酶制劑新技術在谷物深加工領域的應用

  工業酶制劑有著廣泛的用途。白色生物產業技術作為現代工業社會可持續發展的一個主要動力，得到了全球范圍內從政治和經濟方面的支持［１］。白色生物產業技術的發展的一個重要成果就是尋找和設計新的酶制劑，從而使新的生產過程不斷涌現以滿足社會不斷增長的需求。本文概述了新型工業酶制劑在谷物深加工領域的應用，對新型酶制劑或新的加工過程在酒精生產、淀粉提取和淀粉糖行業的幾個方面應用分別進行了討論。

    １　酶制劑新技術在酒精生產上的應用
    １．１　傳統酒精生產過程新型酶制劑及新過程近年來燃料酒精在世界各地得到迅猛發展，酒精傳統發酵生產過程如圖１所示。

   １．１．１　低溫液化技術在傳統酒精生產中的應用
    相關資料顯示，ＩＣＭ 工藝流程從美國燃料酒精大發展的１０年前到兩年前幾乎壟斷了全美［３］。其典型的液化工藝是采用１０５℃噴射。ＤＥＬＴＡ－Ｔ的工藝則是無噴射器、８５℃左右直接蒸煮。近幾年高性能Ｓ類型液化酶的出現，改變了美國玉米酒精的生產工藝。現在在美國大多數酒精廠都采用了８５℃～９０℃的ＤＥＬＴＡ－Ｔ液化工藝。引起這個變化的原因主要有３個：一是隨著非常高效液化酶的出現，結合新型糖化酶和酵母，８５℃的過程也可得到很高的轉化效率（高于９０％），另外一個原因ＤＤＧＳ的顏色在相對低溫的蒸煮溫度下保持金黃而不發黑；還有一個重要的原因就是能源的節省。在我國，采取ＤＥＬＴＡ－Ｔ液化工藝的廠家并不多，主要是因為多數酒精廠認為低溫液化（８０℃～９０℃）有可能達不到與現有主流中溫液化工藝（９０ ℃～１１０℃）相同的滅菌效果。許宏賢等人研究了新一代新型低溫液化酶在酒精生產過程的應用，建立了以全磨玉米為原料酒精發酵染菌程度的微生物檢驗方法，為酒精生產新工藝提供了定量化的科學依據；同時對不同液化溫度的工藝進行了比較，如圖２所示，新一代低溫液化酶具有優越的降黏度性能［４］。

    該研究還針對以不同清液含量配料，８５℃液化與１０５℃液化對酒精產出和雜菌污染情況進行了對比，結果如圖３所示，無論清液含量的多少，８５℃液化發酵液中雜菌含量與１０５℃液化基本一致，表明低溫液化能夠達到與中溫液化相同的滅菌效果，而并非如有些人想像的那樣，高溫對殺菌更有效。該研究同時表明與傳統的酒精生產過程相比，新的低溫過程由于減少了游離糖的損失，增加了酒精產出。

   １．１．２　單一ｐＨ 酒精發酵過程
    廣泛使用的源自黑曲霉的糖化酶最佳ｐＨ 為４．２～４．５，絕大部分乳酸菌的生長在ｐＨ 低于５．０的情況下會大大受到抑制，這兩方面的因素使得絕大多數的酒精廠在液化后通過加入硫酸調節發酵起始ｐＨ，通常控制在４．０左右，有時甚至更低。然而最新的研究表明通過降低酒精發酵的起始ｐＨ 來控制染菌并不是個好辦法。相關資料表明，發酵起始ｐＨ 太低會抑制酵母的活力從而影響酒精產量。源自里氏木霉的新型糖化酶ＴｒＧＡ，其特點是適用ｐＨ范圍比ＡｎＧＡ寬泛，如圖４所示。

    這一特點使得在液化后無需調節ｐＨ 進行發酵成為可能，即在生產上可以實現發酵起始ｐＨ 與液化ｐＨ 一致，在ｐＨ　５．５左右。
    相關研究表明，采用新工藝不僅加快了酒精發酵的速度，酒精產率得以提高，同時新過程由于省略了調節ｐＨ 的步驟，使生產工藝得到簡化，并減少后道工序的處理，降低了生產成本，同時也減少廢水處理的負擔［５］。
    １．１．３　酸性蛋白酶取代無機氮源
    在以谷物為原料的食用酒精的發酵過程中，由于原料中所含的蛋白質不能被酵母直接利用，通常需要額外添加尿素或硫酸銨等無機氮源以補不足［６－７］。尿素是酒精發酵中普遍使用的氮源。相關研究表明，在酸性條件下，尿素和乙醇加熱反應生成ＥＣ（氨基甲酸乙酯），該物質具有遺傳毒性和致癌性，２００７年３月，世界衛生組織國際癌癥研究機構（ＩＡＲＣ）將ＥＣ 從可能致癌物質２Ｂ 類提高為２Ａ類。
    我國新頒布的食品添加劑使用標準ＧＢ　２７６０—２０１１中明確規定，尿素等２３種物質，缺乏食品添加劑工藝必要性，不得作為食品用加工助劑生產經營和使用。如擬將這些物質作為食品添加劑或食品用加工助劑的，應當依法提出食品添加劑新品種行政許可申請。可以預見，隨著該規定的實施，在釀酒過程中人為添加尿素的行為將被禁止。前期的研究表明酸性蛋白酶可以將淀粉質原料自身的蛋白質水解為酵母可利用的成分，從而改善體系的營養供應，縮短發酵周期，有利于進行濃醪發酵，有利于提高出酒率，酸性蛋白酶的使用不會使ＤＤＧＳ的蛋白含量降低［７］。研究還發現，發酵時添加酸性蛋白酶除了可以顯著增強酒精產率外，還對蒸餾廢醪除水有幫助。當今酶制劑生產技術的進步使酸性蛋白酶的成本大幅降低，從而使大規模取代無機氮源成為可能。
    １．１．４　降黏酶
    麥類谷物以前主要是在一些地區（如歐洲）被廣泛地用于燃料酒精的生產，近年來，我國小麥的工業深加工也有了一定的發展。而使用這些原料面臨的挑戰之一是高含量的非淀粉質多糖類物質（ＮＳＰ）［８］。由于ＮＳＰ類物質的持水性能非常好，故醪液的黏度很高。降黏酶是經微生物發酵得到的適用于降解谷物中ＮＳＰ的復合酶制劑，可在酒精生產的多個步驟進行添加，如配料或／和糖化／發酵。在配料階段添加的一個好處是從源頭上就可以把黏度降低。在發酵階段添加的益處是可以把一些低聚糖水解成酵母可利用的單糖，如葡萄糖和果糖。
    １．２　生料發酵
    用生料發酵技術工業化規模生產酒精是業界多年的夢想。生料工藝與傳統工藝相比有諸多益處，如提高酒精產出、提高生產效率、節約能源、減少操作單元、減少固定設備投資等等［９］。典型的生料工藝如圖５所示。

    無蒸煮工藝即生料工藝是生產酒精的“綠”色技術，近些年對此研究增多［１０－１１］。如前所述，若用麥類原料采用傳統工藝生產酒精，醪液將非常粘稠。
    若采用生料技術，由于整個過程體系的溫度始終低于糊化溫度，故不會產生黏度問題。并且乙醇的產率會略高于傳統工藝，ＧＣ－ＭＳ分析顯示無噴射新工藝的發酵產物雜質少于傳統工藝［１２］。大米生料發酵酒精生產的研究表明，采用傳統工藝１ｔ大米可以生產３８０～４００Ｌ酒精，而采用新型酶制劑生料工藝后，１ｔ大米可以生產４３０～４７０Ｌ酒精甚至更高［１３］。新鮮木薯直接轉化生產乙醇的研究用真菌α淀粉酶和降粘酶預處理新鮮木薯醪液后加入顆粒淀粉水解酶ＳＴＡＲＧＥＮ 進行酵母酒精發酵。與傳統高溫工藝相比，該工藝過程中新鮮木薯醪液粘度顯著降低，有更多可發酵性糖被利用，并且最終發酵效率顯著提高［１４］。
    除原材料和能源的價格上漲外，酒精生產企業面臨的另一個較大的挑戰就是環保問題。雖然現在大部分酒精生產企業已采用部分清液回配，但回配的比例仍很小。研究表明，生料發酵過程可提高清液回配比例，特別是在蛋白酶的幫助下，清液的回配比例可大大增加［１５］。還有研究表明：在高粱酒精生料發酵中添加植酸酶，不僅可以促進發酵、提高酒精產量、減少雜質生成，還能顯著降低蒸餾清液和酒糟中的植酸含量，進而提高酒糟飼料蛋白營養價值，同時減少有機磷排放［１６］。對超高底物濃度（３５％絕對干物）生料發酵中的研究發現，采用溫度梯度控制使用市售酒精干酵母，在９８ｈ內發酵醪液酒精濃度可達２０％（ｖ／ｖ）以上［１７］。
    ２　淀粉提取與淀粉糖工業
    ２．１　淀粉提取
    傳統的玉米濕磨工藝投資很大且相當耗能，大約２１％的投資和能耗發生在浸泡過程。在傳統的玉米濕磨工藝中，二氧化硫的使用不可避免，浸泡過程中需要添加大約１　０００～２　０００ｍｇ／ｋｇ的二氧化硫［１８］。工廠實際操作添加量普遍為２　０００ｍｇ／ｋｇ，有時高達３　０００ｍｇ／ｋｇ。添加二氧化硫的主要用途包括降低染菌風險；對玉米胚乳蛋白質起分散作用，使包裹在淀粉顆粒周圍的蛋白質與淀粉有效分離，從而有利于蛋白質在隨后的濕磨過程與淀粉分離開來；另外二氧化硫還可使玉米種皮成為半透性膜，玉米中的可溶性營養物質被溶出，提高玉米漿的質量。傳統濕磨工藝中的浸泡過程相當耗時，大約需要２４～５０ｈ。玉米濕磨的淀粉提取工藝如圖６所示。

   由于玉米濕磨工藝需要大量使用二氧化硫，會導致淀粉成品中的二氧化硫殘留量較高，我國食用玉米淀粉國家標準ＧＢ／Ｔ８８８５—２００８中規定二氧化硫的殘留含量不得超過３０ｍｇ／ｋｇ，工業玉米淀粉國家標準ＧＢ１２３０９—１９９０規定不得超過０．００４％（ｍ／ｍ），即４０ｍｇ／ｋｇ，而實際的生產情況是絕大多數淀粉廠很難達到這一標準。大量使用二氧化硫的另一個危害在于對酵母的抑制作用，研究表明酒精發酵過程中若二氧化硫濃度超過１００ｍｇ／Ｌ，酵母的生長會受到嚴重影響。
    酶在淀粉濕磨工藝的報導最早見于２００１年［１９］。在玉米濕磨工藝中使用酸性蛋白酶，可以有效縮短玉米的浸泡時間，提高淀粉的得率，降低二氧化硫的使用量，酶法濕磨工藝可以有效地降低運行的能耗，進一步擴大處理能力，對于新建的工廠，可以降低固定資產的投資。酶法工藝的第一階段是一個水浸泡玉米的過程，這有利于玉米的胚芽完全吸水變軟，從而使胚芽在后面的粗磨過程中不至于被打碎。而第二階段是采用酶對粗磨后的玉米粉漿進行處理，經過酶處理后的濕磨過程與傳統的工藝流程完全一樣，具體流程如圖７所示。

   從Ｓｉｎｇｈ和Ｊｏｈｎｓｔｏｎ試驗的結果看，二氧化硫的添加量降低到６００ｍｇ／ｋｇ，淀粉的得率大約提高了１．０％，蛋白質的得率提高了大約３．５％。這部分多出的淀粉主要是在酶法濕磨過程中從纖維和蛋白質中分離出來的。并且酶法濕磨工藝中的淀粉殘留蛋白含量以及淀粉的糊化特性均好于傳統的濕磨工藝。由于添加蛋白酶，不僅縮短了浸泡時間，同時蛋白的得率非但沒有減少反而得到提高。該技術形成于十余年前，當時蛋白酶的生產菌株大部分為黑曲霉，囿于蛋白酶的價格，該技術并沒有在工業界進行推廣；現在隨著酶制劑技術的發展，新的里氏木霉蛋白酶更有效，成本更有競爭力。希望隨著酶制劑成本的進一步降低和工藝條件的持續優化，這一能夠減少二氧化硫用量的工藝能夠盡快得到工業推廣，從而使我國的淀粉質量真正能達到國標的要求。

    ２．２　淀粉糖工業
    麥芽糖是淀粉深加工中較容易生產也是食品工業應用很廣泛的糖漿。在麥芽糖的生產過程中，糖化過程通常在ｐＨ（５．２～５．６），溫度（５５℃）進行糖化，由于溫度和ｐＨ 都非常適合細菌的生長，所以染菌是很難解決的問題。錢瑩等人對新型耐酸真菌淀粉酶在麥芽糖生產上的應用進行了研究，結果表明該酶制劑可以在ｐＨ４．５左右的條件下進行工作，這樣麥芽糖生產中的染菌問題可以有效解決，同時由于沒有雜菌的滋生，糖液的有色物質減少，從而減少脫色時活性炭的用量［２０］。采用耐酸型真菌淀粉酶的另一個好處是在液化過程結束后，可直接加酸調節ｐＨ４．５進行糖化，而傳統工藝需先調節ｐＨ４．５左右使液化酶失活，然后加堿回調ｐＨ５．５左右進行糖化。新型酶制劑的應用可以簡化工序，節約酸堿用量，減輕離交壓力，降低生產成本。
    果糖由于其特殊的理化性質，近些年得到廣泛應用，同時也因為蔗糖價高居不下，我國的果糖產量近兩年大幅度增長。葡萄糖異構酶（ＥＣ５．３．１．５）是生產果糖的關鍵酶制劑，固定化葡萄糖異構化酶仍是固定化酶在工業上最成功的例子之一。
    文獻［２１］對果葡糖漿的生產現狀進行了評述，闡述了各種酶制劑，特別是葡萄糖異構化酶對果糖生產的影響，包括葡萄糖異構化酶對生產率的影響、反應器的設計及其操作影響因素。文獻［２２］對國內果葡糖漿工廠反應器的設計和生產中的問題進行了回顧，從提高固定化異構酶的應用效率、節約化學品消耗和能源的角度，詳細闡述了如何避免設計過程中出現的問題以及操作過程中的不良做法，以進一步提高果糖生產的總體水平。
    ３·展望
    隨著分子生物學、計算機技術、以及高通量篩選等工具的快速發展，人們將得到越來越多的新的酶分子，它們其中的一部分將使某些以前不可能實現的過程有望成為現實。在商業化的進程中，酶的應用技術也將扮演重要角色。新的酶分子與新的應用技術兩者相互聯系，相互促進，必將共同推動白色生物技術的進步，為社會可持續發展作出應有的貢獻。