应用有机营养优化酒精发酵水平

刘劲松，施　清，罗　天，邬善远，李梅忠，许引虎

（1.中粮生化能源（肇东）有限公司，黑龙江绥化152000； 2.国家酵母技术研究推广中心，湖北宜昌443003； 3.安琪酵母股份有限公司，湖北宜昌443003）

应用有机营养优化酒精发酵水平

刘劲松1，施清3，罗天3，邬善远3，李梅忠2，许引虎2

（1.中粮生化能源（肇东）有限公司，黑龙江绥化152000； 2.国家酵母技术研究推广中心，湖北宜昌443003； 3.安琪酵母股份有限公司，湖北宜昌443003）

介绍了酒精发酵中酵母的组成，包括元素、含量以及作用。阐述了酒精发酵有机营养剂的机理，重点说明了应用发酵营养剂提高发酵酒精生产水平的措施，包括微调原料蒸煮工艺、改变成熟酒母指标、取消额外加酸、改变营养结构等方式，通过以上措施可实现指标优化。

酒精发酵； 发酵营养剂； 有机氮； 酵母

发酵酒精以其低能耗、高产出、少污染、低投资、高效益等特点，已成21世纪最具发展前景的行业之一。截止2015年，全球发酵化学品市场规模超过5500万t，其中，发酵乙醇的市场规模约为3000万t。预计到2020年，全球发酵化学品市场产值将达到658.1亿美元，其中，发酵乙醇的市场产值将达到372亿美元［1］。2015年，我国发酵酒精的产量更是超过1000万kL，销售收入近800亿元，同比增长6.34%［2］。但是，在看到增长额的同时，也要看到目前我国酒精发酵生产行业存在的问题，特别是对于酒精酵母在培养中的营养方面的认识还存在不足，依然停留在单一变量阶段，能省则省，往往忽略了营养、酵母和整个发酵体系的相互关系。本文通过对一款发酵营养剂的添加，阐述了针对该产品的微调工艺（即符合最佳使用条件），以最大化发挥其效果，为广大同行提供一种新的优化酒精生产工艺的思路。

1　酒精酵母的成分分析及营养需求

酒精酵母，作为一种单细胞真菌，其细胞内的元素种类以及含量见表1。

表1　酵母细胞内的元素种类及含量［3］

高活性干酵母主要由蛋白质、核酸、脂肪、灰分以及维生素构成。其中灰分主要含有磷、钾、钠等元素。在酒精发酵液中，酵母细胞中含氮量虽然不高，只占到2%左右［4］，但是它的作用却非常重要。大量研究表明，在发酵液中游离氨基氮的浓度大于100 mg/L时，酵母菌的繁殖呈直线增长，而当含量超过870 mg/L时，再增加含氮量也不会对其有明显的影响。因此氮浓度在150～870 mg/L的范围，会直接影响到发酵的速度。磷是构成酵母的核酸、磷脂和许多辅酶的成分，它参与碳水化合物代谢主要步骤的磷酸化过程，生成高能磷酸化合物ATP，贮存和输送能量；同时磷酸盐又是重要的pH值缓冲剂。磷酸盐的添加量是根据氮源的添加量来确定，一般3份N2需要1 份P2O5。其他元素对氮源吸收的作用见图1。

图1　不同元素对酵母代谢的作用

2　酒精发酵营养剂的特性分析

酒精发酵营养剂，是指一种采用酵母制品进行生产、复配而成的含有丰富氮源、微量元素、生长因子和有机酸，用于提供给酒精发酵中酵母新陈代谢所需的有机营养物质。酒精发酵营养盐主要包含以下几种物质：酵母粉、多组分无机盐、生长素、抗酒精试剂和抗渗透压试剂等。其有效作用包括：合法、高效营养助推器，为酒精酵母提供天然、安全的生物营养源；改善和促进酵母生长，提高酵母活力；提供丰富的可利用氮；不产生任何副产物，不影响副产品的生产。目前，随着超期储存和蓆茓囤储存粮食定向竞价销售，原料质量存在不同程度的波动，这些原料对于酒精生产有较大的负面影响，可能抑制酿酒酵母菌的生长、繁殖和发酵等代谢活动。在发酵中可能缺乏的营养物质包括低分子量氮、维生素以及无机盐如锌、磷、硫、镁、钙等。添加酒精发酵营养剂，使酿酒酵母在酒精发酵中保持高效、持久和旺盛的发酵状态，从而提高其发酵速率、耐渗透压性能和抗酒精能力。

3　原料处理的微调

长期以来，各大酒精生产企业实行中、高温蒸煮或者喷射液化工艺。采用这种工艺，一是为了给液化酶的作用提供良好的条件，缩短高分子淀粉降解为低分子糊精或单糖所需的时间；二是因为生产原料的粗放，而酒精生产需要无菌条件，高温能够控制杂菌对生产的影响；三是控制合理的DE值，为糖化酶的高效工作提供良好的条件。使用酒精发酵营养盐时，为了保证营养盐的高效，需要对液化蒸煮温度做一定程度的调整，一方面保持合理的糊精及低聚糖和少量的单糖，配合糖化酶的高效酶解；另一方面，也是为了最大化地发挥营养盐的优势。液化工段分为4个步骤：调浆、预液化、液化、后液化。调浆，即拌料，55～60℃工艺水调节至所需的料液浓度，调节pH值，加入所需淀粉酶（一次添加或二次添加）；预液化，即升温阶段，目的是使粉料吸水膨胀，同时将粉浆温度提高至85℃，有利于二次蒸汽的高效利用；液化，目前国内厂家主要有两种液化方式，较先进的有喷射液化，这种技术可配合耐高温α-淀粉酶的使用，最大限度地提高液化效果，该工艺蒸汽用量较少，结构轻巧、控制精度高、操作运行平稳；另一种为直接升温液化，该工艺要求在剧烈的搅拌下将粉浆升温至85～90℃，并维持30～60 min。采用该法易造成料液过滤性差，糖浓度低，一般是在液化完成后升温至130～140℃保温10 min。采用发酵营养盐后，可适当降低后液化温度至85～90℃，或者取消后液化操作，原因是发酵盐在进入料液后，可部分作用于原料，降低料液黏度、提高DE值。

4　成熟酒母指标的微调

目前，大部分酒精厂在酒母培养过程中，通常将成熟酒母的指标定义为高细胞数、一定的出芽率。这本身没有错，因为由于酒精生产的特殊性，需要依靠高细胞数来最大程度地减少杂菌进入整个生产系统，导致料液生酸，也是保证高发酵强度的要求。而采用酒精发酵营养盐后，为了更好的发挥其优势，需要将成熟酒母指标控制在一定的细胞数、高出芽率（每个工厂检测出芽率的习惯各不相同，只要比现有出芽率有较大幅度的提高即可）。因为一定的细胞数和高出芽率能够保证酒母旺盛，同时能够发挥酒精发酵营养盐高效、复合营养的优势，又能够有效抑制杂菌的繁殖，降低产酸损失。可以采取的措施包括适当缩短酒母培养时间；优化干酵母接种初始糖浓度，提高干酵母接种量等。

5　pH值的微调

目前，酒精生产中的pH值调节主要通过硫酸和片碱来实现。液化酶、糖化酶和酵母均对pH值有要求，其中又以酵母对pH值的要求更加苛刻，酵母生长、繁殖、发酵所需的pH值均有差异，酶制剂和酵母均需要微酸环境。一般情况下，无论何种形式的氮源，酵母均需要将其首先作用为谷氨酸，再合成自身所需的各种氨基酸、多肽以及蛋白质，而谷氨酸呈酸性，尿素溶液呈中性，所以需要用硫酸调节pH值。而酒精发酵营养盐本身来源于酵母，产品属于酸性，故不需要添加硫酸调节pH值。这就实现了酒母培养的无酸发酵。至于原料处理实现无酸，则需要对酶制剂和原料处理工艺进行研究。

6　酵母营养结构的微调

研究表明，一般情况下，酒精酵母优先利用体系中的谷氨酰胺、谷氨酸和铵离子这3种氨基酸。其次被优先利用的游离α-氨基酸包括苏氨酸、丝氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、脲和精氨酸。另外，发酵营养剂中的脯氨酸含量较高，由于酵母菌只有在有氧条件下才能利用脯氨酸作为氮源，因此在酒母培养阶段使用发酵营养剂，能够极大地补充氮源。1995年，Jiranek、Langridge和Henschke［5-6］利用合成培养基对酿酒酵母进行发酵培养，对氨基酸和铵态氮的利用水平进行观察后指出，除甘氨酸外，在酒精发酵体系中，所有种类的氨基酸含量都有不同程度的减少。Cooper、Gorinstein、Henschke和Large［7-10］不同时间报道了酵母菌优先利用的氨基酸种类依次为谷氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、天冬酰胺、苏氨酸、酪氨酸、精氨酸。一般情况下，发酵体系中保持锌离子的含量在0.25～2 mg/L。如果锌离子含量不足，乙醇脱氢酶等胞内酶活力明显下降，引起酵母增殖缓慢、发酵速度减慢；如果锌离子浓度过高，可以促进酵母的生长代谢，但是酵母极易衰老、自溶。氟离子、硝酸根离子会改变酵母遗传，抑制发酵和酵母生长，氧化硅离子与蛋白质结合形成硅体浑浊，在发酵时形成胶团，吸附在酵母表面，降低酵母的代谢能力。发酵体系中有效磷含量不足时，酒精酵母的整个生命过程都会受到不良影响［11］。所以，应用于酒精发酵的营养剂，选择很关键，选择的原则要符合食品安全、酵母易吸收利用、营养全面、价格合理等条件。

7　直接指标优化

采用酒精发酵营养剂并进行以上的工艺微调后，最直接的现象是：①酵母的细胞数有一定程度的下降，但是出芽率较对照有了明显的提升；细胞形态较之前更加饱满、细胞膜明显增厚，内含物丰富；②生酸值降低了约10%，尤其是挥发酸，降低幅度达到50%；③降低了原料处理的蒸汽能耗，减少了由于高温蒸煮造成的糖分损失；④取消了硫酸的添加，消除了危险源和酸对设备的腐蚀影响；⑤提升了成品酒精的品质。

8　小结

酒精生产中，应用于酵母的营养剂，一方面要保证其安全、丰富和高效；另一方面，必须严格把控工艺，使得生产工艺符合发酵营养剂的最优要求，只有这样，才能真正提高酒精生产水平。

［1］Fermentation chemicals market analysis by product（alcohols，enzymes，organic acids），by application（industrial，food& beverages，nutritional&pharmaceuticals，plastics&fibers）and segment forecast to 2024［EB/OL］.（2016-07-01）. http://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/ fermentation-chemicals-market.

［2］中国酒业协会.中国酒业“十三五”发展指导意见［R］.2016.

［3］贾树彪，李盛贤，吴国峰，等.新编酒精工艺学［M］.北京：化学工业出版社，2009：40.

［4］于景芝.酵母生产与应用手册［M］.北京：中国轻工业出版社，2005：413.

［5］Jiranek V，Langridge P，Henschke PA.Amino acid and ammonium utilization by Saccharomyces cerevisiae wine yeasts from a chemically defined medium［J］.American Journal of Enology and Viticulture，1995，46：75-83.

［6］Jiranek V，Langridge P，Henschke PA.Regulation of hydrogen sulfide liberarion in wine-producing Saccharomyces cerevisiae strains by assimilable nitrogen［J］.Appl Environ Microbiol，1995，61：461-467.

［7］Cooper T G.Nitrogen metabolism in Saccharomyces cerevisiae ［M］//Strathern J N，Jones E W，Borach J R.The molecular biology of the yeast Saccharomyces:metabolism and gene expression.Cold Spring，1982：39-99.

［8］Gorinstein S，GoldblumA，Kitov S，et al.The relationships between metals，polyphenols，nitrogenous substances and the treatment of the ted and white wines［J］.American Journal of Enology and Viticulture，1984，35：9-15.

［9］Henschke PA，Jiranek V.Yeasts-metabolism of the nitrogen compounds［M］//Flee G H.Wine microbiology and biotechnology.CRC Press，1993L77-163.

［10］Large P J.Degradation of organic nitrogen compounds by yeasts［J］.Yeasts，1986（2）：1-34.

［11］吴英敏.啤酒酵母絮凝性影响因素的研究［D］.北京：北京化工大学，2004.

Optimization of Alcohol Fermentation Using Organic Nutrients

LIU Jingsong1，SHI Qing3，LUO Tian3，WU Shanyuan3，LI Meizhong2and XU Yinhu2
（1.COFCO Energy（Zhaodong）Co.Ltd.，Suihua，Heilongjiang 152000；2.State Yeast Technology Research&Promotion Center，Yichang，Hubei 443003；3.Angel Yeast Co.Ltd.，Yichang，Hubei 443003，China）

In this paper，the composition of yeast in alcohol fermentation was introduced including elements，content，and functions.In addition，the working mechanism of organic nutrients in alcohol fermentation was elaborated.Especially，the measures of using fermentation nutrients to improve alcohol fermentation levels were put forward，including regulating raw material cooking and steaming techniques，changing fermentation starter indexes，cancelling acid addition，and changing nutritional structure，etc.The above measures might improve alcohol fermentation in practice.（Trans.by YUE Yang）

alcohol fermentation；fermentation nutrients；organic nitrogen；yeast

TS262.2；TS261.1；TS261.4

A

1001-9286（2016）09-0083-03

10.13746/j.njkj.2016232

2016-07-21

刘劲松（1974-），男，高级工程师，博士，主要从事谷物发酵生产酒精及生物质能源方面的研究工作，E-mail：liujinsong@cofco.com。

优先数字出版时间：2016-08-12；地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20160812.1028.004.html。