劉漢靈，楊 勇，王孝英，易躍武

微波預處理木薯發(fā)酵酒精的研究

劉漢靈1,2，楊 勇1,*，王孝英1，易躍武1

(1. 廣西大學化學化工學院，廣西 南寧 530004；2. 廣西南寧龐博生物工程有限公司，廣西 南寧 530004)

利用微波預處理木薯代替?zhèn)鹘y(tǒng)酒精發(fā)酵生產(chǎn)中的蒸煮液化工藝，并對微波預處理后的木薯進行無蒸煮發(fā)酵工藝的研究。通過正交試驗，得出微波處理后的木薯最佳發(fā)酵條件為：料水質(zhì)量比1:2.8，糖化酶添加量180U/g，活性干酵母添加量為原料質(zhì)量的0.3%，氮源用量為原料質(zhì)量的0.3%，30℃發(fā)酵72h，發(fā)酵醪液的酒精體積分數(shù)達到12.7%。通過與傳統(tǒng)蒸煮液化工藝進行能耗對比，至少節(jié)省30.8%的能耗。

酒精；木薯；微波；預處理；節(jié)能

酒精有廣泛的用途和作用，在日常生活中，常用濃度較高的食用酒精來配置多種白酒、果酒等酒精飲料。用淀粉質(zhì)原料發(fā)酵酒精的傳統(tǒng)工藝，必須通過高溫高壓蒸煮的淀粉液化階段，此階段占總能耗30%～40%，節(jié)能的酒精發(fā)酵技術已成為當前研究的熱點[1-5]。

微波技術具有節(jié)省能源和時間、簡化操作程序、提高加熱速率等優(yōu)點。微波技術已成功用于植物纖維素原料的預處理[6-7]，用微波預處理稻草進行發(fā)酵酒精也取得了不錯的效果[8]。微波加熱不同于傳統(tǒng)的加熱方式，微波進入物料內(nèi)部轉(zhuǎn)化為熱能的同時，對淀粉晶體也有一定程度的破壞，從而有利于酶的作用[9-10]。在一般情況下，淀粉物質(zhì)的含水量越大，介電損耗也越大，有利于提高微波的加熱效率[11-12]。對含水量不同的木薯淀粉進行微波處理后，能形成大小不同的爆裂孔，當微波處理時淀粉的水分含量達到35%，處理后的淀粉除形成爆裂孔外，還會發(fā)生一定程度的糊化[13]。

本實驗用微波代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高溫高壓蒸煮對木薯進行處理，用處理后的原料直接進行發(fā)酵實驗，為節(jié)能發(fā)酵工藝的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

木薯干粉(淀粉含量68.4%；水分含量13.2%) 市售；釀酒活性干酵母 湖北安琪酵母股份有限公司；糖化酶(105U/g) 南寧龐博生物工程有限公司。

1.2 儀器與設備

格蘭仕家用微波爐 佛山市順德格蘭仕微波爐電器有限公司；酒精濃度計 河北省武強縣同輝儀表廠；電子分析天平 江蘇常熟雙杰測試儀器廠；單相電能表德力西集團儀器儀表有限公司；生化培養(yǎng)箱 上海博泰試驗設備有限公司；干燥箱 上海精宏試驗設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

取50.0g木薯干粉于500mL的燒杯中，按料水質(zhì)量比1:0.6加水，攪拌均勻后，置于微波爐內(nèi)，800W加熱60s，取出冷卻后置于45℃的恒溫干燥箱中干燥，待樣品干燥好后，用高速萬能粉碎機粉碎，粉碎樣品過100目篩后用于掃描電鏡(SEM)分析。

1.3.2 原木薯粉發(fā)酵酒精實驗

稱取50.0g木薯干粉于500mL三角瓶中，按發(fā)酵料水比1:3.0加入水、糖化酶、酵母和尿素，塞上發(fā)酵栓，30℃靜置發(fā)酵72h，蒸餾測量酒精的體積分數(shù)。

1.3.3 傳統(tǒng)蒸煮發(fā)酵酒精實驗

稱取50.0g木薯干粉，按料水比1:3.0與水均勻混合于500mL的三角瓶中，加入液化酶，于沸水浴中液化1h，冷卻至60℃后，加入糖化酶，60℃糖化1h，待糖化醪液冷卻至30℃，加入酵母和尿素，塞上發(fā)酵栓，于30℃靜置發(fā)酵72h，蒸餾測量酒精的體積分數(shù)。

1.3.4 微波預處理木薯發(fā)酵酒精實驗

稱取一定質(zhì)量的木薯干粉于500mL的燒杯中，按料水比1:0.6加水，攪拌均勻后置于微波爐內(nèi)，800W加熱60s，轉(zhuǎn)移至三角瓶中，按發(fā)酵料水比補加水，加入糖化酶、尿素和酵母，塞上發(fā)酵栓，30℃靜置發(fā)酵72h，蒸餾測量酒精的體積分數(shù)。

1.3.5 微波預處理木薯粉同步糖化發(fā)酵的單因素試驗

30℃發(fā)酵72h，分別考察不同發(fā)酵料水比、糖化酶用量、酵母添加量、氮源添加量對發(fā)酵的影響。

1.3.6 微波預處理木薯粉同步糖化發(fā)酵條件的正交優(yōu)化

在單因素的基礎上，選擇發(fā)酵料水比、糖化酶用量、酵母添加量、尿素添加量4個因素，設計四因素三水平的正交試驗，見表1。

表1 正交試驗因素及水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments

1.3.7 分析方法[14]

水分的測定：105℃烘至恒質(zhì)量；淀粉測定：稀酸水解法；酒精體積分數(shù)的測定：取100mL成熟發(fā)酵液于500mL蒸餾瓶中，加100mL去離子水，然后蒸餾出100mL溶液，利用酒精濃度計測定此溶液的酒精度，同時測定溫度，換算成20℃時的酒精體積分數(shù)。

2 結果與分析

圖1 木薯粉處理前后的電鏡圖Fig.1 SEM of untreated and pretreated cassava powder

2.1 微波處理前后木薯的電鏡掃描圖如圖1所示，原木薯粉主要以球形和半球形顆粒狀淀粉形式存在，當以1:0.6的料水比加入水后，混合均勻，木薯粉在800W微波功率下加熱60s，顆粒狀淀粉消失，木薯粉形成了無定形的物質(zhì)，以糊化態(tài)形式存在。

2.2 不同發(fā)酵工藝的實驗結果由表2可知，原木薯粉發(fā)酵效果差，發(fā)酵后酒精體積分數(shù)僅為6.3%，當木薯經(jīng)微波預處理后，直接進行發(fā)酵，發(fā)酵效果達到了傳統(tǒng)蒸煮工藝水平。這是因為淀粉顆粒是一種規(guī)則的層狀結構的晶體，具有抵抗外力作用的外膜，使得生物酶不易對其發(fā)生作用，據(jù)測定α-淀粉酶水解糊化淀粉與水解原淀粉顆粒的速率之比為1:20000[1]。在發(fā)酵過程中，酵母不能直接利用淀粉，

表2 不同發(fā)酵工藝的實驗結果Table 2 Alcohol yield from ifferent fermentation processes

當糖化酶將大分子鏈的淀粉水解為還原糖時，酵母才能消耗可發(fā)酵性還原糖產(chǎn)生酒精，由于糖化酶水解原木薯粉的速度緩慢，為酵母提供的糖分少，導致發(fā)酵后的酒精體積分數(shù)低。當木薯粉經(jīng)微波處理后，木薯粉變成了無定形的糊化態(tài)，木薯中淀粉顆粒由原來規(guī)則的層狀晶體結構變成了不規(guī)則舒張的網(wǎng)狀結構，極大地促進了酶解作用，使得發(fā)酵能順利進行，發(fā)酵效果達到了傳統(tǒng)蒸煮發(fā)酵工藝水平。

2.3 單因素試驗

2.3.1 料水比的影響

表3 不同料水比對發(fā)酵的影響Table 3 Effect of ratio of material to water on fermentation

在同步糖化的發(fā)酵過程中，糖化酶的酶解會貫穿整個發(fā)酵過程，發(fā)酵料水質(zhì)量比直接影響到酶及酵母的代謝活動，對發(fā)酵結果有很大的影響。由表3可知，隨著發(fā)酵時水與料質(zhì)量比的增大，淀粉的利用率增加，發(fā)酵醪液中的酒精含量減小，而醪液中酒精含量的減小，會使得后續(xù)蒸餾的能耗加大。綜合考慮醪液的酒精體積分數(shù)和原料淀粉的利用率，水與料的質(zhì)量比在3.0:1左右較為適合。

2.3.2 糖化酶添加量的影響

表4 糖化酶添加量對發(fā)酵的影響Table 4 Effect of amount of glucoamylase addition on fermentation

糖化酶的用量對發(fā)酵有很大的影響，糖化酶添加太多，糖化速度過大，過剩的還原糖會利于雜菌的生長，而糖化酶添加過少，糖化速度較慢，又不利于發(fā)酵。由表4可知，糖化酶添加量在180U/g時，乙醇的體積分數(shù)最高，表明此時糖化與發(fā)酵的速度基本一致。

2.3.3 活性干酵母添加量的影響

表5 活性干酵母添加量對發(fā)酵的影響Table 5 Effect of active dry yeast added on fermentation

活性干酵母的添加量對發(fā)酵的影響也非常重要，添加量過少，發(fā)酵不充分，添加量過大，糖化和發(fā)酵不能同時進行，酵母的活性降低。由表5可知，活性干酵母的添加量為原料質(zhì)量的0.3%時，酒精體積分數(shù)最大，故選擇活性干酵母添加量為0.3%。

2.3.4 氮源(尿素)添加量的影響

表6 氮源添加量對發(fā)酵的影響Table 6 Effect of the amount of nitrogen addition on fermentation

由表6可知，添加一定量的氮源對發(fā)酵有一定的促進作用，添加量為原料質(zhì)量的0.2%～0.3%時，發(fā)酵效果最好，再增大氮源添加量，酵母的代謝活動可能受到一定程度的抑制，使得醪液酒精體積分數(shù)反而減小。

2.4 微波預處理木薯粉同步糖化發(fā)酵條件的正交優(yōu)化

以發(fā)酵醪液的酒精度做為評價指標，正交優(yōu)化試驗結果見表7。

表7 正交試驗結果Table 7 Results of orthogonal experiments

由表7可知，RA＞RB＞RD＞RC，發(fā)酵的最佳條件為：A1B3C2D3，即料水比為1:2.8，糖化酶量180U/g，酵母接種量為原料質(zhì)量的0.3%，尿素添加量為原料質(zhì)量的0.3%，對優(yōu)化條件進行驗證試驗，醪液中的酒精體積分數(shù)為12.7%。

2.5 微波預處理木薯發(fā)酵酒精與傳統(tǒng)工藝的能耗對比

2.5.1 微波單次處理木薯質(zhì)量對發(fā)酵酒精體積分數(shù)與能耗的影響

表8 微波單次處理木薯質(zhì)量對發(fā)酵與能耗的影響Table 8 Effect of single microwave pretreatment of cassava on fermentation and energy consumption

微波預處理木薯在優(yōu)化后的工藝條件下進行發(fā)酵，由表8可知，當單次處理木薯質(zhì)量在100g以下時，發(fā)酵醪液的酒精體積分數(shù)基本一致。而單次處理所需的能耗與單次處理的原料質(zhì)量無關，電表轉(zhuǎn)數(shù)均在3 1～32r。從能耗與物料發(fā)酵后醪液的酒精體積分數(shù)綜合考慮，單次處理質(zhì)量選擇100g進行能耗計算，則處理1kg需耗能為775～800kJ。

2.5.2 傳統(tǒng)蒸煮液化能量消耗計算[15]

木薯的比熱計算如下：

式中：c木薯為木薯比熱/(kcal/(kg·℃))；c0為木薯絕干比熱/(0.37 kcal/(kg·℃))；W為木薯水分含量/%；c水為水的比熱/(kcal/(kg·℃))。

傳統(tǒng)蒸煮液化法生產(chǎn)酒精時料水比為1:3，對于1kg的木薯粉，則需加水3kg，蒸煮液化溫度100℃，加熱液化時的起始溫度為20℃，則Δt=80℃，液化升溫所需要的能量為：

而微波處理1kg木薯干粉消耗的能量為800kJ。相比料水比為1:3.0的傳統(tǒng)液化工藝，微波預處理工藝節(jié)省能耗30.8%。

由于傳統(tǒng)工藝液化過程需要維持在100℃一定時間，這部分能耗還未計算，所以利用微波預處理木薯發(fā)酵至少節(jié)省30.8%的能耗。

3 結論與討論

3.1 通過SEM分析，微波預處理后的木薯粉變?yōu)榱藷o定形的糊化態(tài)。對預處理木薯粉進行無蒸煮同步糖化發(fā)酵，發(fā)酵效果達到了傳統(tǒng)蒸煮工藝水平。通過正交試驗確定微波處理木薯粉無蒸煮同步糖化發(fā)酵的最佳工藝條件為：發(fā)酵料水比1:2.8，糖化酶用量180U/g，酵母接種量為原料質(zhì)量的0.3%，氮源添加量為原料質(zhì)量的0.3%，在優(yōu)化后的工藝條件下發(fā)酵，酒精體積分數(shù)達到12.7%。

3.2 利用微波技術對木薯進行處理代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蒸煮液化工藝，從能耗上來計算，節(jié)省能耗達到30%以上。

3.3 利用微波技術對木薯進行處理后進行無蒸煮發(fā)酵酒精，簡化了發(fā)酵工藝，縮短了處理時間，節(jié)約了大量蒸汽和冷卻用水，從而減少了廠房和蒸煮設備的投資，大大降低了酒精的生產(chǎn)成本，具有一定的應用前景。

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Microwave Pretreatment as an Alternative to Thermal Liquidation Followed by Fermentation for Alcohol Production from Cassava

LIU Han-ling1,2，YANG Yong1,*，WANG Xiao-ying1，YI Yue-wu1
(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China；2. Guangxi Nanning Pangbo Biological Engineering Co. Ltd., Nanning 530004, China)

In this paper, microwave pretreatment of cassava substituted the traditional cooking and liquefaction process during alcohol fermentation and the optimization of uncooking fermentation process by using microwave pretreated cassava was studied. The optimal fermentation conditions by using microwave pretreated cassava were obtained through orthogonal experiments and the results were as follows: the ratio of cassava and water was 1:2.8, the quantity of glucoamylase added at 180 U/g, the addition of active dry yeast was 0.3%, and the amount of nitrogen was 0.3%. Under the optimal conditions, the ethanol content in fermentation mash was 12.7% after fermentation at 30 ℃ for 72 h. The energy consumption of microwave pretreatment process can be saved at 30.8% compared with traditional cooking and liquefaction process.

alcohol；cassava；microwave；pretreatment；energy save

TS205.9

A

1002-6630(2011)03-0161-04

2010-05-25

劉漢靈(1963—)，男，副教授，博士，研究方向為生物化工。E-mail：zjb@gxpangbo.com

*通信作者：楊勇(1982—)，男，碩士研究生，研究方向為生物化工。E-mail：yong1234444@yahoo.com.cn