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甘薯食用酒精加工 ( 二)

   2023-04-05 679
核心提示:甘薯食用酒精加工 (七)酶解 如蒸煮后未及时加人液化酶、待糊化的醪液降温,黏度会逐步增加,甚至像冷凝的果胶或动物胶溶液。时间

                  甘薯食用酒精加工 

       (七)酶解

       如蒸煮后未及时加人液化酶、待糊化的醪液降温,黏度会逐步增加,甚至像冷凝的果胶或动物胶溶液。时间一长,则会重新发生部分结晶现象,这种现象称为淀粉糊化醪的回生,也称为老化或反生。变成凝胶后的醪液无法输送,也不能与糖化剂充分混合,将会造成生产的停顿。回生后的直链淀粉非常稳定,加热加压也难溶解。如果有支链淀粉分子混存,则仍有加热成糊的可能。而当淀粉凝胶被冷冻和融化时,淀粉凝胶的回生是非常大的,这种现象也是生产上不愿意看到的。因此,在生产上,蒸煮醪冷却至酶解温度时应立即与酶混合,使淀粉变成糖或较小分子的糊精,以防止回生现象出现。

       1.液化

       蒸煮结束后发酵醪温度降至液化酶最适温度时即可加入液化酶,并通过加酶量和液化时间控制液化程度。液化酶的作用也不是越彻底越好,液化过头反而会不利于后续糖化酶的作用,导致发酵成熟醪的残总糖过高。可以通过测定还原糖的释放量来判断原料的液化程度。但这一过程往往比较耗时,所以生产上常通过简单的碘反应来判断。淀粉和碘形成吡咯并花-碘的晶体结构,呈现的颜色与淀粉分子长度有关,长链淀粉与碘显深蓝色;链长在20~30个葡萄糖单位的,淀粉液的碘反应迅速失去蓝色,变为紫色;13~20个葡萄糖单位的是红色;7个葡萄糖单位以下无色。液化至碘反应红棕色就可以终止液化反应,进行糖化处理。

                                       

                                                                 吡咯并花-碘的晶体结构

        2.糖化

        化酶可在液化结束降至糖化酶最适作用温度后(一般50左右),此工艺称为先糖化后发酵(separate hydrolysis and fermentation,SHF)。也可以在接种时与发酵微生物同时接人,此工艺为边糖化边发酵。SSF工艺因减少了操作工序及完全糖化时底物浓度过高对微生物造成的抑制而获得了更多的应用。

        3.降黏

        为了降低蒸馏能耗,高浓度酒精发酵技术是酒精发酵的重要趋势,该技术可以有效提高单位时间的酒精产量、单位设备的能量产出,减少发酵过程中的水耗、蒸馏过程中的能耗和杂菌污染的概率,从而降低酒精生产成本。但是高浓度酒精发酵势必要求原料中的糖浓度较高,为达到这一目标就不能过度添加配料水,而水的不足通常会导致发酵醪黏度非常高。目前,以玉米为原料的高浓度酒精发酵因为醪液黏度低的特性已投入生产,但是,以甘薯为原料的高浓度发酵还处于示范研究阶段。其工业化的瓶颈之一就是甘薯醪液黏度很高(高于10万mPa·s)、呈半固体状、完全没有流动性,所以传输、传热困难,这给料液的混合、运输、液化、糖化、发酵及蒸馏,特别是大规模生产的操作带来较大的困难,而且高黏度影响淀粉完全水解为可发酵的糖(靳艳玲 等,2016)。另外,虽然添加更多的水能降低黏度,但发酵初总糖因稀释而降低,导致酒精浓度较低。酒精的蒸馏需要消耗更多的能量,发酵效率也不高。可见,降低甘薯的黏度,是实现高浓度发酵的关键。

        而甘薯黏度产生的生化基础尚不明确,针对这一问题,国家甘薯产业技术体系能源化利用岗位采用“黏度变化+糖芯片”为核心的精确定向降黏酶筛选技术,阐明了甘薯黏度产生机制,在辨析原料组织结构、研究多种水解酶作用特点及协调作用规律、集成复配酶及自产酶作用特点的基础上,采用现代酶工程技术,根据糖苷键结构理性筛选复合酶系。另外,还选育获得了具有自主知识产权的复合降黏酶生产菌株。

       (八)接种

       1酒母培养

       大现模酒精发酵时,需要大量的发酵微生物,每毫升发酵醪中微生物细胞数最高可达1亿~2亿但酒精生产的开始,往往只有一支试管的菌种,要想把一支小试管的菌种培养成发酵时需要的大量酒母,就要合理地提供其所需要的各种营养物质,并经过逐级放大培养。酵母菌的扩大培养一般需要经历实验室培养和种子罐培养两个阶段。实验室培养阶段一般多采用米曲汁或麦芽汁做培养基。由开其中含有丰富的碳、氮及其他营养物质,很适合酵母菌开始繁殖时在试管、三角瓶培养阶段的营养需要。当扩大培养至种子罐阶段时,由于需要大量的培养基,这时如果再使用米曲汁或麦芽汁就很不经济。因此,生产上这一阶段的酒母培养基是采用淀粉质原料来制作酒母糖化醪。培养时除了适宜的培养温度、pH值、溶氧等条件外,还需要注意防止杂菌污染。

       考虑到酵母逐级扩大培养过程烦琐、耗费人力和设备、易染菌等问题,使用酵母作为发酵微生物的企业除了自行进行酒母逐级扩大培养外,许多企业已转为开始使用商品化的酿酒活性干酵母。不但节约了酒母培养的人力、物力、时间等,还降低了杂菌污染的概率。而且使用灵活,随时可以对新酒母进行补充与使用。

       2.接种

       获得足够符合质量要求的酒母以后,即可将其接种于温度降至30℃左右的发酵醪中。如采用 SSF发酵方式,需要同时加入糖化酶。

       (九)发酵

       因酒精发醇会产生二氧化碳,发酵旺盛时会造成气泡上涌,所以发酵罐中装样量一般以低于70%为宜。根据物料投入方式,酒精发酵可分为分批发酵工艺和连续发酵工艺。发酵过程中均需要控制醪液温度为30~33℃。

       1.分批发酵

       分批发酵是指在一个密闭系统内投人有限数量的营养物质后,接人少量的微生物菌种,使微生物生长繁殖,在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。也指在发酵过程中与外界没有其他物料交换的一种发酵方式,培养基的量一次性加入,产品一次性收获,这是目前广泛采用的一种发酵方式。在分批培养的条件下,把握好微生物的生长过程,对于获得最大产量至关重要。

       根据发酵过程中酒精产生的速度,可以将发酵分为3个不同的阶段,即前发酵期、主发酵期和后发酵期。各期时间长短与菌株的种类、数量、糖化剂的种类、醪液进罐温度以及发酵操作等关系密切。

       ( 1 )前发酵期酒母种子进入发酵罐与原料醪液混合后,酒精发酵即启动。由于菌体密度不大,醪液中的各种营养也充分,因此,菌体经短时间适应后开始生长繁殖。前发酵期延续时间一般为10h左右。前发酵期因菌体数量较少,所以发酵作用不强烈,醪液温度低,酒精含量低,对杂菌抑制能力差,因此,此发酵阶段应特别防止杂菌污染。

       ( 2 )期随着发的进行母细胞大量形成,每毫升醪液中的细胞数可达1亿个以上、而液中氮、磷等缺乏,菌体已不再大量繁殖,主要进行酒精发酵,即进入主发酵期。此阶段,醪液中的糖分消耗迅速,酒精含量增加。根据醪液糖含量不同,主发酵时间不同,一般持续12~15h随着中的糖分大部分被酵母菌所利用、发酵速度减缓,进入后发酵期。

       ( 3 )后发酵期后发酵期酒精和二氧化碳生成量较主发酵期减少,表观看来,气泡仍不断产生。淀粉质原料生产酒精的后发酵阶段一般需要40h左右才能完成。此时发酵液的温度应控制在30~32℃,若醪液温度太低,会影响糊精及淀粉的糖化作用,造成残糖增加,影响原料的淀粉利用率。

        2.连续发酵

       为了缩短酵母菌体繁殖扩增花费的时间,提高发酵强度,连续发酵方式被开发并应用。连续发酵是指以一定的速度向已进入主发酵期的发酵罐内添加新鲜培养基,同时以相同速度流出培养液,从而使发酵罐内的液量维持恒定的发酵过程。连续发酵时,前发酵期基本不存在。虽然连续发酵具有诸多优点,但是这种发酵方式并不适用于所有类型的原料。鲜甘薯发酵醪如未经降黏处理就无法通过管道实现连续流加。

       (十)蒸馏

       酒精水溶液中纯乙醇的含量就是其浓度,我国是以容量(体积)百分数进行酒精水溶液浓度积纯乙醇的。如平常说的“50度”白酒,是指在20℃时100体积酒精溶液中含有50体积纯乙醇。

       在现有技术水平条件下,鲜薯成熟发酵醪中酒精浓度一般在6%~8%,薯干或熟发酵醪中酒精浓度一般在8%~11%,而《食品安全国家标准食用酒精》(GB31640-2016)规定,食用酒精的酒精浓度要高于95%。

       乙醇的沸点为78.3℃,水的沸点是100℃,当将成熟醪加热时,乙醇因沸点低而挥发快,水分因沸点高而挥发慢。根据这一特征,可以通过多级蒸馏获得高浓度乙醇。近年来,各种类型的节能蒸馏流程和非蒸馏法回收酒精方法不断出现,但是,除少数节能型蒸馏工艺外,其他的方法均尚处于实验室或扩大试验阶段。

       根据流程不同,蒸馏分为单塔蒸馏、双塔蒸馏、三塔蒸馏、五塔蒸馏、多塔蒸馏等几种。采用多塔蒸馏可以提高酒精质量,但是能耗大又成为突出的矛盾。因此,蒸馏过程的节能技术是目前的研究重点。蒸馏主要分为粗馏和精馏两阶段。

       甘薯发酵醪的特点是固形物含量大,流体黏度高,流动性不佳,采用原有的为稀醪液设计的精馏塔不能满足脱杂的要求,容易造成蒸馏塔堵塞、酒精逃逸。因此,必须对原有蒸馏塔在结构上进行改造。

        (十一)副产物综合利用

        酒精发酵最重要的副产物是二氧化碳,还有少量杂醇油,规模化酒精生产企业一般均有二氧化碳回收车间。另外,发酵残余的甘薯渣如何处置也是值得关注的问题,因甘薯渣较玉米等谷物酒糟的蛋白质含量低,因此一般作为复合饲料原料饲用。另外也有用作沼气、堆肥、燃烧发电等报道。


 
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