用的淀粉酶类包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和异淀粉酶（脱支酶）。α-淀粉酶能从分子内部切开α-1，4糖苷键，但不能水解α-1，6糖苷键及靠近α-1，6糖苷键的几个α-1，4糖苷键。当α-淀粉酶作用于淀粉糊时，能使其黏度迅速下降，故又称液化酶。直链淀粉经该酶水解的最终产物为葡萄糖和麦芽糖，支链淀粉的水解产物除葡萄糖、麦芽糖外，还有具有α-1，6键的极限糊精和含有4个或更多葡萄糖残基的带键的低聚糖。⑶淀粉水解•β-葡萄糖淀粉酶能从淀粉的非还原末端逐个切下麦芽糖单位，但不能水解α-1，6糖苷键，也不能越过α-1，6糖苷键水解α-1，4糖苷键，所以该酶水解支链淀粉时留下分子量较大的极限糊精。•葡萄糖淀粉酶能从淀粉的非还原末端逐个切下葡萄糖，它既能水解α-1，6糖苷键，又能水解α-1，4糖苷键。由于形成的产物几乎都是葡萄糖，因此该酶又称为糖化酶。⑶淀粉水解•异淀粉酶专一水解α-1，6糖苷键，因此能切开支链淀粉的分支。•总之，淀粉在以上几类酶的共同作用下被彻底水解成葡萄糖和麦芽糖。麦芽糖可在麦芽糖酶的作用下进一步生成葡萄糖。•另外，在糖化曲中除含有淀粉酶类外，还含有一些蛋白酶等，后者在糖化过程中能将蛋白质水解成胨、多肽和氨基酸等。2.纤维质原料的水解•⑴纤维素、半纤维素和木质素纤维素是由葡萄糖通过β-1，4糖苷键连接而成的聚合物，是一种结构上无分枝、分子量很大、性质稳定的多糖。其分子量可达几十万，甚至几百万。纤维素是构成植物细胞壁的主要成分，稻麦秸秆、木材、玉米芯的纤维素含量分别为40％～50％、40％～50％、53％。在植物细胞壁中，纤维素总是和半纤维素、木质素等伴生在一起。2.纤维质原料的水解半纤维素是一大类结构不同的多聚糖的统称。构成半纤维素的成分有D-葡萄糖、D-甘露糖和D-半乳糖等己糖，及D-木糖、L-阿拉伯糖等戊糖以及糖醛酸等。常见的半纤维素分子有：D-木聚糖、L-阿拉伯聚糖-D-木聚糖、L-阿拉伯聚糖-D-半乳聚糖、L—阿拉伯聚糖-D-葡萄糖醛酸-D-木聚糖、D-半乳聚糖-D-葡聚糖-D-甘露聚糖等。这些多聚糖的聚合度(DP)为60～200，直链或分枝。半纤维素与纤维素不同，它很容易水解，但由于它们总是交杂在一起，只有当纤维素也被水解时，才可能全部被水解。2.纤维质原料的水解•本质素是由苯基丙烷结构单元通过碳-碳键连接而成的具有三维空间结构的高分子聚合物。在用酸对纤维进行分级水解时，最后剩下的20％～30％的非溶性残余物即为木质素，其性质极为稳定。木质素在纤维素周围形成保护层，使后者的水解变得很困难。2.纤维质原料的水解•⑵纤维素的水解根据采用的方法不同可将纤维素的水解法分成三种，即稀酸水解法、浓酸水解法和酶水解法。•纤维素酸水解所用的酸为硫酸、盐酸和氢氟酸等强酸。水解反应式为：•(C6H1005)n十nH20→nC6H12062.纤维质原料的水解无机强酸催化纤维素分解的机理是：酸在水中解离产生H+，H+与水构成不稳定的水合氢•离子H3O+，当H3O+与纤维素链上的β-1，4糖苷键接触时，H30+将1个氢离子交给该糖苷键上的氧，使它变成不稳定的四价氧。当氧键断裂时，与水反应生成两个羟基，并重新放出H+。H+可再次参与催化水解反应。溶液中H+浓度越高，水解速度越快2.纤维质原料的水解•酶水解采用的酶是纤维素酶，它是一种复合酶类，故又称纤维素酶复合物。已知纤维素酶复合物由C1和Cx组成。天然纤维素的分解过程是：纤维素先被Cl酶降解为较低分子化合物，同时具有水合性，其次由所谓Cx的几种酶作用形成纤维二糖。纤维二糖再由纤维二糖酶(β-葡萄糖苷酶)水解成葡萄糖。•由于纤维素的性能稳定,无论用酸水解还是用酶水解，都存在水解速度慢,糖得率低的问题，这是影响纤维素科学利用的难题之一.(二)酵母菌的乙醇发酵•酵母菌在厌氧条件下可发酵己糖形成乙醇，其生化过程主要由两个阶段组成。第一阶段己糖通过糖酵解途径(EMP途径)分解成丙酮