甜高粱籽粒与秸秆混合酒醅理化指标特征变化的研究

岳 丽，涂振东，王 卉，山其米克，叶 凯

(新疆农业科学院生物质能源研究所，乌鲁木齐 830091)

甜高粱籽粒与秸秆混合酒醅理化指标特征变化的研究

岳 丽，涂振东，王 卉，山其米克，叶 凯

(新疆农业科学院生物质能源研究所，乌鲁木齐 830091)

目的明确甜高粱籽粒与秸秆固态发酵过程中混合酒醅温湿度变化特征，理化指标的变化规律及各因素之间的相关性。方法以甜高粱籽粒与秸秆为原料进行固态发酵，利用自动温湿度计对发酵温度进行实时监测，定时取样分析酒醅中酒精度、水分、总糖、还原糖、蛋白质、酸度的变化，并利用 SPSS 软件对酒精度与各理化指标的相关性进行分析。结果窖池内各个部位的酒醅温度存在差异，酒醅温度上层>中层>下层，上层酒醅升温及降温过程比中层和下层更为平缓。同一发酵层中心区域与周围区域酒醅温度变化特征不同，中心区域酒醅温度变化相对缓慢。发酵过程中酒醅湿度变化幅度为10% rh左右，酒醅湿度下层>中层>上层；酒醅湿度中心区域比周围区域变化缓慢。发酵时酒醅理化指标变化规律为：①酒精度先增加后降低，于156 h时达到最高值12.5%；②总糖、还原糖含量快速降低，于第6 d后逐渐趋于稳定；③发酵后酒醅蛋白质含量由5.1%增加到了8.6%，提高了68.5%。结论依据甜高粱籽粒与秸秆发酵过程理化指标的变化规律, 选择合适的出窖蒸馏时间，可有效提高乙醇产率。利用甜高粱籽粒与秸秆固态发酵生产乙醇，不仅实现了甜高粱的能源化，还可提高甜高粱发酵残渣作为饲料的营养价值。

甜高粱；酒醅；固态发酵；酒精度；蛋白质

0 引 言

【研究意义】甜高粱(SorghumbicolorL.)是粒用高粱的一个变种[1]，抗逆性强、生物通量高、茎秆多汁，出汁率可高达40%～70%，汁液中的总糖含量可达到16%～22%，被认为是最具发展潜力的生物乙醇原料[2]。研究表明[3]，667 m2甜高粱秸秆经过发酵可生产乙醇250 kg，比单位面积玉米高出1.2倍，而用甜高粱茎秆制取乙醇的成本约为3 200元/t，比玉米低25%～30%。利用甜高粱生产燃料乙醇是发展生物质能源产业重要途径之一[4]，温室气体排放少[5]，原料易得、价格相对较低，工艺、技术简便易行，便于推广[6]，发酵后酒糟可以作为饲料，也可以作为原料生产菌体蛋白[7]。【前人研究进展】梁艳玲等[8]对甜高粱在燃料乙醇和白酒中的应用进行了研究；陈朝儒等[9]以甜高粱茎秆榨汁及渣混合原料进行同步糖化乙醇发酵并进行条件优化；韩冰等[10]采用先进固体发酵技术生产乙醇，筛选出高产乙醇酵母菌株并优化了固体发酵设备；叶凯等[11]采用多重诱变方式，从酿酒酵母菌中筛选出适宜新疆甜高粱秸秆六碳糖发酵的高产菌株。刘杰等[12]对2 个不同品种的甜高粱进行了固态发酵实验，结果表明，品种不同乙醇产率不同，产率分别为 3.96 t/hm2和3.75 t/hm2；耿欣等[13]对甜高粱秸秆生产燃料乙醇工艺参数的变化规律及相关性进行了研究，结果表明平均13.5 kg高粱秸秆生产1kg无水乙醇；沈飞等[14]考察了干燥茎秆生产乙醇的可行性，发酵终点时乙醇质量分数可以达到67.06 mg/g(干基)；王二强等[15]建立了酵母菌株TSH-SC- 1固态发酵生产乙醇的动力学模型。【本研究切入点】目前有关甜高粱乙醇的研究主要集中在实验室规模的工艺优化[16]、菌种筛选[17]、副产物利用[18]，对于中试生产的研究仅限于可行性评价、能耗分析[19]，有关甜高粱籽粒与秸秆酒醅温湿度的变化特征和物质动态变化规律还鲜见报道。研究甜高粱籽粒与秸秆混合酒醅理化指标特征变化。【拟解决的关键问题】通过研究甜高粱籽粒与秸秆混合酒醅温湿度的变化特征、理化因子的动态变化规律，为揭示甜高粱乙醇发酵机理及物质代谢提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 原料及试剂

甜高粱品种为新高粱3号，种植于新疆农业科学院玛纳斯试验站，平均锤度为19.5%。安琪耐高温酿酒酵母来源于安琪酵母股份有限公司；糖化酶来源于北京奥博星生物技术有限责任公司。

1.1.2 仪器设备

MIK-100温湿度记录仪，杭州美控公司；SH520型石墨消解仪，济南海能仪器有限公司；SL3001电子天平，上海民侨精密科学仪器有限公司；XT-100型高速多功能粉碎机(50～100目)，浙江永康市红太阳机电有限公司；DL-1万用电炉，北京市永光明医疗仪器厂；DHG-9240A型电热鼓风干燥箱，上海一恒科技有限公司；K1100型全自动凯氏定氮仪，济南海能仪器有限公司；DZKW-S-4热恒温水浴锅，北京光明医疗仪器有限公司。

1.2 方 法

1.2.1 测定指标

水分：参照GB5009.3-2016食品中水分的测定；

总糖、还原糖：参照GB5009.7-2016食品中还原糖的测定；

蛋白质：参照GB5009.5-2010食品中蛋白质的测定；

酒精度：取100 g酒醅，加入蒸馏水，用蒸馏器蒸馏出100 mL液体，利用酒精计测定酒精度；

酸度：酸碱中和法测定。

1.2.2 发酵工艺流程1.2.2.1 发酵工艺流程

甜高粱籽粒与秸秆(含穗)→收割→粉碎→接种→拌料、调湿→入窖、密封→发酵→蒸馏

1.2.2.2 工艺操作要点

接种：称取酿酒酵母(秸秆量的0.15%)，用10倍于酵母量的2%糖水(38～40℃)活化10～20 min，与适量的糖化酶(秸秆量的0.08%)混合均匀，喷淋于摊开的甜高粱秸秆上。

拌料、调湿：人工翻料，搅拌均匀后进行调湿，将原料含水率控制在68%～72%。

入窖密封：将拌好的甜高粱籽粒与秸秆酒醅填入窖池(大小4 m×3 m×1.6 m)，边装填边踩实，直到装满为止，并放入自动温湿度计。绘出温湿度计分布(共15个)，记录时间段：封窖—起窖；记录间隔30 min/次；取样间隔12 h/次。图1

图1 发酵池中温湿度计分布
Fig.1 The distribution of the temperature and humidity meter in the fermentation tank

1.3 数据处理

绘图采用Prism 5.0软件；统计分析采用SPSS 17.0 软件。

2 结果与分析

2.1 酒醅理化指标变化

2.1.1 酒醅温度变化

温度是影响微生物发酵极其重要的因素之一，窖池中温度的变化是由环境温度(主要是地温)和微生物进行生长代谢共同作用的结果[20]。通过对窖池内不同空间位置的温度进行测定，研究表明，各个发酵层的温度变化趋势与白酒发酵时一致[21-22]。整个发酵过程酒醅的温度变化幅度为 8.5～14.5℃，窖池内不同部位的发酵温度存在差异，酒醅温度上层>中层>下层；相对于周围区域，中心区域酒醅温度变化较为缓慢。图2

注：a、b、c、d代表窖池周围区域，e代表窖池中心区域

Note: a,b,c, d represent the area around the pit, e represents the central area of the pit

图2 发酵过程中不同发酵层酒醅温度变化
Fig.2 Fermentation temperature changes in the different layers

同一发酵层中心区域与周围区域酒醅温度变化特征不同。上层酒醅：中心区域与周围区域酒醅温度最高值接近，但是达到最高温所需的时间相差4.3倍，周围区域酒醅温度于封窖后16.5 h时达到最高值43.6℃，而中心区域于71.5 h时达到最高值43.5℃，周围区域的升温速率是中心区域的5倍左右；中心区域酒醅温度维持高温时间为172.5 h，而周围区域温度在最高温仅维持了11.9 h，然后开始缓慢下降，周围区域下降速率明显大于中心区域。中层酒醅：周围区域和中心区域酒醅温度极差相差1.4℃，周围区域的升温速率是中心区域的2倍左右。下层酒醅：周围区域与中心区域酒醅温度升温速率相差最大，约为6.4倍；酒醅温度下降初期速率相差6.9倍，后期降温速率逐渐接近，达到0.021℃/h。

不同发酵层的酒醅温度差异较大，酒醅温度上层>中层>下层。上层酒醅温度最高可达到43.6 ℃，下层酒醅最高时仅37.3 ℃，两者相差6.3℃，这可能是由于水泥窖池地表温度较低，下层酒醅与窖壁之间发生热传递，降低了下层酒醅温度。下层酒醅温度变化较快，上层酒醅温度变化较平稳。下层酒醅的温度上升速率最快，可达到0.836℃/h，中层次之，上层最慢为0.608℃/h；酒醅温度下降时，下层的下降速率最高可达到0.097℃/h，中层次之，上层最低0.064℃/h，相差0.033℃/h。表1

2.1.2 酒醅湿度变化

发酵过程中，初始的湿度会因蒸发和代谢活动而发生变化，所以仅仅控制初始底物湿度并不能保证整个固态发酵过程的顺利进行，对固态发酵过程中湿度的监测也很关键[23]。研究表明，发酵过程中不同发酵层酒醅湿度变化情况为酒醅湿度从入窖后不断升高，达到最高值然后基本保持稳定。其中下层酒醅湿度相对较高，最高可达到92.6%。整个发酵过程酒醅的湿度变化幅度10%rh左右，酒醅湿度下层>中层>上层；中心区域酒醅温度比周围区域变化较为缓慢。图3

表1 发酵过程中不同发酵层酒醅温度变化特征
Table 1 The temperature characteristics of different layers of fermented grains

特征值Characteristicvalue上层酒醅Upper中层酒醅Middle下层酒醅Lower周围区域Surroundingarea中心区域Centerarea周围区域Surroundingarea中心区域Centerarea周围区域Surroundingarea中心区域Centerarea最高温度(℃)Maximumtemperature43 643 539 841 137 337 1最低温度(℃)Minimumtemperature33 634 726 426 328 228 6极差(℃)Range10 18 813 414 89 28 5升温时间(h)Heating-uptime16 571 520 4481165升温速率(℃/h)Heatingrate0 6080 1230 6600 3080 8360 131维持高温时间(h，最高温±0 2℃)Maintaintime(Max±0 2℃)11 9172 511 433 04 929 0降温速率(℃/h，最高温时-72h)Coolingrate(℃/h)0 0640 0000 0730 0170 0970 014降温速率(℃/h，72h-发酵终点)Coolingrate(℃/h)0 0320 0020 0360 0180 0210 021

注：室温为10℃～30℃

Note：The room temperature is 10℃～ 30℃

图3 发酵过程中不同发酵层酒醅湿度变化
Fig.3 Fermentation humidity changes in the different layers

下层酒醅出窖湿度最高为92.4% rh，中层次之，上层最低为90.8% rh，这可能是由于受重力作用，酒醅中的水分由上层向下层移动，导致下层酒醅的湿度高于中层和上层。下层酒醅湿度增长速率最快，初期可达到0.65% rh/h，上层酒醅湿度增加最慢为0.576% rh/h。

中心区域酒醅湿度略高于周围区域，两者相差0.9% rh～3.3% rh，中心区域和周围区域酒醅湿度增长速率接近。表2

表2 发酵过程中不同发酵层酒醅湿度变化特征
Table 2 The humidity characteristics of different layers of fermented grains

特征值Characteristicvalue上层Upper中层Middle下层Lower周围区域Surroundingarea中心区域Centerarea周围区域Surroundingarea中心区域Centerarea周围区域Surroundingarea中心区域Centerarea24h后湿度(%rh)Humidityafter24h77 976 576 476 782 283 5出窖湿度(%rh)Pithumidity87 590 890 191 291 592 4湿度增长速率(%rh/h，0～72h)Humiditygrowthrate0 5760 5750 5860 5940 6500 653湿度增长速率(%rh/h，72h-terminal)Humiditygrowthrate0 0590 0790 0610 0500 0180 013

2.1.3 酒醅水分变化

窖池中适宜的水分含量，可以保证窖池中微生物的生长代谢，保证酒醅的正常发酵，酒醅水分含量的变化结果表明，甜高粱秸秆酒醅中水分含量呈上升趋势，增加了8%左右。在整个过程中，初期水分含量变化较快，可能与此时段酵母菌及其它微生物代谢旺盛有关；后期微生物生长代谢趋于稳定，水分含量变化幅度也较小。图4

注：图中不同小写字母表示差异显著，下同

Note：Different letters mean significant difference atP<0.05,the same below

图4 酒醅水分含量变化
Fig.4 Changes of moisture content in the fermented grains

2.1.4 酒醅酒精度变化

酒醅中酒精度的变化是判断秸秆发酵情况的重要依据。封窖后第1 d酒醅中乙醇含量增加非常明显，酒精度增加了7%，然后酒精度增长速度趋于缓慢，第156 h达到最高值12.5%，然后开始下降并趋于稳定。这是由于甜高粱秸秆发酵时先转化可溶性糖，然后在酵母菌、糖化酶的共同作用下将籽粒中的淀粉转化为糖类，产生部分乙醇，发酵后期部分酒精转化成酸和酯，导致酒精度明显下降，最终趋于稳定。图5

图5 酒醅酒精度变化
Fig.5 Changes of alcohol content in the fermented grains

2.1.5 酒醅中总糖、还原糖变化

总糖、还原糖含量的变化可以从侧面反应乙醇的生成速度。入窖后酒醅中的总糖、还原糖迅速减少，在48 h内消耗了总糖的75%，然后还原糖消耗速度逐渐变慢，第6 d后总糖、还原糖含量仍然降低但是无显著变化，逐渐趋于稳定直至发酵结束。图6

图6 酒醅中总糖、还原糖含量变化
Fig.6 Changes of total sugar and reducing sugar content in the fermented grains

2.1.6 酒醅中蛋白质变化

研究表明，第1～4 d酒醅中蛋白质含量迅速增加(P<0.05)，由5.1%增加到了8.6%，第6 d后，蛋白质含量变化不显著(P>0.05)。与原料相比，发酵后酒醅蛋白质含量提高了68.5%。图7

图7 酒醅中蛋白质含量变化
Fig.7 Changes of protein content in the fermented grains

2.1.7 酒醅酸度变化

发酵时由于产酸微生物的代谢作用，产生一定量的酸类物质，酒醅酸度在整个发酵过程中呈上升趋势，到第8 d时酸度为0.72 g/100 g，与发酵初期相比增加了2倍左右。图8

图8 酒醅过程中酸度变化
Fig.8 The acidity of fermented grains in the process of change

2.2 酒醅酒精度与各理化指标的相关性

研究表明，酒精度变化与总糖、还原糖呈高度负相关性(P<0.01)，相关系数分别为0.918、0.928，即总糖、还原糖含量降低，酒精度升高；酒精度与酸度、水分含量和湿度之间呈正相关性。表3

表3 酒醅酒精度与各理化指标间相关性
Table 3 Correlation between alcohol and physical and chemical indexes

温度Temperature湿度Humidity水分Moisture总糖Totalsugar还原糖Reducingsugar蛋白质Protein酸度Acidity酒精度Alcoholic0 768∗∗0 907∗∗0 846∗∗-0 918∗∗-0 928∗∗0 820∗∗0 890∗∗

注：**. 在P≤0.01 水平(双侧)上显著相关，*. 在P≤0.05 水平(双侧)上显著相关。

Note:*，**represent significantly different at 0.05 and 0.01 levels

3 讨 论

3.1 温度

在甜高粱秸秆酒醅过程中窖池内不同位置酒醅温度存在差异，酒醅温度上层>中层>下层；相对于周围区域，中心区域酒醅温度变化更加平缓。出现这一现象的原因可能是：下层酒醅及周围区域酒醅与窖壁之间发生热传递[24]，降低了酒醅温度，微生物的活动相对较弱，产生的热量少温度变化幅度较小。而上层酒醅及中心区域酒醅温度受环境温度的影响相对较小，主要是由酒醅中微生物代谢所决定的[25]。

3.2 酒精度

酒精度主要由秸秆中的含糖量决定的，含糖量越高，转化出的酒精就相对较多。研究结果表明新高粱3号(锤度19.5%)在发酵时间为156 h时，酒醅酒精度可达到最高值12.5%，而与再吐尼古丽等[26]的研究结果发酵48 h酒精度达到最高值 2.52%存在差异。这可能是由于实验选用的甜高粱秸秆含籽粒，籽粒中存在淀粉可以增加酒精度，且籽粒的发酵速度较慢会引起发酵时间的延长，而再吐尼古丽选用的原料是甜高粱的秸秆无籽粒。试验的出酒率为120 L/t，与梅晓岩[19]的研究结果相似，每亩甜高粱可产 387～433 L/667 m2乙醇，此结果与任丽[27]的研究结果48.4 kg/t有一定的差异，可能与甜高粱的品种、发酵菌种和原料粉碎度不同有关。

3.3 蛋白质

发酵后酒糟中的蛋白质由5.1%增加到了8.6%，这与杨森[28]的研究结果相似，即发酵后饲料中粗蛋白质量分数提高。增加的蛋白质可能来自于非蛋白氮的转化及菌体自溶产生的各种生物活性物质[29]，还有可能是由于酵母菌消耗了一部分碳水化合物，导致干物质含量降低[30]，发酵后的蛋白质含量(干基)与原料相比提高了，研究的结果符合上述观点。发酵后酒糟略带酒香味、蛋白质含量较高，质地松软、适口性好，具有替代部分饲料粮的潜力，还可以作为原料生产菌体蛋白饲料[31]，解决当前蛋白饲料严重短缺问题。

4 结 论

在甜高粱籽粒与秸秆混合酒醅固态发酵过程中，主要通过酵母菌将秸秆中的糖分和籽粒中的淀粉转换成乙醇，所以发酵时间和酿酒酵母直接相关，发酵80 h后中层酒醅温度出现下降，酒醅酸度开始直线上升时，酵母菌逐渐进入衰亡期，发酵时间为156 h接近发酵终点，此时乙醇产率可达到12.5%。利用甜高粱籽粒与秸秆固态发酵生产乙醇，不仅实现了甜高粱的能源化，还可提高甜高粱发酵残渣作为饲料的营养价值。

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Abstract：【Objective】 The purpose of this study is to make clear the temperature， humidity change characteristics and the physical and chemical index of the sweet sorghum fermented grains and understand the correlation between the factors.【Method】Using the whole plant (including spike) of sweet sorghum as raw materials for solid state fermentation, timing sampling and analysis the fermented grains temperature，moisture content， alcohol， total sugar， reducing sugar, protein, acidity. The correlation between alcohol and physical and chemical indexes was analyzed by SPSS software.【Result】The temperature of all parts of pits were different, the fermented grains temperature was: upper > middle > lower，and the upper fermented grains heating and cooling process went on more smoothly than the middle and lower parts. The fermented grains humidity center area changed more slowly than the surrounding areas. Change characteristics of region and its surrounding regions with a layer of fermentation of fermented grains temperature center was different. The same layer center area and the surrounding area fermented grains temperatures were different, and changes in central area of fermented grains temperature was relatively slow. The humidity of fermentation increased by 10%rh，the fermented grains humidity was: lower > middle > upper，centre of fermented grains humidity changed more slowly than the surrounding area. Fermented grains physical and chemical index change rule was: ① The alcohol content increased first and then decreased, and at the time of 156 h it reached the highest value 12.5%; ② The content of total sugar and reducing sugar decreased rapidly and stabilized gradually after sixth days; ③ After fermentation, protein content increased from 5.1% to 8.6%, which was increased by 68.5%.【Conclusion】Based on the variation process of fermentation of sweet sorghum grain and stalk physicochemical index, the appropriate pit distillation time is selected, which can effectively improve the yield of ethanol. The production of ethanol from sweet sorghum grain and stalk in solid state fermentation not only realizes the energy conversion of sweet sorghum, but also improves the nutritional value of sweet sorghum fermentation residue as feed.

Keywords: sweet sorghum; fermented grains; solid fermentation; ethanol; protein

StudyonthePhysicochemicalIndexVariationoftheSweetSorghumFermentedGrainsMixedwithStalks

YUE Li，TU Zhen-dong，WANG Hui，Shanqimike，YE Kai

(BioenergyResearchInstitute，XinjiangAcademyofAgriculturalSciences，Urumqi830091，China)

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.09.016

S514

A

1001-4330(2017)09-1697-10

2017-03-31

国家现代农业产业技术体系“高粱产业技术体系”(CARS-06-03-01)

岳丽(1990-)，女，新疆人，助理研究员，研究方向为生物能源，(E-mail)Yueli4467@163.com

叶凯(1962-)，男，浙江人，研究员，研究方向为生物能源，(E-mail)yekai486@soho.com

Supported by: Modern agricultural industry technical system"Millet sorghum technology system-comprehensive utilization of straw and by-products" (CARS-06-13.5-A5)

Corresponding author：Ye Kai (1962-), male, native place: Zhejiang. Researcher, research field: Bioenergy. (E-mail) yekai486@ soho.com

doi:10.6048/j.issn.1001-4330.2017.09.017