膨化木薯發(fā)酵制取燃料乙醇*

張子睿，許淑敏，趙婷，阮燕曄，張良

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽，110866)

燃料乙醇作為一種綠色可再生能源，已成為目前世界上生產(chǎn)規(guī)模最大的生物能源，然而燃料乙醇多用玉米等糧食作物為底物發(fā)酵制取，影響國家糧食安全［1-2］。我國木薯資源豐富，淀粉含量較高，一般在70%左右，且木薯為非糧作物，生長耐旱、耐瘠，符合“不爭糧，不爭油，不爭糖，充分利用邊際性土地”的國家糧食發(fā)展戰(zhàn)略，是現(xiàn)階段一種可以大規(guī)模工業(yè)利用、經(jīng)濟上可行的非糧燃料乙醇生產(chǎn)原料［3-4］。

擠壓膨化技術(shù)作為一種高溫短時處理原料的方法，1960年開始應(yīng)用于釀造行業(yè)［5-8］，現(xiàn)已被應(yīng)用于黃酒、食醋、白酒、醬油、啤酒、豆醬等進(jìn)行了大量的研究，有些已實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。膨化能使原料分子間距加大，使不易利用的大分子破碎成小分子，提高糊化率和糖化率，有利于酵母發(fā)酵，并能降低能耗，縮短生產(chǎn)周期，減少工業(yè)化生產(chǎn)占地面積及提高設(shè)備利用率，還能殺死原料中一些有害微生物［9-11］。

木薯發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的傳統(tǒng)生產(chǎn)路線為:木薯干→粉碎→調(diào)漿→液化→糖化→發(fā)酵→蒸餾→乙醇［12］。本試驗將粉碎的木薯干經(jīng)過膨化處理后直接進(jìn)行發(fā)酵，并使用酒曲替代純酵母［13］，不僅可省去傳統(tǒng)發(fā)酵工藝中液化和糖化的過程，節(jié)約能源，還可縮短發(fā)酵周期，降低成本。

1 材料與方法

1.1 材料

木薯干，市售;酒用酵母釀酒曲，安琪酵母股份有限公司;糖化酶，北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司，酶活力10萬U/g;α-淀粉酶(酶活力3 700 u/g)，北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司。

1.2 儀器

HH/6豎線恒溫水浴鍋，國華電器有限公司;FA2004A電子天平，上海精天電子儀器有限公司;T6新世紀(jì)紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器責(zé)任有限公司;離心機，上海安亭科學(xué)儀器廠;DGP50-Ⅱ型膨化機，河北省邢臺市裕工科技開發(fā)有限公司;WF系列萬能粉碎機，江陰市天元藥化機械有限公司。

1.3 方法

1.3.1 試驗流程

木薯干→破碎→去雜質(zhì)→膨化→粉碎→加水調(diào)漿→發(fā)酵→檢測

1.3.2 膨化木薯制備

將木薯干破碎成20目的小顆粒，去雜質(zhì)后置于膨化機中處理，選取顏色金黃，含水量較少的膨化木薯，用粉碎機粉碎成粉末備用。

1.3.3 單因素試驗

取膨化木薯粉100 g于500 mL三角瓶中，分別以時間、加酶量、溫度、液固比、接種量、發(fā)酵初始pH為自變量，研究不同因素對酒精度和殘還原糖量的影響。

單因素試驗的試驗條件為:溫度30℃，酒曲接種量 0.3%，發(fā)酵時間 72 h，發(fā)酵初始 pH 4.5，液固比3∶1(mL∶g)，糖化酶添加量 150 U/g［14］。

1.3.4 發(fā)酵條件的優(yōu)化

取膨化木薯粉100 g于500 mL三角瓶中，根據(jù)Box-behnken中心組合試驗設(shè)計原理［15-17］，以發(fā)酵溫度、糖化酶用量、液固比為自變量，發(fā)酵后的酒精度、殘還原糖量為響應(yīng)值，設(shè)計響應(yīng)面分析試驗，在單因素試驗的基礎(chǔ)上設(shè)定試驗的因素和水平值(表1)。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平表Table 1 Experimental factors and levels of response surface

1.4 還原糖含量的測定

3，5-二硝基水楊酸(DNS)法［18］。

1.5 酒精度的測定

酒精度的測定采用比重瓶法。通過乙醇水溶液密度與酒精度對照表［19］查得酒精度。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 酒曲接種量的確定

圖1為糖化酶添加量為0 U/g時，酒曲接種量對酒精度和殘還原糖量的影響。由圖1可知，當(dāng)接種量達(dá)到 1.5%時，酒精度出現(xiàn)峰值，殘還原糖量在1.25%接種量出現(xiàn)波谷。但安琪釀酒曲最適接種量為0.25% ～0.5%，遠(yuǎn)低于1.5%。這是由于釀酒曲中糖化酶含量過低，無法滿足酵母對還原糖的需求，所以額外添加糖化酶，進(jìn)行分析。

圖1 接種量對燃料乙醇發(fā)酵的影響Fig.1 Effect of inoculation amount on fuel ethanol fermentation

圖2為糖化酶添加量為150 U/g時，酒曲接種量對酒精度和殘還原糖量的影響曲線。由圖2可知，當(dāng)接種量在說明書推薦范圍0.25% ～0.5%時，酒精度相差很小，接近最高值，殘還原糖量也相差很小，接近最低值，當(dāng)接種量低于0.2%時，酵母量不足，酒精度低于峰值，接種量大于0.5%時，由于酵母量過多，酵母密度太大，影響酵母的正常生長，酒精度下降，殘還原糖量驟升。說明接種量0.25% ～0.5%為適宜接種量，選取最高點接種量0.3%。額外加糖化酶能使發(fā)酵更加充分，故選用額外添加糖化酶的方法。

圖2 接種量對乙醇發(fā)酵的影響(加糖化酶)Fig.2 Effect of inoculation amount on ethanol fermentation(add glucoamylase)

2.1.2 糖化酶添加量的確定

由圖3可知，當(dāng)糖化酶添加量達(dá)到150 U/g時，酒精度出現(xiàn)波峰，殘還原糖量出現(xiàn)波谷。由于存在最適糖化酶濃度，在最適濃度下糖化速率最高，糖化酶濃度偏低或偏高都會導(dǎo)致糖化速率的下降，酵母前期生長增殖時的養(yǎng)分無法得到保障，影響酵母的生長與原料的發(fā)酵。經(jīng)分析150 U/g為最適糖化酶添加量。

圖3 酶添加量對乙醇發(fā)酵的影響Fig.3 Effect of enzyme concentration on ethanol fermentation

2.1.3 發(fā)酵時間的確定

由圖4可知，酒精度隨時間逐漸增長，達(dá)到72 h后，酒精度增長速率明顯下降，趨于穩(wěn)定。而殘還原糖量從36 h至72 h逐步下降，72 h至84 h殘還原糖量開始回升。因為酒曲中除酵母外，還有各種酶類，額外添加糖化酶，使發(fā)酵與糖化同步進(jìn)行，72 h后乙醇產(chǎn)量與乙醇消耗量接近動態(tài)平衡，酒精度趨于穩(wěn)定，但糖化酶還未失活，72 h后殘還原糖量開始升高。所以發(fā)酵時間選為72 h。

2.1.4 發(fā)酵溫度的確定

由圖5可知，在30℃酒精度出現(xiàn)波峰，殘還原糖出現(xiàn)波谷。30℃前溫度過低，不利于菌種的活化與生長，也不利于糖化酶的糖化作用。而溫度超過30℃后，由于溫度過高，對菌種生長發(fā)酵不利，故酒精度下降，但高溫更適宜糖化酶的糖化作用，故殘還原糖量升高。

圖4 發(fā)酵時間對乙醇發(fā)酵的影響Fig.4 Effect of fermentation time on ethanol fermentation

圖5 溫度對乙醇發(fā)酵的影響Fig.5 Effect of temperature on ethanol fermentation

2.1.5 液固比的確定

圖6 液固比對乙醇發(fā)酵的影響Fig.6 Effect of liquid-solid ratio on ethanol fermentation

由圖6可知，在液固比3∶1(mL∶g)時，酒精度出現(xiàn)波峰，殘還原糖量出現(xiàn)波谷，液固比小于3∶1(mL∶g)時，由于溶液濃度過高，滲透壓過大，不利于酵母的生長與燃料乙醇的發(fā)酵。而液固比大于3∶1(mL∶g)時，溶液濃度過小，酵母生長變慢，同時由于稀釋作用使酒精度和殘還原糖量變低。

2.1.6 發(fā)酵起始pH的確定

由圖7可知，發(fā)酵起始pH對酒精度和殘還原糖量幾乎沒有影響，由于酒曲內(nèi)成分復(fù)雜，對pH的緩沖能力較強，而糖化酶對pH要求不高，故影響不顯著。

圖7 發(fā)酵起始pH對乙醇發(fā)酵的影響Fig.7 Effect of pH on ethanol fermentation

2.2 膨化木薯發(fā)酵乙醇最佳工藝參數(shù)確定

根據(jù)Box-Benhnken模型的中心組合試驗設(shè)計原理，在單因素試驗基礎(chǔ)上選取液固比、加酶量和溫度3個因素，以酒精度和殘還原糖量為考察指標(biāo)，采用響應(yīng)面法對膨化木薯發(fā)酵乙醇的工藝進(jìn)行優(yōu)化，用3因素3水平的響應(yīng)面分析方法進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果見表2和表3。

表2 響應(yīng)面設(shè)計方案和試驗結(jié)果Table 2 Response surface design scheme and test results

結(jié)果顯示:酒精度模型R2=0.988 6說明回歸方程的擬合度好，標(biāo)準(zhǔn)誤差σ =0.3，經(jīng)過回歸擬合后，溫度(A)、加酶量(B)、液固比(C)對酒精度(Y1)的影響可用下面方程表示:Y1=-65.138 4+4.176 771×A+0.122 443 × B+1.491 5 × C-0.000 754 × A × B+0.458 33×A×C-0.000 65×B ×C-0.069 82×A×A-0.000 5×B ×B-0.504 63×C。

殘還原糖量只是對乙醇發(fā)酵的參考，故不進(jìn)行優(yōu)化分析。

表3 酒精度的試驗結(jié)果方差分析表Table 3 Variance analysis of test results of ethanol

溫度(A)，糖化酶(B)，液固比(C)與酒精度之間的關(guān)系可通過圖8反映出來。

由圖8的響應(yīng)面和等高線圖可以看出溫度(A)，糖化酶(B)，液固比(C)存在極值點，在此條件下膨化木薯發(fā)酵制乙醇的酒精度達(dá)到體積分?jǐn)?shù)11.915%，與預(yù)測值11.833 8%十分接近，表明預(yù)測值和實際值有很好的擬合性，驗證了模型的可靠性。由Design-Expert響應(yīng)面分析軟件RSM分析得到膨化木薯發(fā)酵制燃料乙醇的最佳發(fā)酵條件為:溫度31.62℃，糖化酶 144.37 U/g，液固比 2.82∶1。本試驗對實際生產(chǎn)控制條件綜合對比得到最佳發(fā)酵條件為:溫度32 ℃，糖化酶145 U/g，液固比 2.8∶1(mL∶g)。

2.3 膨化木薯發(fā)酵制燃料乙醇能耗的分析

DGP50—Ⅱ型膨化機每小時可以處理35 kg木薯進(jìn)行處理，蒸煮液化需2 h。比較膨化技術(shù)和傳統(tǒng)的液化預(yù)處理過程中的能耗，結(jié)果如表4所示。相比之下膨化木薯預(yù)處理節(jié)省了能量約10+0.11-2.057-0.21=7.843 MJ/kg。所以膨化處理降低了能量消耗，提高了生產(chǎn)效率。而使用更大型的膨化機，則可使能耗更進(jìn)一步降低。

表4 膨化方法和傳統(tǒng)方法能耗比較Table 4 Comparison of energy consumption between the expanding method and the traditional method

2.4 膨化木薯發(fā)酵制燃料乙醇與傳統(tǒng)方法對比

膨化方法與傳統(tǒng)方法綜合比較結(jié)果如表5所示。

表5 膨化方法和傳統(tǒng)方法綜合比較Table 5 Comparison between the expansion method and the traditional method

膨化木薯發(fā)酵條件為:接種量0.3%，發(fā)酵時間72 h，發(fā)酵前 pH 4.5，溫度32 ℃，糖化酶 145 U/g，液固比 2.8∶1(mL∶g)，最終酒精度為 11.94%。

傳統(tǒng)木薯發(fā)酵條件為:接種量0.3%，發(fā)酵時間72 h，發(fā)酵前 pH 4.5，溫度33 ℃，糖化酶 150 U/g，液固比2∶1(mL∶g)，液化酶用量10 U/g液化時間2 h，液化溫度85℃，糖化時間0 h，最終酒精度為12.11%。

膨化處理與傳統(tǒng)的處理方法相比，降低了能量消耗，節(jié)省了液化的時間，但酒精度下降了1.4%，耗水量也相對上升。

圖8 酒精度的響應(yīng)面和等高線圖Fig.8 Ethanol response surface and contour map

3 結(jié)論與討論

本研究采用單因素試驗定量比較了接種量，發(fā)酵時間，發(fā)酵初始pH，溫度，糖化酶，液固比對乙醇發(fā)酵的影響，同時結(jié)合響應(yīng)面分析法優(yōu)化膨化木薯發(fā)酵制燃料乙醇的工藝，結(jié)果表明膨化木薯發(fā)酵制燃料乙醇可行，降低了能源消耗，縮短了生產(chǎn)周期，酒精度僅降低了1.4%，但由于膨化使木薯體積增大［22］，耗水量也相對上升。得到的最佳發(fā)酵工藝條件為溫度32℃，糖化酶145 U/g，液固比 2.8∶1(mL∶g)，接種量0.3%，發(fā)酵時間 72 h，發(fā)酵前 pH 4.5，發(fā)酵酒精度可達(dá)到體積分?jǐn)?shù)11.94%，與預(yù)測值(11.833 8%)十分接近，說明該模型預(yù)測能力較好。擠壓膨化處理方法較傳統(tǒng)液化蒸煮方法節(jié)能75%～85%。

但是，本實驗仍有尚待完善之處，如由于發(fā)酵與糖化同步進(jìn)行，發(fā)酵終點時糖濃度依然很高，殘還原糖的再利用問題，以及發(fā)酵終點時酒精度趨于平緩，其發(fā)酵動力學(xué)曲線尚不明確等問題，都有待繼續(xù)探索。

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