劉海軍，張 鈞，王繼艷，馬中義，徐友海，肖天雄，王龍輝，胡世洋，岳 軍，惠繼星

(1.中國石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中國石油吉林石化公司 倉儲(chǔ)中心，吉林 吉林 132021；3.天津大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300072)

木薯是熱帶作物，與馬鈴薯和紅薯并稱為世界三大薯類作物。木薯根為塊狀，呈柱形或紡錘形，塊根表面是一層棕色或淡黃色的表皮，塊根質(zhì)地松脆，淀粉較純，不僅可以作為食物及動(dòng)物飼料，還廣泛應(yīng)用于工業(yè)中作為原料使用。木薯光合作用能力強(qiáng)、耐干旱、耐酸性土壤，適宜在貧瘠的土地種植，被譽(yù)為“淀粉之王”，鮮木薯塊根中淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%～35%，木薯干(2.5～2.8 t鮮木薯可曬制1 t木薯干)中淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)72%～77%，以木薯為原料生產(chǎn)乙醇比玉米、小麥、甘蔗等更經(jīng)濟(jì)，是一種具有很大發(fā)展?jié)摿Φ募Z食替代資源。近年來，隨著人們對木薯原料生產(chǎn)乙醇的重視，國內(nèi)外學(xué)者都紛紛致力于木薯乙醇工藝的研究，木薯乙醇濃醪發(fā)酵技術(shù)也成為研究熱點(diǎn)。

1 木薯乙醇濃醪發(fā)酵工藝特點(diǎn)

傳統(tǒng)木薯乙醇生產(chǎn)工藝是高能耗、高水耗的過程。為了有效降低能耗和水耗，提高發(fā)酵罐的生產(chǎn)能力，可以通過濃醪發(fā)酵提高發(fā)酵醪中乙醇濃度來實(shí)現(xiàn)，即采用高濃度(固形物質(zhì)量濃度>270 g/L)的醪液進(jìn)行發(fā)酵，濃醪發(fā)酵是乙醇生產(chǎn)技術(shù)的重要進(jìn)展，不僅可以節(jié)約拌料水、降低蒸汽能耗、提高設(shè)備利用率，還可以降低廢醪液處理量，從而降低生產(chǎn)成本，目前已經(jīng)成為國內(nèi)外乙醇行業(yè)的研究熱點(diǎn)[1]。

2 木薯乙醇濃醪發(fā)酵工藝難點(diǎn)

木薯乙醇濃醪發(fā)酵具有較高的初始糖濃度和乙醇濃度，會(huì)對酵母產(chǎn)生抑制作用，同時(shí)木薯乙醇原料中泥沙等雜質(zhì)含量高，醪液粘度大，物料輸送困難，不利于連續(xù)性生產(chǎn)。因此，與其它淀粉質(zhì)原料相比，實(shí)現(xiàn)木薯乙醇濃醪發(fā)酵的技術(shù)難點(diǎn)更多。影響木薯濃醪發(fā)酵的因素是多方面的，目前國內(nèi)外一些科研機(jī)構(gòu)及乙醇生產(chǎn)企業(yè)從木薯原料的除砂、優(yōu)良釀酒酵母的選育、降低物料粘度、優(yōu)化培養(yǎng)基成分、溫度、pH等發(fā)酵關(guān)鍵性因素等方面著手，以改進(jìn)木薯乙醇濃醪發(fā)酵的生產(chǎn)工藝。

2.1 除砂

木薯在收獲和干燥過程中，經(jīng)常會(huì)摻夾泥土、沙石、粗纖維、金屬等雜質(zhì)，為了將木薯原料(木薯干和鮮木薯)中的淀粉充分釋放出來，提高轉(zhuǎn)化率，以保證木薯乙醇生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行及提高生產(chǎn)效益，這些雜質(zhì)必須要在生產(chǎn)前清除，否則將嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，如石塊和金屬雜質(zhì)會(huì)造成粉碎機(jī)篩板的磨損或損壞，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷；泥沙會(huì)加速機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)部位的磨損以及影響正常的發(fā)酵過程。木薯原料的除砂過程通常先進(jìn)行篩選，再進(jìn)行磁選。篩選常選用震動(dòng)篩去除原料中的較大雜質(zhì)和泥沙；磁選是利用永磁馬蹄鐵除去原料中的鐵屑、鐵釘、螺母等磁性雜質(zhì)。生產(chǎn)中，需要定期對原料除砂設(shè)備進(jìn)行清理，防止雜質(zhì)積聚過多，影響除雜效果。

2.2 降低醪液粘度

木薯濃醪發(fā)酵隨著粉漿固形物濃度的提高，醪液的粘度迅速增加，物料流動(dòng)性變差，給醪液的攪拌、輸送、加熱與冷卻帶來了很大困難，因此，降低高濃度物料的粘度是實(shí)現(xiàn)木薯濃醪發(fā)酵的關(guān)鍵一步，其中料水比、原料顆粒度和液化酶用量是影響料液粘度的重要因素。(1)隨著料水比的增加，在調(diào)漿和加熱糊化過程中高含量的淀粉吸水越多，物料的流動(dòng)性越差，粘度越大。隋祎等[2]考察了料水比對木薯乙醇濃醪發(fā)酵的醪液粘度的影響，結(jié)果表明，在糊化過程中料水質(zhì)量比為2.35，比2.87時(shí)的醪液粘度明顯增加。(2)木薯原料淀粉顆粒越小，淀粉吸水的膨脹能力越強(qiáng)，有利于徹底糊化，但同時(shí)增加了醪液的粘度，且增加了原料的粉碎能耗，因此并非木薯原料的顆粒越小越好，當(dāng)粉碎粒度達(dá)到2.4×10-3cm時(shí)，顆粒度對粘度的影響不再明顯。目前有些企業(yè)采用木薯原料粗細(xì)相結(jié)合的方式，以提高醪液流動(dòng)性[3]。(3)液化酶的用量直接影響醪液的粘度。陸婷婷等[4]對木薯濃醪發(fā)酵的粘度進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液化酶的用量為10 U/g(一個(gè)AGU單位是指在25 ℃、pH=4.3、反應(yīng)時(shí)間30 min條件下，每分鐘水解1微克分子麥芽糖所需的酶量)木薯粉時(shí)，醪液具有較好的流動(dòng)性。伍時(shí)華等[5]對液化條件進(jìn)行優(yōu)化，確定了最佳液化酶加入量為10 U/g木薯粉，液化溫度和時(shí)間分別為105 ℃和2 h，此條件下醪液粘度低，木薯淀粉液化效果充分。隋祎等[2]對糊化過程中不同加酶量下醪液粘度的變化進(jìn)行了研究，表明當(dāng)溫度較高時(shí)(85、90、95 ℃)，在同一溫度下，高溫淀粉酶用量(8～14 U/g)越低，醪液粘度越低。另外，為了改善醪液流動(dòng)性，容元平等[6]采用預(yù)處理過的糖蜜水解液對木薯粉調(diào)漿進(jìn)行濃醪發(fā)酵，醪液流速增大約50%，最終發(fā)酵液成熟醪液中乙醇體積分?jǐn)?shù)為15.5%，實(shí)現(xiàn)了較好的濃醪發(fā)酵效果。

為了避免醪液粘度越來越大，在糖化前對糖化酶進(jìn)行預(yù)處理有助于高固含物的糊化及增加液固比[7]。纖維素酶、半纖維素酶、木聚糖酶和阿拉伯糖酶等細(xì)胞壁降解酶及果膠降解酶可以降低醪液粘度。Jones等[8]研究了濃醪發(fā)酵過程中蛋白酶對粘度的影響，纖維素酶或β-葡聚糖酶用于水解β-葡聚糖，可大大降低醪液粘度，由2 460 BU可降至420 BU。

2.3 選育優(yōu)良釀酒酵母菌種

由于木薯乙醇濃醪發(fā)酵過程中的底物糖濃度和產(chǎn)物乙醇濃度高，使得發(fā)酵體系中具有較高的滲透壓，易對釀酒酵母產(chǎn)生毒害作用[5]，使得木薯乙醇濃醪發(fā)酵對酵母菌株的要求極為苛刻，因此，選育生產(chǎn)能力強(qiáng)、耐高滲透壓、副產(chǎn)物少的優(yōu)良酵母菌種是實(shí)現(xiàn)木薯乙醇濃醪發(fā)酵的關(guān)鍵。

木薯乙醇濃醪發(fā)酵過程中高的乙醇濃度會(huì)對酵母菌株產(chǎn)生毒性，影響其生長、發(fā)育和生產(chǎn)能力，因此提高酵母對乙醇的耐受性是十分必要的。易弋等[9]通過篩選得到兩株最佳乙醇耐受型釀酒酵母菌株，其乙醇耐受能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于出發(fā)菌株，均可在w(乙醇)=9%的培養(yǎng)基中生長，是一株非常有潛力的應(yīng)用于濃醪發(fā)酵的酵母菌株。利用固定化酵母進(jìn)行木薯乙醇濃醪發(fā)酵是當(dāng)代的一種高新技術(shù)，可大大增加反應(yīng)速度，提高生產(chǎn)能力，具有較高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。伍彥華等[10]對固定化酵母進(jìn)行選育，得到4株濃醪發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的酵母菌株，以木薯為原料，考察其濃醪發(fā)酵性能。結(jié)果表明，其中自絮凝酵母FJY具有較高的耐滲透壓、產(chǎn)乙醇能力，且糖轉(zhuǎn)化率高、殘?zhí)堑?、甘油產(chǎn)量少，最終w(乙醇)=15.7%。木薯乙醇濃醪發(fā)酵時(shí)，溫度是影響酵母生產(chǎn)能力的敏感因素，低溫時(shí)酵母的產(chǎn)酒率隨溫度的升高而增加，但當(dāng)溫度過高時(shí)，酵母的產(chǎn)酒率下降，因此可以通過篩選耐高溫酵母提高酵母生產(chǎn)能力，陸雁等[11]篩選到一株產(chǎn)酒率高、溫度耐受性好的耐高溫酵母，并對高溫濃醪發(fā)酵工藝進(jìn)行了研究，得到的最佳生產(chǎn)工藝條件為料水質(zhì)量比為1∶2，液化糖化后冷卻至37 ℃，pH=4.0，接種量為5%，發(fā)酵64 h后，最高φ(乙醇)=15.54%，w(殘總糖)=2.73%。

2.4 優(yōu)化發(fā)酵工藝條件

通過優(yōu)化木薯濃醪發(fā)酵過程中的關(guān)鍵工藝條件，可以顯著提高酵母的活性和生產(chǎn)能力，也是實(shí)現(xiàn)木薯濃醪發(fā)酵的重要手段。培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的添加量在濃醪發(fā)酵過程中起著至關(guān)重要的作用。申乃坤等[12]對木薯濃醪發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的培養(yǎng)條件和培養(yǎng)主要因子進(jìn)行了優(yōu)化和篩選，得到了影響木薯濃醪發(fā)酵的重要工藝參數(shù)，分別為糖化酶用量、肌醇濃度和料水比，并優(yōu)化得到的最佳工藝條件為糖化酶用量為92.4 U/g淀粉，肌醇的添加量為0.065%，料水質(zhì)量比為1∶2.97，發(fā)酵48 h后，φ(乙醇)=15.02%，經(jīng)優(yōu)化后，φ(乙醇)提高了25%。易弋等[13]優(yōu)化了木薯濃醪發(fā)酵的液化工藝條件，確定的最佳液化條件為料水質(zhì)量比為1∶2.3，液化酶用量為10 U/g，液化溫度和時(shí)間分別為105 ℃和2 h，達(dá)到較好液化效果，最終φ(乙醇)=16.9%?？赏卦诎l(fā)酵過程中起著重要作用，是培養(yǎng)基中的重要營養(yǎng)成分，添加游離氨基氮不僅可以提高發(fā)酵液中乙醇的最終濃度，還增加菌體數(shù)量。Fan Qiang Wang等[14]對培養(yǎng)基中Mg2+、甘氨酸、酵母膏、生物素、乙醛和蛋白胨含量進(jìn)行了優(yōu)化，使用非線性步進(jìn)式回歸分析建立了一個(gè)預(yù)測性數(shù)學(xué)模型，其中Mg2+和蛋白胨的濃度是關(guān)鍵影響因素，培養(yǎng)基中50 mmol Mg2+和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的蛋白胨可使發(fā)酵48 h后最終φ(乙醇)從14.2%增加至17%。Petra Bafrncova等[15]在濃醪乙醇發(fā)酵培養(yǎng)基中添加了過量的可同化氮素，使得φ(乙醇)最終提高了17%，縮短發(fā)酵時(shí)間至28 h，乙醇產(chǎn)率提高了50%以上。

木薯濃醪發(fā)酵時(shí)，釀酒酵母對溫度的變化較為敏感，當(dāng)處于低溫狀態(tài)時(shí)，釀酒酵母的發(fā)酵能力與溫度的變化成正比，當(dāng)溫度較高時(shí)，釀酒酵母呈現(xiàn)鈍化狀態(tài)，乙醇的生成速率減慢。另外，發(fā)酵體系中豐富營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)也是濃醪發(fā)酵的關(guān)鍵，若營養(yǎng)物質(zhì)缺乏，將導(dǎo)致乙醇濃度降低。因此，適宜的發(fā)酵溫度與充足的營養(yǎng)物質(zhì)有利于濃醪發(fā)酵的順利進(jìn)行。易弋等[16]在優(yōu)化的木薯粉液化糖化工藝的基礎(chǔ)上，分析了培養(yǎng)基成分以及溫度、pH等條件對木薯濃醪發(fā)酵的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)酵培養(yǎng)基中w(尿素)=0.25%，ρ(MgSO4·7H2O)=0.45 g/L，ρ(KH2PO4)=1.5 g/L，ρ(CaCl2)=0.20 g/L，發(fā)酵最適溫度為33 ℃，初始pH值為4.5，酵母菌接種量按體積分?jǐn)?shù)為10%，發(fā)酵時(shí)間 48 h。最終發(fā)酵成熟醪乙醇體積分?jǐn)?shù)為17.2%，淀粉利用率達(dá)91%。

在濃醪發(fā)酵中通常缺少適宜酵母生長的生理環(huán)境，可以通過改進(jìn)過程工程設(shè)計(jì)及操作以提高乙醇的產(chǎn)率。如增加新廠發(fā)酵罐串聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)量，或者增加發(fā)酵罐中的擋板可以顯著減少整體發(fā)酵液的返混以及減輕乙醇的抑制效應(yīng)。這些方法均有良好的經(jīng)濟(jì)性及可持續(xù)發(fā)展性。Bai等[17]研究了由連續(xù)攪拌反應(yīng)器和3個(gè)串聯(lián)管式反應(yīng)器組成的發(fā)酵系統(tǒng)，結(jié)果表明該系統(tǒng)應(yīng)用于濃醪發(fā)酵可達(dá)到較好效果。

Bao Yingling等[18]使用統(tǒng)計(jì)方法學(xué)優(yōu)化了木薯濃醪同步糖化發(fā)酵過程中的水解和發(fā)酵條件，其中質(zhì)量濃度、顆粒度、初始pH和發(fā)酵溫度是影響發(fā)酵效果的重要因素，通過優(yōu)化在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、顆粒度為3.9×10-2μm、初始pH為5.5及發(fā)酵溫度為27 ℃條件下，最終w(乙醇)從8.21%增加至15.03%，與模型預(yù)測值相吻合。

3 結(jié)束語

木薯濃醪發(fā)酵是一種具有巨大應(yīng)用價(jià)值的乙醇發(fā)酵技術(shù)，對提高效益、節(jié)約能源有積極的促進(jìn)作用。目前，木薯濃醪發(fā)酵技術(shù)有了一定的研究進(jìn)展，但仍存在很多技術(shù)障礙，限制木薯濃醪發(fā)酵的因素是多方面的，除了木薯原料的除雜、高濃度物料的輸送、耐高糖、高酒分優(yōu)良酵母菌種的選育等困難，還有木薯濃醪發(fā)酵產(chǎn)生的發(fā)酵廢醪如何分離，高濃度有機(jī)廢水如何處理等問題，同樣是今后面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。因此木薯乙醇濃醪發(fā)酵工藝的研究需要更多的科學(xué)研究投入和支持，以便為未來的規(guī)?；a(chǎn)提供成熟的技術(shù)支撐。

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