１ 酶制剂新技术在酒精生产上的应用
１．１ 传统酒精生产过程新型酶制剂及新过程近年来燃料酒精在世界各地得到迅猛发展，酒精传统发酵生产过程如图１所示。
１．１．１ 低温液化技术在传统酒精生产中的应用
相关资料显示，ＩＣＭ 工艺流程从美国燃料酒精大发展的１０年前到两年前几乎垄断了全美［３］。其典型的液化工艺是采用１０５℃喷射。ＤＥＬＴＡ－Ｔ的工艺则是无喷射器、８５℃左右直接蒸煮。近几年高性能Ｓ类型液化酶的出现，改变了美国玉米酒精的生产工艺。现在在美国大多数酒精厂都采用了８５℃～９０℃的ＤＥＬＴＡ－Ｔ液化工艺。引起这个变化的原因主要有３个：一是随着非常高效液化酶的出现，结合新型糖化酶和酵母，８５℃的过程也可得到很高的转化效率（高于９０％），另外一个原因ＤＤＧＳ的颜色在相对低温的蒸煮温度下保持金黄而不发黑；还有一个重要的原因就是能源的节省。在我国，采取ＤＥＬＴＡ－Ｔ液化工艺的厂家并不多，主要是因为多数酒精厂认为低温液化（８０℃～９０℃）有可能达不到与现有主流中温液化工艺（９０ ℃～１１０℃）相同的灭菌效果。许宏贤等人研究了新一代新型低温液化酶在酒精生产过程的应用，建立了以全磨玉米为原料酒精发酵染菌程度的微生物检验方法，为酒精生产新工艺提供了定量化的科学依据；同时对不同液化温度的工艺进行了比较，如图２所示，新一代低温液化酶具有优越的降黏度性能［４］。
该研究还针对以不同清液含量配料，８５℃液化与１０５℃液化对酒精产出和杂菌污染情况进行了对比，结果如图３所示，无论清液含量的多少，８５℃液化发酵液中杂菌含量与１０５℃液化基本一致，表明低温液化能够达到与中温液化相同的灭菌效果，而并非如有些人想像的那样，高温对杀菌更有效。该研究同时表明与传统的酒精生产过程相比，新的低温过程由于减少了游离糖的损失，增加了酒精产出。
１．１．２ 单一ｐＨ 酒精发酵过程
广泛使用的源自黑曲霉的糖化酶最佳ｐＨ 为４．２～４．５，绝大部分乳酸菌的生长在ｐＨ 低于５．０的情况下会大大受到抑制，这两方面的因素使得绝大多数的酒精厂在液化后通过加入硫酸调节发酵起始ｐＨ，通常控制在４．０左右，有时甚至更低。然而最新的研究表明通过降低酒精发酵的起始ｐＨ 来控制染菌并不是个好办法。相关资料表明，发酵起始ｐＨ 太低会抑制酵母的活力从而影响酒精产量。源自里氏木霉的新型糖化酶ＴｒＧＡ，其特点是适用ｐＨ范围比ＡｎＧＡ宽泛，如图４所示。
这一特点使得在液化后无需调节ｐＨ 进行发酵成为可能，即在生产上可以实现发酵起始ｐＨ 与液化ｐＨ 一致，在ｐＨ ５．５左右。
相关研究表明，采用新工艺不仅加快了酒精发酵的速度，酒精产率得以提高，同时新过程由于省略了调节ｐＨ 的步骤，使生产工艺得到简化，并减少后道工序的处理，降低了生产成本，同时也减少废水处理的负担［５］。
１．１．３ 酸性蛋白酶取代无机氮源
在以谷物为原料的食用酒精的发酵过程中，由于原料中所含的蛋白质不能被酵母直接利用，通常需要额外添加尿素或硫酸铵等无机氮源以补不足［６－７］。尿素是酒精发酵中普遍使用的氮源。相关研究表明，在酸性条件下，尿素和乙醇加热反应生成ＥＣ（氨基甲酸乙酯），该物质具有遗传毒性和致癌性，２００７年３月，世界卫生组织国际癌症研究机构（ＩＡＲＣ）将ＥＣ 从可能致癌物质２Ｂ 类提高为２Ａ类。
我国新颁布的食品添加剂使用标准ＧＢ ２７６０—２０１１中明确规定，尿素等２３种物质，缺乏食品添加剂工艺必要性，不得作为食品用加工助剂生产经营和使用。如拟将这些物质作为食品添加剂或食品用加工助剂的，应当依法提出食品添加剂新品种行政许可申请。可以预见，随着该规定的实施，在酿酒过程中人为添加尿素的行为将被禁止。前期的研究表明酸性蛋白酶可以将淀粉质原料自身的蛋白质水解为酵母可利用的成分，从而改善体系的营养供应，缩短发酵周期，有利于进行浓醪发酵，有利于提高出酒率，酸性蛋白酶的使用不会使ＤＤＧＳ的蛋白含量降低［７］。研究还发现，发酵时添加酸性蛋白酶除了可以显著增强酒精产率外，还对蒸馏废醪除水有帮助。当今酶制剂生产技术的进步使酸性蛋白酶的成本大幅降低，从而使大规模取代无机氮源成为可能。
１．１．４ 降黏酶
麦类谷物以前主要是在一些地区（如欧洲）被广泛地用于燃料酒精的生产，近年来，我国小麦的工业深加工也有了一定的发展。而使用这些原料面临的挑战之一是高含量的非淀粉质多糖类物质（ＮＳＰ）［８］。由于ＮＳＰ类物质的持水性能非常好，故醪液的黏度很高。降黏酶是经微生物发酵得到的适用于降解谷物中ＮＳＰ的复合酶制剂，可在酒精生产的多个步骤进行添加，如配料或／和糖化／发酵。在配料阶段添加的一个好处是从源头上就可以把黏度降低。在发酵阶段添加的益处是可以把一些低聚糖水解成酵母可利用的单糖，如葡萄糖和果糖。
１．２ 生料发酵
用生料发酵技术工业化规模生产酒精是业界多年的梦想。生料工艺与传统工艺相比有诸多益处，如提高酒精产出、提高生产效率、节约能源、减少操作单元、减少固定设备投资等等［９］。典型的生料工艺如图５所示。
无蒸煮工艺即生料工艺是生产酒精的“绿”色技术，近些年对此研究增多［１０－１１］。如前所述，若用麦类原料采用传统工艺生产酒精，醪液将非常粘稠。
若采用生料技术，由于整个过程体系的温度始终低于糊化温度，故不会产生黏度问题。并且乙醇的产率会略高于传统工艺，ＧＣ－ＭＳ分析显示无喷射新工艺的发酵产物杂质少于传统工艺［１２］。大米生料发酵酒精生产的研究表明，采用传统工艺１ｔ大米可以生产３８０～４００Ｌ酒精，而采用新型酶制剂生料工艺后，１ｔ大米可以生产４３０～４７０Ｌ酒精甚至更高［１３］。新鲜木薯直接转化生产乙醇的研究用真菌α淀粉酶和降粘酶预处理新鲜木薯醪液后加入颗粒淀粉水解酶ＳＴＡＲＧＥＮ 进行酵母酒精发酵。与传统高温工艺相比，该工艺过程中新鲜木薯醪液粘度显著降低，有更多可发酵性糖被利用，并且最终发酵效率显著提高［１４］。
除原材料和能源的价格上涨外，酒精生产企业面临的另一个较大的挑战就是环保问题。虽然现在大部分酒精生产企业已采用部分清液回配，但回配的比例仍很小。研究表明，生料发酵过程可提高清液回配比例，特别是在蛋白酶的帮助下，清液的回配比例可大大增加［１５］。还有研究表明：在高粱酒精生料发酵中添加植酸酶，不仅可以促进发酵、提高酒精产量、减少杂质生成，还能显著降低蒸馏清液和酒糟中的植酸含量，进而提高酒糟饲料蛋白营养价值，同时减少有机磷排放［１６］。对超高底物浓度（３５％绝对干物）生料发酵中的研究发现，采用温度梯度控制使用市售酒精干酵母，在９８ｈ内发酵醪液酒精浓度可达２０％（ｖ／ｖ）以上［１７］。
２ 淀粉提取与淀粉糖工业
２．１ 淀粉提取
传统的玉米湿磨工艺投资很大且相当耗能，大约２１％的投资和能耗发生在浸泡过程。在传统的玉米湿磨工艺中，二氧化硫的使用不可避免，浸泡过程中需要添加大约１ ０００～２ ０００ｍｇ／ｋｇ的二氧化硫［１８］。工厂实际操作添加量普遍为２ ０００ｍｇ／ｋｇ，有时高达３ ０００ｍｇ／ｋｇ。添加二氧化硫的主要用途包括降低染菌风险；对玉米胚乳蛋白质起分散作用，使包裹在淀粉颗粒周围的蛋白质与淀粉有效分离，从而有利于蛋白质在随后的湿磨过程与淀粉分离开来；另外二氧化硫还可使玉米种皮成为半透性膜，玉米中的可溶性营养物质被溶出，提高玉米浆的质量。传统湿磨工艺中的浸泡过程相当耗时，大约需要２４～５０ｈ。玉米湿磨的淀粉提取工艺如图６所示。
由于玉米湿磨工艺需要大量使用二氧化硫，会导致淀粉成品中的二氧化硫残留量较高，我国食用玉米淀粉国家标准ＧＢ／Ｔ８８８５—２００８中规定二氧化硫的残留含量不得超过３０ｍｇ／ｋｇ，工业玉米淀粉国家标准ＧＢ１２３０９—１９９０规定不得超过０．００４％（ｍ／ｍ），即４０ｍｇ／ｋｇ，而实际的生产情况是绝大多数淀粉厂很难达到这一标准。大量使用二氧化硫的另一个危害在于对酵母的抑制作用，研究表明酒精发酵过程中若二氧化硫浓度超过１００ｍｇ／Ｌ，酵母的生长会受到严重影响。
酶在淀粉湿磨工艺的报导最早见于２００１年［１９］。在玉米湿磨工艺中使用酸性蛋白酶，可以有效缩短玉米的浸泡时间，提高淀粉的得率，降低二氧化硫的使用量，酶法湿磨工艺可以有效地降低运行的能耗，进一步扩大处理能力，对于新建的工厂，可以降低固定资产的投资。酶法工艺的第一阶段是一个水浸泡玉米的过程，这有利于玉米的胚芽完全吸水变软，从而使胚芽在后面的粗磨过程中不至于被打碎。而第二阶段是采用酶对粗磨后的玉米粉浆进行处理，经过酶处理后的湿磨过程与传统的工艺流程完全一样，具体流程如图７所示。
从Ｓｉｎｇｈ和Ｊｏｈｎｓｔｏｎ试验的结果看，二氧化硫的添加量降低到６００ｍｇ／ｋｇ，淀粉的得率大约提高了１．０％，蛋白质的得率提高了大约３．５％。这部分多出的淀粉主要是在酶法湿磨过程中从纤维和蛋白质中分离出来的。并且酶法湿磨工艺中的淀粉残留蛋白含量以及淀粉的糊化特性均好于传统的湿磨工艺。由于添加蛋白酶，不仅缩短了浸泡时间，同时蛋白的得率非但没有减少反而得到提高。该技术形成于十余年前，当时蛋白酶的生产菌株大部分为黑曲霉，囿于蛋白酶的价格，该技术并没有在工业界进行推广；现在随着酶制剂技术的发展，新的里氏木霉蛋白酶更有效，成本更有竞争力。希望随着酶制剂成本的进一步降低和工艺条件的持续优化，这一能够减少二氧化硫用量的工艺能够尽快得到工业推广，从而使我国的淀粉质量真正能达到国标的要求。
２．２ 淀粉糖工业
麦芽糖是淀粉深加工中较容易生产也是食品工业应用很广泛的糖浆。在麦芽糖的生产过程中，糖化过程通常在ｐＨ（５．２～５．６），温度（５５℃）进行糖化，由于温度和ｐＨ 都非常适合细菌的生长，所以染菌是很难解决的问题。钱莹等人对新型耐酸真菌淀粉酶在麦芽糖生产上的应用进行了研究，结果表明该酶制剂可以在ｐＨ４．５左右的条件下进行工作，这样麦芽糖生产中的染菌问题可以有效解决，同时由于没有杂菌的滋生，糖液的有色物质减少，从而减少脱色时活性炭的用量［２０］。采用耐酸型真菌淀粉酶的另一个好处是在液化过程结束后，可直接加酸调节ｐＨ４．５进行糖化，而传统工艺需先调节ｐＨ４．５左右使液化酶失活，然后加碱回调ｐＨ５．５左右进行糖化。新型酶制剂的应用可以简化工序，节约酸碱用量，减轻离交压力，降低生产成本。
果糖由于其特殊的理化性质，近些年得到广泛应用，同时也因为蔗糖价高居不下，我国的果糖产量近两年大幅度增长。葡萄糖异构酶（ＥＣ５．３．１．５）是生产果糖的关键酶制剂，固定化葡萄糖异构化酶仍是固定化酶在工业上最成功的例子之一。
文献［２１］对果葡糖浆的生产现状进行了评述，阐述了各种酶制剂，特别是葡萄糖异构化酶对果糖生产的影响，包括葡萄糖异构化酶对生产率的影响、反应器的设计及其操作影响因素。文献［２２］对国内果葡糖浆工厂反应器的设计和生产中的问题进行了回顾，从提高固定化异构酶的应用效率、节约化学品消耗和能源的角度，详细阐述了如何避免设计过程中出现的问题以及操作过程中的不良做法，以进一步提高果糖生产的总体水平。
３·展望
随着分子生物学、计算机技术、以及高通量筛选等工具的快速发展，人们将得到越来越多的新的酶分子，它们其中的一部分将使某些以前不可能实现的过程有望成为现实。在商业化的进程中，酶的应用技术也将扮演重要角色。新的酶分子与新的应用技术两者相互联系，相互促进，必将共同推动白色生物技术的进步，为社会可持续发展作出应有的贡献。
