CN102159721A - 砂糖的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供有效地制造砂糖、同时有效地制造乙醇的方法。本发明提供一种砂糖的制造方法，其特征在于，包括：使用不含蔗糖分解酶的微生物使来自植物的糖液发酵的前处理步骤；和由发酵后的糖液制造砂糖的步骤。另外，本发明提供一种砂糖的制造方法，其特征在于，包括：在蔗糖分解酶抑制剂的存在下，使用微生物使来自植物的糖液发酵的前处理步骤；和由发酵后的糖液制造砂糖的步骤。
Description
技术领域
本发明涉及砂糖的制造方法，更详细而言，涉及有效地制造砂糖及乙醇的方法。
背景技术
人们期待来自植物的燃料用乙醇能够作为防止二氧化碳气体增加的代替汽油的液体燃料。由来自植物的糖液制造砂糖和乙醇二者时，一直以来采用下述方法，即，首先由糖液制造砂糖，用微生物使制造砂糖后的糖液发酵来制造乙醇(例如参见日本特开2004-321174号公报)。
发明内容
在上述方法中，为了由糖液制造砂糖，需要进行结晶化处理，但结晶化处理中需要较高的糖浓度，因此，对糖液进行加热使水分蒸发并进行浓缩。另一方面，在发酵过程中，糖液中的盐浓度因高的糖浓度及加热浓缩而变高，成为阻碍因素，因此为了由制糖后的糖蜜制造乙醇，需要进行稀释等处理。另外，由于再次对发酵液进行加热，并通过蒸馏提取乙醇，所以上述方法是非常浪费能源的方法。另外，在砂糖的结晶化处理中，如果不是纯糖率高的糖液，则会引起砂糖结晶的收率降低等问题，所以存在纯糖率低的时期、品种等不能生产砂糖的问题，所述纯糖率高是指，相对于除蔗糖之外还含有不能成为砂糖原料的糖分的总糖分，成为砂糖原料的蔗糖成分高。
本发明的目的在于提供有效地制造砂糖、同时有效地制造乙醇的方法。
本发明提供一种砂糖的制造方法，其特征在于，包括：使用不含蔗糖分解酶的微生物使来自植物的糖液发酵的前处理步骤；和由发酵后的糖液制造砂糖的步骤。另外，本发明提供一种砂糖的制造方法，其特征在于，包括：在蔗糖分解酶抑制剂的存在下，使用微生物使来自植物的糖液发酵的前处理步骤；和由发酵后的糖液制造砂糖的步骤。
根据本发明的方法，可以使用糖浓度及盐浓度均低的糖液进行发酵，因此可以有效地制造乙醇。
附图说明
[图1]为实施例1中采用的操作的流程图。
[图2]为表示实施例1的操作的物料平衡(mass balance)的图。
[图3]为表示实施例2的操作的物料平衡的图。
[图4]为表示实施例3的操作的物料平衡的图。
[图5]为表示使用不含蔗糖分解酶的酵母及破坏了蔗糖分解酶基因的酵母的甘蔗榨汁的发酵试验结果的图。
[图6]为表示使用蔗糖分解酶抑制剂的甘蔗榨汁的发酵试验结果的图。
具体实施方式
本发明的砂糖的制造方法包括：使用不含蔗糖分解酶的微生物使来自植物的糖液发酵的前处理步骤；或在蔗糖分解酶抑制剂的存在下使用微生物使来自植物的糖液发酵的前处理步骤。通过在上述条件下使糖液发酵，蔗糖不分解，仅由葡萄糖及果糖等转化糖生成乙醇等。结果，糖液中蔗糖的比例变高，可以提高砂糖的结晶化效率。另外，在现有方法中，存在除蔗糖之外的糖分多的低纯糖率原料(因品种及收获时间导致)难以进行结晶化的问题，但本发明的砂糖的制造方法中，除蔗糖之外的糖分通过发酵被消耗，纯糖率提高，所以即使为低纯糖率的原料也可以进行结晶化。因此，能够利用的甘蔗品种的范围增加，也可以扩大收获时间。另外，现有方法中，制糖时氮和糖分结合会引起糖蜜着色，这与排水着色问题有关，但本发明的砂糖的制造方法中，通过发酵，氮被消耗掉，可以减轻糖蜜的着色。另外，现有方法中，为了使制糖后的高浓度糖分全部转化为乙醇，制造时间长(约48～72小时)，还会引起由盐浓缩导致的发酵抑制，而在本发明的砂糖的制造方法中，由于使低浓度的糖分发酵，所以既没有盐浓缩也可以在短时间内完成发酵，能够大幅度地缩短制造时间。
作为植物，可以举出甘蔗、甜菜等蓄积糖分的植物。优选甘蔗。
准备来自植物的糖液的步骤，可以采用本领域技术人员公知的方法、例如压榨步骤来进行。具体而言，用切刀将收割得到的甘蔗的茎部切成15～30cm，用粉碎机粉碎，用辊磨机榨出糖汁。为了提高糖分的榨出率，最后向辊中注水，榨出95～97％的糖分。接着，在石灰混和槽中，添加石灰，使杂质凝集沉淀后，用奥利弗过滤器(Oliver filter)分离沉淀物和澄清液，蒸发浓缩澄清液。所得糖液中主要含有蔗糖、葡萄糖、果糖等。
作为不含蔗糖分解酶的微生物，可以举出Saccharomyces dairenensis NBRC 0211、Saccharomyces transvaalensis NBRC 1625、Saccharomyces rosinii NBRC 10008、二孢接合酵母(Zygosaccharomyces bisporus)NBRC 1131等。另外，即使在含有蔗糖分解酶的微生物中，也可以使用通过基因操作将微生物所具有的6种蔗糖分解酶基因(SUC1、SUC2、SUC3、SUC4、SUC6、SUC7)的全部或一部分破坏后得到的菌株。
作为蔗糖分解酶抑制剂，可以举出银离子、铜离子、汞离子、铅离子、甲基-α-D-吡喃葡萄糖苷、PCMB(对氯汞苯甲酸(p-chloromercuribenzoate))、葡萄糖基-D-阿洛酮糖等。
发酵可以通过本领域技术人员公知的方法进行，例如可以举出：按照规定的比例添加发酵微生物和糖液使其发酵的间歇式；使发酵微生物固定化后、连续供给糖液使其发酵的连续式等。
本发明的砂糖的制造方法接下来包括由发酵后的糖液制造砂糖的步骤。由发酵后的糖液制造砂糖，可以通过本领域技术人员公知的方法进行，例如可以举出使砂糖结晶化的方法。具体而言，在抽吸减压下一点点少量(0.5～1kl)地将发酵后的糖液加热浓缩，反复进行该操作，取出一定大小以上的砂糖结晶，接着，使用离心分离机分离成砂糖结晶和糖液。
本发明的砂糖的制造方法中，还可以包括在由发酵后的糖液制造砂糖之前从发酵后的糖液中回收乙醇的步骤。从发酵后的糖液中回收乙醇，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分离乙醇。由于在通过蒸馏分离乙醇的同时糖液被浓缩，所以在砂糖制造过程中无需重新进行加热浓缩，还可以节约时间及能源。
实施例
(实施例1以甘蔗为原料、使用不含蔗糖分解酶的酵母时的操作实例)
(1)压榨步骤
使用粉碎机，将收获后的甘蔗(NiF8)的3200g甘蔗茎部裁切后，用四重辊式研磨机进行压榨，得到3114mL榨汁(榨汁重量＝3348g、蔗糖含量＝563g、转化糖含量＝65g、纯糖率＝79.4％)。
(2)澄清化·发酵步骤
将榨汁转移到5L发酵罐(jar fermenter)中，添加相对于榨汁重量为0.05重量％的消石灰Ca(OH)2，进行pH调节和杂质凝集。将以干燥重量计为0.3g的不含蔗糖分解酶的酵母Saccharomyces dairenesis(NBRC 0211)植菌到其中，在厌氧条件下，于30℃使其进行乙醇发酵3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，用过滤器对酵母及凝集后的杂质进行过滤，分离3080mL发酵液(榨汁重量＝3288g、乙醇浓度1.17vol％、蔗糖含量＝558g、转化糖含量＝0g)。
(3)乙醇蒸馏·糖液浓缩步骤
在减压下加热发酵液，将28.6g蒸发的乙醇冷却回收后，接着使2193mL的水蒸发，得到837mL浓缩糖液(糖液重量＝1066g、蔗糖含量＝558g、转化糖含量＝0g、纯糖率＝93.8％)。
(4)结晶化步骤
取出糖液的1/2，进一步在减压下进行加热，浓缩直至蔗糖的过饱和度为1.2后，添加砂糖的晶种(粒径250μm)50g，一边一点点少量地添加剩余的浓缩糖液，一边使其结晶化约3小时。
(5)粗糖·糖蜜分离步骤
利用使用50～100μm目的滤布的过滤式离心机(perforated wall centrifuge)，将经结晶化的砂糖及糖蜜的混合物在3000rpm下离心分离20分钟，分离成371g砂糖(蔗糖回收率＝65.9％：去除晶种添加量)和234g糖蜜(蔗糖含量＝151g、转化糖含量＝0g、纯糖率＝87.4％)。
生产操作的流程图示于图1，物料平衡的结果示于图2。
(实施例2以甘蔗为原料、使用蔗糖分解酶基因破坏株时的操作实例)
(1)压榨步骤
使用粉碎机，将收获后的甘蔗(NiF8)的3200g甘蔗茎部裁切后，用四重辊式研磨机进行压榨，得到3000mL榨汁(榨汁重量＝3264g、蔗糖含量＝546g、转化糖含量＝60g、纯糖率＝78.9％)。
(2)澄清化·发酵步骤
将榨汁转移到5L发酵罐中，添加相对于榨汁重量为0.05重量％的消石灰Ca(OH)2，进行pH调节和杂质凝集。将以干燥重量计为0.3g的破坏蔗糖分解酶基因SUC2的酵母菌株Saccharomyces cervisiae BY4742植菌到其中，在厌氧条件下，于30℃使其进行乙醇发酵3小时。破坏株使用预先在YM培养基中进行了预培养的菌株。发酵结束后，用过滤器对酵母及凝集后的杂质进行过滤，分离2986mL发酵液(榨汁重量＝3180g、乙醇浓度1.38vol％、蔗糖含量＝546g、转化糖含量＝0g)。
(3)乙醇蒸馏·糖液浓缩步骤
在减压下加热发酵液，将32.8g蒸发后的乙醇冷却回收后，接着蒸发2083mL水，得到860mL浓缩糖液(糖液重量＝1065g、蔗糖含量＝546g、转化糖含量＝0g、纯糖率＝87.1％)。
(4)结晶化步骤
取出糖液的1/2，进一步在减压下进行加热，浓缩直至蔗糖的过饱和度为1.2后，添加砂糖的晶种(粒径250μm)50g，一边一点点少量地添加剩余的浓缩糖液，一边使其结晶化约3小时。
(5)粗糖·糖蜜分离步骤
利用使用50～100μm目的滤布的过滤式离心机，将经结晶化的砂糖及糖蜜的混合物在3000rpm下离心分离20分钟，分离成351g砂糖(蔗糖回收率＝64.3％：去除晶种添加量)和239g糖蜜(蔗糖含量＝123g、转化糖含量＝23g、纯糖率＝65.8％)。
物料平衡的结果示于图3。
(实施例3以甘蔗为原料、使用蔗糖分解酶抑制剂时的操作实例)
(1)压榨步骤
使用粉碎机，将收获后的甘蔗(NiF8)的3000g甘蔗茎部裁切后，用四重辊式研磨机进行压榨，得到2868mL榨汁(榨汁重量＝3120g、蔗糖含量＝524g、转化糖含量＝61g、纯糖率＝78.3％)。
(2)澄清化·发酵步骤
将榨汁转移到5L发酵罐中，添加相对于榨汁重量为0.05重量％的消石灰Ca(OH)2，进行pH调节和杂质凝集。向其中添加作为蔗糖分解酶抑制剂的甲基-α-D-吡喃葡萄糖苷使其浓度为60mM后，将以干燥重量计为0.6g的含有蔗糖分解酶的酵母Saccharomyces cervisiae(Taiken396株)植菌到其中，在厌氧条件下，于30℃使其进行乙醇发酵6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，用过滤器对酵母及凝集后的杂质进行过滤，分离2870mL发酵液(榨汁重量＝3064g、乙醇浓度6.20vol％、蔗糖含量＝252g、转化糖含量＝0g)。
(3)乙醇蒸馏·糖液浓缩步骤
在减压下加热发酵液，将150g蒸发后的乙醇冷却回收后，接着蒸发2494mL水，得到330mL浓缩糖液(糖液重量＝420g、蔗糖含量＝252g、转化糖含量＝0g、纯糖率＝94.0％)。
(4)结晶化步骤
取出糖液的1/2，进一步在减压下进行加热，浓缩直至蔗糖的过饱和度为1.2后，添加砂糖的晶种(粒径250μm)50g，一边一点点少量地添加剩余的浓缩糖液，一边使其结晶化约3小时。
(5)粗糖·糖蜜分离步骤
利用使用50～100μm目的滤布的过滤式离心机，将经结晶化的砂糖及糖蜜的混合物在3000rpm下离心分离20分钟，分离成203g砂糖(蔗糖回收率＝29.2％：去除晶种添加量)和151g糖蜜(蔗糖含量＝88g、转化糖含量＝0g、纯糖率＝81.0％)。
物料平衡的结果示于图4。
(案施例4使用不含蔗糖分解酶的酵母时的甘蔗榨汁发酵试验)
将不含蔗糖分解酶的酵母S.dairenensis(NBRC 0211)、S.transvaalensis(NBRC 1625)、S.rosinii(NBRC 10008)、Z.bisporus(NBRC 1131)和含有蔗糖分解酶的酵母S.cervisiae BY4742的破坏了蔗糖分解酶基因的菌株(BY4742 SUC2-)植菌到甘蔗榨汁中，为了确认在使蔗糖不分解的情况下是否仅将转化糖转化为乙醇，进行发酵试验。对含有蔗糖分解酶的酵母S.cervisiae(Taiken396株)也进行同样的发酵试验，用于比较对照。
各菌株在5mL的YM培养基中于30℃振荡培养24小时进行前培养后，在300mL的YPD培养基中于30℃振荡培养12小时进行预培养，将上述所得菌株用于发酵。通过离心分离从预培养的培养基中回收酵母，使酵母悬浮于100mL榨汁(榨汁中的蔗糖浓度为12.0％、转化糖浓度为3.0％)中，所述榨汁装在带有发酵栓的300mL锥形瓶中，使其发酵。发酵在30℃、120rpm的条件下一边振荡一边进行。对伴随发酵过程的糖浓度、乙醇浓度的经时变化进行考察，其结果示于图5。
作为普通酵母的S.cervisiae(Taiken396株)，在蔗糖分解酶的作用下，至发酵开始后的第3小时，基本全部的蔗糖分解为转化糖，第24小时全部糖分转化为乙醇。
另一方面，不含蔗糖分解酶的4种酵母及蔗糖分解酶基因破坏株中，虽然乙醇生成速度存在差异，但是均没有观察到蔗糖分解，可以确认仅转化糖转化为乙醇。
(实施例5使用蔗糖分解酶抑制剂的甘蔗榨汁的发酵试验)
将含有蔗糖分解酶的普通酵母S.cervisiae(Taiken396株)植菌到甘蔗榨汁中，添加作为蔗糖分解酶抑制剂的甲基-α-D-吡喃葡萄糖苷使其浓度为60mM，进行发酵试验。考察蔗糖、转化糖、乙醇浓度的经时变化。菌株在10mL的YM培养基中于30℃振荡培养24小时进行前培养后，在500mL的YPD培养基中于30℃振荡培养12小时进行预培养，将上述所得菌株用于发酵。向带有发酵栓的300mL锥形瓶中加入100mL榨汁(榨汁中的蔗糖浓度为10.0％、转化糖浓度为3.0％)和60mM甲基-α-D-吡喃葡萄糖苷，向其中添加通过离心分离从预培养的培养基中回收得到的酵母，使其发酵。发酵在30℃、120rpm的条件下一边振荡一边进行。对伴随发酵过程的糖浓度、乙醇浓度的经时变化进行考察，其结果示于图6。
作为普通酵母的S.cervisiae(Taiken396株)，在没有抑制剂的条件下在蔗糖分解酶的作用下至发酵开始后的第6小时基本全部的蔗糖分解为转化糖，转化为乙醇。蔗糖分解速度比酵母的转化糖消耗速度快，所以转化糖被消耗、纯糖率变高时蔗糖完全被消耗，可以确认由发酵液无法生产砂糖。
另一方面，在存在抑制剂的条件下蔗糖分解速度慢，在发酵开始第6小时残留约一半的蔗糖，全部的转化糖转化为乙醇。在发酵开始第8小时，发酵液的纯糖率较高，为94.0％，易于进行砂糖的结晶化。
Claims (5)
1.一种砂糖的制造方法，其特征在于，包括：
使用不含蔗糖分解酶的微生物使来自植物的糖液发酵的前处理步骤；和
由发酵后的糖液制造砂糖的步骤。
2.一种砂糖的制造方法，其特征在于，包括：
在蔗糖分解酶抑制剂的存在下，使用微生物使来自植物的糖液发酵的前处理步骤；和
由发酵后的糖液制造砂糖的步骤。
3.如权利要求1或2所述的制造方法，其中，还包括在由发酵后的糖液制造砂糖之前从发酵后的糖液中回收乙醇的步骤。
4.如权利要求1～3中任一项所述的制造方法，其中，从发酵后的糖液中回收乙醇的步骤，包括通过蒸馏进行乙醇的分离。
5.如权利要求1～3中任一项所述的制造方法，其中，所述植物为甘蔗。
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