酶制劑廢液促進(jìn)木薯酒精生產(chǎn)的發(fā)酵工藝

尹明

（青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院烹飪學(xué)院，山東青島 266100）

木薯是一種高產(chǎn)量、高淀粉含量的作物，是生產(chǎn)酒精廣泛使用的原料，也是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物之一；盡管利用木薯發(fā)酵生產(chǎn)酒精已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但如何利用廉價(jià)原料實(shí)現(xiàn)降本增效仍然是該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中急待解決的問(wèn)題。由于石油作為不可再生資源已經(jīng)不能滿足國(guó)家能源和戰(zhàn)略安全需求，國(guó)內(nèi)能源供應(yīng)十分緊張，因此研究新能源代替石油已迫在眉睫。酒精既是目前產(chǎn)量最大的發(fā)酵產(chǎn)品之一，又是十分重要的清潔能源，廣泛應(yīng)用于食品、化工等各個(gè)行業(yè)，開(kāi)發(fā)前景十分巨大。

我國(guó)目前主要用發(fā)酵法生產(chǎn)酒精[1]，一般不采用合成法，因此酒精產(chǎn)量少，年產(chǎn)量不到5%。近年來(lái)，隨著研究和應(yīng)用的不斷深入，在菌種選育、節(jié)能減排及新型發(fā)酵技術(shù)等方面都取得了許多成績(jī)[2]。但目前酒精發(fā)酵工業(yè)中依然存在發(fā)酵濃度偏低，能耗高，污染大、原料的利用率低等問(wèn)題，制約了我國(guó)酒精工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。很多國(guó)家的工程技術(shù)人員從菌種角度，創(chuàng)新酒精發(fā)酵方法[3]，比如，在工業(yè)生產(chǎn)中AADY 發(fā)酵法、固定化細(xì)胞酒精發(fā)酵法得到廣泛應(yīng)用[4]。此外，酶制劑工業(yè)的興起促進(jìn)了酶法酒精生產(chǎn)工藝的發(fā)展，主要方法為雙酶法，一些發(fā)達(dá)資本主義國(guó)家以及中國(guó)均使用此法[5]。因原料糖化作用、液化作用中酶的副反應(yīng)較少，專一性強(qiáng)，出酒率大。目前采用雙酶法時(shí)可提高淀粉出酒率達(dá)56%左右[6]。同時(shí)，為了降低成本，也有很多研究者聚焦于廉價(jià)、可大量供應(yīng)的原料的應(yīng)用研究，在該方面目前主要涉及城市廢纖維垃圾、乳清液等，在適當(dāng)處理后，這些原料均可付諸于酒精生產(chǎn)[7]。目前，開(kāi)發(fā)新原料、發(fā)展酒精發(fā)酵新工藝已成為酒精工業(yè)發(fā)展中的關(guān)鍵，預(yù)期進(jìn)展將為酒精發(fā)酵生產(chǎn)工業(yè)帶來(lái)新的突破[8]。

木薯（Manihot）主要生長(zhǎng)在亞熱帶和熱帶丘陵，是一種適應(yīng)性很強(qiáng)的植物[8]。其根莖淀粉含量可達(dá)30%，木薯干所含淀粉則達(dá)70%[9]；不僅如此，木薯原料容易粉碎，糊化溫度低，易蒸煮。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前，我國(guó)生產(chǎn)乙醇有三成是以木薯為原料。木薯酒精發(fā)酵工藝的產(chǎn)業(yè)化研究，有助于我國(guó)減少環(huán)境污染，解決石油危機(jī)，因此具有十分重要的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)效益[10]。木薯酒精發(fā)酵工藝目前研究較多，中如何進(jìn)一步降低成本是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題[11]。使用其他發(fā)酵工業(yè)廢料作為木薯酒精發(fā)酵中的部分原料是一種既可以降低木薯酒精發(fā)酵本身成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)其他發(fā)酵廢料再利用的一種新思路。

酶制劑工業(yè)是目前發(fā)展迅速的發(fā)酵工業(yè)之一，廣泛涉及食品、釀造、味精、有機(jī)酸、皮革、洗滌劑、保健品及制藥等領(lǐng)域，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要作用[12]。但其廢液排放量隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大也在不斷增加。酶廢液是高濃度的有機(jī)廢水，自然環(huán)境中直接排放會(huì)對(duì)水資源造成嚴(yán)重影響，這就要求在大力發(fā)展酶制劑工業(yè)的基礎(chǔ)上必須符合工業(yè)“三廢”排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，如何對(duì)酶制劑廢液進(jìn)行綜合利用是酶制劑行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降本增效過(guò)程中面臨的亟待解決的問(wèn)題。

本研究從資源再生利用的角度認(rèn)為酶廢液又是寶貴資源，其含有的各種無(wú)機(jī)鹽可為微生物提供除氮、碳源以外的各種重要元素；另外，酒精生產(chǎn)中糖的消耗量可以提高，酶廢液中的剩余酶可替代部分酶，降低生產(chǎn)成本。因此，針對(duì)木薯酒精發(fā)酵工藝革新的需求和酶制劑工業(yè)廢液排放的問(wèn)題，創(chuàng)新性地將不同種類的酶制劑廢液應(yīng)用于木薯酒精發(fā)酵過(guò)程中，擬研究木薯酒精發(fā)酵工藝特性及不同酶制劑對(duì)木薯酒精生產(chǎn)的影響，并進(jìn)而建立一種新型的添加酶制劑廢液的木薯酒精生產(chǎn)工藝。本研究不僅將為木薯酒精發(fā)酵生產(chǎn)提供一種降本增效的新工藝，同時(shí)也為酶制劑工業(yè)在環(huán)保治理與能源利用矛盾方面帶來(lái)新突破。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

木薯原料，由樂(lè)陵市永興和食品有限公司提供；燕山高活性干酵母，購(gòu)自河北馬利食品有限公司；α-淀粉酶、淀粉酶廢液、高轉(zhuǎn)化率糖化酶（100000 U/mL）、糖化酶廢液、α-淀粉酶稀釋液、高轉(zhuǎn)化率糖化酶稀釋液購(gòu)自山東隆大生物工程有限公司；硫酸鎂、磷酸二氫銨、尿素等均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

酒精計(jì)，江蘇寶豐儀表有限公司；調(diào)溫電熱套，鄭州生化儀器有限公司；高速中藥粉碎機(jī)，江蘇博肖機(jī)械有限公司；隔水式恒溫培養(yǎng)箱，上海赫田科學(xué)儀器有限公司；電子恒溫水浴鍋，上海赫田科學(xué)儀器有限公司；電子天平，沈陽(yáng)龍騰電子有限公司；立式電熱壓力蒸汽滅器，青島明博環(huán)?？萍加邢薰?。

1.3 本實(shí)驗(yàn)的酒精發(fā)酵工藝流程

1.4 糖化酶廢液對(duì)酒精發(fā)酵的影響

實(shí)驗(yàn)方案按照工藝流程進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)所加入的具體的營(yíng)養(yǎng)鹽與酶劑的添加量以及酶廢液添加量，根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)，設(shè)3 個(gè)平行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行添加，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值。按照表1 所示，將木薯原料液化糖化后，與酵母連接，在培養(yǎng)箱中發(fā)酵64～66 h，溫度設(shè)置30℃，然后進(jìn)行蒸餾并測(cè)定酒精含量。同時(shí)，加入糖化酶廢液進(jìn)行液化。考慮糖化酶廢液的不耐高溫、液化易失活特性，本實(shí)驗(yàn)特別研究了糖化酶廢液中無(wú)機(jī)鹽對(duì)酒精發(fā)酵的影響。通過(guò)比較木薯1 號(hào)和2 號(hào)的酒精產(chǎn)率，研究了營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)木薯酒精發(fā)酵的影響。通過(guò)比較1 號(hào)和2 號(hào)的酒精含量，研究了糖化酶廢液對(duì)木薯酒精發(fā)酵的影響。通過(guò)比較2 號(hào)和3 號(hào)的酒精含量，比較兩者對(duì)酒精發(fā)酵的影響。

表1 發(fā)酵培養(yǎng)基的配置方案 Table 1 Allocation scheme of fermentation medium

1.5 淀粉酶廢液對(duì)酒精發(fā)酵的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案流程，各種物質(zhì)的添加量按照表2中的數(shù)據(jù)添加，取3 個(gè)平行實(shí)驗(yàn)的平均值，用淀粉酶廢液替代α-淀粉酶稀釋液（兩種液體酶活單位均為100 U/mL）進(jìn)行全程液化。按照表2 物質(zhì)物質(zhì)用量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將液化和糖化好的木薯原料添加酵母在培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，設(shè)定溫度為30℃，培養(yǎng)發(fā)酵65 h，然后進(jìn)行蒸餾測(cè)定。根據(jù)1 號(hào)和2 號(hào)對(duì)比所產(chǎn)酒精的量，對(duì)比糖化酶廢液和無(wú)機(jī)鹽對(duì)酒精發(fā)酵的影響；根據(jù)2號(hào)和3 號(hào)的產(chǎn)量，觀察兩者同時(shí)添加對(duì)酒精發(fā)酵的影響。

表2 發(fā)酵培養(yǎng)基的配置方案 Table 2 Allocation scheme of fermentation medium

1.6 糖化酶廢液對(duì)糖化作用的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)工藝流程，酶劑、營(yíng)養(yǎng)鹽以及酶廢液添加量如表3 所示。根據(jù)糖化酶廢液的酶活單位低的特性來(lái)調(diào)整糖化酶的添加量，按照表3，木薯原料經(jīng)液化、糖化后與酵母連接，置于30℃恒溫箱中發(fā)酵65 h，蒸餾測(cè)定酒精含量，觀察液化過(guò)程和糖基化過(guò)程加入糖化酶廢液的區(qū)別。以1.1 為基礎(chǔ)，觀察酶廢液對(duì)糖基化反應(yīng)的影響。與1 號(hào)和2 號(hào)相比，1 號(hào)添加了含有營(yíng)養(yǎng)鹽的糖基化酶廢液，無(wú)需單獨(dú)添加營(yíng)養(yǎng)成分。2號(hào)只添加高轉(zhuǎn)化糖基化酶，為與1 號(hào)比較，分別添加10 mL 營(yíng)養(yǎng)鹽。對(duì)比結(jié)果，取平均值。

表3 發(fā)酵培養(yǎng)基的配置方案 Table 3 Configuration scheme of fermentation medium

1.7 酶廢液對(duì)酵母生長(zhǎng)的影響

研究未添加酶廢液和添加酶廢液酵母的生長(zhǎng)情況，發(fā)酵培養(yǎng)基組成比例見(jiàn)表4，每12 h 測(cè)量一次酵母細(xì)胞數(shù)量。

表4 培養(yǎng)基配置表 Table 4 Allocation scheme of fermentation medium

1.8 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)均為3 個(gè)平時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值±標(biāo)注差，并用Excel 2016 軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，采用GraphPad Prism6 軟件處理對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪圖，SPSS 19.0 進(jìn)行單因素方差分析，p<0.05 認(rèn)為顯著性差異，通過(guò)擬合后線性關(guān)系制作響應(yīng)曲面圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 木薯酒精發(fā)酵發(fā)酵工藝中關(guān)鍵反應(yīng)時(shí)間的確定

在木薯酒精生產(chǎn)中，液化時(shí)間和糖化時(shí)間直接關(guān)系到淀粉原料的利用率和酒精的生產(chǎn)周期，因此，在目前已有研究工藝基礎(chǔ)上，對(duì)本研究所用木薯原料的發(fā)酵工藝中液化時(shí)間和糖化時(shí)間進(jìn)行了研究。

2.1.1 木薯淀粉液化時(shí)間對(duì)酒精生產(chǎn)的影響

如果液化時(shí)間太短，淀粉轉(zhuǎn)化成小分子糊精的可能性較小，影響后期糖化速度，淀粉利用率也會(huì)降低，酒精產(chǎn)量就會(huì)減少，這樣既浪費(fèi)了資源，又增加了生產(chǎn)成本。液化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不利于提高生產(chǎn)效率，同時(shí)還浪費(fèi)了蒸煮熱能。通過(guò)設(shè)定不同液化時(shí)間，發(fā)酵65 h 后，蒸餾醪液，最后取平均值，對(duì)比發(fā)酵產(chǎn)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2a 所示。在三個(gè)試劑瓶中2 號(hào)瓶的酒精產(chǎn)量最高，其中，2 號(hào)瓶酒精產(chǎn)量比1 號(hào)瓶高0.7 mL，比3 號(hào)瓶高0.3 mL，比第4 號(hào)瓶高0.4 mL。另外，出酒率不但不會(huì)隨著液化時(shí)間的延長(zhǎng)和酒精產(chǎn)量的增加而增加，反而還會(huì)下降。主要問(wèn)題在于原料液化時(shí)間較短，形成生料，導(dǎo)致發(fā)酵過(guò)程染菌；相反，液化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則容易產(chǎn)生焦化反應(yīng)，因此，液化最佳時(shí)間為70 min。

圖2 不同糖化時(shí)間(a)和液化時(shí)間(b)下的木薯酒精產(chǎn)量 Fig.2 Cassava ethanol production at different saccharification times (a) and liquefaction times (b)

在生產(chǎn)中，如果原料的糖化時(shí)間太短，所需營(yíng)養(yǎng)就不能滿足酵母的生長(zhǎng)。但是，如果糖化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不僅會(huì)增加糖分限量，而且在59℃左右溫度下糖化酶易變性、失活。因此，糖化時(shí)間對(duì)酒精發(fā)酵有直接影響作用，根據(jù)記錄情況，由圖2b 結(jié)果表明，在糖化過(guò)程中，酒精度出現(xiàn)先升后降現(xiàn)象。2 號(hào)瓶比1 號(hào)瓶多0.7 mL，比3 號(hào)瓶多0.4 mL，比4 號(hào)瓶多0.5 mL，在30 min 到40 min 糖化過(guò)程中，酒精產(chǎn)量迅速增加。由此看來(lái)，延長(zhǎng)糖化時(shí)間，不但不能使酒精產(chǎn)量提高，反而還會(huì)降低。因此，40 min 時(shí)糖化最徹底。

2.1.2 木薯淀粉在最佳液化時(shí)間下的利用率和出酒率

實(shí)驗(yàn)中所用100 g 木薯原料中含有72 g 淀粉，該數(shù)量淀粉理論上可生產(chǎn)無(wú)水酒精：理論上可產(chǎn)生96%（V）酒精：

木薯原料在液化時(shí)間70 min 時(shí)，酒精產(chǎn)量為46.2 mL，則：m=46.2 mL×0.789 g/mL=36.45 g（0.789 g/mL代表無(wú)水酒精的密度）。

72 g 淀粉在液化時(shí)間為70 min 時(shí)，可產(chǎn)生上述濃度酒精量為：

2.1.3 淀粉在最佳糖化時(shí)間下的利用率

按照所含72%淀粉的木薯來(lái)生產(chǎn)酒精，理論上可生產(chǎn)無(wú)水酒精為：淀粉為72 g 時(shí)理論上可產(chǎn)生酒精：

糖化、液化時(shí)間分別為40 min、70 min 時(shí)，木薯原料可發(fā)酵生產(chǎn)酒精47.0 mL，則：m=47.0 mL×0.789 g/mL=37.08 g（0.789 g/mL 為無(wú)水酒精的密度）。在液化時(shí)間為70 min 時(shí)，72 g 淀粉，可產(chǎn)生上述濃度酒精為：

2.2 添加糖化酶廢液對(duì)酒精產(chǎn)量的影響

糖化酶廢液含有各種無(wú)機(jī)鹽；而微生物的代謝活動(dòng)離不開(kāi)各種無(wú)機(jī)鹽的參與，為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供各類元素，可以作為維持酶活性的重要組成部分，還可以參與構(gòu)成菌體成分、滲透壓調(diào)節(jié)等。因此，將無(wú)機(jī)鹽和糖化酶廢液用于酒精生產(chǎn)，對(duì)比兩者對(duì)木薯原料酒精發(fā)酵的不同。

按圖1 所示發(fā)酵流程，木薯原料酒精發(fā)酵65 h 后，對(duì)發(fā)酵醪進(jìn)行蒸餾；實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5 所示?？梢钥闯?，3 組酒精發(fā)酵產(chǎn)量不同，第1 組小于第2 組，說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)鹽可促進(jìn)酒精發(fā)酵。第2 組小于第3 組，說(shuō)明酶解廢液代替無(wú)機(jī)鹽用于酒精發(fā)酵是可以的。酶廢液中的營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)微生物生長(zhǎng)有助推作用。第3 組所產(chǎn)酒精之所以比第2 組高，一是能提供豐富的營(yíng)養(yǎng)鹽，二是在含有糖化酶的基礎(chǔ)上又提供了無(wú)機(jī)鹽和糖化酶，比第2 組糖化更完，更有助于后期發(fā)酵反應(yīng)。

圖1 酒精發(fā)酵工藝流程圖 Fig.1 Flow chart of alcohol fermentation process

表5 糖化酶廢液對(duì)酒精發(fā)酵結(jié)果分析 Table 5 Effects of waste saccharifying enzyme solution on alcohol fermentation

2.3 糖化酶廢液添加對(duì)木薯酒精發(fā)酵中原料利用率及無(wú)機(jī)鹽用量的影響

根據(jù)2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可通過(guò)分析對(duì)比無(wú)機(jī)鹽和糖化酶廢液對(duì)出酒率的影響。計(jì)算出提高的出酒率百分比，由此得出發(fā)酵過(guò)程中無(wú)機(jī)鹽的可節(jié)約用量。

（1）只添加無(wú)機(jī)鹽時(shí)

可產(chǎn)生45.0 mL 的純酒精，換算成質(zhì)量為：m=45.0 mL×0.789 g/mL=35.50 g（0.789 g/mL 為無(wú)水酒精的密度）。理論上，淀粉為72 g 時(shí)可生產(chǎn)酒精：43.568 (g)（濃度為96%）。

（2）只添加糖化酶廢液時(shí)

可產(chǎn)生45.5 mL 的純酒精，質(zhì)量換算：m=45.5 mL×0.789 g/mL=35.90 g（0.789 g/mL 為無(wú)水酒精的密度）。添加糖化酶廢液后，72 g 淀粉在實(shí)際生產(chǎn)中可產(chǎn)酒精：

對(duì)比以上兩個(gè)計(jì)算結(jié)果，不難看出原料利用率提高了1.1%，該結(jié)果對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有很好的利用價(jià)值。

（3）無(wú)機(jī)鹽節(jié)約量分析

由（1）可知，添加無(wú)機(jī)鹽可使原料出酒率達(dá)到37.83%，生產(chǎn)1 t 酒精所需原料為：

本試驗(yàn)以含有磷酸二氫銨、硫酸鎂、尿素的原料進(jìn)行添加，可得：

其中：15 為各種原料噸數(shù)，5、2、10 分別代表所含上述無(wú)機(jī)鹽的量。

因淀粉的出酒率在添加糖化酶廢液時(shí)為53.13%，添加無(wú)機(jī)鹽時(shí)為52.54%，提高了1.11%，假如某企業(yè)年產(chǎn)6×104t 酒精，每噸酒精需要2.64 t 原料來(lái)計(jì)算，則需要原料1.58×105t，酒精產(chǎn)量每年可提高1754 t，以每噸酒精5000 元計(jì)算，每年可增加877 萬(wàn)元收益。

因此，為了節(jié)約生產(chǎn)成本，在酒精生產(chǎn)中可用糖化酶液代替無(wú)機(jī)鹽，而且，由于無(wú)機(jī)鹽多為固態(tài)，在調(diào)制溶液時(shí)容易混合不均勻，不利于后續(xù)發(fā)酵，而添加糖化酶廢液，既可以減少步驟，又縮短了時(shí)間，還能減少溶解無(wú)機(jī)鹽所需的耗能。

2.4 淀粉酶廢液添加對(duì)木薯酒精發(fā)酵中酒精產(chǎn)量的影響

淀粉酶是產(chǎn)量大和應(yīng)用廣的一種酶，而且廢液營(yíng)養(yǎng)豐富，充分利用這些有機(jī)營(yíng)養(yǎng)成分，不但可以提高酒精的出酒率，還可以給企業(yè)帶來(lái)不錯(cuò)的收益。同時(shí)，發(fā)酵廢液的處理也在很大程度上降低了環(huán)境的污染程度，而且酒糟要比發(fā)酵廢液更容易處理。考慮到淀粉酶廢液含有大量無(wú)機(jī)鹽，將其用于酒精生產(chǎn)，對(duì)比其和僅添加無(wú)機(jī)鹽對(duì)酒精發(fā)酵的影響。發(fā)酵65 h 后，然后蒸餾醪液，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 糖化酶廢液作用于酒精發(fā)酵結(jié)果分析 Table 6 Effects of waste saccharifying enzyme solution on alcohol fermentation

由表6 中數(shù)據(jù)可知，添加糖化酶廢液時(shí)酒精產(chǎn)率要比添加無(wú)機(jī)鹽高，由此說(shuō)明添加糖化酶廢液作為酵母營(yíng)養(yǎng)鹽的效果要比無(wú)機(jī)鹽，更有利于酵母繁殖、發(fā)酵，與2.3 中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。按照第1 組的3 次平行實(shí)驗(yàn)，可得出3 號(hào)酒精產(chǎn)量最高，2 號(hào)次之，3 號(hào)添加淀粉酶廢液酒精產(chǎn)量最高，說(shuō)明酶廢液活性要高于稀釋劑的活性，對(duì)淀粉液化有利。

2.5 淀粉酶廢液添加對(duì)木薯酒精發(fā)酵中原料利用率及無(wú)機(jī)鹽用量的影響

分析表6 中3 號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，得出節(jié)省淀粉酶的量。結(jié)果如下：

（1）加入淀粉酶稀釋液時(shí)酒精產(chǎn)量為44.5，換算成酒精質(zhì)量為：m=44.5 mL×0.789 g/mL=35.11 g（0.789 g/mL 為無(wú)水酒精的密度）。在添加淀粉酶稀釋液后，72 g 淀粉實(shí)際可生產(chǎn)酒精：（濃度為96%）。

（2）添加酶廢液后酒精產(chǎn)量為45.8 mL，則m=45.8 mL×0.789 g/mL=36.14 g（0.789 g/mL 為無(wú)水酒精的密度）。添加淀粉酶廢液后，72 g 淀粉實(shí)際可生產(chǎn)酒精：

（3）節(jié)約淀粉酶的量計(jì)算

根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果可知，生產(chǎn)1 t 酒精所用原料為2.64 t，以淀粉酶含量為5 U/g 的原料進(jìn)行換算，可節(jié)約淀粉酶：

由（1）～（3）的結(jié)果不難看出，原料利用率提高了2.9%，效果明顯；另外，酶廢液的使用減少了淀粉酶用量，生產(chǎn)成本也隨之降低。

2.6 糖化酶廢液對(duì)發(fā)酵中糖化作用的影響結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)中，木薯酒精發(fā)酵65 h 后，蒸餾醪液，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7 所示。根據(jù)表7 中數(shù)據(jù)，獲知第1 組的酒精產(chǎn)率高于第2 組，說(shuō)明添加糖化酶廢液比添加無(wú)機(jī)鹽更利于酵母發(fā)酵。分析酒精產(chǎn)量，第1 組低于第3 組，第2 組低于第4 組，說(shuō)明酶廢液比酶稀釋劑具有更高的活性、更高的液化度和更高的淀粉轉(zhuǎn)化率。2 組和4 組的產(chǎn)量低于1 組和3 組，說(shuō)明糖化酶液比無(wú)機(jī)鹽效果更好，不僅具有糖化效果，節(jié)省糖化酶，降低生產(chǎn)成本，而且說(shuō)明在酵母的營(yíng)養(yǎng)供給不足的情況下即使淀粉酶活性再高，糊化度再好，也不利于酒精的生產(chǎn)。

表7 糖化酶廢液對(duì)糖化作用影響分析 Table 7 Results of the effect of waste saccharifying enzyme solution on saccharification

分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出節(jié)約糖化酶的量。具體計(jì)算如下：

（1）添加糖化酶廢液和淀粉酶廢液，酒精產(chǎn)量為46.0 mL，則m=46.0 mL×0.789 g/mL=36.29 g（0.789 g/mL 為無(wú)水酒精的密度）。

（2）糖化酶用量節(jié)省計(jì)算

生產(chǎn)1 t 酒精用2.64 t 原料，糖化酶用量（100 U/g）為：100×2.64×106=2.64×108U，節(jié)約用量為總量的0.12倍，且糖化酶的活力為100000 U/mL，則節(jié)約糖化酶的體積為：

2.7 酶廢液添加對(duì)酵母群體生長(zhǎng)的影響研究

為了深入探討酶制劑廢液添加對(duì)木薯酒精發(fā)酵的影響，研究了木薯酒精發(fā)酵菌種酵母菌的群體生長(zhǎng)規(guī)律。通過(guò)每隔12 h 取樣稀釋并采用血球計(jì)數(shù)法，如表8。

表8 酶廢液對(duì)酵母細(xì)胞數(shù)的作用分析 Table 8 Effects of enzyme waste solution on yeast cell count

根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制酵母的生長(zhǎng)曲線，如圖3 所示。從圖3 可以看出，在木薯酒精發(fā)酵過(guò)程中，酵母細(xì)胞的數(shù)量在最初的10 h 內(nèi)緩慢增加。在10 h～36 h，酵母增殖迅速，細(xì)胞呈指數(shù)分裂，酶系異?；钴S；約36 h 左右，數(shù)量達(dá)到峰值。在36 h 后的時(shí)間內(nèi)，屬于穩(wěn)定期，新增細(xì)胞與衰退細(xì)胞數(shù)量相當(dāng)，正負(fù)生長(zhǎng)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。此刻是酵母進(jìn)行酒精發(fā)酵的最佳時(shí)期。

圖3 酵母在木薯酒精發(fā)酵過(guò)程中的生長(zhǎng)曲線 Fig.3 Growth curve of yeast during alcoholic fermentation of cassava

分析結(jié)果，當(dāng)未添加酶廢液時(shí)，酵母生長(zhǎng)良好，添加酶廢液細(xì)胞數(shù)反而減少，這很可能是酶廢液中的有害成分抑制了酵母的生長(zhǎng)，或者缺少酵母賴以生長(zhǎng)的無(wú)機(jī)鹽，或者兩者兼有。但是，這兩種條件下酵母細(xì)胞的數(shù)量級(jí)是相同的，均在（107）上。

3 結(jié)論

3.1 本研究分析了液化和糖化對(duì)酒精發(fā)酵的影響。通過(guò)試驗(yàn)確定了酒精生產(chǎn)的最佳液化時(shí)間為70 min，糖化時(shí)間為40 min，既保證了完全液化和糖化，又降低了能耗，具有實(shí)際生產(chǎn)意義。實(shí)驗(yàn)表明，添加酶廢液不僅解決了環(huán)境污染問(wèn)題，而且還提高了酒精的產(chǎn)量，降低了生產(chǎn)成本，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。結(jié)果表明，每噸酒精生產(chǎn)中添加酶廢液可節(jié)約淀粉酶1320 mL（2 萬(wàn)U/mL）和糖酶316.8 mL（1 萬(wàn)U/mL），且無(wú)需添加磷酸二氫銨、硫酸鎂、尿素等營(yíng)養(yǎng)鹽。

3.2 當(dāng)前，木薯酒精發(fā)酵技術(shù)被廣泛研究，但要使木薯酒精成為具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的生物能源，必須降低木薯酒精的生產(chǎn)成本。將酶制劑廢液用于木薯酒精發(fā)酵是本研究的一個(gè)突破，使淀粉利用率得以提高，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益得以擴(kuò)大，另外，用酶廢液代替淀粉酶和糖酶，還可以降低成本。本文所作研究結(jié)果對(duì)木薯燃料酒精的工業(yè)化應(yīng)用具有一定的借鑒作用。同時(shí)，本研究為提高酶制劑工業(yè)廢液綜合利用，增效減排也有深遠(yuǎn)的意義。