|
采纳率：53% 10级 2013.09.06
将原料通过微生物分解，而产生酒精，这是酿酒过程中非常关键的一步。
一、糖化菌 用淀粉质原料生产酒精时，在进行乙醇发酵之前，一定要先将淀粉全部或部分转化成葡萄糖等可发酵成糖，这种淀粉转化为糖的过程称为糖化，所用催化剂称为糖化剂。糖化剂可以是由微生物制成的糖化曲(包括固体曲和液体曲)，也可以是商品酶制剂。无机酸也可以起糖化剂作用，但酒精生产中一般不采用酸糖化。 能产生淀粉酶类水解淀粉的微生物种类很多，但它们不是都能作为糖化菌用于生产糖化曲，在实际生产中主要用的是曲霉和根霉。 历史上曾用过的曲霉包括黑曲霉、白曲霉、黄曲霉、米曲霉等。黑曲霉群中以宇佐美氏曲霉(Aspergillus usamii)、泡盛曲霉(Asp.awamori)和甘薯曲霉(Asp.batatae)应用最广。白曲霉以河内白曲霉、轻研二号最为著名。酒精和白酒生产中，不断更新菌种，是改进生产、提高淀粉利用率的有效途径之一。我国的糖化菌种经历了从米曲霉到黄曲霉，进而发展到用黑曲霉的过程。我国20世纪70年代选育出黑曲霉新菌株As.3.4309(UV-11)，该菌株性能优良，目前的过程。我国很多酒精厂和酶制剂厂都以该菌种生产麸曲、液体曲以及糖化酶等，新的糖化菌株也都是As.3.4309的变异菌株。 根霉和毛霉也是常用的糖化菌。著名的阿米诺法，即是以根霉作糖化菌的酒精生产方法。著名的根霉菌有东京根霉(又叫河内根霉)(R.tonkinensis)、鲁氏毛霉(M.rouxii)和爪哇根霉(R.javanicus)等。
二、酒精发酵 许多微生物都能利用已糖化进行酒精发酵，但在实际生产中用于酒精发酵的几乎全是酒精酵母，俗称酒母。利用淀粉质原料的酒母在分类上叫啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)，是属于子囊菌亚门酵母属的一种单细胞微生物。该种酵母菌繁殖速度快，发酵能力即产酒精能力强，并具有较强的耐酒精能力。常用的酵母菌株有南阳酵母(1300及1308)、拉斯2号酵母(Rasse Ⅱ)、拉斯12号酵母(Rasse ⅪⅠ)、K字酵母、M酵母(Hefe M)、日本发研1号、卡尔斯伯酵母等。利用糖质原料的酒母除啤酒酵母外，还有粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)和克鲁维酵母(Kluyveromyces.sp)等 除上述酵母菌外，一些细菌如森奈假单胞菌(Ps.Lindneri)和嗜糖假单胞菌(Ps.saccharophila)，可以利用葡萄糖进行发酵生产乙醇。总状毛霉深层培养时也要产生乙醇。利用细菌发酵酒精早在80年代初就引起了注意，但此方法还未达到工业化，其中有许多问题有待研究。
三、酒精发酵生化机制 不同生产原料，酒精发酵生化过程不同。对糖质原料，可直接利用酵母将糖转化成乙醇。对于淀粉质和纤维质原料，首先要进行淀粉和纤维质的水解(糖化)，再由酒精发酵菌将糖发酵成乙醇。 1、淀粉质和纤维质原料的水解 淀粉是多糖中最易分解的一种，由许多葡萄糖基团聚合而成。天然淀粉具有直链淀粉和支链淀粉两种结构，它们在性质和结构上有差异。 直链淀粉是-D葡萄糖通过幔1.4糖苷键连接而成的聚合物。一般认为，直链淀粉的聚合度在200~1000范围内，分子量32400~162000，近来发现聚合度更高的直链淀粉。天然直链淀粉分子卷曲成螺旋形，螺旋的每一圈含有6个葡萄糖残基。直链淀粉水溶解于70℃~80℃的温水，遇碘呈深蓝色。在大多数植物淀粉中，直链淀粉含量为20%~29%、25%和24%。 支链淀粉是幔璂葡萄糖通过幔1，4糖苷键及幔1，6糖苷键(在分支点上)连接而成的聚合物。其分子较直接淀粉的大，分子量可达107，分支点之间平均有5~8个葡萄糖苷键。支链淀粉各个分支卷曲成螺旋状，整个分子近似球形。支链淀粉不溶解于温水，遇碘呈蓝紫。 2、淀粉的糊化、液化 淀粉在水中经加热会吸收一部分水而发生溶胀。如果继续加热至一定温度(一般在60℃~80℃)，淀粉粒即发生破裂，造成黏度迅速增大，体积也随之迅速变大，这种现象称为淀粉的糊化。 不同种类淀粉糊化温度有所不同，苷薯、马铃薯、玉米和小麦淀粉的糊化温度分别为70℃~76℃、59℃~67℃、64℃~72℃和65℃~68℃。发生糊化现象称为淀粉的溶解，或称为液化。马铃薯、小麦和玉米支链淀粉完全液化的温度为132℃、70℃~80℃、136℃~141℃和146℃~151℃。 3、淀粉水解 淀粉水解又称糖化，通过添加酶制剂或糖化曲来完成。糖化曲中含有的并起作用的淀粉酶类包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和异淀粉酶(脱支酶)。α-淀粉酶能从分子内部切开α-1.4糖苷键，但不能水解α-1.6糖苷键及靠近α-1.6糖苷键的几个α-1.4糖苷键。当α-淀粉酶作用于淀粉糊时，能使其黏度迅速下降，故又称液化酶。直链淀粉经该酶水解的最终产物为葡萄糖和麦芽糖，支链淀粉水解产物除葡萄糖、麦芽糖外，还有具有α-1.6键的极限糊精和含有4个或更多葡萄糖残基的带键的低聚糖。 β-葡萄糖淀粉酶能从淀粉的非还原末端逐个切下麦芽糖单位，但不能水解α-1.6糖苷键，也不能越过α-1.6糖苷键水解α-1.4糖苷键，所以该酶水解支链淀粉时留下分子量较大的极限糊精。 葡萄糖淀粉酶能从淀粉的非还原末 端逐个切下葡萄糖，它既能水解α-1.6糖苷键，又能水解α-1.4糖苷键。由于形成的产物几乎都是葡萄糖，因此该酶又称为糖化酶。异淀粉酶专一水解α-1.6糖苷键，因此能切开支链淀粉的分支。另外，在糖化曲中除含有淀粉酶类外，还含有一些蛋白酶等，后者在糖化过程中能将蛋白质水解成胨、多肽和氨基酸等。 总之，淀粉在以上几类酶的共同作用下被彻底水解成葡萄糖和麦芽糖。麦芽糖可在麦芽糖酶的作用下进一步生成葡萄糖。 4、纤维质原料的水解 纤维素是由葡萄糖通过β-1.4糖苷键连接而成的聚合物，是一种结构上无分枝、分子量很大、性质稳定的多糖。其分子量可达几十万，甚至几百万。纤维素是构成植物细胞壁的主要成分，稻麦秸秆、木材、玉米芯的纤维素含量分别为40%~50%、40%~50%、53%。在植物细胞壁中，纤维素总是和半纤维素、木质素等伴生在一起。 半纤维素是一大类结构不同的多聚糖的统称。构成半纤维素的成分有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。常见的半纤维素分子有:D-木聚糖、L-阿拉伯聚糖-D-木聚糖、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。这些多聚糖的聚合度(DP)为60~200，直链或分枝。半纤维素与纤维素不同，它很容易水解，但由于它们总是交杂在一起，只有当纤维素也被水解时，才可能全部被水解。 根据采用的方法不同可将纤维素的水解法分成三种，即稀酸水解法、浓酸水解法和酶水解法。纤维素酸水解所用的酸为硫酸、盐酸和氢氟酸等强酸。 水解反应式为:(C6H10O5)n十nH20→nC6H12O6 无机强酸催化纤维素分解的机理是:酸在水中解离产生H+，H+与水构成不稳定的水合离子H3O+，当H3O+与纤维素链上的β-1.4糖苷键接触时，H3O+将1个氢离子交给该糖苷键上的氧，使它变成不稳定的四价氧。当氧键断裂时，与水反应生成两个羟基，并重新放出H+。H+可再次参与催化水解反应。溶液中H+浓度越高，水解速度越快。 酶水解采用的酶是纤维素酶，它是一种复合酶类，故又称纤维素酶复合物。已知纤维素酶复合物由C1和Cx组成。 天然纤维素的分解过程是:纤维素先被Cl酶降解为较低分子化合物，同时具有水合性，其次由所谓Cx的几种酶作用形成纤维二糖。纤维二糖再由纤维二糖酶(-葡萄糖苷酶)水解成葡萄糖。由于纤维素的性能稳定,无论用酸水解还是用酶水解，都存在水解速度慢,糖得率低的问题，这是影响纤维素科学利用的难题之一。 5、酵母菌的乙醇发酵 酵母菌在厌氧条件下可发酵己糖形成乙醇，其生化过程主要由两个阶段组成。第一阶段己糖通过糖酵解途径(EMP途径)分解成丙酮酸。第二阶段丙酮酸由脱羧酶催化生成乙醛和二氧化碳，乙醛进一步被还原成乙醇，整个过程由下图所示。 葡萄糖发酵成乙醇的总反应式为: C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+能量 发酵过程中除主要生成乙醇外，还生成少量的其他副产物，包括甘油、有机酸(主要是琥珀酸)、杂醇油(高级醇)、醛类、酯类等，理论上1mol葡萄糖可产生2mol乙醇;即180g葡萄糖产生92g乙醇，的率为51.5%， |
|
|
