響應面優(yōu)化鮮甘薯生料濃醪發(fā)酵乙醇工藝

劉倩倩

摘要：以鮮甘薯為原料，對生料濃醪發(fā)酵乙醇的工藝進行研究，通過單因素試驗、響應面優(yōu)化試驗探討原料去皮程度、發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度、酵母添加量、復合酶添加量、pH值等因素對發(fā)酵的影響。結果表明，鮮甘薯生料濃醪發(fā)酵乙醇的最佳工藝條件為去皮程度5%、pH值4.5、發(fā)酵溫度30 ℃、液固比3 mL ∶1 g、復合酶添加量1.7%、酵母添加量20%，并于120 r/min搖床發(fā)酵63 h，當乙醇度達12.3%（V/V）、淀粉利用率達93.0%，則表明該工藝可行。

關鍵詞：鮮甘薯；生料；濃醪；發(fā)酵；響應面

中圖分類號： TQ223.12+2文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）09-0302-03

我國乙醇生產(chǎn)大多采用發(fā)酵法，且多數(shù)乙醇廠以薯類為主要原料，其中甘薯最為普遍。我國甘薯種植極為普遍，除西藏及東北部分地區(qū)外，其他各省均廣泛種植[1-2]。在乙醇生產(chǎn)中，甘薯所含淀粉純度較高，有利于糖化和發(fā)酵，且由于脂肪、蛋白質(zhì)含量較少，發(fā)酵時產(chǎn)酸低。傳統(tǒng)的淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)乙醇需要高溫高壓蒸煮，能耗極大，約占乙醇生產(chǎn)總能耗的25%～30%[3-9]。以鮮甘薯為原料直接生料濃醪發(fā)酵乙醇，可大量減少生產(chǎn)能耗并降低生產(chǎn)成本。通過單因素試驗、響應面優(yōu)化試驗優(yōu)化生料發(fā)酵乙醇的工藝條件，為實際工業(yè)生產(chǎn)提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料與儀器

甘薯（購于菏澤農(nóng)貿(mào)市場）、活性干酵母、復合酶（淀粉酶、糖化酶、果膠酶、纖維素酶）。

電熱恒溫鼓風干燥箱、紫外分光光度計、SHZ-D（Ⅲ）型循環(huán)水真空泵、Sartorius CP225D型電子天平、恒溫搖床、電熱恒溫水浴鍋、真空干燥箱、立式壓力蒸汽滅菌器、pHS-2型精密酸度計、顯微鏡。

1.2試驗方法

1.2.1鮮甘薯生料濃醪發(fā)酵相關分析檢測（1）原料水分含量的測定：將甘薯粉碎后放入50 ℃恒溫干燥箱烘干至恒質(zhì)量，計算含水量。（2）原料淀粉含量的測定：先用酸水解淀粉，并用DNS法測定還原糖濃度，再換算成淀粉含量。（3）醪液中酵母濃度：取醪液稀釋n倍，搖勻后在顯微鏡下對酵母計數(shù)。（4）醪液中總糖、殘?zhí)呛浚翰捎肈NS法測定。（5）醪液pH值：采用pHS-2精密酸度計測定。（6）發(fā)酵醪液中酵母死亡率：用美蘭溶液染色后在顯微鏡下觀察計數(shù)。（7）醪液乙醇含量分析：按照國標GB/T10781規(guī)定方法測定。

1.2.2單因素試驗通過試驗考察原料去皮程度、發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度、pH值、酵母添加量、復合酶添加量6個因素對發(fā)酵的影響。采用不同程度去皮的原料各200 g，發(fā)酵條件為pH值4.0、液固比3：1、復合酶添加量1.2%、酵母添加量20%、發(fā)酵溫度32 ℃、120 r/min搖床發(fā)酵72 h。

1.2.3響應面優(yōu)化試驗為考察各因素間的交互作用并得到最佳發(fā)酵工藝條件，在單因素試驗結果的基礎上采用 Design-Expert 軟件，以A（復合酶添加量）、B（酵母添加量）、C（發(fā)酵時間）、Y（乙醇度）作為響應指標，由Box-Behnken中心組合進行3因素3水平（表1）優(yōu)化試驗。

1.2.4淀粉利用率計算淀粉利用率計算公式為：淀粉利用率=m/m0×100%。其中，m為發(fā)酵液中乙醇量換算成淀粉的質(zhì)量（g），m0為原料中淀粉的質(zhì)量（g）。

2結果與分析

2.1單因素試驗結果

2.1.1去皮程度對發(fā)酵的影響去皮程度越高，發(fā)酵醪液乙醇含量越高（圖1）。去皮后淀粉含量高，且原料中果膠含量下降，因此淀粉利用率明顯提高，而實際生產(chǎn)中既要考慮去皮工藝的設備、人力、物力成本消耗，又要考慮乙醇度的高低，故應根據(jù)工廠實際需求選擇預處理程度。本試驗將去皮程度選取為5%左右較為合適。

2.1.2發(fā)酵時間對發(fā)酵的影響乙醇度隨著發(fā)酵時間的延長逐漸升高，隨后基本趨于穩(wěn)定，并于70 h左右達到最大值（圖2）。發(fā)酵時間過短則淀粉利用不徹底，殘?zhí)橇扛?；若發(fā)酵時間過長，酵母可能會利用乙醇產(chǎn)生酸及其他副產(chǎn)物，使乙醇含量降低。本試驗將發(fā)酵時間選取為70 h左右較為合適。

2.1.3酵母添加量對發(fā)酵的影響酵母添加量的大小對發(fā)酵產(chǎn)乙醇水平的高低影響較大（圖3）。接種量過小則菌數(shù)增長緩慢，培養(yǎng)時間長，從而延長發(fā)酵周期并降低酵母菌種活力，不利于高產(chǎn)乙醇；若接種量過大，菌數(shù)劇增及過多代謝廢物使菌種易衰老，導致乙醇度下降。本試驗將酵母添加量選

取為2.5%左右較為合適。

2.1.4pH值對發(fā)酵的影響乙醇度隨pH值的升高而先升高后降低（圖4）。發(fā)酵醪液的pH值對酵母的生命活動有顯著影響，酵母的最適pH值為4.0～5.0，各種酶也有其最適pH值，本試驗將pH值選取為4.5左右較為合適。

2.1.5發(fā)酵溫度對發(fā)酵的影響乙醇度在發(fā)酵溫度為30～40 ℃時達到最大值（圖5）。釀酒酵母的最適作用溫度為 28～34 ℃，糖化酶的最適溫度為60 ℃，淀粉酶的最適溫度為30 ℃，考慮到溫度對復合酶活力的影響，本試驗將發(fā)酵溫度選取為35 ℃左右較為合適。

2.1.6復合酶添加量對發(fā)酵的影響復合酶添加量的大小對發(fā)酵產(chǎn)乙醇水平的高低影響較大（圖6）。葡萄糖的生成速率影響酵母的生長和發(fā)酵，復合酶添加量不足則淀粉降解速率慢，進而影響乙醇的發(fā)酵速度；復合酶添加量過多則增加經(jīng)濟成本。本試驗將復合酶添加量選取為1.5%左右較為合適。

2.2響應面優(yōu)化試驗結果與分析

利用Design-Expert統(tǒng)計分析軟件對響應面優(yōu)化試驗結果（表2）進行分析（表3），得出乙醇度與復合酶添加量（A）、酵母添加量（B）、發(fā)酵時間（C）之間的二次多項回歸模型方程

該回歸模型的P值<0.000 1，表明該模型極顯著，各因素的一次項A為顯著、B為極顯著，二次項A2、B2、C2均為極顯著，交互項AB、AC、BC均為極顯著，且失擬項不顯著。線性方程的相關系數(shù)R2（0.985 1）與校正后的R2（0966 0）具有良好的一致性，表明該模型的準確性、適用性較好。由F值大小可知，影響IDF提取率的因素主次順序為B>A>C，即酵母添加量>復合酶添加量>發(fā)酵時間。將乙醇度取最大值，軟件自動分析得到最優(yōu)條件：發(fā)酵時間 63.25 h、酵母添加量2.04%、復合酶添加量1.74%，此條件下乙醇度達到12.34%（V/V）。為便于試驗操作，將各條件選取為發(fā)酵時間63 h、酵母添加量2.0%、復合酶添加量17%，在此條件下進行3次平行驗證試驗，乙醇度達到1230%（V/V），淀粉利用率達到93%。3結論

采用響應面法對鮮甘薯生料濃醪發(fā)酵乙醇的工藝進行優(yōu)化，建立的二次多項式數(shù)學模型顯著性良好，酵母添加量對乙醇度的影響最大，復合酶添加量次之，發(fā)酵時間最小。鮮甘薯生料濃醪發(fā)酵乙醇的最佳工藝條件為去皮程度5%、pH值45、發(fā)酵溫度30 ℃、液固比3 ∶1、復合酶添加量1.7%、酵母添加量2.0%、120 r/min搖床發(fā)酵63 h，此工藝條件下乙醇度達到12.30%（v/v），淀粉利用率達到93%。

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