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    超聲波結(jié)合稀堿預處理甘薯渣的乙醇發(fā)酵制備

    2012-04-29 08:49:45李平余雙強曾舟華
    湖北農(nóng)業(yè)科學 2012年24期
    關(guān)鍵詞:發(fā)酵預處理超聲波

    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

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