酒精發(fā)酵ppt課件

1、發(fā)酵技術(shù) .二、與酒清發(fā)酵有關(guān)的微生物 (一)糖化菌用淀粉質(zhì)原料消費酒精時，在進展乙醇發(fā)酵之前，一定要先將淀粉全部或部分轉(zhuǎn)化成葡萄糖等可發(fā)酵性糖，這種淀粉轉(zhuǎn)化為糖的過程稱為糖化，所用催化劑稱為糖化劑。糖化劑可以是由微生物制成的糖化曲(包括固體曲和液體曲)，也可以是商品酶制劑。無機酸也可以起糖化劑作用，但酒精消費中普通不采用酸糖化 .(一)糖化菌 能產(chǎn)生淀粉酶類水解淀粉的微生物種類很多，但它們不是都能作為糖化菌用于消費糖化曲，在實踐消費中主要用的是曲霉和根霉。歷史上曾用過的曲霉包括黑曲霉、白曲霉、黃曲霉、米曲霉等，黑曲霉群中以宇佐美氏曲霉(Aspergillus usamii)、泡盛曲霉(Asp

2、.awamori)和甘薯曲霉(Asp.batatae)運用最廣。白曲霉以河內(nèi)白曲霉、輕研二號最為著名。酒精和白酒消費中，不斷更新菌種，是改良消費、提高淀粉利用率的有效途徑之一。我國的糖化菌種閱歷了從米曲霉到黃曲霉，進而開展到用黑曲霉的過程 .(一)糖化菌 我國20世紀70年代選育出黑曲霉新菌株As.3.4309(UV-11)，該菌株性能優(yōu)良，目前我國很多酒精廠和酶制劑廠都以該菌種消費麩曲、液體曲以及糖化酶等，新的糖化菌株也都是As.3.4309的變異菌株。根霉和毛霉也是常用的糖化菌。著名的阿米諾法，即是以根霉作糖化菌的酒精消費方法。著名的根霉菌有東京根霉(又叫河內(nèi)根霉)(R.tonkinens

3、is)、魯氏毛霉(M.rouxii)和爪哇根霉(R.javanicus)等。.(二)酒精發(fā)酵微生物 許多微生物都能利用已糖化進展酒精發(fā)酵，但在實踐消費中用于酒精發(fā)酵的幾乎全是酒精酵母，俗稱酒母。利用淀粉質(zhì)原料的酒母在分類上叫啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)，是屬于子囊菌亞門酵母屬的一種單細胞微生物。該種酵母菌繁衍速度快，發(fā)酵才干即產(chǎn)酒精才干強，并具有較強的耐酒精才干。常用的酵母的菌株有南陽酵母(1300及1308)、拉斯2號酵母(Rasse )、拉斯12號酵母(Rasse )、K字酵母、M酵母(Hefe M)、日本發(fā)研1號、卡爾斯伯酵母等。利用糖質(zhì)原料的酒母除啤酒酵

4、母外，還有粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)和克魯維酵母(Kluyveromyces.sp)等 .(二)酒精發(fā)酵微生物除上述酵母菌外，一些細菌如森奈假單胞菌(Ps.Lindneri)和嗜糖假單胞菌(Ps.saccharophila)，可以利用葡萄糖進展發(fā)酵消費乙醇?？偁蠲股顚优嘤龝r也要產(chǎn)生乙醇。利用細菌發(fā)酵酒精早在80年代初就引起了留意，但此方法還未到達工業(yè)化，其中有許多問題有待研討。.三、酒精發(fā)酵生化機制 不同消費原料，酒精發(fā)酵生化過程不同。對糖質(zhì)原料，可直接利用酵母將糖轉(zhuǎn)化成乙醇。對于淀粉質(zhì)和纖維質(zhì)原料，首先要進展淀粉和纖維質(zhì)的水解糖化，再由酒精發(fā)酵菌將糖

5、發(fā)酵成乙醇。.1. 淀粉質(zhì)和纖維質(zhì)原料的水解 淀粉持原料的水解 淀粉分子 淀粉是多糖中最易分解的一種，由許多葡萄糖基聚會合而成。天然淀粉具有直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種構(gòu)造，它們在性質(zhì)和構(gòu)造上有差別。直鏈淀粉是-D葡萄糖經(jīng)過1，4糖苷鍵銜接而成的聚合物。普通以為，直鏈淀粉的聚合度在2001000范圍內(nèi)，分子量32400162000，近來發(fā)現(xiàn)聚合度更高的直鏈淀粉。天然直鏈淀粉分子卷曲成螺旋形，螺旋的每一圈含有6個葡萄糖殘基。直鏈淀粉水溶解于7080的溫水,遇碘呈深藍色。在大多數(shù)植物淀粉中，直鏈淀粉含量為2029、25和24。.1. 淀粉質(zhì)和纖維質(zhì)原料的水解.1. 淀粉質(zhì)和纖維質(zhì)原料的水解 支鏈淀粉是D

6、葡萄糖經(jīng)過1，4糖苷鍵及1，6糖苷鍵在分支點上銜接而成的聚合物。其分子較直接淀粉的大，分子量可達107，分支點之間平均有58個葡萄糖苷鍵。支鏈淀粉各個分支卷曲成螺旋狀，整個分子近似球形。支鏈淀粉不溶解于溫水,遇碘呈藍紫。.1. 淀粉質(zhì)和纖維質(zhì)原料的水解.1. 淀粉質(zhì)和纖維質(zhì)原料的水解淀粉的糊化、液化 淀粉在水中經(jīng)加熱會吸收一部分水而發(fā)生溶脹。假設(shè)繼續(xù)加熱至一定溫度普通6080,淀粉粒即發(fā)生破裂,呵斥黏度迅速增大,體積也隨之迅速變大,這種景象稱為淀粉的糊化,經(jīng)糊化的淀粉稱為-淀粉.1. 淀粉質(zhì)和纖維質(zhì)原料的水解 不同種類淀粉糊化溫度有所不同,苷薯、馬鈴薯、玉米和小麥淀粉的糊化溫度分別為7076、

7、5967、6472和6568。發(fā)生糊化景象稱為淀粉的溶解，或稱為液化。馬鈴薯、小麥和玉米支鏈淀粉完全液化的溫度為132、7080、141和146151。.淀粉水解淀粉水解又稱糖化，經(jīng)過添加酶制劑或糖化曲來完成。糖化曲中含有的并起作用的淀粉酶類包括-淀粉酶、-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和異淀粉酶脫支酶。 -淀粉酶能從分子內(nèi)部切開-1，4糖苷鍵，但不能水解-1，6糖苷鍵及接近-1，6糖苷鍵的幾個-1，4糖苷鍵。當(dāng)-淀粉酶作用于淀粉糊時，能使其黏度迅速下降，故又稱液化酶。直鏈淀粉經(jīng)該酶水解的最終產(chǎn)物為葡萄糖和麥芽糖，支鏈淀粉的水解產(chǎn)物除葡萄糖、麥芽糖外，還有具有-1，6鍵的極限糊精和含有4個或更多葡萄糖殘

8、基的帶鍵的低聚糖。 .淀粉水解-葡萄糖淀粉酶能從淀粉的非復(fù)原末端逐個切下麥芽糖單位，但不能水解-1，6糖苷鍵，也不能越過-1，6糖苷鍵水解-1，4糖苷鍵，所以該酶水解支鏈淀粉時留下分子量較大的極限糊精。葡萄糖淀粉酶能從淀粉的非復(fù)原末端逐個切下葡萄糖，它既能水解-1，6糖苷鍵，又能水解-1，4糖苷鍵。由于構(gòu)成的產(chǎn)物幾乎都是葡萄糖，因此該酶又稱為糖化酶。.淀粉水解異淀粉酶專注水解-1，6糖苷鍵，因此能切開支鏈淀粉的分支?？傊?，淀粉在以上幾類酶的共同作用下被徹底水解成葡萄糖和麥芽糖。麥芽糖可在麥芽糖酶的作用下進一步生成葡萄糖。 另外，在糖化曲中除含有淀粉酶類外，還含有一些蛋白酶等，后者在糖化過程中能

9、將蛋白質(zhì)水解成胨、多肽和氨基酸等。.2.纖維質(zhì)原料的水解 纖維素、半纖維素和木質(zhì)素 纖維素是由葡萄糖經(jīng)過-1，4糖苷鍵銜接而成的聚合物，是一種構(gòu)造上無分枝、分子量很大、性質(zhì)穩(wěn)定的多糖。其分子量可達幾十萬，甚至幾百萬。纖維素是構(gòu)成植物細胞壁的主要成分，稻麥秸稈、木材、玉米芯的纖維素含量分別為4050、4050、53。在植物細胞壁中，纖維素總是和半纖維素、木質(zhì)素等伴生在一同。.2.纖維質(zhì)原料的水解 半纖維素是一大類構(gòu)造不同的多聚糖的統(tǒng)稱。構(gòu)成半纖維素的成分有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。常見的半纖維素分子有：D-木聚糖、L-阿拉伯聚糖-D-木

10、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。這些多聚糖的聚合度(DP)為60200，直鏈或分枝。半纖維素與纖維素不同，它很容易水解，但由于它們總是交雜在一同，只需當(dāng)纖維素也被水解時，才能夠全部被水解。 .2.纖維質(zhì)原料的水解本質(zhì)素是由苯基丙烷構(gòu)造單元經(jīng)過碳-碳鍵銜接而成的具有三維空間構(gòu)造的高分子聚合物。在用酸對纖維進展分級水解時，最后剩下的2030的非溶性剩余物即為木質(zhì)素，其性質(zhì)極為穩(wěn)定。木質(zhì)素在纖維素周圍構(gòu)成維護層，使后者的水解變得很困難。.2.纖維質(zhì)原料的水解纖維素的水解 根據(jù)采用的方法不同可將纖維素的水解法分成三

11、種，即稀酸水解法、濃酸水解法和酶水解法。纖維素酸水解所用的酸為硫酸、鹽酸和氫氟酸等強酸。水解反響式為：(C6H1005)n十nH20nC6H1206.2.纖維質(zhì)原料的水解 無機強酸催化纖維素分解的機理是：酸在水中解離產(chǎn)生H+，H+與水構(gòu)成不穩(wěn)定的水合氫離子H3O+，當(dāng)H3O+與纖維素鏈上的-1，4糖苷鍵接觸時，H30+將1個氫離子交給該糖苷鍵上的氧，使它變成不穩(wěn)定的四價氧。當(dāng)氧鍵斷裂時，與水反響生成兩個羥基，并重新放出H+。 H+可再次參與催化水解反響。溶液中H+濃度越高，水解速度越快 .2.纖維質(zhì)原料的水解 酶水解采用的酶是纖維素酶，它是一種復(fù)合酶類，故又稱纖維素酶復(fù)合物。知纖維素酶復(fù)合物由

12、C1和Cx組成。天然纖維素的分解過程是：纖維素先被Cl酶降解為較低分子化合物，同時具有水合性，其次由所謂Cx的幾種酶作用構(gòu)成纖維二糖。纖維二糖再由纖維二糖酶(-葡萄糖苷酶)水解成葡萄糖。由于纖維素的性能穩(wěn)定,無論用酸水解還是用酶水解，都存在水解速度慢,糖得率低的問題，這是影響纖維素科學(xué)利用的難題之一.(二)酵母菌的乙醇發(fā)酵 酵母菌在厭氧條件下可發(fā)酵己糖構(gòu)成乙醇，其生化過程主要由兩個階段組成。第一階段己糖經(jīng)過糖酵解途徑(EMP途徑)分解成丙酮酸。第二階段丙酮酸由脫羧酶催化生成乙醛和二氧化碳，乙醛進一步被復(fù)原成乙醇，整個過程由圖5-3所示。葡萄糖發(fā)酵成乙醇的總反響式為： C6H12O62C2H5O

13、H+2CO2+能量 .(二)酵母菌的乙醇發(fā)酵.(二)酵母菌的乙醇發(fā)酵發(fā)酵過程中除主要生成乙醇外，還生成少量的其他副產(chǎn)物，包括甘油、有機酸主要是琥珀酸、雜醇油高級醇、醛類、酯類等，實際上1mol葡萄糖可產(chǎn)生2mol乙醇；即180克葡萄糖產(chǎn)生92克乙醇，的率為51.5%，可是實踐得率沒有這么高。因酵母菌體的積累約需2% 的葡萄糖，另外2%的葡萄糖用于構(gòu)成甘油，0.5%用于構(gòu)成有機酸，0.2%用于構(gòu)成雜醇油。因此實踐上只需約47的葡萄糖轉(zhuǎn)化成乙醇。乙醇發(fā)酵中大部分能量仍儲存于乙醇之中，所釋放的226kJ自在能中除67kJ(29)用于構(gòu)成ATP外，其他能量以熱的方式分發(fā) .四、酒精發(fā)酵工藝 酒清發(fā)酵由

14、于所用原料不同，采用的工藝也不一樣。下面扼要引見淀粉質(zhì)原料、糖質(zhì)原料酒精發(fā)酵工藝過程。.(一)淀粉質(zhì)原料酒精發(fā)酵工藝 淀粉質(zhì)原料消費酒精分為原料預(yù)處置、原料蒸煮、糖化劑制備、糖化、酒母制備、乙醇發(fā)酵和蒸餾等工藝，工藝流程如以下圖.(一)淀粉質(zhì)原料酒精發(fā)酵工藝1.原料預(yù)處置2.蒸料 3.糖化曲制備 4.糖化 5.酒母制備 6.乙醇發(fā)酵 .(一)淀粉質(zhì)原料酒精發(fā)酵工藝1.原料預(yù)處置(1)原料的除雜 原料詐先要經(jīng)過振蕩篩、吸鐵器等將其中的混雜的小鐵釘、泥塊、雜草、 石塊等雜質(zhì)除去。 .(一)淀粉質(zhì)原料酒精發(fā)酵工藝2)原料的粉碎 粉碎的目的主要是添加原料受熱面積,有利于淀粉顆粒的吸水膨脹,糊化,縮短后

15、續(xù)熱處置時間,提高熱處置效率.另外,粉末原料加水混合后容易流動輸運.原料粉碎的方法要分為干粉碎和濕粉碎兩種.目前國內(nèi)大多采用于粉碎法，設(shè)備大多采用錘式粉碎機,采用粗碎和細碎兩級粉碎工藝，經(jīng)細粉碎后顆粒普通小于2.0mm。濕粉碎時,將蒸煮所需水量和原料一同參與粉碎機中,原料粉末不飛揚,省去除塵通風(fēng)設(shè)備,但粉碎后的粉料不能儲存,宜立刻用于消費。.2.蒸料 淀粉質(zhì)原料吸水后在高溫高壓下蒸煮，可以破壞植物組織和細胞，使淀粉徹底糊化、液化，使蒸煮物料成為均一的糊化醪，為進一步的淀粉轉(zhuǎn)化為糖發(fā)明良好的條件；其次蒸料還有滅菌的作用。.2.蒸料 蒸煮工藝看，20世紀50年代前期我國酒精廠大多采用整粒原料間歇蒸

16、煮工藝。為了提高蒸煮醪質(zhì)量和減輕勞動強度，目前我國各酒精廠廣泛采用延續(xù)蒸煮的工藝，方法有多種，常用有罐式(鍋式)延續(xù)蒸煮、管道式延續(xù)蒸煮、塔式(柱式)延續(xù)蒸煮等三種方法。罐式延續(xù)蒸煮工藝流程簡圖如圖5-6所示， .2.蒸料.2.蒸料采用工藝條件見表5-1蒸料需求耗費蒸汽這一能源，根據(jù)國內(nèi)的情況，蒸煮工段所耗費的蒸汽占整個消費過程蒸汽耗費的25%30%。為了節(jié)約能源，人們正在探求其他工藝，如無蒸煮的生淀粉(生料)發(fā)酵工藝、低溫(100以內(nèi))蒸煮工藝膨化工藝和超細磨工藝等，其中有些工藝曾經(jīng)在消費中得到運用。.2.蒸料.3.糖化曲制備3.糖化曲制備糖化曲分成固體曲和液體曲兩種，用麩皮為主要原料制成的

17、固體曲叫麩曲，采用液體深層通風(fēng)培育的稱為液體曲。(1)固體曲的消費 固體曲消費方法有多種，最早采用的是曲盤制曲，后來開展為簾子制曲，20世紀60年代以后又逐漸采用機械通風(fēng)制曲方法。機械通風(fēng)制曲工藝包括三角瓶種曲培育、簾子種曲制備和機械通風(fēng)制曲等幾個工段，流程如圖5-7所示。 .3.糖化曲制備.3.糖化曲制備制曲過程實踐上是將糖化菌擴展培育，并讓糖化菌產(chǎn)生高活力的、質(zhì)量合格的各種淀粉酶等酶類的過程。為此，需求提供讓糖化菌生長和產(chǎn)酶的適宜原料、水分、溫度和通氣條件等。三角瓶種曲培育階段先保溫3132培育1618h，然后扣瓶并繼續(xù)培育34d，所得種曲要求孢子肥大整齊、稠密.3.糖化曲制備。簾子種曲制

18、備階段，在接種之后，培育前期(前16h)室溫堅持3031，品溫控制不超越3436；培育中期(1632h)品溫控制3637.5；培育后期(3248h)，前8h內(nèi)品溫控制在3738，后8h最高不超越39。機械通風(fēng)制曲階段，普通培育時間為2432h，培育前期即制曲箱(圖5-8).(一)淀粉質(zhì)原料酒精發(fā)酵工藝10h以內(nèi)控制最高不超越34；培育中期(1120h)， 菌絲大量構(gòu)成，并釋放出大量熱量，應(yīng)通風(fēng)控制品溫不超越4042；培育后期(2630h) 將品溫堅持3739。所得固體曲要求菌絲粗壯濃密，具特有的清香，無異味，無孢子生成。 .3.糖化曲制備.(一)淀粉質(zhì)原料酒精發(fā)酵工藝(2)液體曲消費 液體曲消

19、費工藝過程包括種子制備、液體曲發(fā)酵和無菌空氣制備三部分，其工藝流程如圖5-9所示。種子罐接種糖化菌孢子懸浮液后，32通風(fēng)培育36h左右接入培育罐，在培育罐內(nèi)培育48h左右即得成熟液體曲。.3.糖化曲制備.4.糖化糖化方法分成間歇糖化和延續(xù)糖化兩類。目前我國大多數(shù)酒精廠采用后者。(1)間歇糖化工藝 間歇糖化在糖化鍋(圖5-10)圖見第132面內(nèi)進展。蒸煮醪放入并冷卻到6162時，參與糖化劑，攪拌均勻后靜止糖化30min，再冷卻至30后供發(fā)酵用。 .4.糖化.4.糖化(2)延續(xù)糖化工藝 根據(jù)蒸煮醪冷卻(前冷卻)和糖化醪液冷卻(后冷卻)的方法不同，可將延續(xù)糖化工藝分成混合冷卻延續(xù)糖化、真空冷卻延續(xù)糖

20、化和三級真空冷卻延續(xù)糖化三大類，所控制的工藝參數(shù)與間歇糖化工藝的類似。.5.酒母制備 酒母制備過程是酒母擴展培育過程，分為實驗室擴展培育和酒母罐擴展培育兩階段，其流程見圖5-11所示。整個酒母擴展培育過程控制的溫度均為2830。所得酒母應(yīng)細胞強壯、整齊，出芽率高(15%30%)，沒有雜菌污染。 .5.酒母制備.6.乙醇發(fā)酵 糖化醪送入發(fā)酵罐(圖5-12)，接入酒母后，即可始乙醇發(fā)酵。發(fā)酵工藝有間歇發(fā)酵、半延續(xù)式發(fā)酵和延續(xù)式發(fā)酵三類。乙醇發(fā)酵過程可分為前發(fā)酵期、主發(fā)酵期和后發(fā)酵期三個階段。前發(fā)酵期普通為前10h左右，在酒母與糖化醪參與發(fā)酵罐后，醪液中的酵母開場數(shù)量還不多，由于醪液中的酵母開場數(shù)量

21、還不進展繁衍。 .6.乙醇發(fā)酵.6.乙醇發(fā)酵在前發(fā)酵期階段，發(fā)酵作用不強，酒精和三氧化碳產(chǎn)生得少，糖分耗費得比較慢，發(fā)酵醪外表顯得比較安靜。前發(fā)酵期普通控制發(fā)酵溫度不超越30。主發(fā)酵期為前發(fā)酵期之后的12h左右，在此階段酵母細胞已大理構(gòu)成，每毫升醪液中酵母數(shù)可達1億以上，酵母菌根本上停頓繁衍而主要進展乙醇發(fā)酵作用。使糖分迅速下降，酒精量逐漸增多，醪液中產(chǎn)生大量的二氧化碳，有很強的二氧化碳泡沫響聲。 .6.乙醇發(fā)酵此期間發(fā)酵醪溫度上升也快，消費上應(yīng)加強溫度控制，最好將溫度控制在3034。經(jīng)主發(fā)酵期，醪液的糖分大部分已被耗掉，發(fā)酵進入后發(fā)酵期。在后發(fā)酵期階段，發(fā)酵作用弱，產(chǎn)生熱量也省，發(fā)酵醪溫度逐

22、漸下降，應(yīng)控制發(fā)酵溫度在3032。后發(fā)酵普通需求約40h才干完成，總發(fā)酵時間普通控制6072h。普通工藝工廠糖化醪濃度為1618Bx，發(fā)酵成熟醪的乙醇含量為6%10%(V/V) .(二)糖質(zhì)原料酒精發(fā)酵工藝 糖質(zhì)原料制酒精不用進展糖化及之前的工藝操作，工藝過程較為簡單。下面以糖蜜例扼要闡明。糖蜜酒精發(fā)酵工藝過程包括前處置、酒母制備、乙醇發(fā)酵和蒸餾四個工序。前處置包括的內(nèi)容有：將糖蜜稀釋至糖濃度為12%18%(依不同的發(fā)酵工藝而異)。糖蜜中常缺乏酵母必需的營養(yǎng)物質(zhì)，需求添加一些氮源、營養(yǎng)鹽(如硫酸銨、硫酸鎂、磷酸鹽等)以及生長素(如酵母菌自溶物)等。 .(二)糖質(zhì)原料酒精發(fā)酵工藝普通來說，用甘蔗糖蜜的要添加硫酸銨0.1%0.12%、硫酸鎂0.04%0.05%及適量的酵母自溶液等；用甜菜糖蜜的要添加過磷酸鈣約1%，有時還要加少量的硫酸銨，在前處置中還需求加酸，所用的酸普通為硫酸，如今也有用鹽酸的。加酸將發(fā)酵稀糖液的PH調(diào)至4.04.5，這樣能起到防止發(fā)酵過程中雜菌繁衍等作用。乙酵發(fā)酵所用工藝