利用柑桔加工廢棄物制取糖蜜及乙醇

沈艷麗， 吳厚玖

(1．西南大學(xué) 柑桔研究所，重慶 400712;2．重慶警察學(xué)院，重慶 401331)

利用柑桔加工廢棄物制取糖蜜及乙醇

沈艷麗1，2， 吳厚玖1

(1．西南大學(xué) 柑桔研究所，重慶 400712;2．重慶警察學(xué)院，重慶 401331)

柑桔加工廢棄物約占果實(shí)質(zhì)量的50%，含大量糖分，適宜制備糖蜜和發(fā)酵生產(chǎn)乙醇．研究了用廢棄物制取糖蜜及生產(chǎn)乙醇的工藝和條件．結(jié)果表明，柑桔皮渣制取糖蜜時(shí)，生石灰的適宜添加量為0.3%，制得的可溶性固形物為40%的糖蜜，總糖含量為34%．對(duì)pH值、糖度、接菌量和溫度等影響發(fā)酵的主要因素做單因素研究基礎(chǔ)上開展了正交試驗(yàn)，得到柑桔糖蜜發(fā)酵的較佳工藝條件為:發(fā)酵液的初始pH 5.0，初始含糖量25%，接種量3×107個(gè)/mL，溫度保持在30℃，靜置發(fā)酵．由此獲得含量為10.6%的乙醇產(chǎn)品，為探索用柑桔糖蜜生產(chǎn)燃料乙醇提供了參考．

柑桔加工皮渣;糖蜜;發(fā)酵條件;乙醇

柑桔是世界第一大水果類經(jīng)濟(jì)作物．根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，1999年以來(lái)，世界柑桔年產(chǎn)量已超過(guò)1億t［1］，其中40%用于加工．柑桔加工后要排出50%左右的皮渣［2］．近年來(lái)，我國(guó)橙汁消費(fèi)量成倍增長(zhǎng)，2010年甜橙加工量可達(dá)100萬(wàn)t;預(yù)計(jì)到2020年將到600萬(wàn)t［2］．我國(guó)目前柑桔加工皮渣利用率很低，除少量用作中藥材，大部分棄為污染物．

柑桔皮渣綜合利用已引起我國(guó)有關(guān)部門重視，科研院校開展了相關(guān)研究，如研究提取香精油、黃酮、果膠、膳食纖維、檸堿、發(fā)酵飼料等［3－5］．進(jìn)入 21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)饒志明［6］，美國(guó) Wilkins［7］和 Widmer等［8－9］研究了用柑桔加工皮渣生產(chǎn)燃料乙醇．本文在研究用柑桔加工皮渣和果肉渣制取糖蜜方法基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了用柑桔糖蜜生產(chǎn)乙醇的工藝條件，為利用柑桔糖蜜制備燃料乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)提供試驗(yàn)依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

北碚447錦橙皮渣0.5 t，含糖量11.8%;果肉渣0.2 t，含糖量5.3%，均取自西南大學(xué)柑桔研究所．釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)［10］菌株，取自西南大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院．

化學(xué)試劑主要包括濃鹽酸、瓊脂(生化試劑)、異丙醇、濃硫酸、甲基橙(指示劑級(jí))、咔唑(指示劑級(jí))、乙醇、氫氧化鈉、溴化鉀、溴酸鉀，均為國(guó)產(chǎn)分析純．

1.2 儀器與設(shè)備

FMC391型榨汁機(jī)，美國(guó)FMC公司，GT6G7型螺旋榨汁機(jī)，浙江輕工機(jī)械廠;152/R-RE(10 L)型真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，瑞士BUCHI公司;LRH-250-G型電熱恒溫培養(yǎng)箱，上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠;MKOM04型生物顯微鏡，日本Nicon公司;折光糖度計(jì)，杭州創(chuàng)新儀器責(zé)任有限公司．

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 成分分析方法

還原糖、總糖、殘?zhí)?直接滴定法 GB/T 5009.7—2003．

香精油:SCOTT 法［11］．

酒精含量測(cè)定:蒸餾法．

發(fā)酵速度測(cè)定:CO2失重法［12］．

1.3.2 糖蜜制取工藝

糖蜜制備工藝流程見圖1．

圖1 柑桔皮渣制糖蜜的工藝流程Fig．1 Procedure of molasses making from citrus residues

1.3.3 糖蜜制備

取經(jīng)FMC榨汁機(jī)壓榨后的447錦橙皮渣150 kg(含糖量11.8%)與0.450 kg的生石灰混合，充分混勻，靜置硬化20 min，用壓榨機(jī)壓榨，得皮渣液41 kg(含總糖量11.8%)，再用螺旋榨汁機(jī)壓濾除去殘存皮渣及其沉淀物，靜置12 h得清液，用虹吸法去除上浮皮精油．取經(jīng)FMC榨汁機(jī)壓榨后并精濾排出的447錦橙果肉渣30 kg(含總糖量5.3%)，加等量清水充分混合，用螺旋榨汁機(jī)壓濾，濾除水洗后的果肉殘?jiān)?，得水洗果肉渣?40 kg(含總糖量3.7%)，皮渣液與果肉渣液按體積比1∶1混合，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器濃縮，得總糖含量40%的糖蜜［13－14］．

1.3.4 柑桔糖蜜發(fā)酵制乙醇工藝

柑桔糖蜜發(fā)酵工藝流程如圖2．

圖2 柑桔糖蜜發(fā)酵工藝流程Fig．2 Procedure of citrus molasses fermentation

1.3.5 糖蜜發(fā)酵

三角瓶中裝入少于2/3體積的含糖量25%柑桔糖蜜培養(yǎng)基，調(diào)整pH值至5.0，添加3種營(yíng)養(yǎng)鹽值:(NH4)2SO41.5 g/L，MgSO40.5 g/L，KH2PO40.5 g/L．121℃高壓滅菌30 min后冷卻至室溫備用．按照接種量3×107個(gè)/mL接入釀酒酵母菌，30℃靜置發(fā)酵或搖床發(fā)酵．理論上耗糖90%并轉(zhuǎn)化為酒精和CO2時(shí)，耗糖量應(yīng)是所排放的 CO2量的2.16倍［12］．通過(guò)排放的CO2量計(jì)算各自的發(fā)酵速度，用直接滴定法測(cè)定殘?zhí)呛浚Y(jié)合單因素分析和多因素正交試驗(yàn)，確定主發(fā)酵工藝條件，并進(jìn)行驗(yàn)證．

1.4 數(shù)據(jù)處理

按DPS設(shè)計(jì)5個(gè)因素，其中，4個(gè)為三水平、1個(gè)為兩水平作正交試驗(yàn)，設(shè)計(jì)分析和計(jì)算，見式(1)．

2 結(jié)果與分析

2.1 糖蜜制取及糖蜜成分確定

2.1.1 影響糖蜜制取的因素

影響制取糖蜜最重要的因素是生石灰的用量．兩者的關(guān)系見表1．

表1 生石灰的用量與出汁率的關(guān)系Tab．1 Relationship of lime usage and juice rate from citrus residues

壓榨柑桔皮渣時(shí)，如不加生石灰或添加量不夠，果渣稀軟，出汁率很低．從表1可看出，生石灰用量為0.3%時(shí)榨出液的pH值為6.0．壓榨液pH值過(guò)大或過(guò)小對(duì)糖蜜的質(zhì)量和發(fā)酵都不利［15］．生石灰用量0.3% ～1.0%時(shí)，出汁率為23% ～24%，幾乎沒有明顯增加．因此確定生石灰用量為0.3%．

2.1.2 皮渣壓榨液及糖蜜成分分析

分別分析了447錦橙皮渣壓榨液和糖蜜的總糖、還原糖及香精油，結(jié)果見表2．

表2 柑桔皮渣糖液和糖蜜的成分分析Tab．2 Composition of citrus pulp wash and citrus molasses %

447錦橙壓榨液總糖含量9.28%，與甘蔗糖廠的廢渣糖蜜相似，但因?yàn)橄憔秃繛?.756%，太高，不適于直接發(fā)酵．發(fā)酵醪液中香精油或苧烯含量超過(guò)0.24%或15%，會(huì)抑制酵母菌S.cerevisae發(fā)酵［13，16］．壓榨液經(jīng)過(guò)濾、靜置除去表面油層后，再蒸發(fā)除油、濃縮，可使糖含量提高，香精油含量降低．表2數(shù)據(jù)表明，若將糖蜜濃縮至可溶性固形物30%(見表2濃縮糖蜜 A)，香精油含量比原先降低88.1%，達(dá)到0.09%．若濃縮至可溶性固形物40%(見表 2濃縮糖蜜 B)，香精油的含量降低至0.05%．降低香精油含量，可明顯消減對(duì)釀酒酵母的抑制［16］，更有利于發(fā)酵;且濃縮后體積和質(zhì)量減少，也便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸．

2.2 柑桔糖蜜發(fā)酵參數(shù)的設(shè)定及發(fā)酵條件的優(yōu)化

2.2.1 pH值對(duì)柑桔糖蜜發(fā)酵的影響

糖蜜含糖量均為 25%時(shí)，添加(NH4)2SO4、MgSO4、KH2SO4，濃度分別為 1.5，0.5，0.5 g/L［17］．接種量為3×107/mL，溫度30℃，分別在不同的pH值(3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0)培養(yǎng)發(fā)酵 72 h，測(cè)定它們的CO2失重量(見圖3)．

圖3 pH值對(duì)柑桔糖蜜發(fā)酵CO2失重的影響Fig．3 Effect of pH Value on fermentation dynamic curve

由圖3可以看出，pH值為5.0時(shí)CO2失重量最大，為8.8 g;pH值升高到5.5，6.0時(shí)，發(fā)酵失重量下降并不明顯;降低pH值對(duì)發(fā)酵的影響比較大，pH 3.0時(shí)，CO2失重量?jī)H3.3 g．檢測(cè)不同pH值發(fā)酵液的乙醇含量分別為:2.9%，5.8%，6.4%，7.5%，7.6%，7.2%，7.0%，因此確定柑桔糖蜜發(fā)酵的適宜pH值為5.0，此時(shí)乙醇的產(chǎn)率最高．

2.2.2 糖蜜含糖量對(duì)發(fā)酵的影響

糖蜜含糖量分別設(shè)為10%，15%，20%，25%，30%5種，添加質(zhì)量濃度分別為1.5，0.5，0.5 g/L的(NH4)2SO4，MgSO4和KH2PO43種鹽．釀酒酵母菌的接種量為3×107/mL，pH 5.0，在30℃發(fā)酵72 h后，測(cè)定各糖度下的CO2失重量．結(jié)果見圖4．

圖4 糖蜜含糖量對(duì)發(fā)酵效果的影響Fig．4 Effect of sugar content of molasses on fermentation dynamic curve

從圖4可以看到，含糖量10%時(shí)，發(fā)酵24 h已經(jīng)結(jié)束，發(fā)酵液CO2失重量為5.05 g;含糖量15%，20%時(shí)，發(fā)酵36 h基本結(jié)束，發(fā)酵液CO2失重量分別為7.2 g和7.8 g;含糖量30%時(shí)，發(fā)酵72 h CO2失重量11.3 g，發(fā)酵仍未結(jié)束，殘?zhí)呛繛?.0%;含糖量25%時(shí)，發(fā)酵48 h就接近結(jié)束，到72 h基本結(jié)束，CO2失重量為11.5 g，發(fā)酵液殘?zhí)呛繛?.84%，總糖利用率達(dá)92%，發(fā)酵時(shí)間比較短，故選擇適宜的含糖量為25%．

2.2.3 溫度對(duì)糖蜜發(fā)酵的影響

設(shè)定發(fā)酵溫度分別為 20，24，27，30，33，36 ℃．含糖量25%，添加質(zhì)量濃度分別為1.5，0.5，0.5 g/L的(NH4)2SO4，MgSO4，KH2SO43種鹽．接種量為 3×107/mL，pH 5.0，發(fā)酵72 h后測(cè)定各試樣的CO2失重量．結(jié)果見圖5．

圖5 溫度對(duì)糖蜜發(fā)酵的影響Fig．5 Effect of temperature on molasses fermentation dynamic curve

從圖5可以看到，前48 h發(fā)酵速度較快，溫度高于30℃時(shí)，72 h發(fā)酵基本結(jié)束，其中以30℃時(shí)的CO2失重量最大．高于30℃的試樣，48 h后CO2失重量不再變化．20℃和24℃的樣品需要做72 h后的延續(xù)試驗(yàn)，它們需要192，148 h才能完成發(fā)酵，比30℃發(fā)酵的樣品增加了5，3 d發(fā)酵時(shí)間．但最終CO2的失重量仍然低于30℃時(shí)的樣品．因此選定30℃為適宜的發(fā)酵溫度．

2.2.4 接種量的影響

釀酒酵母菌的接種量分別設(shè)定為1×107，2×107，3 ×107，4 ×107/mL 4 個(gè)處理，添加(NH4)2SO4、MgSO4、KH2SO43 種鹽:質(zhì)量濃度分別為 1.5，0.5，0.5 g/L．發(fā)酵溫度30℃，pH 5.0，發(fā)酵72 h后測(cè)定不同接種量時(shí)的CO2失重量．結(jié)果見圖6．

圖6 接種量對(duì)糖蜜發(fā)酵酒精產(chǎn)量的影響Fig．6 Effect of inoculation amount on molasses fermentation

從圖6可知，接種量為3×107/mL時(shí)CO2失重量最高，達(dá)到10 g．雖然接種量為4×107/mL時(shí)，前48 h發(fā)酵的CO2失重量均高于3×107/mL的樣品，但隨后的失重量趨于降低．其他兩種樣品的CO2失重量一直比較低，因此選定適宜的接種量為3×107/mL．

2.2.5 主發(fā)酵工藝條件的正交試驗(yàn)

糖轉(zhuǎn)化為乙醇屬于無(wú)氧發(fā)酵，但良好的酵母是正常生產(chǎn)的重要保證．生產(chǎn)中仍必須定期供給少量氧氣以保證酵母正常代謝．本文模擬生產(chǎn)條件，設(shè)置靜置發(fā)酵和搖瓶微通氧發(fā)酵兩種條件作為比較，搖床轉(zhuǎn)速為100 r/min．

為優(yōu)化工藝條件，在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以糖蜜含糖量(B)、初始pH值(C)、溫度(D)和接種量(E)以及通氧發(fā)酵狀況(A)等因素，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，其中糖蜜含糖量、pH值、溫度、接種量為3水平，通氧狀況為2水平，因素水平數(shù)據(jù)如表3，4 h CO2失重量小于0.2 g時(shí)認(rèn)為發(fā)酵結(jié)束．以乙醇含量、殘?zhí)呛孔鳛樵u(píng)判指標(biāo)，分析發(fā)酵醪液中乙醇含量．

表3 因素水平數(shù)據(jù)表Tab．3 Factor levels data sheet

以酒精度、殘?zhí)呛繛樵囼?yàn)指標(biāo)，正交試驗(yàn)結(jié)果見表4．根據(jù)殘?zhí)呛颗袛喔饕蛩氐闹鞔雾樞驗(yàn)樘敲酆橇俊⑥D(zhuǎn)速、接種量、pH值、溫度．糖蜜含糖量和靜置或微通氧發(fā)酵對(duì)產(chǎn)生乙醇含量影響大．根據(jù)各水平下的平均值確定最優(yōu)水平組合，以乙醇含量為試驗(yàn)指標(biāo)確定的最優(yōu)組合是B3 A1 E3 C2 D2;殘?zhí)窃降桶l(fā)酵效率越高，因此以殘?zhí)呛繛樵囼?yàn)指標(biāo)確定的最優(yōu)組合是B1 A2 E2 C2 D2．

計(jì)算總糖的利用率確定糖度的適宜值．糖度25%時(shí)，可發(fā)酵性糖平均利用率為95.6%，而30%時(shí)可發(fā)酵性糖平均利用率為90.67%．糖度為20%，可發(fā)酵糖的平均利用率雖然高，但乙醇含量很低，僅 6.868%(體積比)．搖床發(fā)酵平均殘?zhí)?.077%，靜置發(fā)酵平均殘?zhí)?.802%，即搖床發(fā)酵比靜置發(fā)酵平均殘?zhí)呛康?.725%，表示可發(fā)酵性糖的利用率比較高，這是因?yàn)閾u動(dòng)使抑制發(fā)酵的CO2可及時(shí)排出，但同時(shí)也使乙醇隨之揮發(fā)損失，從而使發(fā)酵醪中乙醇含量低于靜置發(fā)酵．綜合考慮乙醇含量和糖的利用率，以選擇初始含糖量25%的靜置發(fā)酵為宜．并由此考慮選擇單因素和正交試驗(yàn)的接種量3×107/mL為佳．

經(jīng)以上分析，可認(rèn)為柑桔糖蜜發(fā)酵的優(yōu)化工藝條件為:柑桔糖蜜發(fā)酵初始pH 5.0，初始糖度25%，接種量3×107/mL接入糖蜜發(fā)酵液中，溫度為30℃，采用靜置發(fā)酵72 h(發(fā)酵前24 h需每隔4 h攪動(dòng)20 min以促使 CO2溢出)．乙醇含量可達(dá)到10.6%．

據(jù)文獻(xiàn)［18］報(bào)道，柑桔皮渣生產(chǎn)燃料乙醇的成本為0.325美元/L，比玉米生產(chǎn)燃料乙醇的成本0.264美元/L高，但比植物纖維生產(chǎn)燃料乙醇的成本0.357～0.428美元/L低．目前世界每年約有1 500萬(wàn)t柑桔皮渣可利用，可生產(chǎn)15萬(wàn)t乙醇．

3 結(jié)論

研究表明，將柑桔加工皮渣與相當(dāng)于皮渣質(zhì)量0.3%的生石灰充分混合，靜置硬化30 min后，經(jīng)壓榨、過(guò)濾，清液靜置12 h，去除浮層精油，與果肉渣水洗糖液混合，經(jīng)真空濃縮，得到可溶性固形物含量高于40%的糖蜜．糖蜜的還原糖、總糖、香精油含量分別為15%，34%，0.05%．總糖含量與甘蔗糖蜜接近，稀釋后適宜發(fā)酵生產(chǎn)乙醇．

通過(guò)單因素和正交試驗(yàn)確定柑桔糖蜜發(fā)酵的優(yōu)化工藝條件為:在含糖量25%柑桔糖蜜中分別添加1.5 g/L(NH4)2SO4，0.5 g/L KH2PO4和 0.5 g/L MgSO4，調(diào)整初始 pH值為5.0，按3×107/mL的接種量接入釀酒酵母，30℃發(fā)酵72 h，前24 h每4 h攪拌一次，然后以靜置發(fā)酵效果好，得到含量10.6%的乙醇，進(jìn)一步濃縮可獲得用作燃料規(guī)格的乙醇．

表4 主發(fā)酵條件正交試驗(yàn)結(jié)果直觀分析結(jié)果Tab．4 Results analysis of of dominant fermentation conditions through senses orthogonal experiment

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(責(zé)任編輯:檀彩蓮)

Production of Molasses and Alcohol Using Citrus Processing Residues

SHEN Yan-li1，2， WU Hou-jiu1
(1．Citrus Reserch Institute，Southwest University，Chongqing 400712，China;2．Chongqing Police College，Chongqing 401331，China)

The by-products of citrus fruits processing can be up to 50%of the fruit，which containing a lot of sugar that could be used to prepare molasses and be further fermented into alcohol．The conditions of producing malasses and alcohol were optimized．The amount of quicklime to extract syrup for preparing molasses from citrus processed residues was 0.3%．Molasses with 40%total soluble solid(TSS)was prepared in this study that contained 34%total sugar．The main factors affecting fermentation of the molasses including pH，sugar level，inoculums size of yeast and temperature were studied by means of single factor test，and then an orthogonal test was conducted to optimize the conditions．Optimal fermentation conditions to produce ethanol from molasses were as follows，initial pH 5.0，initial sugar level 25%，inoculums size 3×107/mL，fermentation temperature 30℃ and standing fermentation．Under the optimal fermentation conditions，a level 10.6%of alcohol was obtained．The results indicated that it's feasible to produce fuel alcohol by using molasses extracting from citrus residues．

citrus processing residues;molasses;fermentation conditions;alcohol

TS242.9;TS245.9;TS262.2

A

1671-1513(2012)04-0031-06

2012-03-30

國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2007BAD47B05);“十一五”行業(yè)科技項(xiàng)目(nyhyzx07-023)．

沈艷麗，女，助理研究員，碩士，主要從事農(nóng)副產(chǎn)品加工方面的研究;

吳厚玖，男，研究員，主要從事農(nóng)副產(chǎn)品加工方面的研究．通訊作者．