高浓度酒精发酵

摘要：高浓酒精发酵是以提高单位体积内发酵醪液中淀粉含量，在适量的酿酒酵母菌作用下，在一定的时间内获得最大量的酒精。影响高浓酒精发酵的因素有：葡萄糖浓度、酒精含量、溶解氧浓度、酵母菌细胞密度、发酵温度和副营养物匮乏等。提高高浓酒精发酵的方法有：改良筛选优良酵母生产菌株、改进发酵系统、利用复合酶添加工艺和提高营养限制因子利用。                                                

关键词：高浓度发酵；酒精；酵母菌    酒精作为食品和化工原料，一直是我国发酵行业的主要产品，用微生物发酵生产酒精的历史在我国历史悠久。始于20世纪70年代中期的石油危机给酒精行业带来了前所未有的良机，随着人们环保意识的不断加强，酒精作为一种清洁的燃料越来越受到人们的重视。因此，许多科学家和科学工作者开始致力于应用生物技术开发酒精发酵的新菌种、新工艺的开创性研究，而酒精浓醪发酵作为解决当前实际生产的可行方法，具有极其重要的意义，已成为当前酒精行业研究的热门课题。           1.高浓度酒精发酵

所谓的高浓度酒精发酵，是以提高单位体积内发酵醪液中淀粉的含量，在适量的酿酒酵母菌作用下，在一定的时间内力求得到最多的发酵终产物——酒精。现

在，一般的酒精生产企业淀粉质原料糖化醪的可溶性固形物含量为20%—25%（w/v），因此有人将高浓度酒精发酵定义为每1L发酵液中含300g或者更高的可溶性固形物的酒精发酵。而在理论上当发酵醪液葡萄糖浓度达到28%左右时（相当于1L发酵醪液中含固形物300g），发酵成熟醪中酒精浓度可达18%。    与传统的酒精发酵工艺相比，高浓度酒精发酵具有如下明显的优点：①单位设备的生产率提高：例如若要在发酵成熟醪液中的酒分达到12.5%，如果发酵罐体积为一千立方米，则发酵罐中酒精的量为：1000*12.5%*0.7893=99.125t；如果采用高浓度醪液发酵，发酵成熟醪中酒分达到18%，则最终酒精的量可以达到124.074t。在基本相同或接近的发酵时间情况下，高浓度酒精发酵可以明显地提高单位设备的生产率和利用率。②降低能耗：高浓酒精发酵因为增加了单位体

积醪液中淀粉的含量，增加了单位体积醪液中酒精的含量和其他固形物的含量，减少了拌料过程中水的投入，可以大大降低蒸煮、发酵、蒸馏和DDGS浓缩干燥过程。   

2. 影响高浓度酒精发酵的因素

2.1酵母菌的产酒机理

在酒精发酵过程中，酵母菌处于主体地位。研究发现，处于对数生长期的酵母细胞产生酒精的能力是稳定期的酵母细胞产酒能力的30倍，而处于稳定期的酵母细胞所消耗的糖类主要是维持酵母菌自身的生长代谢所需。资料表明，酵母菌需要能量时才吸收和发酵糖类。正是由于能量的产生、菌体的生长和乙醇的产生三者是紧密联系在一起的，所以有必要在发酵过程中在发酵培养基里加入相应的酵母生长的必需物质，创造条件使酵母菌维持旺盛的生长繁殖能力，以避免不彻底发酵的发生。对于高浓度酒精发酵而言，其发酵醪液中的酵母所需营养成分显得格外重要。

2.2葡萄糖浓度的影响

葡萄糖是酵母菌进行酒精发酵的主要基质。当葡萄糖浓度低于10g/L时，其消耗速度和糖浓度成均匀的直线关系，但是目前的酒精生产中葡萄糖浓度远远高于这一数值。但是当葡萄糖的浓度超过一定浓度值时它对酵母菌的发酵和呼吸作用都产生抑制作用。要实现高浓度酒精发酵，必须解决高浓度葡萄糖的抑制作用。

2.3酒精的抑制作用

酒精是酵母菌的代谢产物，它会对酵母菌产生毒害作用。随着发酵醪液中酒精浓度的增加，乙醇可以进入到细胞膜的疏水区，降低了疏水相互作用力（这种作用力对维持细胞膜的完整性是非常重要的）。另外乙醇在疏水区的存在还会降低范德华力的相互作用，增加细胞膜的运动性和疏水区的极性，使细胞膜减弱对极性分子自由交换的疏水性障碍作用.。不同的酵母菌株它的耐酒精能力是不同的，但是一般情况下，当发酵醪液中酒精含量达到23%时，酵母菌细胞不再生长，也不产生酒精。当酒精含量低于3.8%时，它对酵母菌的抑制作用才可忽略不计。

2.4溶解氧浓度的影响

氧气可以破坏酵母菌酒精发酵的厌氧代谢过程，从而使酵母菌采取有氧呼吸，不进行厌氧发酵，不产或者仅产生少量酒精。日本的福井郎指出，即使在充足氧的条件下，如果有葡萄糖存在，酵母菌细胞也可以通过发酵途径增殖，此时酵母菌细胞是受阻抑细胞，具有呼吸能低的特点，他认为高浓度葡萄糖的存在妨碍酵母菌细胞呼吸系的发达，并且减少“功能性”线粒体的个数，从而使无氧呼吸的酒精发酵途径在一定水平上有所提高。常规的酒精发酵醪液中，溶解氧的数量已经能够保证酵母菌对氧的需要。而在高浓度酒精发酵过程中，有限量氧气的存在，可以为酵母菌提供合成细胞的原生质膜和线粒体中的聚不饱和脂肪酸和类脂质，从而保护细胞膜的完整性，利于酒精的发酵。                                         3.高浓度酒精发酵的生产研究进展

3.1实际生产情况

据有关资料显示，美国有的酒精企业发酵浓醪中酒精浓度可达18%，在实验室条件下可做到23%。他们从工厂的发酵管理、原料的粉碎粒度、加入酵母所需的营养元素、提高酵母的抗逆性、诱变菌株等方面对影响酒精发酵的因素进行改进，从而达到提高酒精产率的目的。

目前我国的酒精企业成熟发酵醪的酒分大多维持在12%左右。河南天冠集团试验中心以小麦为原料，在浓醪发酵方面做出了较为成功的尝试，在总糖浓度维持在26%—27%的情况下，成熟醪酒分可维持在16%左右，并且发酵终了的各项指标均达到较为理想的数值。

在国内，以生产酵母为主的湖北安琪集团，在实验室中利用其活性干酵母发酵淀粉质原料，已经作到料水比1：1.8—2，实现发酵醪液中淀粉含量达到23%—25%，最终的酒分也已达到16%/左右。

3.2高浓度酒精发酵的科研动态

3.2.1改良酵母菌生产菌株

提高酒精酵母的耐酒精程度可以使得发酵醪中的酒精浓度增高，从而降低酒精蒸馏的能耗，为此需筛选耐高酒精浓度的酵母菌，日本在清酒酿造方面所选育的酵母菌具有耐高酒精度的特性。另外，毛志群等采用含有高浓度酒精选择性培养基从自然界中得到115株耐高温酵母，经过初筛、复筛，得到1株高产酒精酵母SP—48，在料水比1:2，发酵时间72h条件下，成熟醪酒分可达16.2%。刘建军等对高产酒精酵母的选育也作了卓有成效的工作，它通过从土壤、酒醅等样品中分离筛选并通过热冲击处理、紫外线和Co60-r射线的物理因子照射，获得一株高产酒精酵母NHY4—36，以玉米淀粉为原料，三十二摄氏度发酵60-68h，可产酒精度17.5%,耐酒度达20%以上，并且适合边糖化边发酵工艺。20世纪80年代初，日本九州大学的林田教授等人，从天然样品中选育的一株耐高温酵母菌W-Y-2，在人工合成培养基中，以蔗糖或淀粉糖化液为底物，在72h内可产生18.6%以上的乙醇。

为了进行高浓度的酒精发酵，对发酵过程中所选择的菌株，进行耐高渗透压的酵母菌细胞所具有的生理特性研究。林秋叶等从两株耐高渗的酵母菌出发，分别以葡萄糖和蔗糖来调节糖度，在糖度为30Bx，采用流加氮源，添加无机离子和定期通氧的方法，对这些耐高渗酿酒酵母在发酵过程中的几个重要生理特性指标：细胞形态、降糖能力、pH变化、生殖曲线以及最终酒分等几个方面进行测定，从而为高浓度酒精发酵选择菌种提供依据。                                                        3.2.2营养限制因子的影响

3.2.2.1碳源、氮源因子的影响

吕欣等指出在初糖浓度质量分数大于15%时，该酵母菌的生长开始受到抑制，在初糖质量分数为35%时，可以达到最大发酵酒精体积分数13.5%；另外，在完全合成培养基条件下，比较了尿素和硫酸铵两种氮源对酒精发酵的影响，发现硫酸铵是较好的氮源，而对3种主要的生长与发酵无机盐氯化钙、硫酸镁和磷酸二氢钾的研究中，得到该酵母菌所需无机盐的临界值，从而较为全面地论述了不同营养限制因子对高浓度酒精发酵的影响。

3.2.2.2改变培养基营养组分，提高酵母菌抗酒精抑制作用

通过改变培养基的营养组分，提高酵母菌的抗酒精抑制作用方面的研究有：①针对高浓度酒精发酵过程中所产生的高酒精度对酵母菌细胞的毒害效应，池振明从脂肪酸、磷脂、麦角固醇、海藻糖以及质膜ATP酶等多方面，对酵母菌细胞的耐酒精机制进行了探讨，提出酵母菌细胞的线粒体、海藻糖等与耐酒精能力有一定关系，并指出酵母菌细胞的耐酒精能力有一定的遗传基础，它是受许