李安平 謝碧霞 田玉峰 丁顏鵬

(中南林業(yè)科技大學(xué)，長沙 411004)

橡實(shí)淀粉生料發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精工藝研究

李安平 謝碧霞 田玉峰 丁顏鵬

(中南林業(yè)科技大學(xué)，長沙 411004)

對(duì)以橡實(shí)淀粉為原料生料發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精的工藝條件進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:采用超聲波助提法可有效脫除單寧，提高橡實(shí)淀粉的燃料酒精轉(zhuǎn)化率。單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)得出的橡實(shí)淀粉生料發(fā)酵最佳工藝參數(shù)為料水比16∶10，α－淀粉酶50 U/g，糖化酶190 U/g，發(fā)酵溫度25℃，發(fā)酵時(shí)間7 d。

橡實(shí)淀粉 生料發(fā)酵 酒精 工藝

燃料酒精作為一種可再生的潔凈能源，能替代日益稀少、不可再生的石油化工產(chǎn)品，具有廣闊的市場前景［1］。然而，傳統(tǒng)用糧食生產(chǎn)酒精的巨額成本限制了燃料酒精的推廣使用，而且以玉米等糧食為原料生產(chǎn)酒精，必然引發(fā)糧食價(jià)格上漲。因此，尋求廉價(jià)易得的酒精生物質(zhì)原料成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

橡實(shí)是泛指除大量栽培種板栗以外的殼斗科(Fagaceae)植物種仁的總稱。我國橡實(shí)資源非常豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)橡實(shí)林面積達(dá)1．33 ×107～1．6 ×107hm2，年產(chǎn)橡實(shí)估計(jì)在60～70億 kg［2］。橡實(shí)種仁中淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)30%～70%，其中又以石櫟屬和栗屬淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，可達(dá)60%～80%。大多數(shù)橡實(shí)種仁具有較重的苦味，不能直接食用，實(shí)際利用較少。以橡實(shí)淀粉為原料生產(chǎn)生物燃料酒精則是一條較好的利用途徑。傳統(tǒng)的酒精生產(chǎn)工藝中，原料需先粉碎蒸煮、糖化后再發(fā)酵蒸餾出酒精，其工藝復(fù)雜，能耗大，成本高［3］。本研究以橡實(shí)的典型代表——栓皮櫟(Quercus variabilis)為對(duì)象［4］，對(duì)橡實(shí)免蒸煮生料酒精發(fā)酵進(jìn)行了試驗(yàn)，以期為橡實(shí)淀粉質(zhì)原料生料酒精發(fā)酵的高效、節(jié)能、降耗新工藝提供技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)材料

新鮮栓皮櫟:湖南省南岳森林植物園;糖化酶(50 000 U/g)、20 000α －淀粉酶(20 000 U/g):蘇州普瑞信生物技術(shù)有限公司;其他試劑均為分析純。

1．2 菌種

白酒王活性干酵母，用2%的葡萄糖溶液30℃活化1 h備用:湖北宜昌安琪酵母股份有限公司。

1．3 儀器與設(shè)備

高壓滅菌鍋:四川省新德醫(yī)療器械有限公司;ZN－04A型粉碎機(jī):北京興時(shí)利和科技發(fā)展有限公;DM－LZ150立軸式磨漿機(jī):廣西柳州市金海食品機(jī)械廠;無菌操作臺(tái):蘇州億達(dá)凈化實(shí)驗(yàn)室設(shè)備;WD800G型微波爐:廣東格蘭仕集團(tuán)有限公司;TDL－40B式離心機(jī):上海市金鵬分析儀器有限公司;HSX智能恒溫恒濕培養(yǎng)箱:金壇市萬華實(shí)驗(yàn)儀器廠。

1．4 橡實(shí)淀粉乙醇制備工藝

橡實(shí)種仁→去殼→磨漿→浸泡洗滌去單寧→靜置分層→橡實(shí)淀粉→酶處理→接種發(fā)酵→蒸餾→燃料乙醇

1．5 橡實(shí)淀粉單寧脫出試驗(yàn)

橡實(shí)淀粉單寧脫出試驗(yàn)分別采用常規(guī)水浸提法、超聲波助提法和微波助提法。

常規(guī)水浸提法:將洗凈的橡實(shí)種仁與水混合磨漿后放入浸泡池浸泡，溫度為25～35℃，浸泡約10 h后換水繼續(xù)浸泡，換水3～4次即可。

超聲波助提法:將洗凈的橡實(shí)種仁與水混合磨漿后放入超聲波處理盒內(nèi)，超聲波頻率設(shè)定為47．6 kHz、功率為454 W，料液溫度為30℃，料水比1∶30，超聲波處理時(shí)間為40 min。

微波助提法:將洗凈的橡實(shí)種仁與水混合磨漿后放入微波處理盒內(nèi)，微波功率設(shè)定為800 W，料液溫度為30℃，料水比為1∶30，微波處理時(shí)間為40 min。

1．6 單寧的測定

單寧用722型分光光度計(jì)比色法測定。

1．7 酒精度測定

取100 mL待測定液到蒸餾瓶中，加入100 mL蒸餾水，混勻后蒸餾。取餾出液100 mL用酒精計(jì)測定20℃條件下餾出液中的酒精度。

1．8 酒精轉(zhuǎn)化率［5］

酒精轉(zhuǎn)化率=(酒精體積×酒精度)/淀粉質(zhì)量×100%

2 結(jié)果與分析

2．1 不同單寧脫除方法對(duì)橡實(shí)淀粉酒精轉(zhuǎn)化率的影響

橡實(shí)含有較豐富的單寧成分，不僅對(duì)口感和消化有不良影響，而且對(duì)酵母發(fā)酵有一定的抑制作用，降低酒精轉(zhuǎn)化率，因此，橡實(shí)淀粉發(fā)酵前須設(shè)法降低單寧含量。分別采用常規(guī)水浸提法、超聲波助提法、微波助提法等3種方法處理，在料水比16∶10，糖化酶、α－淀粉酶和干酵母添加量(以橡實(shí)淀粉質(zhì)量為基礎(chǔ))分別為180 U/g、10 U/g和0．15%，在30 ℃下處理30 min，然后在30℃下發(fā)酵8 d，考察3種方法對(duì)橡實(shí)淀粉發(fā)酵酒精轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果如表1。

表1 不同單寧脫除方法對(duì)橡實(shí)淀粉酒精轉(zhuǎn)化率的影響

由表1可知，3種提取方法對(duì)橡實(shí)單寧的脫除有顯著性影響(P≤0．05)，其中以超聲波助提法與微波助提法效果較好。橡實(shí)淀粉分別采用3種方法脫除單寧后發(fā)酵，測得它們的酒精轉(zhuǎn)化率有顯著性差異(P≤0．05)，其中酒精轉(zhuǎn)化率最高的是超聲波助提法，最低的是常規(guī)水浸提法。常規(guī)水浸提法成本較低，時(shí)間較長，而超聲波助提法和微波助提法耗時(shí)較短，效率較高，有益于工業(yè)化生產(chǎn)，但微波助提法對(duì)操作人員有一定輻射傷害，因此，采用超聲波助提法是較好選擇。

2．2 料水比對(duì)橡實(shí)淀粉生料發(fā)酵酒精的影響

在糖化酶、α－淀粉酶和干酵母添加量分別為180 U/g、10 U/g和0．15%的條件下，經(jīng)35℃處理30 min，然后在30℃下發(fā)酵8 d，測試不同料水比對(duì)橡實(shí)淀粉生料發(fā)酵的影響，結(jié)果見圖1。

隨著料水比的增加，醪液酒精度逐漸提高，但當(dāng)料水比高于16∶10后，醪液酒精度增加平緩。料水比高，醪液酒度就高，生產(chǎn)發(fā)酵用水就少，蒸餾工段的能耗相應(yīng)也少。這與張紀(jì)鵬等［6］的研究結(jié)論相一致。同時(shí)，隨著料水比的增加，橡實(shí)淀粉的酒精轉(zhuǎn)化率逐漸降低。料水比提高，醪液酒度就越高，酒精對(duì)酵母的抑制作用變大，原料的利用率減少［7－9］。因此，為了避免因底物和產(chǎn)物抑制而造成原料發(fā)酵不徹底，料水比控制在16∶10是比較恰當(dāng)?shù)摹?/p>

圖1 料水比對(duì)橡實(shí)淀粉生料發(fā)酵酒精的影響

2．3 α－淀粉酶和糖化酶添加量的確定

酵母不能直接將淀粉轉(zhuǎn)化為酒精，在發(fā)酵之前需將淀粉酶解。橡實(shí)淀粉經(jīng)脫單寧預(yù)處理后，按料水比為16∶10加入適量的水，然后加入一定量的α－淀粉酶和糖化酶在30℃條件下進(jìn)行酶解。按干酵母添加量為0．15%，在30℃下發(fā)酵8 d，分別考察不同酶的添加量對(duì)橡實(shí)淀粉酒精轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 α－淀粉酶和糖化酶添加量對(duì)橡實(shí)淀粉生料發(fā)酵酒精的影響

從圖2可以看出，隨著α－淀粉酶和糖化酶用量的增加，橡實(shí)淀粉轉(zhuǎn)化為酒精的比率逐漸增大。α－淀粉酶用量從30 U/g增大到50 U/g，對(duì)橡實(shí)淀粉酒精轉(zhuǎn)化率有顯著性影響(P＜0．05)，但從50 U/g增大到60 U/g時(shí)變化較小(P＞0．05)。糖化酶用量小于190 U/g時(shí)，用量變化對(duì)于酒精轉(zhuǎn)化率影響較大(P ＜0．05)，但大于此用量后影響變小(P ＞0．05)。因此，α－淀粉酶和糖化酶用量分別為50 U/g和190 U/g能獲得較高的酒精轉(zhuǎn)化率。

2．4 發(fā)酵時(shí)間和溫度對(duì)橡實(shí)淀粉生料發(fā)酵酒精的影響

α－淀粉酶和糖化酶添加量分別為50 U/g和190 U/g，料水比控制在16∶10，干酵母添加量為0．15%的條件下發(fā)酵，比較不同的發(fā)酵溫度和時(shí)間對(duì)橡實(shí)淀粉生料發(fā)酵酒精轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 發(fā)酵時(shí)間和溫度對(duì)橡實(shí)淀粉生料發(fā)酵酒精的影響

從圖3可以看出，發(fā)酵溫度越高，達(dá)到相同的酒精轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間越短［10］，但高溫發(fā)酵能耗大，同時(shí)也失去了生料發(fā)酵的意義。發(fā)酵溫度為25℃、30℃和35℃條件下經(jīng)過7 d后，其酒精轉(zhuǎn)化率基本接近，因此25℃發(fā)酵溫度是較好的選擇。發(fā)酵時(shí)間長，酒精轉(zhuǎn)化率增大，原料利用率提高，但時(shí)間長，生產(chǎn)周期就長，效率就低。25℃以上溫度的發(fā)酵，經(jīng)過7 d后酒精轉(zhuǎn)化率變化很小。因此綜合考慮，發(fā)酵溫度選擇25℃，時(shí)間為7 d是比較恰當(dāng)?shù)摹?/p>

2．5 橡實(shí)淀粉生料發(fā)酵酒精最佳工藝條件的確定

在考察了影響橡實(shí)淀粉生料發(fā)酵酒精的各個(gè)因素后，為了獲取最佳的工藝條件組合，選擇對(duì)橡實(shí)淀粉生料發(fā)酵酒精影響較大的5個(gè)因素(包括料水比、α－淀粉酶用量、糖化酶用量、發(fā)酵溫度和發(fā)酵時(shí)間)進(jìn)行正交試驗(yàn)。試驗(yàn)以酒精轉(zhuǎn)化率為試驗(yàn)指標(biāo)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2，方差分析見表3，多重比較結(jié)果見表4。

從表3可以看出，料水比、α－淀粉酶用量、糖化酶用量和發(fā)酵時(shí)間等4個(gè)因素對(duì)橡實(shí)淀粉生料發(fā)酵酒精轉(zhuǎn)化率具有極顯著的影響(P＜0．01)，發(fā)酵溫度具有顯著性影響(P＜0．05)。經(jīng)過LSRα法比較各因素不同水平之間的差異顯著性，得出最佳的工藝參數(shù)組合為:料水比14∶10，α－淀粉酶50 U/g，糖化酶190 U/g，發(fā)酵溫度25℃，發(fā)酵時(shí)間7 d。料水比低，雖可獲得較高的酒精轉(zhuǎn)化率，但效率低，成本高，因此綜合考慮，實(shí)際選擇為料水比16∶10，α－淀粉酶50 U/g，糖化酶190 U/g，發(fā)酵溫度25℃，發(fā)酵時(shí)間7 d，可獲得較佳的橡實(shí)淀粉酒精轉(zhuǎn)化率。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 方差分析

表4 各因素水平的多重比較

3 結(jié)論

橡實(shí)不僅資源豐富，而且淀粉含量高，以橡實(shí)淀粉為原料生產(chǎn)燃料酒精具有廣闊的前景，是解決國際能源危機(jī)有益的補(bǔ)充。研究表明，單寧脫除工藝對(duì)橡實(shí)淀粉生料發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精有較大的影響，采用超聲波助提法可得到較高的酒精轉(zhuǎn)化率。綜合考慮燃料酒精生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性、能耗和成本等因素，取得較高橡實(shí)淀粉酒精轉(zhuǎn)化率的工藝參數(shù)為∶料水比16∶10，α － 淀粉酶 50 U/g，糖化酶 190 U/g，發(fā)酵溫度25℃，發(fā)酵時(shí)間7 d。

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Study on Fuel Ethanol Production by Fermentation of Acorn Starch

Li Anping Xie Bixia Tian Yufeng Ding Yangpeng

(Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004)

The author studied the production technology of fuel ethanol through fermentation of uncooked material，of which raw material was acorn starch;The results showed that the extractation method by ultrasonic wave could improve the ratio of tannin removal．The optimal fermentation conditions were summed up through single factor tests and orthogonal tests as follows:the material－to － water ratio as 16∶10，α － amylase as 50 U/g，glucoamylase as 190 U/g，fermentation temperature as 25 ℃，fermentation time as 7 d．

acorn starch，fermentation of uncooked material，ethanol，technology

TS209

A

1003－0174(2011)03－0091－04

國家公益項(xiàng)目野生木本淀粉種質(zhì)資源評(píng)價(jià)與精加工技術(shù)研究(200804033)，湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目橡實(shí)淀粉生物乙醇關(guān)鍵技術(shù)研究(2010NK3040)

2010－04－23

李安平，男，1967年出生，教授，博士，林副產(chǎn)品深加工