燃料乙醇作为最成熟的汽油替代能源[1-2]，2021年全球产量达到8 193万t[3]，是可再生能源行业不容忽视的力量，对我国能源安全、碳减排等同样具有重要作用[4-8]。玉米是我国乙醇生产的主要原料[9]。近三年来由于玉米价格持续上涨，汽油价格低位徘徊等多方面原因，我国乙醇行业面临着不小的压力，很多企业甚至被迫停工停产。2020年起我国开始定向拍卖陈化小麦，很多燃料乙醇企业尝试使用陈化小麦为原料，这对燃料乙醇企业缓解原料成本压力起到了重要作用。
玉米乙醇的技术已经非常成熟[10]，但是小麦在我国很少用于生产乙醇。河南天冠曾经用脱除谷朊粉后的物料进行过小麦乙醇生产[11-12]，其他部分企业也曾短时间低比例添加过小麦作为补充原料[13-17]，但是都没有完全使用小麦原料或者高比例使用小麦进行长时间稳定生产的经验。孙振江等[18]研究不同条件的小麦乙醇工艺；赵银峰[19]研究小麦清液发酵工艺，许宏贤等[20-21]研究了小麦乙醇生料发酵工艺，俞建良等[22]研究脱麸皮预处理对小麦酒精发酵的影响。然而目前仍没有系统的对小麦乙醇与玉米乙醇的工艺对比，以及对小麦乙醇的生产工艺条件的优化研究。
小麦发酵制备乙醇生产中出现的问题主要表现在三个方面[23]：①是在拌浆、液化过程中黏度显著上升，影响物料输送；②是相同拌浆浓度下，因淀粉含量少，乙醇产量会少于玉米原料，同时废醪液的量会大幅增加，导致离心、蒸发和干燥的处理能力需求要比玉米原料显著加大；③是成熟醪残总糖会升高，清液中悬浮物也会明显升高，导致糖浆黏度大幅攀升。为了生产稳定运行，需要适当降低拌浆干物浓度，这进一步增加了糖浆的量。在干燥机能力不变的情况下，蒸汽消耗会增加。针对以上问题，本研究系统比较了玉米乙醇和小麦乙醇工艺中的差异，并进一步考察了拌浆干物、粉碎粒度以及木聚糖酶加量等对小麦乙醇工艺稳定性的影响，优化了小麦发酵乙醇生产工艺，为乙醇行业生产一线及广大的科研工作提供可借鉴的数据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
陈化小麦：江苏省徐州市；陈化玉米：吉林省吉林市；高温液化酶（14万U/g）、糖化酶（40万U/g）、酸性蛋白酶（10万U/g）、高温木聚糖酶（1 760 FXU/g）：诺维信（中国）生物技术有限公司；浓醪干酵母：安琪酵母股份有限公司；果糖、葡萄糖、木糖、麦芽糖DP2、麦芽三糖DP3、琥珀酸、甘油、乙酸、乳酸、乙醇标准品（均为色谱纯）：美国西格玛公司。
1.2 仪器与设备
WF-20B万能粉碎机：江阴市亿丰机械设备有限公司；BIOTECH-5JG-7000发酵罐：上海宝兴生物设备工程有限公司；NDJ-5S旋转黏度仪：上海昌吉地质仪器有限公司；1260高效液相色谱（high performance liquid chromatography，HPLC）仪：安捷伦科技（中国）有限公司；ST40离心机：赛默飞世尔科技（中国）有限公司；400 mm球形回流冷凝管：蜀牛玻璃仪器厂；R300真空旋转蒸发仪：瑞士步崎有限公司。
1.3 方法
对以玉米和小麦为原料的乙醇生产工艺进行全流程模拟试验，对比各环节参数的不同特点，进一步考察拌浆干物、粉碎粒度、木聚糖酶加量对全小麦生产乙醇工艺的影响规律和优化控制，每组实验至少重复3次，试验结果取平均值。
1.3.1 样品处理
用万能粉碎机分别对陈化小麦、陈化玉米进行粉碎，采用2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm孔径的筛片获得3种不同粒径的原料粉备用。
1.3.2 小麦和玉米发酵生产乙醇
取原料粉在5L发酵罐中配制28%～32%干物含量的粉浆，同时加入高温淀粉酶0.15 g/kg原料、高温木聚糖酶0～0.15 g/kg小麦粉。粉浆在400 r/min、85 ℃下液化3 h。随后用38%的硫酸溶液将pH调节至4.2，将液化醪降温至32 ℃，加入糖化酶0.33 g/kg原料、酸性蛋白酶0.1 g/kg原料，按醪液总含量分别加入3 mg/kg青霉素和0.1%的浓醪干酵母，随后在300 r/min、32 ℃条件下厌氧发酵68 h，得到成熟醪。
取500 mL成熟醪加入500 mL去离子水，采用400 mm球形回流冷凝管进行蒸馏，蒸取500 mL酒精溶液后的剩余液体为废醪液。将废醪液用离心机在1 700 r/min条件下离心90 s，取上清液作为清液，下层固体部分为湿糟。
在旋转蒸发瓶中加入清液300 mL，使用R300真空旋转蒸发器进行旋转蒸发，蒸发温度80 ℃，直到蒸发后的糖浆浓度达到30%左右。
1.3.3 分析检测
水分、淀粉、粗蛋白、粗脂肪、粗纤维分别按照食品中组分的国标方法测定[24-28]；半纤维素按照农业农村部发布的农业生物质原料行业标准方法测定[29]，黏度按照旋转黏度仪法测定；发酵醪的组分指标采用高效液相色谱法测定[30]；清液悬浮物含量采用水质悬浮物国标方法测定[31]。
2 结果与分析
2.1 小麦与玉米的化学成分对比
由表1可知，小麦的粗淀粉和粗脂肪含量分别为59.1%和1.6%，明显低于玉米的64.0%和3.2%，而小麦的粗蛋白、半纤维素含量分别为10.4%和6.9%，明显高于玉米的8.3%和3.5%，这些差别导致了小麦发酵制乙醇过程中物料黏度过高，糖浆黏度过大等问题，同时导致小麦干全酒精糟（distillers dried grains with solubles，DDGS）粗蛋白（约31%）要高于玉米DDGS粗蛋白（约27%），小麦DDGS粗脂肪（约5%）要低于玉米DDGS粗脂肪（约8%）。
表1 玉米和小麦化学成分对比
Table 1 Comparison of chemical compositions of corn and wheat
2.2 小麦与玉米发酵生产乙醇中液化醪黏度对比
在2.0 mm筛片、30%干物、不添加木聚糖酶和添加木聚糖酶（添加量为0.05 kg/t小麦）的条件下对两种原料的液化指标进行了对比，结果发现不添加木聚糖酶时，小麦液化醪的黏度高达1 240 cP，达到玉米液化醪黏度395 cP的3倍以上，而添加0.5 g/kg小麦的木聚糖酶后小麦液化醪的黏度降至424 cP。从乙醇行业生产经验来看，通常液化阶段的黏度控制在600 cP以内可保证物料传质传热运行稳定，超过600 cP以后，搅拌电机和泵电机电流会出现过载，管线结垢速率加快，影响生产长周期稳定运行。实验过程中发现如果不加木聚糖酶，小麦乙醇的全过程黏度都明显高于玉米乙醇，因此在液化阶段添加耐高温的木聚糖酶对于生产的稳定运行至关重要。后续实验也都是在添加了木聚糖酶的条件下进行的。
2.3 小麦与玉米成熟醪指标的对比
由表2可知，在30%拌浆干物条件下，玉米发酵的成熟醪乙醇含量为13.333 g/100 mL，高于小麦发酵的成熟醪乙醇含量11.426 g/100 mL，这是玉米中淀粉含量高于小麦的结果。玉米乙醇成熟醪中的二糖含量达到0.515 g/100 mL，高出小麦乙醇成熟醪一倍以上，甘油含量也明显高于小麦乙醇。二糖中的主要成分为海藻糖，海藻糖是酿酒酵母在乙醇胁迫下产生的重要应激产物，能够特异性保护菌体蛋白质、生物膜和核酸等大分子结构[32]。甘油与海藻糖类似，同样是酿酒酵母在乙醇胁迫下产生的重要应激产物，因其良好的生物相容性溶质，亲水性能好，能有效地维持细胞内水分活度，保护细胞免受脱水的侵害[33]。因此乙醇浓度越高、渗透压越高，海藻糖和甘油的产量也就越高，这也就解释了为什么玉米乙醇的二糖和甘油含量明显高于小麦乙醇。玉米乙醇成熟醪中的琥珀酸也高于小麦乙醇，这主要是由酿酒酵母的代谢途径决定的。李晓军[34]研究了酿酒酵母在不同环境下有机酸的代谢途径，发现在常规培养中0.05%的碳流向琥珀酸，而在高渗培养中，琥珀酸处的碳流量较常规培养更高。玉米中淀粉含量高，发酵过程中酵母的渗透压也高于小麦乙醇，因此琥珀酸产量高于小麦乙醇。小麦乙醇成熟醪中的三糖及以上多糖含量要高于玉米乙醇成熟醪，这主要是由于小麦中的戊聚糖含量高于玉米造成的。果糖含量也略高于玉米乙醇，乳酸、乙酸的含量主要受染菌影响，两种原料差别不大。淀粉出酒率是评价发酵好坏的重要综合性指标。同等条件下玉米的淀粉出酒率为51.93%，小麦的淀粉出酒率为51.08%。
表2 玉米和小麦成熟醪指标高效液相色谱分析对比
Table 2 Comparison of corn and wheat mature mash indexes analyzed by HPLC
2.4 小麦与玉米发酵废醪液指标的对比
对小麦与玉米发酵成熟醪进行蒸馏处理得到废醪液，采用管式离心机对废醪液分别进行离心处理得到了清液，清液干物、悬浮物及占废醪液比例的指标见表3。
表3 玉米和小麦发酵废醪液指标对比
Table 3 Comparison of indexes of waste mash fermented with corn and wheat
注：离心效果与生产线上使用的卧螺式离心机会有一定的差距。
由表3可知，在相同离心条件下，玉米清液占废醪液的比例为40.26%，而小麦清液占废醪液的比例达到48.89%，清液占比的升高将直接导致蒸发量的增加；其次玉米清液的干物质和悬浮物分别为5.20%和2.14%，而小麦清液的干物质和悬浮物分别达到9.34%和4.09%，均明显高于玉米清液指标，这都将增加蒸发环节的负担。清液悬浮物含量的高低是影响蒸发浓缩倍数的主要因素，悬浮物越高，浓缩后的糖浆黏度越高，浓缩倍数越低。玉米乙醇企业典型的糖浆干物含量约30%，此时的糖浆黏度大约985 cP，而小麦乙醇此时的黏度达到1 956 cP，如此高黏度下的糖浆无法长周期稳定输送，还会加快蒸发器和管线的结垢速度，因此需要降低糖浆干物含量以缓解糖浆黏度太高带来的影响，然而这也将导致后期的干燥机负荷增加，能耗增加。进一步对清液中的悬浮物组分进行了分析，发现小麦清液悬浮物中蛋白含量高达70.36%，玉米清液悬浮物中也达到了47.35%。说明小麦清液中最主要的细小的悬浮物主要是蛋白质。可以判断，使用小麦后应尽可能的采用分离能力更强的分离设备，或采用其他办法降低清液悬浮物，有效降低糖浆黏度过高带来的影响，提高糖浆的干物，降低干燥机的干燥负荷和蒸汽消耗。
2.5 小麦发酵制备乙醇工艺优化研究
为了进一步优化小麦乙醇工艺，特针对拌浆干物质含量、粉碎粒度和木聚糖酶添加量三个工艺参数进行了进一步研究，试验设计见表4。
表4 小麦发酵制备乙醇工艺优化试验设计
Table 4 Experiments design of ethanol production process by wheat fermentation
2.5.1 对液化醪黏度的影响
由图1可知，随着拌浆干物质含量的提高，液化醪黏度也随之升高，当拌浆干物达到32%时，液化醪黏度达到642 cP。如前所述，当液化醪黏度超过600 cP时，粉浆罐搅拌以及泵的电机都会出现电流过载的情况，因此建议使用小麦为原料时，拌浆干物不能过高，最好不要超过32%。
图1 拌浆干物质含量、粉碎粒度及木聚糖酶加量对液化醪黏度影响
Fig.1 Effect of dry matter content of slurry mixing,grinding particle size and xylanase addition on liquefied mash viscosity
当筛片孔径＜2.5 mm时，液化醪黏度随着粒度变大略有增加，但是当筛片孔径达到3.0 mm时，液化醪黏度急剧上升至1 320 cP，严重超出了生产可接受的范围。分析原因是小麦粉粒度过粗时，酶制剂与物料颗粒接触面积变小，酶解速度显著下降，物料黏度显著上升。
木聚糖酶的添加量从0.05 g/kg小麦增加至0.10 g/kg小麦时，液化醪黏度略有降低，说明木聚糖酶添加量的增加有助于木聚糖的分解，降低黏度。但是当酶加量从0.10 g/kg小麦增加至0.15 g/kg小麦时，黏度没有进一步下降，反而略有上升。分析原因认为：造成黏度变化的主要原因是水溶性木聚糖含量的多少，水溶性木聚糖含量越高、分子质量越大，黏度越高[35]；因更容易相互接触，木聚糖酶会优先作用于水溶性木聚糖，从而降低物料黏度。然而随着木聚糖酶加量的增加，有部分木聚糖酶开始作用于水不溶性木聚糖，将部分水不溶性木聚糖转化为水溶性木聚糖，从而使得物料中的水溶物木聚糖在被分解的同时又有所增加，进而导致了物料黏度的升高。这一结论与李明菲等[36]在添加外源戊聚糖酶对小麦淀粉与谷朊粉分离效果影响的研究中的结论一致。所以单从降低液化醪黏度的角度来讲，木聚糖酶添加量并不是越高越好，根据本实验结论建议添加量控制在0.10 g/kg小麦以内更为适宜。
2.5.2 对成熟醪指标影响
由表5可知，随着拌浆干物质含量的提高，成熟醪的乙醇含量有所提高，这是拌浆干物提高、淀粉量增加带来的结果。同时三糖及以上多糖、二糖、葡萄糖等残糖指标以及副产物甘油、乙酸的含量也均有增加，说明随着干物质含量增加，渗透压增加，酵母受到抑制，无法有效利用糖分，同时应激产生更多的副产物，这与玉米乙醇的发酵规律是一致的。从淀粉出酒率来看，当拌浆干物为28%时，淀粉出酒率达到了最高，为51.48%，随着拌浆干物提升，淀粉出酒率逐渐下降，当拌浆干物达到32%时，淀粉出酒率下降至50.53%。
表5 拌浆干物含量、粉碎粒度及木聚糖酶添加量对成熟醪指标的影响
Table 5 Effect of dry matter content of slurry mixing,grinding particle size and xylanase addition on mature mash indexes
粒径对发酵的影响规律不明显，由表5可知，乙醇质量浓度在粉碎粒径为2.0 mm时既出现最高值，又出现最低值。从淀粉出酒率指标来看，粉碎粒径为2.5mm时出酒率最高为51.30%，粒径为2.0 mm和3.0 mm时的出酒率相差无几。
随着木聚糖酶添加量的升高，乙醇含量略有提高，其他指标变化不大。分析原因认为随着木聚糖酶添加量的增加，半纤维素被分解的更加彻底，淀粉得到更加充分的释放，对酵母多产乙醇有利。淀粉出酒率指标同样反映出相同的规律，木聚糖酶添加量为0.15 g/kg小麦时出酒率较高，为51.34%，添加量为0.10 g/kg小麦时次之，添加量为0.05 g/kg小麦时最低。
2.5.3 对清液指标和糖浆黏度的影响
由表6可知，在其他条件相同的前提下，随着拌浆干物质含量的提高，清液干物、悬浮物和糖浆黏度均呈上升趋势。可见在其他工艺条件不做调整的情况下降低拌浆干物含量是控制糖浆黏度最为直接的办法。
表6 拌浆干物含量、粉碎粒度及木聚糖酶加量对清液指标及糖浆黏度的影响
Table 6 Effect of dry matter content of slurry mixing,grinding particle size and xylanase addition on thin stillage indexes and syrup viscosity
粉碎粒度对清液干物、悬浮物的影响规律不明显，均在粒径为2.5 mm时达到最低，相应的糖浆黏度也达到所有实验组的最低点，为1 249 cP，比较接近玉米乙醇糖浆黏度。分析原因认为当粉碎粒度过细时，会导致一些细小的无法被酵母利用的颗粒物增加，这些细小的颗粒物最终会留在清液中成为悬浮物。然而粒径3 mm条件下的悬浮物同样没有下降，分析原因认为所用的小麦属于粉质小麦，通过粗粉碎来降低悬浮物的作用不明显，但是粒度过粗导致的发酵不彻底效应更为显著，最终导致清液悬浮物升高。
木聚糖酶添加量对清液干物的影响规律同样不明显，但是随着木聚糖酶添加量的增加，悬浮物和糖浆黏度均有所上升，添加量达到0.15 g/kg后，悬浮物上升至5.37%，蒸发浓缩后的糖浆黏度也攀升到了2 687 cP，达到整个实验组的最高值。分析原因认为，当木聚糖酶添加过量时，会将水不溶性木聚糖转化为水溶性木聚糖，水溶性木聚糖分子结构呈缠绕状态[36]，黏度高，影响离心效率，使得更多的固形物未能得以分离而留在清液之中，导致清液悬浮物上升。
3 结论
小麦与玉米的化学组成差别明显，主要表现在小麦的淀粉含量低于玉米，蛋白和半纤维素含量高于玉米，这些差距导致在生产乙醇时，小麦的液化醪黏度要明显高于玉米，乙醇含量和淀粉出酒率均低于玉米，清液干物和和悬浮物明显高于玉米，糖浆黏度也明显高于玉米。这些差异都给小麦乙醇的工业化生产带来了不小的挑战。
拌浆干物含量、粉碎粒度和木聚糖酶添加量对小麦液化黏度、成熟醪组分以及清液悬浮物、糖浆黏度等指标的影响规律不尽相同。最佳的小麦乙醇工艺生产拌浆干物含量30%，粉碎粒度2.5mm，木聚糖酶添加量0.05 g/kg小麦，此时的液化醪黏度为458 cP，成熟醪乙醇质量浓度为11.483 g/100 mL，淀粉出酒率达到51.3%，糖浆黏度为1 249 cP。
我国乙醇企业正面临多种原料混合使用的现状，本研究中得出的小麦乙醇关键工艺指标的规律性认识对于乙醇生产企业掺混使用小麦原料具有借鉴作用。
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