劉忠義 張 勉 張 靜 伍楊洋

(湘潭大學(xué)食品與生物工程系,湘潭 411105)

薯干補(bǔ)料生料發(fā)酵制燃料酒精技術(shù)研究

劉忠義 張 勉 張 靜 伍楊洋

(湘潭大學(xué)食品與生物工程系,湘潭 411105)

采用補(bǔ)料生料發(fā)酵法以薯干為原料制燃料酒精。采用單因素方法對(duì)影響發(fā)酵的工藝條件進(jìn)行了初步研究。結(jié)果表明:料水比是制約發(fā)酵的關(guān)鍵因素;采用補(bǔ)料方式時(shí),在料水比為 4.5時(shí),發(fā)酵醪液中酒精含量和淀粉出酒率都得到大幅度提高;醪液初始 pH值對(duì)發(fā)酵影響不大;醪液中溶解氧含量以及醪液黏稠度對(duì)發(fā)酵有明顯影響。補(bǔ)料生料發(fā)酵從薯干制取燃料酒精具有工業(yè)生產(chǎn)潛力。

紅薯 同時(shí)糖化發(fā)酵 補(bǔ)料發(fā)酵工藝 酒精

紅薯的種植范圍廣,單產(chǎn)量和淀粉含量高,對(duì)土質(zhì)要求低,適應(yīng)性強(qiáng)。紅薯可以加工成各種食品[1],也可以作為代糧作物。但是紅薯干最大的用途是提取淀粉或者是作為淀粉質(zhì)原料直接用做發(fā)酵工業(yè)的原料,用于生產(chǎn)乙醇、味精、有機(jī)酸、氨基酸以及抗生素等[2]。在研究和探尋的可替代化石能源的新型可再生能源(如太陽能、風(fēng)能、生物燃料等)中,使用淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇是現(xiàn)實(shí)可行的方案[3-4]。因?yàn)榇蟛糠值矸圪|(zhì)原料是人類糧食和動(dòng)物飼料 (例如玉米、大米、小麥等),大量用于酒精發(fā)酵可能導(dǎo)致世界糧食安全危機(jī),因此,紅薯原料顯示了獨(dú)特的優(yōu)勢。現(xiàn)代生物技術(shù)可以大幅度提高紅薯的產(chǎn)量及淀粉含量[5-6],紅薯的可發(fā)酵糖含量高于非黏質(zhì)玉米,紅薯等塊根作物作為乙醇生產(chǎn)原料將比玉米等糧食作物具有更大的潛力[5-9]。

淀粉質(zhì)酒精生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)歷了高溫蒸煮—糖化—發(fā)酵工藝到中溫糊化—同時(shí)糖化發(fā)酵工藝的變革,這些工藝都存在能源消費(fèi)比較高等缺點(diǎn),因此現(xiàn)在正研究開發(fā)生料發(fā)酵技術(shù)[10]。在利用紅薯以及土豆等薯干原料的酒精發(fā)酵技術(shù)研究中,一般認(rèn)為這些原料中果膠等含量高,醪液黏度大,不太適合使用生料發(fā)酵方法,而適宜采用中溫糊化—同時(shí)糖化發(fā)酵等工藝[7,9-10]。按照現(xiàn)有生料發(fā)酵方法,薯干酒精發(fā)酵需要較高的料水比,發(fā)酵終了時(shí)醪液中酒精含量低,從醪液中蒸餾出酒精需要消費(fèi)很高的能量。為了提高薯干生料發(fā)酵醪液中酒精含量,本研究以紅薯干為原料,初步探討采用生料發(fā)酵補(bǔ)料工藝制備燃料乙醇的工藝方法,包括料水比、補(bǔ)料比以及補(bǔ)料時(shí)間等因素對(duì)發(fā)酵的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

釀酒高活性耐高溫型干酵母:宜昌安琪酵母股份有限公司;紅薯干:湖南農(nóng)村,用廉 -愛農(nóng)法測定[10-11],其淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(59.3±0.2)%;中溫淀粉酶(活力 2 000 U/mL)、果膠酶 (活力 40 000 U/mL)、糖化酶(活力 100 000 U/mL):棗莊市杰偌生物酶有限公司。

H I9146型微處理溶氧儀:羅馬尼亞 HANNA儀器公司;SPX-250B-Z恒溫生化培養(yǎng)箱:上海博訊實(shí)業(yè)有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 乙醇發(fā)酵試驗(yàn)

每個(gè)試驗(yàn)取100 g薯干粉,加入1 000 mL的發(fā)酵瓶中,然后以原料薯干粉為基準(zhǔn),加入中溫淀粉酶15 U/g、糖化酶 180 U/g、果膠酶 10 U/g以及酵母5 g/kg和自來水,放入恒溫培養(yǎng)箱 30℃進(jìn)行發(fā)酵,前2 d每天攪拌 1次。對(duì)于補(bǔ)料發(fā)酵,開始只加入部分薯干粉和酶以及全部酵母(補(bǔ)料比見表 1),按料水比1:4.5加入自來水,到達(dá)補(bǔ)料時(shí)間后,補(bǔ)足紅薯粉至100 g,再密封發(fā)酵。發(fā)酵 13 d后,取出檢測。所有試驗(yàn)均做 3個(gè)平行試驗(yàn)。

表1 補(bǔ)料發(fā)酵補(bǔ)料比及加料量

1.2.2 乙醇濃度的檢測方法

取 100 mL成熟發(fā)酵液于蒸餾瓶中,加 100 mL蒸餾水,然后蒸出 100 mL溶液,用酒精計(jì)測定此溶液的酒精度以及溫度,查表校正后得到發(fā)酵液的乙醇體積分?jǐn)?shù)。

1.2.3 總殘?zhí)羌鞍l(fā)酵醪液還原糖的檢測

采用廉 -愛農(nóng)法測定[11-12]。發(fā)酵醪液的還原糖的測定采用廉 -愛農(nóng)法中所述的菲林試劑法,即取醪液過濾,直接測定濾液中還原糖含量。

1.2.4 淀粉出酒率的計(jì)算

1.2.5 發(fā)酵醪液黏度的測定

薯干粉按不同料水比與自來水混合,室溫下靜放置1 h,用數(shù)字式旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)在恒溫30℃時(shí)測定黏度。

1.2.6 發(fā)酵醪液中溶解氧的測定

薯干粉按不同料水比與自來水混合,用微處理溶氧儀測定醪液的溶解氧濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 初始 pH值對(duì)發(fā)酵的影響

100 g薯干粉按料水比 1:3.5的比例與室溫下的自來水混合,加入中溫淀粉酶 15 U/g、糖化酶180 U/g、果膠酶 10 U/g以及酵母 5 g/kg,攪拌均勻,放入恒溫培養(yǎng)箱中,在 30℃條件下發(fā)酵 10 d。試驗(yàn)結(jié)果 (見表 2)表明,初始 pH值對(duì)生料薯干酒精發(fā)酵基本上沒有影響。研究報(bào)道生料發(fā)酵法發(fā)酵木薯制作酒精時(shí),需要將初始 pH值調(diào)節(jié)至4.0[13],生料發(fā)酵法發(fā)酵玉米制作酒精時(shí),也需要適當(dāng)調(diào)低初始 pH值[14]。而另一些研究則報(bào)道淀粉質(zhì)原料生料酒精發(fā)酵時(shí)采用自然 pH值即可[15]。理論上,比較低的初始 pH值可以更有效地抑制雜菌污染,有利于發(fā)酵過程。然而,不同原料的特性不同,在酵母最適生長溫度下,對(duì)初始 pH值的要求可能不同。

表2 不同初始pH值對(duì)酒精產(chǎn)出的影響

2.2 不同料水比對(duì)發(fā)酵的影響

薯干粉按不同的料水比與自來水混合,加入與“2.1”相同的酶和酵母量,攪拌均勻,自然 pH值,在30℃恒溫培養(yǎng)箱發(fā)酵 10 d。試驗(yàn)結(jié)果 (見表 3)表明,料水比對(duì)發(fā)酵淀粉出酒率有明顯的影響。發(fā)酵醪液中酒精度開始隨水料比增加而增加,隨后下降。淀粉出酒率則始終隨料水比增加而增加,但是在料水比 1:5.0以后,淀粉出酒率只是略微增加。繼續(xù)增加水量,只能大幅度稀釋醪液中酒精濃度,增加酒精提取時(shí)的能耗,并降低生產(chǎn)設(shè)備的利用率。此外,料水比 1:6.0的試驗(yàn)組的殘總糖明顯偏高,說明醪液中可發(fā)酵性糖未發(fā)酵完全,可能是過多的加水量稀釋了酶濃度和酵母濃度,影響了糖化及發(fā)酵速度。綜合考慮醪液中酒精度以及淀粉出酒率,薯干生料發(fā)酵以料水比 1:4.0至 1:5.0之間為好。

表3 不同料水比對(duì)酒精產(chǎn)出的影響

紅薯中含有豐富的淀粉、纖維素以及果膠物質(zhì),薯干粉碎后,吸水力特別強(qiáng)。不同料水比的醪液的黏度以及醪液中溶解氧濃度見表 4。當(dāng)料水比 1:2.5時(shí),醪液非常稠,呈半固體泥漿狀,以至于幾乎不可能將物料攪拌均勻。由于過于黏稠,在料水比 1:2和 1:3時(shí),醪漿的黏度和溶解氧不能用所用的儀器準(zhǔn)確測定,但肉眼可見相當(dāng)多的微小氣泡粘附在薯干粉上,可以推測,此時(shí)為了將醪漿攪拌均勻,只有增加攪拌時(shí)間和攪拌強(qiáng)度,因此,在攪拌過程中有更多的空氣混入物料中。表 4的數(shù)據(jù)表明,料水比 1:4和1:5時(shí)醪液的黏度高,料水比 1:6時(shí)醪液的黏度開始大幅度降低,大約相當(dāng)于 1:3.5時(shí)的一半,料水比1:7時(shí)醪液的黏度大約只相當(dāng)于 1:3.5時(shí)的 1/10。而從溶解氧濃度來考慮,料水比 1:4時(shí)醪液的溶解氧濃度出現(xiàn)大幅度降低,料水比 1:4以后的醪液的溶解氧濃度雖然一直下降,但是降低的幅度比較平緩。如果不單純考慮溶解氧濃度,那么,從料水比1:4開始直到料水比1:7,醪液中總的溶解氧量基本接近。

表 4 不同料水比的醪液的黏度和溶解氧濃度

酒精發(fā)酵開始時(shí),酵母生長需要適量氧氣,然而過多的氧氣將導(dǎo)致酵母大量繁殖,消耗醪液中部分淀粉,這可能是低水料比時(shí)淀粉出酒率低的主要原因。此外,濃稠物料可能影響酶和底物的接近以及酶的活性,也將導(dǎo)致淀粉出酒率的下降。結(jié)合表 3的數(shù)據(jù)來推測,溶解氧對(duì)淀粉出酒率的影響應(yīng)該比醪液黏度大。

Srichuwong等[7]認(rèn)為土豆中含有很高的纖維素和果膠類物質(zhì),因此,使用“同時(shí)糖化發(fā)酵法”發(fā)酵土豆?jié)怩仓迫【凭珪r(shí),原料必須經(jīng)過果膠酶預(yù)處理以降低醪液粘稠度,否則,發(fā)酵很難進(jìn)行。

2.3 補(bǔ)料對(duì)發(fā)酵的影響

按表 1所列,將薯干粉、酶、酵母量以及水混合,攪拌均勻,自然 pH值,在 30℃恒溫培養(yǎng)箱發(fā)酵,到達(dá)到旺盛發(fā)酵時(shí)加入剩余的薯干粉及酶,適當(dāng)攪拌,繼續(xù)在30℃恒溫培養(yǎng)箱發(fā)酵到終點(diǎn)。結(jié)果(見表 5)表明,和一次投料(見表 3)相比,通過補(bǔ)料方式,醪液中酒精度和淀粉出酒率都得到顯著提高。補(bǔ)料時(shí)間和補(bǔ)料比均顯著影響發(fā)酵,補(bǔ)料時(shí)間的影響大于補(bǔ)料比(P<0.05)。

表5 補(bǔ)料比與補(bǔ)料時(shí)間對(duì)酒精產(chǎn)出的影響

補(bǔ)料時(shí)間第 4天的醪液酒精濃度和淀粉出酒率平均分別為 70.7 mL/L和 47.1%,分別優(yōu)于第 5天的平均值 63.7 mL/L和 41.6%(P<0.05)。隨著補(bǔ)料時(shí)間推遲,殘總糖含量增加,淀粉出酒率降低,醪液中酒精含量降低。這可能是因?yàn)檠a(bǔ)料時(shí)間過晚,酵母已經(jīng)開始進(jìn)入衰亡期,使得補(bǔ)料之后沒有足夠的活性酵母進(jìn)行發(fā)酵,影響了發(fā)酵效果。同時(shí)酵母的重新生長也額外需要消耗部分可發(fā)酵性糖分,這也是淀粉出酒率降低的原因之一。

補(bǔ)料比 6:4時(shí)的淀粉出酒率分別為平均 45.2%,高于 7:3時(shí)的平均值 43.5%(P<0.05),起始原料加入量(補(bǔ)料比)較小有助于淀粉出酒率的提高。此外,補(bǔ)料比 6:4時(shí)的醪液酒精度平均為 69.2%,明顯高于 7:3時(shí)的平均酒精度 65.2%(P<0.05)。

發(fā)酵過程中發(fā)酵醪液的還原糖的變化見表 6。結(jié)果表明,不管是否補(bǔ)料發(fā)酵,薯干生料發(fā)酵過程中發(fā)酵醪液的還原糖含量始終處于低濃度,并且發(fā)酵的前 8天里基本沒有變化。即薯干生料發(fā)酵過程中,酶水解淀粉所得的還原糖基本上被酵母所利用,發(fā)酵過程中不會(huì)積累葡萄糖等還原糖。方毅等[9]研究紅薯干原料同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇時(shí),也表明只要糖化酶用量不是很大時(shí),不會(huì)產(chǎn)生發(fā)酵過程中葡萄糖抑制酵母生長從而降低酒精產(chǎn)量的問題。

表 6 發(fā)酵過程中發(fā)酵醪液還原糖含量的變化/g/L

補(bǔ)料分批發(fā)酵一直用于發(fā)酵生產(chǎn)中。與傳統(tǒng)的分批發(fā)酵相比,補(bǔ)料分批發(fā)酵可以解除底物抑制,葡萄糖效應(yīng)和代謝阻礙;而與連續(xù)發(fā)酵相比,則具有染菌可能性小,菌種不易老化變異等優(yōu)點(diǎn),因此補(bǔ)料分批發(fā)酵是生料發(fā)酵理想的進(jìn)料方式[16]。試驗(yàn)證明可以采用補(bǔ)料分批發(fā)酵方法,提高薯干生料發(fā)酵的淀粉出酒率和發(fā)酵醪液中酒精度。在醪液黏稠度很高的情況下,補(bǔ)料分批發(fā)酵可以有效降低發(fā)酵過程中醪液黏稠度和溶解氧含量,提高發(fā)酵效率。

補(bǔ)料發(fā)酵之所以能大幅度提高淀粉出酒率和醪液中酒精度,與開始加入相對(duì)較少的原料能有效降低醪液的黏稠度和溶解氧濃度有關(guān)。例如,按照料水比 1:4.5和補(bǔ)料比 6:4計(jì)算,由于開始值加入60%的薯干粉,實(shí)際上開始發(fā)酵時(shí)的料水比只相當(dāng)于 1:7.5,其余的原料在發(fā)酵旺盛時(shí)再加入,由于補(bǔ)料時(shí)的輕微攪拌操作,會(huì)適當(dāng)補(bǔ)充一點(diǎn)溶解氧進(jìn)入發(fā)酵醪液中。整個(gè)發(fā)酵過程中合適的總?cè)芙庋趿坑欣诮湍傅纳L和發(fā)酵,較低的黏稠度有利于酶與薯干淀粉充分接觸,有效提高淀粉的水解效率。

試驗(yàn)所用薯干的淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)經(jīng)測定為59.3%,其理論酒精產(chǎn)率約為 49.5%,采用補(bǔ)料分批發(fā)酵,薯干發(fā)酵的試驗(yàn)酒精產(chǎn)率達(dá)到 46.9%～47. 2%,和理論產(chǎn)率很接近。下一步試驗(yàn)需要進(jìn)一步優(yōu)化補(bǔ)料生料薯干酒精發(fā)酵的工藝參數(shù),并探索降低薯干粉醪液粘稠度的實(shí)用方法,進(jìn)一步提高醪液的酒精含量。

3 結(jié)論

3.1 料水比為 1:4.5,補(bǔ)料分批培養(yǎng)可以將薯干酒精發(fā)酵的淀粉出酒率從 36.1%提高到 46.9%～47.2%,醪液中酒精度從 55 mL/L提高到 68.7～72.7 mL/L。3.2 初始 pH值采用自然 pH值,對(duì)薯干生料酒精發(fā)酵基本沒有影響。

3.3 補(bǔ)料時(shí)間第 4天的醪液酒精濃度和淀粉出酒率平均分別為 70.7 mL/L和 47.1%,優(yōu)于第 5天的63.7 mL/L和 41.6%。

3.4 補(bǔ)料比 6:4時(shí)的醪液酒精度和淀粉出酒率分別為平均 69.2 mL/L和 45.2%,高于 7:3時(shí)的65.2 mL/L和 43.5%。

3.5 補(bǔ)料分批發(fā)酵可以有效降低發(fā)酵過程中醪液黏稠度和溶解氧含量。

[1]劉金.紅薯深加工前景樂觀 [EB/OL].http://www.sla2 gri.cn/Html/,2010-03-13

[2]李艷.發(fā)酵工業(yè)概論 [M].北京:中國輕工業(yè)出版社, 2002

[3]張揚(yáng)健,向威達(dá),周濤,等.我國燃料乙醇發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢分析[J].中國能源,2009,31(1):31-34

[4]莊新姝,袁振宏,孫永明,等.中國燃料乙醇的應(yīng)用及生產(chǎn)技術(shù)的效益分析與評(píng)價(jià) [J].太陽能學(xué)報(bào),2007,30 (4):526-531

[5]黃橙.轉(zhuǎn)基因甘薯:在更大的空間中“收獲”能源 [EB/ OL].http://www.hbxhkj.gov.cn/,2010-03-14

[6]黃光文,傅中雄,謝飛,等.紅薯燃料乙醇的開發(fā)和創(chuàng)新[J].湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào),2008,29(10):102-104

[7]Srichuwong S,FujiwaraM,Wang Xiaohui,et al.Si multane2 ous saccharification and fermentation (SSF)of very high gravity(VHG)potato mash for the production of ethanol [J].Biomass and Bioenergy,2009,33:890-898

[8]朱薇,傅學(xué)正,管天球,等.紅薯生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)研究[J].湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào),2008,29(4):47-49

[9]方毅,印培民,黃筱萍.紅薯干原料同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究[J].江西科學(xué),2008,26(5):719-723

[10]段剛,許宏賢,孫長平.乙醇生產(chǎn)的技術(shù)進(jìn)步——新型酶技術(shù)結(jié)合乙醇生料發(fā)酵生產(chǎn)帶來的突破[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2006,32(7):65-69

[11]蔡定域.釀酒工業(yè)分析手冊[M].北京:中國輕工業(yè)出版社,1988

[12]吳國峰,李國金,馬永強(qiáng),等.工業(yè)發(fā)酵分析 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006

[13]李志平,龐宗文.生木薯淀粉直接發(fā)酵生產(chǎn)酒精的發(fā)酵條件研究[J].釀酒科技,2005(12):57-59

[14]韋珂,黎金鋒,覃曉霞,等.玉米淀粉質(zhì)原料生料酒精發(fā)酵的研究[J].廣西農(nóng)業(yè)生物科學(xué),2007,26(3):253 -255

[15]王啟軍,張東亮,張水華.生料法釀造不同酒之工藝參數(shù)[J].中國釀造,2004(26):42-45

[16]陳堅(jiān),堵國成,李寅,等.發(fā)酵工程實(shí)用技術(shù) [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

Feeding-Batch Simultaneous Saccharification and Fe rmentation ofUn-Cooked Dried S weet Potato for ProducingAlcohol

Liu Zhongyi ZhangMian Zhang Jing Wu Yangyang
(Department of Food and Biological Technology,Xiangtan University,Xiangtan 411105)

Fuel ethanol was made from un-cooked dried sweet potato by using feeding-batch simultaneous saccharification and fermentation technology.Some process parameters were preliminarily investigated with singlefactor test,and revealed that the ratio ofmaterials and waterwasone of the key factors affecting the simultaneous sac2 charification and fermentation of raw sweet potato.Results:Using feeding-batch culture technology,the alcohol content of fermentedmash and alcohol yield rate of the sweetpotato starch are significantly increased when the ratio of materials and water is 1:4.5.The fermentation of s weet potato for producing alcohol is hardly affected by initial pH value,and can be completed at natural pH.The feeding-batch simultaneous saccharification and fer mentation tech2 nology of un-cooked sweet potato for producing alcohol displays potential application in industry.

s weet potato,simultaneous saccharification and fer mentation,feeding-batch culture,alcohol

TS262.2;TS261.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-0174(2010)06-0041-05

湖南省科技廳社會(huì)發(fā)展計(jì)劃(2008SK4022)

2009-07-25

劉忠義,男,1964年出生,博士,教授,食品生物技術(shù)