基于选择性发酵方法的砂糖及乙醇的制造方法 |
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| 申请号 | CN201380028516.0 | 申请日 | 2013-09-11 | 公开(公告)号 | CN104334734A | 公开(公告)日 | 2015-02-04 |
| 申请人 | 朝日集团控股株式会社; | 发明人 | 小原聪; | ||||
| 摘要 | 本 发明 要解决的问题是提供一种在糖液 发酵 期间 蔗糖 不易分解、糖的产量高、同时 乙醇 的产量也高的砂糖及乙醇的制造方法。解决问题的手段为一种砂糖及乙醇的制造方法，其包含：加热及 净化 来自 植物 的糖液的工序，通过使调节为合适 温度 的净化液发酵而使净化液中除蔗糖以外的糖分选择性地转 化成 乙醇的工序，及浓缩得到的发酵液的工序。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种砂糖及乙醇的制造方法，其包含：加热及净化来自植物的糖液的工序，通过使调节为合适温度的净化液发酵而使净化液中除蔗糖以外的糖分选择性地转化成乙醇的工序，及 |
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| 说明书全文 | 基于选择性发酵方法的砂糖及乙醇的制造方法技术领域背景技术[0002] 来自植物的燃料用乙醇作为防止二氧化碳增加的代替汽油的液体燃料而受到期待，一直以来研究了用微生物使来自植物的糖液发酵来制造乙醇的方法。然而，如果将来自植物的糖液用作制造乙醇的原料，则存在着作为食品的砂糖的生产受到压制的问题。 [0003] 作为解决这一问题的方法，专利文献1中记载了一种砂糖及乙醇的制造方法，其不导致砂糖产量的减少，能够通过燃烧来自甘蔗的压榨残渣而得到的能量来提供在制造砂糖及乙醇的工序等中所消耗的几乎全部的能量。 [0004] 另外，专利文献2中记载了一种砂糖及乙醇的制造方法，其中，为了进一步提高砂糖及乙醇的制造效率，首先使用不含蔗糖分解酶的酵母使来自植物的糖液发酵，进行加热及使用过滤器过滤，从而净化发酵液，通过将经过净化的糖液浓缩来分离发酵后糖液中所含的乙醇，并使蔗糖结晶化。该方法的特征在于有效利用现有的砂糖制造工序，利用一直以来用于蒸发糖液中的水分的浓缩工序同时使乙醇蒸发。 [0005] 来自植物的糖液，例如甘蔗榨汁液等，具有适于利用酵母进行乙醇发酵的糖浓度、温度。通常，来自植物的糖液，例如甘蔗榨汁液等，首先被加热，在来自原料的微生物被杀灭、糖液中的蛋白质析出后，经净化工序，用于制造砂糖、乙醇，所述净化工序是加入石灰、絮凝剂等添加剂使杂质沉降分离。由于净化工序后的糖液的温度变成了不适于乙醇发酵的高温，因此，专利文献2的方法的特征在于发酵工序针对净化工序前的糖液进行。 [0006] 然而，如果采用专利文献2的方法，则由于是使加热前的未杀菌的来自植物的糖液发酵，因此，例如在转化糖较多的糖液中发酵时间延长的情况下，在糖液发酵期间，除酵母以外的微生物的混入导致被分解的蔗糖的量较多，增加砂糖的产量变得困难。另外，由于这样的微生物还将分解的砂糖分转化成乳酸、醋酸等其他物质，因此，在增加乙醇的产量方面也存在限度。另外，由于来自植物的糖液中通常含有大量的杂质、微生物等，因此，酵母的重复利用是困难的，特别是使凝聚性酵母一直存在于发酵槽中，不分离酵母而连续地进行发酵这样的效率良好的发酵方法是困难的。而且，在发酵后的净化工序中，在将经过加热的发酵液在沉淀槽中静置时，由于通常的沉淀槽是大气开放类罐，因此，存在着一部分被加热的乙醇蒸发，最终的乙醇回收量减少的问题。 [0007] 专利文献3中记载了对于含有蔗糖及果糖聚合物的基质的水溶液，使用能使葡萄糖发酵为乙醇，但不能水解果糖聚合物或蔗糖的酵母，使葡萄糖选择性地进行乙醇发酵。含有蔗糖及果糖聚合物的基质是通过使果糖基转移酶及葡萄糖异构酶同时作用于含有蔗糖的基质而制备的。作为含有蔗糖的基质，可以列举糖蜜(molasses)等。 [0008] 专利文献3的发明以糖蜜等为原料，其目的在于提供果糖含量高的甜糖浆。糖蜜是使糖从糖液中结晶化并回收后的残渣，即由现有的制糖方法得到的残渣，但是，专利文献3的发明并非如专利文献2那样是有效利用现有的砂糖制造工序的方法，其目标产物也不同。含有大量果糖的糖浆蔗糖含量较低，不仅消耗了葡萄糖，还消耗了蔗糖。 [0009] 本申请发明以提高作为蔗糖结晶的砂糖的收率为目的，涉及一种通过葡萄糖和果糖的选择性发酵来提高糖液的纯糖率，即占全部可溶性固体成分的蔗糖含有比率，从而提高砂糖的结晶回收效率的技术，因此，专利文献3的发明与本申请发明所解决的问题不同。 [0010] 现有技术文献 [0011] 专利文献 [0012] 专利文献1：日本特开2004-321174号公报 [0013] 专利文献2：日本专利第4883511号公报 [0014] 专利文献3：美国专利第4335207号 发明内容[0015] 发明要解决的问题 [0016] 本发明是解决上述现有问题的发明，其目的在于提供一种有效利用现有的砂糖制造工序、不使蔗糖在糖液发酵期间分解、增加砂糖的回收量、同时还增加乙醇的回收量的砂糖及乙醇的制造方法。 [0017] 解决问题的手段 [0018] 本发明提供一种砂糖及乙醇的制造方法，其包含： [0019] 加热及净化来自植物的糖液的工序， [0020] 通过使调节为合适温度的净化液发酵而使净化液中除蔗糖以外的糖分选择性地转化成乙醇的工序，及 [0021] 浓缩得到的发酵液的工序。 [0022] 在某一实施方式中，所述发酵使用不含蔗糖分解酶的酵母进行。 [0023] 在某一实施方式中，所述发酵使用破坏了蔗糖分解酶基因的酵母进行。 [0024] 在某一实施方式中，所述发酵在蔗糖分解酶抑制剂的存在下进行。 [0025] 在某一实施方式中，所述砂糖的原料作物是选自甘蔗、甜菜、桄榔、糖枫、高粱中的至少一种。 [0026] 在某一实施方式中，所述净化液具有9重量％以上的蔗糖浓度。 [0027] 在某一实施方式中，所述发酵液具有50％以上的纯糖率。 [0028] 在某一实施方式中，所述浓缩通过将发酵液在减压下蒸馏来进行，此时，乙醇从发酵液中分离并被回收。 [0029] 在某一实施方式中，所述砂糖及乙醇的制造方法进一步包含使砂糖从将发酵液浓缩而得到的浓缩糖液结晶化的工序。 [0030] 发明效果 [0031] 根据本发明的方法，由于使用经过加热及净化的糖液进行发酵，因此，即使是在含有大量转化糖的糖液中发酵时间延长的情况下，在糖液发酵期间蔗糖也不易分解，砂糖的产量高，同时乙醇的产量也变高。另外，由于供发酵用的糖液通过加热进行了微生物的灭活及通过除杂进行了净化，因此，酵母被混入的微生物、杂质污染的情况不易发生，可以容易地进行酵母的回收及再利用。此外，在使用净化液的情况下，发酵槽中不蓄积微生物、杂质，利用具有凝聚性的酵母变得可能，因此，不再需要酵母分离机，可以缩短工序时间。而且，由于发酵后不经过沉淀槽而直接浓缩，因此，还可以消除因沉淀槽中的蒸发而导致的乙醇损失。附图说明 [0033] [图2]图2是表示实施例1的方法的物料平衡的图。 [0034] [图3]图3是表示比较例1的方法的物料平衡的图。 具体实施方式[0035] 在本发明的方法中，成为来自植物的糖液的原料的植物是可以蓄积糖分的植物。其中，优选所谓的砂糖的原料作物。作为砂糖的原料作物，具体可以举出：甘蔗、甜菜、桄榔、糖枫、高梁等。特别优选的植物是甘蔗及甜菜。这些植物糖分的蓄积量多，存在以这些植物为原料的制糖工厂，因此，可以容易地引入本发明。 [0036] 来自植物的糖液是指取出植物中含有糖分的成分而得到的液体。来自植物的糖液通常包括对植物蓄积糖分的部位进行压榨而得到的榨汁及由植物蓄积糖分的部位煮出的煮汁等。 [0037] 通常，植物在被压榨或煮出前被裁切或粉碎成适当的尺寸。植物的压榨可以使用辊磨机等榨汁设备。另外，在对植物进行煮出时，可以使用浸提器(ヂイフユ一ザ一)等煮出设备。压榨时注水的温度及煮出温度可以考虑糖分的提取效率等适当地确定，但通常为30℃～40℃。 [0038] 为了使蔗糖分解酶失活、使糖液中的蛋白质等变性并析出、沉淀，进行糖液的加热。加热温度为65～105℃，优选为80～105℃。如果加热温度低于65℃，则不能使蔗糖分解酶在糖液发酵期间失活。为了使蔗糖分解酶失活，加热时间为几秒钟～10分钟即可。另外，如果加热温度低于65℃，则糖液的杀菌变得不充分。为了充分进行糖液的杀菌，加热温度优选调节为100℃以上。 [0039] 净化工序中的加热的最优条件根据实施规模等变化。在实际制造方法中，为了使糖液中的杂质沉淀，优选进行几个小时的加热。使糖液中的杂质沉淀的加热时间为2小时～4小时，优选为3小时左右。如果加热时间少于2小时，则使糖液中的杂质沉淀变得困难。 [0041] 糖液中的除蔗糖以外的固体成分的除去例如以如下的方式进行。首先，向经过加热的糖液中添加石灰，使蛋白质、果胶等凝聚。根据需要在此处添加氢氧化钙或氧化钙，或吹入二氧化碳从而生成碳酸钙，使非糖分凝聚物吸附在碳酸钙上并沉降。接着，过滤分离含有凝聚物及沉降物的不溶物，得到净化液。净化液中主要含有蔗糖、葡萄糖、果糖等。 [0042] 净化液是经过净化的糖液，是具有9重量％以上，优选9～18重量％，更优选12～15重量％的蔗糖浓度的水溶液。如果蔗糖浓度小于9重量％，则在现有的砂糖制造工序中的浓缩装置，例如5倍效用蒸发器中，浓缩液的蔗糖浓度小于50重量％，在结晶工序中导致糖结晶的熔解，砂糖的回收量可能会降低。净化液具有50％以上的纯糖率。 [0043] 接着，通过将净化液冷却、放置或如果需要的话加热等，调节为适于发酵的温度。适于发酵的温度为10～50℃，优选为20～40℃，更优选为25～35℃。通过使调节为合适温度的净化液发酵而将净化液中除蔗糖以外的糖分选择性地转化成乙醇。这样的选择性发酵方法的概念公开于日本专利第4883511号。 [0044] 选择性发酵使得净化液中除蔗糖以外的糖分的含量变得非常少。根据选择性发酵的条件，净化液中转化糖的含量有时会实质上变成0。通过选择性发酵，净化液中的转化糖的浓度降低，可溶性固体成分的浓度降低，另一方面，蔗糖量不变，因此，纯糖率提高。选择性发酵结束后的净化液具有70％以上，更优选80％以上，进一步优选90％以上的纯糖率。 [0045] 纯糖率是指液体中的可溶性固体成分(Brix)中所含的蔗糖的重量％。 [0046] 选择性发酵的一种方法是使用不含蔗糖分解酶的酵母进行的发酵。 [0047] 作为不含蔗糖分解酶的酵母，可以举出：酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)ATCC56805、STX347-1D 株、Saccharomyces aceti NBRC 10055、Saccharomyces hienipiensisNBRC 1994、 意 大 利 酵 母 (Saccharomyces italicus)ATCC 13057、Saccharomyces dairenensis NBRC 0211、Saccharomyces transvaalensis NBRC 1625、Saccharomyces rosinii NBRC 10008、二孢接合酵母(Zygosaccharomyces bisporus)NBRC1131等。另外，在具有蔗糖分解酶的微生物中，也可以使用将微生物所具有的6种蔗糖分解酶基因(SUC1、SUC2、SUC3、SUC4、SUC6、SUC7)全部或部分通过基因操作破坏后的菌株。 [0048] 选择性发酵的其他方法是使用蔗糖分解酶抑制剂进行的发酵。 [0050] 使净化液发酵的操作及条件可以通过本领域技术人员公知的方法来进行，例如可以举出：以规定的比例添加发酵微生物和糖液并使其发酵的分批式、将发酵微生物固定化后连续供给糖液并使其发酵的连续式等。 [0051] 然而，在本发明的方法中，由于通过上述净化工序进行了微生物的灭活、杂质的去除，因此，发酵时不发生由野生酵母、乳酸菌、醋酸菌等微生物导致的蔗糖分解，另外，由于能够防止由转化糖产生除乙醇以外的产物(例如乳酸、醋酸等)，因此可以高效率地进行乙醇发酵。另外，通过净化工序中的微生物的灭活、杂质的去除，在使净化液发酵后的酵母中不含微生物、杂质，因此，可以重复利用发酵后的酵母。净化液与糖蜜不同，可以不经稀释而用作发酵原料，因此，可以减少发酵时所需的水量。 [0052] 使净化液发酵时添加的酵母的量以湿重计为5g/L以上，优选为10～100g/L，更优选为15～60g/L。如果酵母的添加量少于5g/L，则不进行发酵，如果添加量过多，则酵母回收时液体和酵母的分离效率变得不佳。 [0053] 在发酵所得到的发酵液中含有酵母、乙醇、水、蔗糖、矿物质、氨基酸等。发酵结束后，分离酵母。 [0054] 接着，将分离了酵母的发酵液浓缩，得到浓缩糖液。进行浓缩的目的在于从发酵液中回收乙醇，并进而使水分蒸发，浓缩发酵液，从而制糖。 [0055] 浓缩糖液具有85％以上，更优选90％以上，进一步优选95％以上的纯糖率。浓缩糖液的纯糖率越高，则所含的蔗糖变得越容易结晶，砂糖的产量提高。 [0056] 从分离了酵母的发酵液中回收乙醇可以通过本领域技术人员公知的方法来进行，例如可以举出通过蒸馏来分离乙醇。特别是如果利用制糖工厂的多倍效用蒸发器进行蒸馏，则可以利用第一效用蒸发器分离乙醇，利用第二效用蒸发器以后的蒸发器使水分蒸发，从而使发酵液同时成为浓缩糖液，因此，在制糖中，无需专门进行加热浓缩，可以同时节约时间及能源。 [0057] 由浓缩糖液制糖可以通过本领域技术人员公知的方法来进行，例如可以举出使糖结晶化等。具体而言，将浓缩糖液的一部分在抽吸减压下加热，一边以使过饱和度保持为1.1～1.2的方式一点一点地添加剩余的浓缩糖液，一边使糖结晶生长。在使糖结晶生长为一定大小以上后，接着使用离心分离机分离成糖结晶和糖液。 [0058] 从糖结晶分离的糖液通常称为糖蜜。可以将糖蜜适量混合到净化液中作为再次发酵原料使用。通过这样操作，糖液中所含糖分的利用效率进一步提高。 [0059] 实施例 [0060] 结合以下的实施例对本发明进行更为具体的说明，但本发明并不限定于这些实施例。 [0061] 实施例1 [0062] (以甘蔗为原料，使用不含蔗糖分解酶的酵母时使净化液发酵的方法的实证)[0063] (1)压榨工序 [0064] 使用粉碎机将收获后的甘蔗(NiF8)的茎部3000g切断，然后，使用4重辊磨进行压榨，得到榨汁2843mL(榨汁重量＝2985g、蔗糖含量＝351g、转化糖含量＝112g、纯糖率＝63.9％)。 [0065] (2-1)加热及净化工序 [0066] 将榨汁转移到5L烧杯中，在100℃下加热10分钟。接着，添加相对于榨汁重量为0.085重量％的消石灰Ca(OH)2，进行pH调节和杂质凝聚。用过滤器对凝聚的杂质进行过滤，分离净化液2684mL(净化液重量＝2818g、蔗糖含量＝346g、转化糖含量＝111g、纯糖率＝71.7％)。榨汁中所含的102g杂质在净化液中减少至26g。而且，净化液还通过加热杀灭了榨汁中所含的微生物。 [0067] (2-2)发酵工序 [0068] 将得到的净化液转移到5L缸式发酵槽中，在冷却至30℃后，植入以湿重计134g的不含蔗糖分解酶的凝聚性酵母Saccharomyces cerevisiae(STX347-1D)，并在厌氧条件下于30℃使其进行乙醇发酵24小时。酵母使用预先在YM培养基中进行了预培养的酵母。发酵结束后，通过沉降分离回收酵母及凝聚的杂质共计145g，分离发酵液2748g(乙醇浓度 1.75wt％、蔗糖含量＝346g、转化糖含量＝11g)。 [0069] (3)乙醇蒸馏及糖液浓缩工序 [0070] 将发酵液在减压下加热，将蒸发的乙醇46g冷却回收后，接着使2073mL的水蒸发，得到浓缩糖液630g(蔗糖含量＝346g、转化糖含量＝11g、纯糖率＝91.6％)。 [0071] (4)结晶化工序 [0072] 取糖液的1/2，进一步在减压下进行加热，在浓缩至蔗糖的过饱和度为1.2后，添加糖的晶种(粒径250μm)32g，一边一点一点地添加剩余的浓缩糖液，一边使其结晶化约3小时。 [0073] (5)粗糖、糖蜜分离工序 [0074] 利用使用了50～100μm目的滤布的有孔壁型离心分离机将结晶化后的砂糖及糖蜜的混合物在3000rpm下离心分离20分钟，分离成糖253g(蔗糖回收率＝71％：除去晶种添加量)和糖蜜137g(蔗糖含量＝100g、转化糖含量＝8g、纯糖率＝80.6％)。 [0075] 生产方法的流程图示于图1，物料平衡的结果示于图2。 [0076] 比较例1 [0077] (以甘蔗为原料，使用不含蔗糖分解酶的酵母时使净化工序前的榨汁发酵的方法的实证) [0078] (1)压榨工序 [0079] 使用粉碎机将收获后的甘蔗(NiF8)的茎部3000g切断，然后，使用4重辊磨机进行压榨，得到榨汁2843mL(榨汁重量＝2985g、蔗糖含量＝351g、转化糖含量＝112g、纯糖率＝63.9％)。 [0080] (2-1)发酵工序 [0081] 将得到的榨汁转移到5L缸式发酵槽中，植入以湿重计142g的不含蔗糖分解酶的凝聚性酵母Saccharomyces cerevisiae(STX347-1D)，并在厌氧条件下于30℃使其进行乙醇发酵24小时。酵母使用预先在YM培养基中进行了预培养的酵母。发酵结束后，通过沉降分离回收酵母及凝聚的杂质共计245g，分离发酵液2822g(乙醇浓度2.16wt％、蔗糖含量＝281g、转化糖含量＝15g)。 [0082] (2-2)加热及净化工序 [0083] 将发酵液转移到5L烧杯中，在100℃下加热10分钟。接着，添加相对于榨汁重量为0.085重量％的消石灰Ca(OH)2，进行pH调节和杂质凝聚。用过滤器对凝聚的杂质进行过滤，分离净化液2719g(乙醇浓度1.53wt％、蔗糖含量＝277g、转化糖含量＝15g、纯糖率＝68.6％)。与实施例1不同，在加热工序中，蒸发了乙醇19g。 [0084] (3)乙醇蒸馏及糖液浓缩工序 [0085] 将净化液转移到5L蒸发器中，在减压下加热，将蒸发的乙醇42g冷却回收后，接着使2104mL的水蒸发，得到浓缩糖液573g(蔗糖含量＝277g、转化糖含量＝15g、纯糖率＝80.6％)。 [0086] (4)结晶化工序 [0087] 取糖液的1/2，进一步在减压下进行加热，在浓缩至蔗糖的过饱和度为1.2后，添加糖的晶种(粒径250μm)29g，一边一点一点地添加剩余的浓缩糖液，一边使其结晶化约3小时。 [0088] (5)粗糖、糖蜜分离工序 [0089] 利用使用了50～100μm目的滤布的有孔壁型离心分离机将结晶化后的砂糖及糖蜜的混合物在3000rpm下离心分离20分钟，分离成砂糖186g(蔗糖回收率＝65％：除去晶种添加量)和糖蜜172g(蔗糖含量＝97g、转化糖含量＝12g、纯糖率＝61.3％)。 [0090] 比较例1的物料平衡结果示于图3。 |
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