絮凝剂的添加促进玉米燃料乙醇工艺中DDGS色泽提升的研究

马煜恒，何皓，许召贤，王盛炜，金明杰

(1.南京理工大学环境与生物工程学院，南京 210094；2.中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院生物质燃料与新能源研究室，北京 102206)

随着工业化发展和人口增加，社会对能源的需求不断增长。目前全球大部分能源供应来自不可再生的化石燃料，不可再生资源的消耗和与之产生的环境污染问题让世界各国都十分重视新型能源形式的开发。我国是世界上最大的石油进口国，近年来石油的对外依赖度均超过70%，因此发展新型能源形式对我国的意义更为重大。作为一种汽油替代燃料，生物燃料乙醇因其具有清洁、可再生和可以降低汽车尾气中一氧化碳和碳氢化合物排放等优点，已被公认为是解决化石燃料使用问题最有效的办法之一。2017年，国家发展改革委、国家能源局和财政部等十五部门联合印发了《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》要求到2020年在全国范围内实现车用乙醇汽油的全覆盖。

虽然已有许多关于木质纤维素原料制备第二代生物燃料乙醇的报道，但大部分工作还停留在实验室阶段[1]。目前全球规模化生产和销售的燃料乙醇主要是通过以富含淀粉或糖类的作物为主要原料的第一代生物乙醇技术进行生产。由于我国玉米资源丰富，并且玉米淀粉含量高，玉米是我国进行生物燃料乙醇生产的主要原料之一。据国家粮油信息中心统计，2018年国内燃料乙醇产能为322万t，其中玉米燃料乙醇产能为270万t[2]。在将玉米转化为乙醇中，主要包括湿磨(Wet Grind，WG)法和干磨(Dry Grind，DG)法两种工艺。由于设备投资低和工艺简单，干磨工艺是我国玉米燃料乙醇的主要生产工艺[3]。在干磨过程中，将玉米磨碎成粉与酶混合用于液化和淀粉的水解，之后接入酵母发酵生产乙醇。除乙醇外，玉米干磨工艺还形成二氧化碳和DDGS(带有可溶性物质的干酒糟，Distillers Dried Grains with Solubles)两种主要副产品。典型的干磨工艺从1 t玉米中产生约417.3 L(约329.2 kg)乙醇和约303.1 kg DDGS[4]。

在玉米乙醇生产过程中，玉米中的淀粉(约占玉米干重的70%左右)被水解成葡萄糖，并进一步被酵母菌转化为了乙醇，因此发酵后剩余的DDGS中的蛋白质和脂肪等营养成分的含量较玉米更高[5-6]。此外，乙醇发酵过程中繁殖的大量酵母菌体也残留在DDGS中，进一步提高了其营养成分。丰富的营养成份使DDGS成为养殖行业重要的饲料来源，为养殖业提供了丰富的蛋白质和脂质[7]。根据上文所述，在玉米燃料乙醇企业生产1 t DDGS的同时，也会产生约0.92 t DDGS。因此，DDGS的品质和售价对玉米燃料乙醇企业的营利性至关重要[8]。尤其随着近年来我国燃料乙醇企业补贴的减少甚至取消，许多玉米燃料乙醇企业更加重视生产工艺整体的经济性[2]，尤其是DDGS的品质和售价。

在国内外交易市场，产品色泽是评价DDGS质量的一项重要指标，也是DDGS售价的决定因素之一[9]。我国国家标准《玉米干全酒糟(玉米DDGS)》(GB/T25866-2010)也将颜色作为DDGS分级的重要指标：一级DDGS的颜色标准为浅黄色，二级DDGS颜色标准为黄褐色。根据DDGS的成分和生产过程，研究者认为美拉德反应是影响DDGS色泽一个最重要的因素。发酵醪蒸馏后的全酒糟离心后，大部分葡萄糖、麦芽糖及一些可溶蛋白质和氨基酸留在上清液中。还原糖、蛋白质及氨基酸(特别是赖氨酸和精氨酸等碱性氨基酸)是引起美拉德反应的主要物质，因此制备DDGS时，上清液比例越大，干燥时发生的美拉德反应程度越高，DDGS色泽越深[10]。若上清液中的还原糖和蛋白质含量减少，那么美拉德反应底物即变少，褐变程度降低，即可使DDGS色泽变浅。因此，在工艺中减少酒糟上清液的还原糖及蛋白质等，降低美拉德反应速度，可以提高DDGS色泽及品质，提高其在饲料市场的竞争性。

混凝/絮凝是用于去除悬浮固体、胶体及部分可溶物质的最广泛的分离工艺之一[11]。鉴于此，本试验以玉米燃料乙醇行业发酵醪蒸馏后剩余的全酒糟为主要原料，尝试通过对酒糟中添加絮凝剂降低上清液中还原糖、蛋白质和氨基酸，进而提升DDGS的色度。本研究为改善玉米燃料乙醇工艺中DDGS的色泽及品质奠定了基础，有助于提高玉米燃料乙醇工厂整体的经济性。

1 材料与方法

1.1 材料

玉米燃料乙醇工艺中的全酒糟由吉林燃料乙醇有限公司提供。

试剂有：瓜尔胶、羧甲基纤维素(CMC)、Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3、FeCl3、明矾、淀粉、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)、阴离子聚丙烯酰胺、两性离子聚丙烯酰胺、非离子聚丙烯酰胺、聚合Fe2(SO4)3、聚合AlCl3、AlCl3、单宁酸、海藻酸钠、壳聚糖、聚丙烯酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)，均为分析纯。

仪器设备有：电热恒温鼓风干燥箱、威福光电色差仪2300、电子天平、高效液相色谱仪(HPLC)、涡旋振荡仪、移液枪、烘箱、离心机、研钵、420 um筛、250 um筛和小型粉碎机。

1.2 试验方法

1.2.1 絮凝剂母液的制备

絮凝剂母液：将瓜尔胶、羧甲基纤维素(CMC)、Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3、FeCl3、明矾、淀粉、阳离子聚丙烯酰胺、阴离子聚丙烯酰胺、两性离子聚丙烯酰胺、非离子聚丙烯酰胺、聚合Fe2(SO4)3、聚合AlCl3、AlCl3、单宁酸、海藻酸钠、壳聚糖、聚丙烯酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)等试剂制备浓度为20 g/L的母液。

1.2.2 实验室DDGS的制备

将玉米乙醇工艺蒸馏乙醇后获得的全酒糟以4 000 r/min离心10 min，分为可溶物上清与不可溶物固体两部分。将70%可溶物上清放烘箱干燥浓缩至45%干重得到DDS，同时将不可溶物固体在烘箱温度为95 ℃下干燥得到DDG；DDS与DDG均匀混合后于95 ℃下进一步烘干至水分为10%左右，最终制得玉米乙醇副产物DDGS。DDGS制备流程如图1所示。

图1 DDGS制备流程图

1.2.3 DDGS色泽测定

打开测色仪，设置颜色空间为L*、a*和b*，标准观察者为10°(CIE1964)，颜色光源为D65，色差公式为ΔE*Hunter，平均测量次数为3次。首先以仪器自带黑白板校准仪器，以黑板作为标准品对照，然后取DDGS粉末，用分光测色仪专用器皿盛装，按“Test”测量其色泽。颜色用L*、a*和b*颜色空间表示，也被称为CIELAB，其中L*表示亮度，a*和b*为色泽坐标。a*为红绿色方向，b*为黄蓝色方向，ΔE*Hunter值表示为单个样品的综合品质。并且L*值是测色仪黑白之间的偏向，一般情况下值越大代表DDGS色泽越亮，品质越好；值越小代表DDGS色泽越暗，品质越差。

取DDGS于研钵中研碎过420～250 μm网筛，使用色差仪对DDGS色泽进行测量。

1.2.4 以不同方式添加絮凝剂及其筛选

以下面三种方式在全酒糟中添加絮凝剂(添加量为全酒糟总质量的0.05%)：(1)全酒糟直接添加絮凝剂：在酒糟离心前即添加，继续1.2.2与1.2.3操作；(2)可溶物Thin Stillage添加絮凝剂后不进行二次离心：在离心后的可溶物上清中添加，涡旋振荡3 min，静置30 min，继续1.2.2与1.2.3操作；(3)在可溶物Thin Stillage中添加后进行二次离心：前期步骤同(2)，静置后以6 000 r/min转速保持10 min，继续用1.2.2与1.2.3操作。

1.2.5 絮凝剂添加前后上清液成分变化

将效果较好的4种絮凝剂阳离子聚丙烯酰胺、聚合AlCl3、单宁酸和DMC以第三种添加方式添加在可溶物上清中，离心后获得的上清液通过0.22 μm滤膜过滤，并检测葡萄糖、麦芽糖、木糖、阿拉伯糖含量、游离氨基酸种类及含量。对照组为无絮凝剂添加的DDGS制备工艺获得的样品。

1.2.6 絮凝剂添加量的优化

取上述4种效果较好的絮凝剂，进行6种不同添加比例(酒糟总质量的0.01%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.1%)的用量优化，确认最优用量，采用第三种方式添加絮凝剂。

2 结果与分析

2.1 絮凝剂添加方式及添加种类的筛选

图2为三种不同添加絮凝剂方式制得DDGS的L*值和△E*Hunter值。从图2(a)中可以看出，添加瓜尔胶、淀粉、CPAM、聚合AlCl3、壳聚糖、聚丙烯酸和DMC这7种絮凝剂相对比对照组亮度有增加，但L*值增加小于0.5，而其它向全酒糟中直接添加絮凝剂的方式获得的DDGS亮度均小于对照组。以此种方式添加絮凝剂制备DDS时，眼观上清透明度或浑浊程度基本没有减少。分析主要原因为全酒糟固体不可溶物较多，干扰了絮凝剂的正常功能，导致全酒糟中的可溶物、胶体、糖分及蛋白浓度基本无减少。观察图2(b)，较之对照组，离心后添加Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3、明胶、淀粉、CPAM、两性离子聚丙烯酰胺、聚合Fe2(SO4)3、聚合AlCl3、AlCl3、海藻酸钠和DMC等11种絮凝剂，制得的DDGS亮度均有所增加。其中，添加DMC组获得的DDGSL*值比对照组增加了1.41，而其它8种絮凝剂组获得的DDGS均比对照组亮度低。图2(c)显示除海藻酸钠组，可溶物Thin Stillage中添加絮凝剂后进行二次离心制得的DDGS亮度较之对照组均有所增加，并且添加CPAM、聚合AlCl3、单宁酸、DMC等4种絮凝剂制得的DDGSL*值较对照组提高2个数值以上。这与第二种添加絮凝剂方式而制得的DDGS增加较多的3种絮凝剂(CPAM、聚合AlCl3、DMC)是吻合的。由于CPAM可以与多种化合物形成氢键，絮凝带负电荷的胶体[12]，达到凝集或降低浑浊度的目的，而本试验主要是由于二次离心使可溶物上清中絮凝物完全沉淀使DDS与DDG制备DDGS时发生美拉德反应的物质浓度降低导致产物的亮度增加。有研究者[13]以DMC为单体，通过反相乳液聚合，制得CPAM应用于废水絮凝，结果显示该废水透光率接近100%。以上所有色差仪测得的L*和△E*Hunter两值趋势基本一致。

图2 三种不同添加絮凝剂方式制得DDGS的L*值和△E*Hunter值

上述三种方法结果表明，在全酒糟离心后的可溶物上清中添加絮凝剂提高DDGS色泽效果好，在试验中选择的絮凝剂中有4种絮凝剂表现尤为突出，分别为CPAM、聚合AlCl3、单宁酸和DMC。

2.2 絮凝剂添加前后上清液成分变化

通过对全酒糟可溶物上清中17种游离氨基酸含量进行检测发现，其中存在一定量的游离氨基酸，种类最多的五种游离氨基酸分别为谷氨酸、亮氨酸、精氨酸、甘氨酸和丙氨酸，如图3(a)所示。在全酒糟离心后上清中添加效果较好的4种絮凝剂公司检测游离氨基酸种类及含量如图3(b)所示，从图中可以看出天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、酪氨酸和赖氨酸这8种氨基酸浓度相比对照组下降比较明显。针对在全酒糟离心后上清中分别添加8种氨基酸各10倍浓度于酒糟上清中，制备玉米乙醇发酵副产品DDGS测色泽，相比对照组，图3(d)中添加氨基酸后的L*值虽不明显但大部分有所降低，进一步验证了添加絮凝剂可以减少酒糟上清中氨基酸和糖分的浓度，降低后续制备DDGS烘干过程中美拉德反应的发生，使DDGS色泽变浅，提高其品质。在全酒糟离心后上清中添加效果较好的4种絮凝剂测糖分结果图3(c)所示，从图中可知，添加CPAM、聚合AlCl3、单宁酸、DMC4种絮凝剂与原酒糟上清相比，麦芽糖、葡萄糖、木糖和阿拉伯糖四种糖分的含量均有所降低，且添加聚合AlCl3絮凝剂，除了葡萄糖以外，其它糖分减少最多；CPAM絮凝剂和单宁酸絮凝剂的上清液四种糖分含量相对减少较多。这一定程度上验证了DDGS烘干过程中减少美拉德反应的理论设想，使DDGS色泽变浅，亮度有所增加，品质提高。

图3 Thin Stillage中添加絮凝剂并进行二次离心后上清液糖分和氨基酸含量变化

2.3 絮凝剂添加量的优化

对CPAM、聚合AlCl3、单宁酸和DMC4种絮凝剂进行不同比例添加，添加不同比例絮凝剂制DDGS测定L*值和△E*Hunter值如图4所示。从图4中可以看出，添加不同比例的絮凝剂对DDGS成品颜色均有改善。在酒糟可溶物上清中添加不同比例的CPAM絮凝剂，在0.04%比例时，L*值最大为66.37，而前期添加0.05%比例时，L*值为66.56，相差较小，可优化得到CPAM较佳的添加比例为0.04%。在酒糟上清中添加不同比例的聚合AlCl3絮凝剂，L*值在0.04%添加比例前后呈上升后下降趋势，因此絮凝剂使用过多或过少都不能达到最好的效果，这与李楠楠等[14]的一些研究结果类似，其研究聚合AlCl3对净水效果表明聚合AlCl3加量为5 g/100 mL时絮凝效果最佳，适量的絮凝剂可以中和清液中胶体表面的电荷，降低粒子间排斥作用从而达到絮凝，用量过多则因悬浮物表面分子饱和而失去吸附作用。所以，本实验优化得到聚合AlCl3最佳的添加比例为0.04%。同样地得到单宁酸最佳的添加比例为0.06%，DMC最佳的添加比例为0.06%。此优化实验降低了阳离子聚丙烯酰胺和聚合AlCl3的使用量，一定程度下降低了工艺成本，改善了乙醇副产品DDGS色泽。

图4 添加不同比例絮凝剂制DDGS测定L*值和△E*Hunter值

3 结语

近年来，市场对生物乙醇等形式的生物燃料的需求一直在增加，但燃料乙醇的生产受粮价波动大，通过增加副产物的价值可以提升燃料乙醇工厂整体运行的经济性，增强燃料乙醇工厂抵御粮价波动的能力。在传统玉米燃料乙醇工艺中增加絮凝剂工艺，得到阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)、聚合AlCl3、单宁酸和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)，这4种絮凝剂是改善DDGS色泽的较优絮凝剂，其最佳添加量分别为0.04%、0.04%、0.05%和0.05%，且添加DMC制得DDGSL*值最大为67.12，比传统制得DDGSL*值提高了4.43%，促进DDGS色泽与品质的提升。絮凝剂的添加在一定程度上为研究DDGS品质的发展奠定基础，有利于提高燃料乙醇行业的整体能源经济性。