超聲波結(jié)合稀堿預處理甘薯渣的乙醇發(fā)酵制備

李平　余雙強　曾舟華

摘要：研究了溫和條件下超聲波、超聲波結(jié)合稀酸和超聲波結(jié)合稀堿等預處理甘薯渣發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝。結(jié)果表明，超聲波結(jié)合稀堿預處理的方法最好，且獲得了最佳的工藝條件為固液質(zhì)量比１∶１５、超聲波功率２５０Ｗ、超聲波處理時間３０ｍｉｎ，預處理用１０ｇ／Ｌ的ＮａＯＨ，纖維素酶用量３５ＩＵ／ｇ底物，生料酵母菌接種量０．７５％。在該條件下乙醇產(chǎn)率達到２２．４％，與傳統(tǒng)工藝相比，產(chǎn)率提高了１９％。

關(guān)鍵詞：甘薯渣；超聲波；稀堿；預處理；發(fā)酵；乙醇

中圖分類號：ＴＳ２６１．４ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０12）24－5748-04

隨著人類社會的發(fā)展進步，全球范圍內(nèi)能源緊張和環(huán)境污染問題日益受到重視。從長遠看，被廣泛應用的化石燃料（包括石油、煤和天然氣）正逐步走向枯竭，發(fā)展非糧益農(nóng)的替代能源是當前全球面臨的重大科研課題。甘蔗渣含有蔗糖，美國和巴西合作用甘蔗渣做乙醇［１－３］，獲得成功。甘薯渣也含有淀粉，中國民間已有成熟的甘薯渣造酒工藝。中國大部分地區(qū)，尤其紅土壤地區(qū)的山坡地適合種甘薯。在缺糧年代甘薯曾是農(nóng)民的半年糧，種植面積很廣。在豐衣足食的當代，尤其經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)，甘薯被少量用作糧食，主要用來喂豬，經(jīng)濟效益不高。農(nóng)民改種芝麻、黃豆、棉花等農(nóng)作物，導致適合種甘薯的大量山坡地拋荒。甘薯葉、藤、根都是喂豬的好飼料，甘薯種植面積縮小是導致豬飼料漲價的原因之一。在鄂東地區(qū)開展上述課題研究，有助于武漢市生態(tài)示范型城市圈的建設，對于建立具有中國特色的生態(tài)能源生產(chǎn)基地有著重大的戰(zhàn)略意義［４］。

甘薯渣含淀粉、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、粗蛋白、粗脂肪和灰分等。降解纖維素效果最好的是纖維素酶。纖維素酶是一類能夠?qū)⒗w維素降解為葡萄糖的多組分酶系的總稱，它們協(xié)同作用，將纖維素降解為寡糖和纖維二糖，最終水解為葡萄糖［５，６］。當采用纖維素酶水解甘薯渣制造乙醇［７－１０］時，纖維素酶必須接觸吸附到纖維素底物才能使反應進行，因此，纖維素對纖維素酶的可及性是決定水解速度的關(guān)鍵因素。纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)以及表面狀態(tài)、多組分結(jié)構(gòu)、木質(zhì)素對纖維素的保護作用以及纖維素被半纖維素覆蓋等結(jié)構(gòu)與化學成分的因素致使甘薯渣難以水解。因此，必須經(jīng)過預處理使纖維素、半纖維素、木質(zhì)素分離開，切斷它們的氫鍵，破壞晶體結(jié)構(gòu)，降低聚合度［１１－１３］。

生料釀酒是微生物利用生淀粉直接進行生長、繁殖及代謝的過程［１４，１５］。生料釀酒工藝與傳統(tǒng)發(fā)酵酒精工藝比較，具有節(jié)約能源、操作簡便和出酒率高等特點［１６］。利用甘薯渣中大量的淀粉生產(chǎn)酒精、優(yōu)化發(fā)酵工藝參數(shù)，不僅可以提高甘薯深加工產(chǎn)品的附加值，延長產(chǎn)業(yè)鏈，而且可以緩解環(huán)境污染問題。通過超聲波和超聲波結(jié)合酸堿預處理木質(zhì)纖維素［１７－１９］后，再在生料酵母的作用下發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。為此，對甘薯渣超聲波預處理和超聲波結(jié)合酸堿預處理生料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝進行了研究。

１ 材料與方法

１．１ 材料

甘薯渣來源于湖北省武穴市荷葉村，當年產(chǎn)；生料釀酒酵母由江西省南昌市星火高新技術(shù)研究所生產(chǎn)；纖維素酶產(chǎn)生菌由經(jīng)濟林木種質(zhì)改良與資源綜合利用湖北省重點實驗室選育得到；氫氧化鈉由廣州化學試劑廠生產(chǎn)；硫酸由常州市科豐化學試劑廠生產(chǎn)。

１．２ 方法

研究做了４種情況的對比試驗。

傳統(tǒng)方法（空白對照試驗）［２０］：將干甘薯渣粉碎，過０．４０ｍｍ篩，?。担埃绺适碓?，加入固液質(zhì)量比１∶１５的去離子水，混合均勻。加３５ＩＵ／ｇ的纖維素酶，按０．７５％的接種量接入生料釀酒酵母。在無菌條件下放入恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)，于３０℃發(fā)酵７ｄ。

超聲波結(jié)合稀酸預處理甘薯渣發(fā)酵制備乙醇工藝：將干甘薯渣粉碎，過０．４０ｍｍ篩，取５０ｇ甘薯渣粉，加入固液質(zhì)量比１∶１５的去離子水，混合均勻。再分別在５００ｍＬ燒杯中加入１５０ｍＬ的不同體積分數(shù)的稀硫酸，超聲波功率為２５０Ｗ，處理時間為３０ｍｉｎ。處理后濾干，用去離子水洗滌殘渣至中性，加３５ＩＵ／ｇ的纖維素酶，按０．７５％的接種量接入生料釀酒酵母，加入冷水，在５００ｍＬ三角瓶中混合均勻。無菌條件下放入恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)，３０℃發(fā)酵７ｄ。

２ 結(jié)果與分析

２．１ 固液質(zhì)量比對乙醇產(chǎn)率的影響

２．２ 超聲波處理時間對乙醇產(chǎn)率的影響

２．３ 超聲波功率對乙醇產(chǎn)率的影響

２．４ 酵母菌接種量對乙醇產(chǎn)率的影響

２．６ 超聲波結(jié)合稀堿預處理中ＮａＯＨ濃度對乙醇產(chǎn)率的影響

２．７ ４種工藝的比較結(jié)果

試驗結(jié)果表明，最佳的因素水平組合為超聲波功率２５０Ｗ，固液質(zhì)量比１∶１５，超聲波處理時間３０ｍｉｎ。在此條件下對預處理后甘薯渣發(fā)酵制乙醇，乙醇產(chǎn)率為２０．５％，比未經(jīng)任何預處理的乙醇產(chǎn)率提高９％以上，這表明用超聲波預處理發(fā)酵制乙醇的效果不是很好，在超聲波處理最佳因素水平下結(jié)合稀酸預處理，當稀硫酸的體積分數(shù)為０．５％時，效果最好。超聲波結(jié)合稀酸預處理時乙醇的產(chǎn)率為２０．８％，要高于單獨的超聲波預處理，比未經(jīng)任何預處理的乙醇產(chǎn)率提高了１０．６％。超聲波結(jié)合稀堿預處理，與未進行超聲波處理的稀堿預處理相比較，超聲波能有效增加ＮａＯＨ與半纖維素的反應性，也能增加其與木質(zhì)素的反應性。當ＮａＯＨ的濃度為１０ｇ／Ｌ時效果最好，所得的乙醇產(chǎn)率最高。預處理后的結(jié)果表明，超聲波結(jié)合稀堿預處理可有效提高ＮａＯＨ對薯渣的處理效果。超聲波結(jié)合稀堿預處理的乙醇產(chǎn)率為２２．４％，與傳統(tǒng)工藝相比，乙醇產(chǎn)率提高了１９％。由以上試驗結(jié)果可知，利用超聲波對薯渣進行預處理，乙醇產(chǎn)率提高了９％；超聲波結(jié)合稀酸預處理，乙醇產(chǎn)率提高了１０．６％；超聲波結(jié)合稀堿預處理，乙醇產(chǎn)率提高了１９％。橫向比較，超聲波結(jié)合稀堿預處理的效果最好。

３ 結(jié)論

參考文獻：

［１］鄺生魯．全球變暖與二氧化碳減排［Ｊ］．現(xiàn)代化工，２００７，２７（８）：１－１２．

［２］ＰＩＭＥＮＴＥＬＤ，ＰＡＴＺＥＫＴ．Ｅｔｈａｎｏｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ：ｅｎｅｒｇｙａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｃｉｓｓｕｅｓｒｅｌａｔｅｄｔｏＵ．Ｓ．ａｎｄＢｒａｚｉｌｉａｎｓｕｇａｒｃａｎｅ［Ｊ］．ＮａｔｕｒａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓＲｅｓｅａｒｃｈ，２００７，１６（３）：２３５－２４２．

［３］張 惠，周美華．生物轉(zhuǎn)化植物纖維產(chǎn)酒精的研究進展［Ｊ］．江蘇化工，２００５，３３（１）：２２－２５．

［４］曾舟華，陳年友，黃春保，等．熱能自給的甘薯渣生料制燃料乙醇生態(tài)的循環(huán)工藝［Ｐ］．中國專利：ＣＮ１０１６７６３９２，２０１０－０３－２４．

［５］王 靖，劉潔麗．木質(zhì)纖維素降解菌及其降解途徑研究進展［Ｊ］．生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)，２００８（３）：８７－９０．

［６］劉潔麗，王 靖．生物產(chǎn)纖維素酶研究進展［Ｊ］．化學與生物工程，２００８，２５（１２）：９－１２．

［７］王 賢．甘薯渣發(fā)酵制備酒精及其醪液中膳食纖維的物化特性研究［Ｄ］．烏魯木齊：中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所新疆畜產(chǎn)品加工研發(fā)中心，２０１１．

［８］程艷軍，鄭風田．中國的薯類燃料乙醇發(fā)展現(xiàn)狀與前景［Ｊ］．林業(yè)經(jīng)濟，２００９（３）：５９－６１．

［９］張楊健，向威達，周 濤，等．我國燃料乙醇發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢分析［Ｊ］．中國能源，２００９，３１（１）：３１－３３．

［１０］岳國君，武國慶，郝小明．我國的燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)狀與展望［Ｊ］．化學進展，２００７，１９（７／８）：１０８４－１０９０．

［１１］房伯平，張雄堅，陳景益，等．我國甘薯種質(zhì)資源研究的歷史與現(xiàn)狀［Ｊ］．廣東農(nóng)業(yè)科學，２００４（增刊）：３－５．

［１２］劉慶昌．甘薯在我國糧食和能源安全中的重要作用［Ｊ］．科技導報，２００４，９（１）：２１－２２．

［１３］張立明，王慶美，王蔭墀．甘薯的主要營養(yǎng)成分和甘薯的保健作用［Ｊ］．雜糧作物，２００３，２３（３）：１６２－１６６．

［１４］李 祥，呂嘉櫪，李小奎．生料釀酒工藝技術(shù)研究［Ｊ］．釀酒科技，２００２（６）：４２－４４．

［１５］劉義剛．無蒸煮原料液態(tài)法釀酒技術(shù)初探［Ｊ］．釀酒科技，１９９９（５）：４９－５０．

［１６］盧世明．再論生料釀酒的特點及其工藝操作［Ｊ］．釀酒科技，２００１（１）：１０７－１１０．

［１７］茍 ?。暡ㄔ诨瘜W化工中的應用研究［Ｊ］．重慶工學院學報，２００２（６）：７６－８１．

［１８］ＡＬＩＹＵＭ，ＨＥＰＨＥＲＭＪ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｕｌｔｒａｓｏｕｎｄｅｎｅｒｇｙｏｎｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｏｆｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｍａｔｅｒｉａｌ［Ｊ］．ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓＳｏｎｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０００，７（４）：２６５－２６８．

［１９］ＭＡＳＡＮＡＯＩ，ＫＯＨＥＩＩ，ＩＳＡＯＳ．Ｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓｏｆｃｅｌｌｕｌｏｓｅｕｓｉｎｇｍｉｘｅｄｃｅｌｌｕｌｏｓｅｓｐｅｃｉｅｓａｎｄｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ［Ｊ］．ＢｉｃｈｅｍＥｎｇＪ，２００４，１７（２）：７９－８３．

［２０］劉魯林，木泰華，孫艷麗．不同品種甘薯塊根營養(yǎng)成分及相關(guān)性分析［Ｊ］．中國糧油學報，２００８，２３（１）：３９－４３．

［２１］高德忠，王昌東，李麗華，等．燃料乙醇的性能及生產(chǎn)工藝［Ｊ］．遼寧石油化工大學學報，２００４，２４（２）：２３－２６．

［２２］程珂?zhèn)?，許時嬰，王 璋．甘薯淀粉生產(chǎn)的廢液中提取糖蛋白的超濾工藝研究［Ｊ］．食品工業(yè)科技，２００３，２４（１０）：１０９－１１１．

［２３］曹 媛，木泰華．篩法提取甘薯膳食纖維的工藝研究［Ｊ］．食品工業(yè)科技，２００７，２８（７）：１３１－１３３．