0 引言
生料酿酒技术在20世纪50年代首先由日本人提出[1]。20世纪70年代中东战争爆发引起世界性的能源危机,各行各业为了避免今后再受到能源的影响,而积极寻求各种途径,生料酿酒课题便在此背景下应运而生,并且各国专家学者争相研究这一课题。
20世纪80年代我国对生料酿酒的研究达到了高潮,但是由于药曲菌种单一问题,使得生料酒的口感与传统法酒的口感相差甚远,不久生料发酵技术被打入另册,并受到了冷遇。但卢世明等人另辟蹊径经过20多年的不懈努力终于取得成功并用之于生产,自1996年以来我国的生料酿酒技术得到了迅速发展,仅生产白酒一项年产量已达到30万ｔ,而且中国的生料酿酒技术已飘洋过海传入到越南、缅甸、泰国,甚至到了非洲的加纳。
1 生料发酵酿酒技术的机理
所谓生料酿酒就是指酿酒原料不用蒸煮、糊化直接将生料淀粉进行糖化和发酵[2]。其技术关键就是生淀粉颗粒的水解糖化,与淀粉酶水解糊化淀粉不同,只有能被生淀粉吸附的葡萄糖淀粉酶才具有水解生淀粉的能力[3]。
生料糖化是原料中的生淀粉在葡萄糖淀粉酶的酶促作用下水解生成葡萄糖。葡萄糖淀粉酶又称糖化酶,它能将淀粉以非还原性末端水解α-1,4糖苷键,也能缓慢水解α-1,6糖苷键,转化为葡萄糖。糖化酶的生淀粉水解速率与它能否被生淀粉颗粒吸附以及吸附强度有关,淀粉本身具有一定的吸附能力,加上糖化酶中有一定生淀粉亲和力位置存在,使糖化酶更易接近淀粉粒而催化水解成葡萄糖[4]。葡萄糖淀粉酶因其来源和活性不同对生淀粉的水解程度也不同。
1.1 具有生淀粉糖化能力的微生物菌种
据有关资料研究表明,绝大多数能产葡萄糖淀粉酶的微生物主要以霉菌为主,其次是细菌,它们产的葡萄糖淀粉酶都有一定的生淀粉糖化能力,其糖化水解速率和能力与微生物种类及培养方法有关。
能产具有生淀粉糖化能力的淀粉酶菌种有黑曲霉、根霉、泡盛曲霉、罗尔伏格菌Ａｈｕｇ627、扣囊拟内孢霉、米曲霉、毛霉、枯草杆菌、芽孢杆菌、球菌等;目前用于生料糖化的菌种主要是黑曲霉和根霉菌[4]。
Ｕｅｄａ.ｓ等[5]用玉米淀粉吸附技术分离根霉和黑曲霉的葡萄糖淀粉酶(GA),得到两种形式的酶GAI和GAII。其中GAI能吸附在生淀粉上,对生淀粉有强的水解活性;而GAII不能吸附到生淀粉上,对生淀粉的水解能力很弱。上田诚之助等[6]报道认为,GAI是一种既能水解支链淀粉α-1,4-糖苷键,又能水解α-1,6-糖苷键的淀粉酶;而GAII对α-1,6-糖苷键的水解能力明显低于它对α-1,4-糖苷键的水解能力。因此,GAI较GAII具有较强的生淀粉水解能力。黄曲霉的淀粉酶系几乎全是α-淀粉酶,但其中GAI的含量很低,仅为黑曲霉的十分之一,因此黄曲淀粉酶系水解生淀粉的能力很差[3]。β-淀粉酶几乎不能水解生淀粉,所以含β-淀粉酶为主的麦芽淀粉酶系对生淀粉的水解能力也很差。只有含GAI较高的根霉和黑曲霉的淀粉酶系才具有较强的水解生淀粉的能力。
1.2 原料的品种与质量对糖化酶水解生淀粉速率的影响
就糖化发酵而言,只要所用糖化剂或酒曲中GAI的活力足够高,各种淀粉质原料都可用于生料发酵。在我国,用于酿酒的淀粉质原料主要有高粱、玉米、大米和薯干4种。薯干原料由于含果胶质较多,原料如不蒸煮,则成品中甲醇含量会很高,因此暮干原料不宜用于生料酿酒。其余3种原料都可用于生料酿酒,从淀粉出酒率看 则大米>玉米>高粱[3]。其中高粱原料含有较多的单宁和色素,对糖化发酵有一定的抑制作用。在熟料发酵时,高温对单宁和色素有一定的破坏作用,因而熟料发酵的抑制作用相对较低,生料发酵时原料出酒率会有所下降。对于大米和玉米原料,由于没有熟料发酵中高温所造成的淀粉损失,生料发酵的原料出酒率比熟料时有提高。就成品质量而言,大米和高粱原料较好,而玉米原料酿酒时杂醇油含量较高(同熟料发酵一样),酒质较差。如果将玉米原料和高粱原料混合生料发酵,则可冲淡单宁等有害物质对糖化发酵的影响、既可保证较高的出酒率,又可获得较好的酒质[3]。
由于生料发酵没有熟料发酵蒸煮过程中的杀菌作用,因此对原料的要求相对较高。用于生料酿酒的原料要求无杂质、无虫蛀和霉烂变质现象,对于陈粮,一般说来只有水分含量较低的原料才能用于生料酿酒。关于原料的粉碎,细点比粗点好、易于糖化过程的进行,同时也不存在熟料发酵中粉碎过细会引起发粘和淀粉损失增加的问题。
1.3 ｐＨ值对糖化酶水解生淀粉速率的影响
生料发酵为多酶系多菌种复合发酵,其各自的最适作用ｐＨ不尽相同。就生淀粉糖化而言,黑曲淀粉酶的最适ｐＨ为3.5,而根霉淀粉酶的最适ｐＨ为4.5[6]。酵母菌大多在ｐＨ3.5～6.0范围内发酵正常。一般地,生料发酵的初始ｐＨ在4.0～6.0范围内影响不大。有时为了控制杂菌和加速生淀粉的糖化,可加适量硫酸将初始ｐＨ调至4.0左右。
1.4 发酵温度对糖化酶水解生淀粉速率的影响
与熟料发酵相比,生料发酵周期长,发酵温度低。由于淀粉酶作用最适温度为55℃～60℃,而生料酒精发酵工艺中,淀粉水解在常温下进行,温度较低,故淀粉酶作用缓慢,持续时间长,因此发酵周期相应延长。对于采用常温酿酒酵母的生料酒曲,适宜发酵温度为26℃～32℃,短期最高发酵温度不宜超过35℃;对于采用耐高温酒精酵母的生料曲,适宜发酵温度为28℃～35℃,短期最高发酵温度不宜超过38℃[6]。温度过低,发酵缓慢,发酵周期延长;温度过高,酵母易衰老,发酵不彻底,且易升酸,酒质差,原料出酒率低。
1.5 发酵周期
发酵周期与原料种类、粉碎粒度、生料酒曲质量和发酵温度等因素有关,其中生料酒曲质量是最主要的因素。
正常情况下,发酵5.7ｄ,酒精发酵已完成,醪液酒精含量达最高值,此后醪液酒精度会有所下降。但为了获得较好的酒质,发酵周期应适当延长至10ｄ左右或更长,以便形成较多的风味物质。在发酵周期延长期间,温度应控制在32℃以下,否则,极易升酸、引起原料出酒率大幅度下降,且酒质也不会提高[3]。
2 生料发酵在酿酒及其他工业中的应用
2.1 生料发酵在酿酒行业中的应用
生料发酵最初就是在酿酒的研究过程中出现的新技术,它是在传统酿造方法受到能源问题挑战的时候被提出的。传统酿酒和酒精的生产都是先将生原料蒸熟糊化后进行糖化发酵的,随着生物技术特别是酶工程的飞跃发展,生料不经加热糊化而直接经酶制剂作用糖化发酵变为可能和现实。
1981年,ＳｅｉｕｏｓｕｋｅＵｅｄ[4]等人报道了用木薯制酒精的试验方法,将Asp.awamoriNRRL3l12和Ａｓｐ.ｎｉｇｅｒ菌种在麸皮上于30℃培养3ｄ制成淀粉酶,将粉碎的木薯浆和淀粉酶、酵母混合,在ｐＨ3.5、30℃下发酵5ｄ,生木薯的酒精产量是理论值的82%～99%。国外的生淀粉发酵研究主要是在生淀粉制酒精领域方面,由于受生物技术的限制,其用酶和酵母量较大,未形成工业化生产,但做了许多探索性的基础研究工作,取得了一些科研成果。
我国在生料发酵研究方面虽然起步晚,但应用早,发展快。进入20世纪80年代,生料发酵制酒研究随着酶工程的发展取得了实质性进展。1983年,四川省食品工业研究所就进行了生料发酵制酒精的工业化生产性试验,并取得了丰硕成果[7]。到了20世纪90年代后期,随着我国糖化酶生产水平的提高和耐高温酿酒活性干酵母的问世,便生料发酵有了新的进步,技术逐渐成熟,并很快在全国各地得以迅速发展。
2.2 生料发酵在其他行业中的应用
2.2.1 在酿醋工业中的应用
近年来,在酒精发酵工艺上国内外都进行了生淀粉原料直接糖化、酒精发酵的研究,但将原料不经蒸煮进行发酵这一工艺应用到制醋上,目前国内研究尚不多。
张恒成[8]研究报道以玉米粉、薯干粉为原料,利用生料发酵法生产液态醋,在酒精发酵阶段与蒸料酒精发酵法比较,除发酵时间要延长外,发酵结果基本相同,中试试验进一步证明,生料酒醪氧化转酸工艺结果也基本相同,各项指标均达到和超过了工艺标准的规定。可见生料法酿制液体回流醋工艺是可以推广应用的。在其经济效益分析中,节约能源70%,降低生产成本17%。北京王致和公司[9]以大米为主料利用生料前稀态后固态发酵工艺酿造食醋,在糖化、酒精发酵阶段用生料酒曲代替麸曲、酵母已获得成功并应用与生产。该种工艺发酵过程彻底,淀粉利用率高。雷玛莎[10]研究报道,生料固态发酵食醋是以醋酸菌为主,其他有益菌群共存的一个多菌种体系,生化反应复杂,同时伴随着酯化反应,因此产物多、风味醇厚、酸味柔和、酸甜适口、回味绵长。
2.2.2 在单细胞蛋白生产中的应用
同样出于节约能源的目的,已有人研究将生料发酵技术应用到单细胞蛋白的发酵生产,但在国内的研究也不是很多。利用具有较强生淀粉分解能力的霉菌和蛋白含量高的酵母混合发酵生产单细胞蛋白,无论是开发新的蛋白资源还是淀粉的综合利用,都不失为一条新的思路。陈桂光等[11]研究了在木薯渣中接入有较强生淀粉分解能力的根霉Ｒ2和高蛋白含量的酵母Ａｓ2.617进行混合发酵生产蛋白饲料。可使原料粗蛋白含量从3.9%提高到22.43%,产品的氨基酸总量提高到了15.22%。另外,何达崇等[12]从腐烂木薯中分离筛选出一株优良生淀粉酶产生菌,Rhizopustonkinense(东京根霉)Ｎｏ.9212,并应用于木薯淀粉生料发酵生产单细胞蛋白的试验。结果发现R.tonkinenseNo.9212与Candiautilis(产朊假丝酵母)混合固体发酵生料木薯淀粉,可使其中的粗蛋白含量从3.8%提高到30.2%。
3 生料发酵的优越性及展望
生产实践证明,采用生料酿酒与传统的酿酒方法相比,能节约能源35%左右,而且能提高出酒率20%～30%[1],因此既节能又节粮,从而增加了粮食等农产品的附加值,提高了农村的地方经济,带动起了农业的发展,值得国家大力的推广和采用。而且还能将劳动密集型变为技术密集型;将纯粹手工操作变为机械化自动化操作,最终人工可减少50%,酿酒生产成本降低30%以上[1]。从而可以增强企业的竞争力和生命力。
生料发酵虽起源于国外,但由中国首家取得成功并已用于规模生产,加入ＷＴＯ后,以白酒为首的中国酿造行业要迎接挑战并打入国际市场。生料发酵技术在酿酒行业中已取得了很大的成功并获得全面推广,在其他食品工业(如味精酱等的生料发酵)和化工、医药、环保、饲料等工业中还有待于进一步推广发展,为国家和社会作出更大贡献。
