发酵工程第四章

.,第四章酒精发酵与酿酒,.,第四章酒精发酵,一、酒精发酵原料二、与酒清发酵有关的微生物三、酒精发酵生化机制四、酒精发酵工艺五、酒精蒸馏与精馏,.,一、酒精发酵原料,(一）淀粉质原料生产酒精的主要原料。我国发酵酒精的80%是用淀粉质原料生产的，其中以甘薯干等薯类为原料的约占45%，玉米等谷物为原料的约占35%。1.薯类原料薯类原料包括甘薯、木薯和马铃薯等2.谷物原料(粮食原料),.,(二)糖质原料,糖蜜甘蔗甜菜甜高粱,.,(三)纤维质原料,农作物纤维质下脚料(稻草、麦草、玉米秆、玉米芯、花生壳、稻壳、棉籽壳等)，森林和木材加工工业的下脚料(树枝、木屑等)，工厂纤维素和半纤维素下脚料(甘蔗渣、废甜菜丝、废纸浆等)及城市废纤维垃圾等四类。用纤维质原料发酵酒精目前尚不盛行。,.,(四)其他原料,主要指亚硫酸盐纸浆废液、甘薯和马铃薯淀粉渣、各种野生植物和乳清等。用这些原料生产酒精目前还不多见。,.,二、与酒清发酵有关的微生物,糖化菌：曲霉、根霉和毛霉啤酒酵母(Saccharomycescerevisiae)，是属于子囊菌亚门酵母属的一种单细胞微生物。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。,.,.,.,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。,.,(一)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。第二阶段丙酮酸由丙酮脱羧酶催化生成乙醛和二氧化碳，乙醛进一步乙醇脱氢酶被还原成乙醇，整个过程由图5-3所示。葡萄糖发酵成乙醇的总反应式为：C6H12O62C2H5OH+2CO2+能量,.,(二)酵母菌的乙醇发酵,.,(二)酵母菌的乙醇发酵,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180克葡萄糖产生92克乙醇，的率为51.5%，可是实际得率没有这么高。因酵母菌体的积累约需2%的葡萄糖，另外2%的葡萄糖用于形成甘油，0.5%用于形成有机酸，0.2%用于形成杂醇油。因此实际上只有约47的葡萄糖转化成乙醇。乙醇发酵中大部分能量仍储存于乙醇之中，所释放的226kJ自由能中除67kJ(29)用于形成ATP外，其余能量以热的形式散发,.,四、酒精发酵工艺,酒清发酵由于所用原料不同，采用的工艺也不相同。下面扼要介绍淀粉质原料、糖质原料酒精发酵工艺过程。,.,(一)淀粉质原料酒精发酵工艺,淀粉质原料生产酒精分为原料预处理、原料蒸煮、糖化剂制备、糖化、酒母制备、乙醇发酵和蒸馏等工艺，工艺流程如下图.,.,(一)淀粉质原料酒精发酵工艺,1.原料预处理2.蒸料3.糖化曲制备4.糖化5.酒母制备6.乙醇发酵,.,(一)淀粉质原料酒精发酵工艺,1.原料预处理(1)原料的除杂原料诈先要通过振荡筛、吸铁器等将其中的混杂的小铁钉、泥块、杂草、石块等杂质除去。,.,(一)淀粉质原料酒精发酵工艺,2)原料的粉碎,.,2.蒸料,淀粉质原料吸水后在高温高压下蒸煮，可以破坏植物组织和细胞，使淀粉彻底糊化、液化，使蒸煮物料成为均一的糊化醪，为进一步的淀粉转化为糖创造良好的条件；其次蒸料还有灭菌的作用。,.,2.蒸料,蒸煮工艺看，20世纪50年代前期我国酒精厂大多采用整粒原料间歇蒸煮工艺。为了提高蒸煮醪质量和减轻劳动强度，目前我国各酒精厂广泛采用连续蒸煮的工艺，方法有多种，常用有罐式(锅式)连续蒸煮、管道式连续蒸煮、塔式(柱式)连续蒸煮等三种方法。罐式连续蒸煮工艺流程简图如图5-6所示，,.,2.蒸料,.,3.糖化曲制备,3.糖化曲制备糖化曲分成固体曲和液体曲两种，用麸皮为主要原料制成的固体曲叫麸曲，采用液体深层通风培养的称为液体曲。(1)固体曲的生产固体曲生产方法有多种，最早采用的是曲盘制曲，后来发展为帘子制曲，20世纪60年代以后又逐步采用机械通风制曲方法。机械通风制曲工艺包括三角瓶种曲培养、帘子种曲制备和机械通风制曲等几个工段，流程如图5-7所示。,.,3.糖化曲制备,.,3.糖化曲制备,制曲过程实际上是将糖化菌扩大培养，并让糖化菌产生高活力的、质量合格的各种淀粉酶等酶类的过程。为此，需要提供让糖化菌生长和产酶的合适原料、水分、温度和通气条件等。三角瓶种曲培养阶段先保温3132培养1618h，然后扣瓶并继续培养34d，所得种曲要求孢子肥大整齐、稠密,.,3.糖化曲制备,帘子种曲制备阶段，在接种之后，培养前期(前16h)室温保持3031，品温控制不超过3436；培养中期(1632h)品温控制3637.5；培养后期(3248h)，前8h内品温控制在3738，后8h最高不超过39。机械通风制曲阶段，一般培养时间为2432h，培养前期即制曲箱(图5-8),.,(一)淀粉质原料酒精发酵工艺,10h以内控制最高不超过34；培养中期(1120h)，菌丝大量形成，并释放出大量热量，应通风控制品温不超过4042；培养后期(2630h)将品温保持3739。所得固体曲要求菌丝粗壮浓密，具特有的清香，无异味，无孢子生成。,.,3.糖化曲制备,.,(一)淀粉质原料酒精发酵工艺,(2)液体曲生产液体曲生产工艺过程包括种子制备、液体曲发酵和无菌空气制备三部分，其工艺流程如图5-9所示。种子罐接种糖化菌孢子悬浮液后，32通风培养36h左右接入培养罐，在培养罐内培养48h左右即得成熟液体曲。,.,3.糖化曲制备,.,4.糖化,糖化方法分成间歇糖化和连续糖化两类。目前我国大多数酒精厂采用后者。(1)间歇糖化工艺间歇糖化在糖化锅(图5-10)蒸煮醪放入并冷却到6162时，加入糖化剂，搅拌均匀后静止糖化30min，再冷却至30后供发酵用。,.,4.糖化,.,4.糖化,(2)连续糖化工艺根据蒸煮醪冷却(前冷却)和糖化醪液冷却(后冷却)的方法不同，可将连续糖化工艺分成混合冷却连续糖化、真空冷却连续糖化和三级真空冷却连续糖化三大类，所控制的工艺参数与间歇糖化工艺的相似。,.,5.酒母制备,酒母制备过程是酒母扩大培养过程，分为实验室扩大培养和酒母罐扩大培养两阶段，其流程见图5-11所示。整个酒母扩大培养过程控制的温度均为2830。所得酒母应细胞健壮、整齐，出芽率高(15%30%)，没有杂菌污染。,.,5.酒母制备,.,6.乙醇发酵,糖化醪送入发酵罐(图5-12)，接入酒母后，即可始乙醇发酵。发酵工艺有间歇发酵、半连续式发酵和连续式发酵三类。乙醇发酵过程可分为前发酵期、主发酵期和后发酵期三个阶段。前发酵期一般为前10h左右，在酒母与糖化醪加入发酵罐后，醪液中的酵母开始数量还不多，由于醪液中的酵母开始数量还不进行繁殖。,.,6.乙醇发酵,.,6.乙醇发酵,在前发酵期阶段，发酵作用不强，酒精和三氧化碳产生得少，糖分消耗得比较慢，发酵醪表面显得比较平静。前发酵期一般控制发酵温度不超过30。主发酵期为前发酵期之后的12h左右，在此阶段酵母细胞已大理形成，每毫升醪液中酵母数可达1亿以上，酵母菌基本上停止繁殖而主要进行乙醇发酵作用。使糖分迅速下降，酒精量逐渐增多，醪液中产生大量的二氧化碳，有很强的二氧化碳泡沫响声。,.,6.乙醇发酵,此期间发酵醪温度上升也快，生产上应加强温度控制，最好将温度控制在3034。经主发酵期，醪液的糖分大部分已被耗掉，发酵进入后发酵期。在后发酵期阶段，发酵作用弱，产生热量也省，发酵醪温度逐渐下降，应控制发酵温度在3032。后发酵一般需要约40h才能完成，总发酵时间一般控制6072h。一般工艺工厂糖化醪浓度为1618Bx，发酵成熟醪的乙醇含量为6%10%(V/V),.,(二)糖质原料酒精发酵工艺,糖质原料制酒精不必进行糖化及之前的工艺操作，工艺过程较为简单。下面以糖蜜例扼要说明。糖蜜酒精发酵工艺过程包括前处理、酒母制备、乙醇发酵和蒸馏四个工序。前处理包括的内容有：将糖蜜稀释至糖浓度为12%18%(依不同的发酵工艺而异)。糖蜜中常缺乏酵母必需的营养物质，需要添加一些氮源、营养盐(如硫酸铵、硫酸镁、磷酸盐等)以及生长素(如酵母菌自溶物)等。,.,(二)糖质原料酒精发酵工艺,一般来说，用甘蔗糖蜜的要添加硫酸铵0.1%0.12%、硫酸镁0.04%0.05%及适量的酵母自溶液等；用甜菜糖蜜的要添加过磷酸钙约1%，有时还要加少量的硫酸铵，在前处理中还需要加酸，所用的酸一般为硫酸，现在也有用盐酸的。加酸将发酵稀糖液的PH调至4.04.5，这样能起到防止发酵过程中杂菌繁殖等作用。乙酵发酵所用工艺主要是间歇法和连续法，糖蜜经上述前处理后，接入酒母，于3035发酵，成熟醪酒精度为6%9%(V/V)。,.,五、酒精蒸馏与精馏,发酵成熟醪中除含酒精外，还含其他杂质，需要进行蒸馏及精馏才能得到酒精成品。经过蒸馏可得到粗酒精和酒精，所用设备为醪塔，又称蒸馏塔、粗馏塔，粗酒精再经精馏即可得到各级成品酒精和杂醇油等副产物，所用设备为精馏塔,.,(一)发酵成熟醪的组成及其分离,发酵成熟醪的成分随原料的种类、加式方示、菌种性能不同而不同，分成不挥发性成分和挥发性成分两大类。不挥发性成分包括甘油、琥珀酸、乳酸、脂肪酸、无机盐、酵母菌体、不发酵性及未发酵完完的糖、皮壳、纤维等。这些成分易与酒精等挥发性成分分离，在精馏中它们和大部分水一起进入精馏塔。挥发性杂质共有50多种，分成醇类、醛类、酸类和酯类等四大类。,.,(一)发酵成熟醪的组成及其分离,在精馏中，沸点比酒精低的杂质先被蒸馏出，称为中间杂质，包括乙醛、乙酸乙酯和甲酸甲酯等；有些杂质沸点高的杂质出现在蒸馏酒尾中，呈油状浮在液面，称为尾级杂质，又称杂醇油,.,(二)酒精蒸馏与精馏工艺,酒精蒸馏有单塔、两塔、三塔和多塔蒸馏等多种蒸馏工艺。单塔蒸馏的适用于对成品质量与浓度要求不高的工厂，国外常用于生产浓度为88%(V/V)的粗酒精，我国一岙不采用此工艺,.,(二)酒精蒸馏与精馏工艺,双塔蒸馏的蒸馏和精馏两个过程分别在粗馏塔和精馏塔内进行根据进料方工的浊分为气相进料塔和液相进料塔两种型式，氯相进料两塔蒸馏工艺流程图见5-13。在该流程，头级杂质出现在冷凝器6的冷凝液中，此馏分被称为工业酒精，不凝结氯体和一部分醛类从排醛管排入大气尾级杂质即杂醇油通常从进料层往上第24块塔板液相取出。成品酒精从精馏塔顶部第46块塔板上液相取出，经冷却器冷却后，通过检酒器进入成品桶,.,.,酒,蒸馏酒酿造酒配制酒,.,蒸馏酒,蒸馏酒是将经过发酵的原料加以蒸馏提纯，从而获得有较高酒精含量的液体。蒸馏酒根据原料的不同，有谷物蒸馏酒、葡萄蒸馏酒和其他蒸馏酒之分。,.,国外的蒸馏酒,为时忌酒（Whisky）威士忌是以大麦、黑麦、玉米等为原料，经过发酵蒸馏后放入木制的酒桶中陈化而酿成的一种最具代表性的蒸馏酒。金酒（Gin）金酒也称杜松子酒，采用大麦、麦芽、玉米、稞麦等为原料，经糖化发酵后蒸馏，在蒸馏时加入杜松子果和其他香草类，经过两次蒸馏而成。,.,）伏特加酒（Vodka）伏特加酒分两大类，一类是无色、无杂味的上等伏特加，另一类是加入各种香料的伏特加。伏特加是俄国具有代表性的烈性酒，原料是土豆和玉米。将蒸馏而成的伏特加原酒，经过8个小时以上的缓慢过滤，使原酒酒液与活性炭分子充分接触而净化为纯净的伏特加酒。伏特加酒无色、无异味，是酒类中最无杂味的酒品。,.,朗姆酒（Rum）朗姆酒是制糖业的一种副产品，以甘蔗提炼而成，大多数产于热带地区。朗姆酒的生产工艺与大多数蒸馏酒相似，经过原料处理，酒精发酵，蒸馏取酒之后，必须再陈化13年，以便酒液染上橡木的色香味。白兰地白兰地前身是白葡萄酒。白兰地是用发酵过的葡萄汁液，经过两次蒸馏而成的美酒。,.,国内的蒸馏酒,白酒,.,白酒的生产,白酒酿造大多是固态发酵，其主要产物是乙醇。分析检测，白酒中大部分是乙醇和水，还含有占总量2%左右的其他香味物质。由于这些香味物质在酒中种类的多少和相互比例的不同才是酒有别于酒精，具有独特的风格。白酒中的香味物质主要是醇类、酯类、醛类、酮类、芳香族化合物等物质。,.,白酒的分类,.,.,酱香型酒,以高粱为原料、以高温大曲为糖化发酵剂、石窖堆料固态续糟发酵、固态蒸馏生产而成。主体香为4-乙基愈创木酚。代表酒-茅台酒，产于贵州省茅台镇。以高粱为原料，加曲发酵，发酵后经数次蒸馏提取的酒液无色透明。再放人缸中陈化，时间为3年至数十年不等。酒味香浓醇厚，酒度53。誉称为中国第一名酒。在国际市场上的价格可与法国干邑白兰地相比。,.,浓香型酒,以谷物为原料、以高温大曲为糖化发酵剂、泥窖固态续糟发酵、固态蒸馏生产而成。主体香为己酸乙酯。代表酒1-泸洲老窖特曲，以高粱为原料，高温大曲为糖化发、酵剂、泥窖固态续糟发酵，经多次蒸馏，制得的酒液清亮透明，酒味浓郁香醇，酒度60。蝉联五届全国名酒。代表酒2-五粮液，四川省宜宾市产。以高粱。糯米、小麦和玉米为原料，加曲发酵，采用老窖发酵的方法，发酵后也经数次蒸馏。获取的酒液清澈透明。味道醇厚清夷，酒度为60度。全国名酒，多次获金奖。代表酒3-剑南春酒，四川省绵竹产。以高粱、大米、糯米、玉米、小麦为原料，加入麦曲发酵，经多次蒸馏。酒液无色透明，味道芳香浓郁，酒度60，全国名酒。,.,清香型酒,采用清蒸二次清的工艺，以谷物为原料、以中大曲为糖化发酵剂、用陶缸固态发酵、固态蒸馏生产而成。主体香是醋酸乙酯和乳酸乙酯。代表酒-汾酒，山西省汾阳产。以高粱为原料，用麦曲加入发酵，采用数次蒸馏。所得的酒液清香郁雅，酒度60。为古今名酒。全国名酒,.,米香型酒,以大米为原料，以小曲(酒药、酒饼)为糖化发酵剂，采用半固态、固态发酵，经蒸馏而成的白酒。代表酒-桂林三花酒，以大米为原料，以小曲(酒药)为糖化发酵剂，采用半固态先培菌糖化、后发酵生产工艺发酵，经蒸馏而成，于山洞陈酿生产而成的白酒。全国优质酒。,.,按度数分类,高度酒（41-65度）低度酒（40度以下）,.,白酒的生产,一大曲白酒的生产（一）大曲的制作大曲是以小麦、大麦和豌豆为原料，经破碎、加水伴料、亚成砖块状的曲醅后，再在人工控制的温度和湿度下培养、风干而成。（二）大曲的种类高温大曲偏高温大曲中温大曲,.,（三）大曲中的主要微生物,酵母菌霉菌细菌,.,二小曲白酒的生产,（一）小曲的制作用米粉或米糠为原料，自然培养或接种纯粹根霉和酵母，然后培养而成，成颗粒状或饼状。（二）小曲的种类（三）小曲中的主要微生物根霉酵母菌细菌,.,酿造酒,酿造酒也可以称为原汁酒，酿造酒中最大的一类是葡萄酒。葡萄酒按其含糖量的多少，可分为干型、半干型、半甜型和甜型4种口味。按照国际上的分类方法，葡萄酒可以分成佐餐葡萄酒（无气葡萄酒）、含气葡萄酒、强化葡萄酒和加味葡萄酒等四类。,.,（一)葡萄酒的生产,原料：葡萄葡萄酒发酵的微生物：天然酵母红葡萄酒、白葡萄酒和桃红葡萄酒,.,红葡萄酒,该酒是用紫皮葡萄连皮连种子一起压榨取汁，经自然发酵酿制而成。由于葡萄皮中的色素溶进酒液中，使酒液呈红色。红葡萄酒一般贮存时间410年的，其味道正好。通常都在室温下饮用，18为最佳饮用温度。,.,白葡萄酒,该酒是用白葡萄去掉皮和种子后，压榨取汁发酵制成的。贮存时间较短，一般25年即可饮用。具有怡爽清香，健胃去腥的特点。饮用前需降温处理，一般在1012饮用最为合适。,.,含气葡萄酒,香槟酒和各种含气的葡萄酒。香槟酒是法国香槟地区生产的葡萄汽酒，其制作工艺讲究，酒味独特。法国政府以法律形式规定，只有在香槟地区生产的汽酒才可称为香槟酒，其他地区生产的只能称为葡萄汽酒。香槟酒是用去皮和种子的紫葡萄和白葡萄酿制而成的，由于葡萄汁在发酵过程中产生大量的气体，酒液中的二氧化碳气体是天然形成的，所以独具一格。酒度是11度左右。饮用温度以48为宜。酿造香槟酒一般需要3年时间，以68年的陈酿最受人欢迎。,.,（二）葡萄酒的工艺,白葡萄酒生产工艺分选压榨澄清控温发酵干白葡萄原酒红葡萄酒生产工艺分选破碎葡萄浆发酵干红葡萄原酒桃红葡萄酒生产工艺分选压榨澄清控温发酵原酒,.,配制酒,配制酒也称混配酒，用蒸馏酒或酿造酒作为主酒加上其他材料制成。,.,啤酒,啤酒的原料是大麦。其产量在谷物排名第四，而且大麦不是人类主要的粮食，酿酒后的麦糟中蛋白质含量得到相对丰富，更适宜于做饲