橡子粉同步液化糖化產(chǎn)燃料乙醇的發(fā)酵條件優(yōu)化

張 寧， 蔣劍楊 靜， 衛(wèi) 民， 趙 劍， 陳水根

(中國林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實驗室；國家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點開放性實驗室；江蘇省 生物質(zhì)能源與材料重點實驗室，江蘇 南京 210042)

·研究報告——生物質(zhì)能源·

橡子粉同步液化糖化產(chǎn)燃料乙醇的發(fā)酵條件優(yōu)化

(中國林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實驗室；國家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點開放性實驗室；江蘇省 生物質(zhì)能源與材料重點實驗室，江蘇 南京 210042)

以除去單寧的橡子粉為原料，應(yīng)用活性干酵母同步液化糖化發(fā)酵(SLSF)制備燃料乙醇，并通過單因素試驗和正交試驗優(yōu)化發(fā)酵條件。結(jié)果表明，同步液化糖化發(fā)酵技術(shù)適用于橡子粉發(fā)酵制備燃料乙醇；發(fā)酵的最佳條件為：除去單寧的橡子粉20 g，料液比為1 ∶3(g ∶mL)，淀粉酶100 U/g，糖化酶3 750 U/g，活性干酵母1.50%；在30 ℃靜止發(fā)酵120 h，發(fā)酵液中的乙醇質(zhì)量濃度達到106.5 g/L，橡子淀粉的乙醇轉(zhuǎn)化率達到89.36 %。采用橡子粉發(fā)酵法制備燃料乙醇與以玉米等糧食作物為原料制備的燃料乙醇質(zhì)量濃度相當(dāng)，可以替代糧食作物生產(chǎn)燃料乙醇。

橡子；同步液化糖化發(fā)酵；燃料乙醇

可再生能源是可以再生的能源總稱，包括生物質(zhì)能源、太陽能、光能和沼氣等。現(xiàn)階段生物質(zhì)能是世界第四大能源，僅次于煤炭、石油和天然氣，在整個能源系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。預(yù)計到22世紀50年代，全球總能源的40%以上將會由各種生物質(zhì)所生產(chǎn)，目前生物質(zhì)燃料包括燃料乙醇、丁醇及生物柴油等[1-3]的研發(fā)已經(jīng)成為世界各國的研究熱點，其中非糧淀粉質(zhì)能源植物是我國發(fā)展生物質(zhì)能源的重要原料，可以替代糧食作物生產(chǎn)生物質(zhì)燃料，具有重要的研究價值。橡子是殼斗科植物種子的總稱[4]。我國的橡子，資源豐富，淀粉含量較高，是理想的生產(chǎn)燃料乙醇的原料。我國年產(chǎn)橡子約60～70億千克，生產(chǎn)開發(fā)尚處于起步階段[5]。然而以玉米、木薯淀粉等為原料發(fā)酵制備燃料乙醇的技術(shù)已經(jīng)成熟，為實現(xiàn)橡實資源能源化轉(zhuǎn)化提供了成熟的技術(shù)基礎(chǔ)[6-8]。目前淀粉質(zhì)燃料乙醇的發(fā)酵工藝主要有分步糖化發(fā)酵(SHF)、同步糖化發(fā)酵(SSF)及同步液化糖化發(fā)酵(SLSF)[9]。其中分步糖化發(fā)酵過程繁瑣，可發(fā)酵糖損失較多，且分步糖化發(fā)酵和同步糖化發(fā)酵都需要先將原料液化，此過程能耗大，占生產(chǎn)過程總能耗的30%～40%，而同步液化糖化發(fā)酵是將原料在低溫條件下同時進行液化、糖化及發(fā)酵，發(fā)酵過程簡單，從而節(jié)省液化所需的能耗，降低成本[10-11]?；钚愿山湍赴l(fā)酵活力穩(wěn)定性高，較傳統(tǒng)的菌種液體培養(yǎng)基活菌濃度重復(fù)性好，使用方便，對發(fā)酵體系的濃度影響較小。本研究以橡子淀粉為原料，以活性干酵母為發(fā)酵菌種，采用同步液化糖化發(fā)酵技術(shù)制備燃料乙醇，并對發(fā)酵條件進行優(yōu)化，以期為橡子的能源化轉(zhuǎn)化探索新的可行性途徑。

1 實 驗

1.1 材料與試劑

橡子，安徽滁州沙河集體林場麻櫟(QuercusacutissimaCarruth.)；淀粉酶(2 000 U/g)，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；糖化酶(100 000 U/g)，無錫市雪梅酶制劑科技有限公司；菌種為高活性干酵母，湖北宜昌安琪酵母股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

AT L2P-930型毛細管色譜柱(0.53 mm×18 m)，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所色譜技術(shù)研究中心；TG16-WS型高速離心機，長沙湖智離心機儀器有限公司；LS-30型立式壓力蒸汽滅菌器，上海東亞壓力容器制造有限公司；GSP-9080MBE隔水式恒溫培養(yǎng)箱，上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；雙人雙面潔凈工作臺，上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；UV1102型紫外-可見分光光度計，上海天美科學(xué)儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 橡子粉制備 橡子風(fēng)干后脫殼，得到橡子仁，粉碎后過425 μm篩。采用水提法除去橡子粉中的單寧，即用原料質(zhì)量10倍的水在60 ℃水浴中浸提6 h，再用原料質(zhì)量5倍的水清洗3次，每次清洗后經(jīng)濾紙抽濾(真空度0.1 MPa)，50 ℃烘干。用此方法除去單寧后，橡子粉中單寧質(zhì)量分數(shù)小于1.50%，以此制得除去單寧的橡子粉原料備用。

1.3.2 單因素試驗 取20 g除去單寧的橡子粉，加入水、酶及酵母，在500 mL三角瓶中混合均勻，放入恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)，30 ℃下進行發(fā)酵。間歇振蕩，定時稱量，記錄CO2失重，估計發(fā)酵情況。每24 h取樣，將發(fā)酵液在6 000 r/min的條件下離心5 min，取上清液，檢測發(fā)酵液中乙醇濃度。初始實驗條件為料液比(除去單寧橡子粉與水的比)1 ∶3.0(g ∶mL) ，液化時加入淀粉酶100 U/g，糖化酶2 250 U/g，活性干酵母0.75%。分別考察料液比(1 ∶2.0、 1 ∶2.5、 1 ∶3.0、 1 ∶3.50、 1 ∶4.0、 1 ∶4.5)、液化酶(50、 100、 150、 200、 250、 300 U/g)、糖化酶(750、 1 500、 2 250、 3 000、 3 750、 4 500 U/g)和活性干酵母(0.25%、 0.50%、 0.75%、 1.00%、 1.25%、 1.50%)用量對乙醇發(fā)酵的影響，在考察某因素用量變化的情況下，其他因素仍按初始條件的用量進行添加，以此避免各因素之間的交互作用。

1.3.3 正交試驗 在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以料液比(B)、淀粉酶(C)、糖化酶(D)、酵母(E)為考察因素，設(shè)誤差項為A，采用L16(45)正交試驗考察4個因素對乙醇發(fā)酵的影響。

1.4 分析方法

1.4.1 單寧含量的測定 按照國標(biāo)GB/T 15686—2008[12]測定原料橡子粉中單寧的含量。

1.4.2 淀粉含量的測定 按照國標(biāo)GB/T 5514—2008[13]測定原料橡子粉中淀粉的含量。

1.4.3 乙醇濃度的測定 發(fā)酵液離心后取上層清液，稀釋100倍，采用氣相色譜法測定乙醇濃度[14]。

1.4.4 乙醇轉(zhuǎn)化率 以除去單寧的橡子粉中淀粉含量計算乙醇轉(zhuǎn)化率。

式中：α—乙醇轉(zhuǎn)化率,%；c—發(fā)酵液中乙醇濃度,g/L；V—發(fā)酵液體積,L；m—除去單寧的橡子粉質(zhì)量,g；ω—橡子粉中淀粉含量,%； 0.51—淀粉乙醇轉(zhuǎn)化系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 橡子粉除去單寧前后的變化分析

2.1.1 淀粉及單寧含量 橡子仁含有豐富的營養(yǎng)成分：粗淀粉50%～60%、可溶性糖2%～8%、蛋白質(zhì)3%～6%、粗纖維3%～5%、粗脂肪1%～5%、單寧5%～12%[5]。其中單寧是植物產(chǎn)生的一種化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多元酚衍生物，易溶于水，能沉淀溶液中的蛋白質(zhì)，對微生物具有廣譜的抑制性。而本研究中所用的淀粉酶、糖化酶及酵母細胞的主要成分都是蛋白質(zhì)，單寧對其均存在不同的抑制作用從而影響橡子淀粉的水解及發(fā)酵。所以在進行發(fā)酵之前，必須首先除去橡子粉中的單寧，解除單寧對發(fā)酵的影響；水浸提過程在除去單寧的同時，也除去了可溶性糖，所以在發(fā)酵過程中，可發(fā)酵糖主要來源于橡子淀粉。本研究采用的麻櫟橡子含淀粉59.23%、單寧7.82%，還含有少量的蛋白質(zhì)、粗脂肪和可溶性糖，除去單寧后淀粉增加至70.12%，單寧降低至1.13%。

2.1.2 形態(tài) 橡子粉除去單寧前后電子掃描顯微鏡拍攝的形態(tài)變化如圖1所示。從圖1(a)和(b)中可以看出，除單寧前橡子粉大都顆粒飽滿，且表面光滑；采用水浸提法除單寧后，經(jīng)過水的浸泡，橡子粉形狀變得不規(guī)則，部分橡子粉顆粒出現(xiàn)粘連，界限不清晰。

圖1 橡子粉除單寧后形態(tài)變化比較Fig.1 Morphology of acorn starch before and after extract of tannin

2.2 單因素試驗探討發(fā)酵的影響因素

圖2 料液比對乙醇發(fā)酵的影響 Fig.2 Effect of ratio of solid to liquid on the fermentation of ethanol

2.2.1 料液比 發(fā)酵體系中的料液比(g ∶mL)調(diào)節(jié)在1 ∶2至1 ∶4.5之間，加入水后將料液振蕩混勻，置于30 ℃培養(yǎng)箱中發(fā)酵120 h。每隔24 h測定發(fā)酵液中乙醇質(zhì)量濃度。實驗結(jié)果見圖2。由圖2可以看出，前24 h，發(fā)酵體系中的物料主要用于酵母繁殖，同時生產(chǎn)少量乙醇，料液比對酵母的繁殖影響不大，所以乙醇積累情況大致相當(dāng)；而到發(fā)酵后期(72～120 h)發(fā)酵體系中的料液比影響物料的傳質(zhì)過程，乙醇對酵母的抑制作用也變大，乙醇積累量差距較大。其中料液比為1 ∶2的條件下乙醇生成量最少，隨著料液比的增加乙醇積累量逐漸增加，當(dāng)料液比增加到1 ∶4的條件下乙醇濃度在發(fā)酵后期達到最大；繼續(xù)增加料液比到1 ∶4.5，乙醇濃度卻不再增加，這可能是因為料液比過大，液化酶、糖化酶及酵母濃度下降影響橡子淀粉的糖化、液化及發(fā)酵過程，而發(fā)酵體系的粘度及流動性也適合乙醇的轉(zhuǎn)化[15]。在試驗范圍內(nèi)，最佳料液比為1 ∶3～1 ∶4。

2.2.2 淀粉酶用量 發(fā)酵體系中淀粉酶的用量調(diào)控在50～300 U/g之間，考察淀粉酶的用量對乙醇發(fā)酵的影響。發(fā)酵液中淀粉酶用量與乙醇質(zhì)量濃度的關(guān)系見圖3。由圖3可以看出，淀粉酶的用量對乙醇發(fā)酵影響較大。隨著淀粉酶用量的增加，乙醇濃度先增加后降低，當(dāng)?shù)矸勖赣昧繛?00 U/g時，乙醇生成速率和最終積累量達到最大。淀粉酶用量少，橡子淀粉液化速度慢，液化不充分，不利于后續(xù)的糖化及發(fā)酵；而用量過大，不僅增加生產(chǎn)成本，而且由于對酵母的抑制作用而影響乙醇的發(fā)酵。在試驗范圍內(nèi)，淀粉酶最佳用量為100 U/g。

2.2.3 糖化酶用量 在確定了淀粉酶用量的前提下，考察糖化酶用量對發(fā)酵乙醇的影響。實驗考察在糖化酶的用量為750～4 500 U/g的條件下乙醇的積累量，實驗結(jié)果見圖4。結(jié)果表明：在實驗范圍內(nèi)，糖化酶的用量對乙醇的積累有一定影響，隨著糖化酶用量的增加，乙醇的積累量隨之增加，當(dāng)糖化酶用量增加至3 750 U/g，發(fā)酵中乙醇的濃度在發(fā)酵后期達到最大，再繼續(xù)增加糖化酶，乙醇濃度變化不大。由于酵母的存在同步液化糖化發(fā)酵體系中糖化得到的糖很快被轉(zhuǎn)化為乙醇，所以體系中糖的濃度始終維持在低水平，這樣不僅可以避免糖對酶水解的抑制，還可以抑制雜菌的生成，所以橡子淀粉在去除單寧以后并不需要進行高溫滅菌就可以進行發(fā)酵，即簡化發(fā)酵工藝，也可以避免高溫滅菌造成糖損失。在試驗范圍內(nèi)，糖化酶最佳用量為3 750 U/g。

圖3 淀粉酶用量對乙醇發(fā)酵的影響

圖4 糖化酶用量對乙醇發(fā)酵的影響

圖5 酵母用量對乙醇發(fā)酵的影響 Fig.5 Effect of yeast amount on the fermentation of ethanol

2.2.4 酵母粉用量 發(fā)酵體系中活性干酵母用量對發(fā)酵乙醇影響顯著，如圖5所示。在添加的干酵母較少(0.25%)的情況下，酵母生長繁殖較慢，同時消耗更多的糖，這就導(dǎo)致在整個發(fā)酵周期內(nèi)乙醇的積累量都較少；隨著酵母量的增加，乙醇的生產(chǎn)速度和積累量都迅速增加，直至酵母的用量增加到1.25%～1.50%時，發(fā)酵至96 h后乙醇的最終濃度不再顯著增加，這是因為產(chǎn)物乙醇的濃度對酵母也有抑制作用，使得發(fā)酵反應(yīng)減緩。在試驗范圍內(nèi)，酵母粉最佳用量為1.50%。

2.3 正交試驗探討發(fā)酵的影響因素

2.3.1 直觀分析 根據(jù)以上橡子淀粉同步液化糖化發(fā)酵產(chǎn)燃料乙醇的單因素試驗結(jié)果，以最佳因素水平為中心設(shè)置正交試驗因素水平，以發(fā)酵液中乙醇濃度分析正交試驗結(jié)果，正交試驗設(shè)計與結(jié)果直觀分析見表1。結(jié)果表明，在試驗范圍內(nèi)，4個因素對乙醇濃度的影響由大到小依次為B>D>E>C，即料液比>糖化酶用量 >酵母用量 >液化酶用量。乙醇發(fā)酵的最優(yōu)條件為B2D3E4C2，即料液比為1 ∶3(g ∶mL)，淀粉酶用量為100 U/g，糖化酶用量為3 750 U/g，酵母用量為1.50%。

表1 正交試驗設(shè)計與結(jié)果直觀分析表Table 1 Orthogonal experiment design and result analysis

2.3.2 方差分析 從表2 正交試驗的方差分析結(jié)果可以看出，料液比對乙醇產(chǎn)量有高度顯著影響(F比>F0.01)，糖化酶用量對乙醇產(chǎn)量有一定的影響(F0.05>F比>F0.1)，而淀粉酶用量和酵母粉用量對試驗結(jié)果沒有顯著影響，所以，本發(fā)酵試驗條件應(yīng)該嚴格控制料液比和糖化酶用量。最優(yōu)組合并不在正交試驗表中，重新以B2D3E4C2為試驗條件進行優(yōu)化試驗，經(jīng)過3次驗證，在該發(fā)酵條件下乙醇質(zhì)量濃度達到106.52 g/L；橡子淀粉的乙醇轉(zhuǎn)化率達到89.36%。

表2 正交試驗結(jié)果方差分析表Table 2 The variance analysis of the orthogonal experiment results

注：F0.01(3,3)=29.50，F(xiàn)0.05(3,3)=9.28，F(xiàn)0.1(3,3)=5.39；* 表示一般顯著，*** 表示高度顯著。

由優(yōu)化實驗結(jié)果可知采用除去單寧的橡子粉發(fā)酵法制備燃料乙醇與以玉米等糧食作物為原料制備的燃料乙醇質(zhì)量濃度相當(dāng)[16-17]，可以替代糧食作物生產(chǎn)燃料乙醇。同步液化糖化法結(jié)合活性干酵母的使用，使得發(fā)酵體系中糖濃度始終處于較低的水平，避免了糖對酶水解的抑制作用，同時也抑制了菌體的大量繁殖；酵母的存在使得酶解得到的糖很快被轉(zhuǎn)化生成乙醇。同步液化糖化將液化、糖化及發(fā)酵過程結(jié)合到一起，不僅減少工藝步驟，還縮短了發(fā)酵時間，提高了原料的轉(zhuǎn)化效率。

3 結(jié) 論

3.1 橡子粉經(jīng)水浸提后含單寧1.13%，含淀粉70.12%；除去單寧后橡子粉形狀變得不規(guī)則，部分橡子粉顆粒出現(xiàn)粘連，界限不清晰。

3.2 采用單因素試驗和正交試驗優(yōu)化除去單寧橡子粉的同步液化糖化發(fā)酵制備燃料乙醇的發(fā)酵條件，所得到的最佳發(fā)酵工藝條件為：除去單寧的橡子粉20 g，料液比為1 ∶3(g ∶mL)，淀粉酶100 U/g，糖化酶3 750 U/g，活性干酵母1.50%；在30 ℃靜止發(fā)酵120 h，發(fā)酵液中的乙醇質(zhì)量濃度達到106.5 g/L，橡子淀粉的乙醇轉(zhuǎn)化率達到 89.36 %。采用橡子粉發(fā)酵法制備燃料乙醇與以玉米等糧食作物為原料制備的燃料乙醇質(zhì)量濃度相當(dāng)，可以替代糧食作物生產(chǎn)燃料乙醇。

[1]EDWARDS M C，DORAN-PETERSON J.Pectin-rich biomass as feedstock for fuel ethanol production[J].Applied Microbiology Biotechnology,2012，95(3)：565-575.

[2]KIM I I S，KIM Y S，KIM H，et al.SaccharomycescerevisiaeKNU5377 stress response during high-temperature ethanol fermentation[J].Molecular Cell，2013，35(3)：210-218.

[3]SAHA B，COTTA M A.Cotta Ethanol production from lignocellulosic biomass by recombinantEscherichiacolistrain FBR5[J].Bioengineered，2012，3(4)：197-202.

[4]楊靜，蔣劍春，張寧，等.橡子單寧的超聲波提取工藝優(yōu)化[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2013，33(6)：81-84.

[5]楊靜，蔣劍春，張寧，等.稀酸法預(yù)處理對橡子殼纖維組成和結(jié)構(gòu)的影響[J].生物質(zhì)化學(xué)工程，2014，48(2)：13-17.

[6]NUWAMANYA E，CHIWONA-KARLTUN L，KAWUKI R S，et al.Bio-ethanol production from non-food parts of cassava (ManihotesculentaCrantz)[J].Ambio，2012，41(3)：262-270.

[7]徐大鵬,馮英，王俊增.木薯半連續(xù)同步糖化發(fā)酵乙醇[J].中國釀造，2012，31(4)：122-125.

[8]沈暉，常亮，封杏子，等.木薯生料發(fā)酵制備燃料乙醇的工藝條件研究[J].食品工業(yè)，2012，33(4)：76-79.

[9]COLLARES R M，MIKLASEVICIUS L V S，BASSACO M M，et al.Optimization of enzymatic hydrolysis of cassava to obtain fermentable sugars[J].Journal of Zhejiang University Science B，2011，13(7)：579-586.

[10]SHEN J C，AGBLEVOR F A.Ethanol production of semi-simultaneous saccharification and fermentation from mixture of cotton gin waste and recycled paper sludge [J].Bioprocess and Biosystems Engineering，2011，34(1)：33-43.

[11]SALWAL M K，YADAV A，SELWAL K K，et al.Tannase production by Penicillium Atramentosum KM under SSF and its applications in wine clarification and tea cream solubilization[J].Brazilian Journal of Microbiology，2011，42(1)：374-387.

[12]國家技術(shù)監(jiān)察局.GB/T 15686—2008高粱 單寧含量的測定[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[13]國家技術(shù)監(jiān)察局.GB/T 5514—2008 糧油檢驗 糧食、油料中淀粉含量測定[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[14]張偉民，陶磊，王芳.小麥生料發(fā)酵技術(shù)的研究[J].釀酒科技，2013，229(7)：75-77.

[15]莫麗春，彭文，曾里，等.木薯粉制備燃料酒精的生料低溫水解工藝研究[J].糧食與飼料工業(yè)，2012(3)：30-34.

[16]馬清榜，張建博，田苗，等.玉米燃料乙醇生產(chǎn)新工藝研究[J].創(chuàng)新科技，2014(12)：27-28

[17]劉勁松，宮殿良，董克芝，等.玉米與陳化水稻共發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究[J].釀酒，2014，41(5)：86-89.

Fermentation Optimization of Fuel Ethanol Producing by Simultaneous Liquefaction,Saccharification and Fermentation from Acorn Flour

ZHANG Ning， JIANG Jian-chun， YANG Jing， WEI Min， ZHAO Jian， CHEN Shui-gen

The fuel ethanol was produced from acron flour by simultaneous liquefaction,saccharification and fermentation (SLSF).The optimum conditions of fermentation by SLSF technology were determined through single factor experiments and orthogonal experiments.The results showed that SLSF technology was suitable for the ethanol fermentation from acorn flour.The optimum conditions were 20 g acorn flour removed of tannin,the ratio of materials to water 1 ∶3,amylase 100 U/g,glucoamylase 3 750 U/g and active dry yeast 1.50%.The ethanol concentration of fermentation broth reached 106.5 g/L after static fermentation for 120 h at 30 ℃,and the conversion rate of acorn starch into ethanol reached 89.36%.The ethanol concentration of fermentation liquor by simultaneous liquefaction,saccharification and fermentation was comparable to the ethanol concentration fermented by corn and other food crops.

acorn flour；simultaneous liquefaction,saccharification and fermentation；fuel ethanol

10.3969/j.issn.1673-5854.2015.04.005

2015-03-12

“十二五”國家科技支撐計劃資助(2014BAD02B02)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK2012515)；國家自然科學(xué)基金資助項目(31100429)

張 寧 (1978—)，女，副研究員，博士，主要從事生物質(zhì)能源及工業(yè)微生物研究工作

*通訊作者：蔣劍春(1955—)，男，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，從事林產(chǎn)化學(xué)加工和生物質(zhì)能源開發(fā)技術(shù)研究；E-mail:bio-energy@163.com。

TQ352;Q815

A

1673-5854(2015)04-0025-06

(Institute of Chemical Industry of Forest Products,CAF; National Engineering Lab.for Biomass Chemical Utilization; Key and Open Lab.of Forest Chemical Engineering,SFA; Key Lab.of Biomass Energy and Material，Jiangsu Province, Nanjing 210042, China)