沙俊紫,劉紹鵬

（徐州生物工程職業(yè)技術學院,江蘇徐州 221006）

近年來,能源匱乏且因其利用率低，所以對環(huán)境污染大，可持續(xù)發(fā)展的生物質(zhì)能源越來越受到人類的青睞。生物質(zhì)能源來源廣、成本低，且對環(huán)境無害。目前，較熱門的就是農(nóng)作物的纖維素直接發(fā)酵轉(zhuǎn)化為酒精[1],但在植物細胞結(jié)構(gòu)中纖維素與木質(zhì)素等緊密相連，其結(jié)構(gòu)難以破壞，不易被酶解，酶解還原糖產(chǎn)量較少,生產(chǎn)成本高，所以目前農(nóng)作物的綜合利用率不高[2]。浮萍是一種水面浮生植物，含有大量的淀粉，其優(yōu)勢在于繁殖速度快，生長周期短，不占用土地，能凈化水體等，多在靜水水域，但由于其極易吸收重金屬、有機物等組分，因此不宜食用，也不宜作飼料使用。因此，浮萍是制備燃料酒精的最佳選擇[4]。本文主要研究如何優(yōu)化發(fā)酵參數(shù)，并利用響應面法進行數(shù)據(jù)分析，為浮萍制備燃料乙醇的應用和推廣提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

浮萍（徐州三環(huán)西路高架橋附近，打撈后進行烘干處理），淀粉酶，Sartorius電子天平，水浴鍋（星羅棋布公司），微波爐（格力公司），吸光光度計，漢遜酵母（Hansenula anomala），發(fā)酵罐。

1.2 培養(yǎng)基

種子培養(yǎng)基：玉米水解液，pH自然，調(diào)節(jié)糖度至12oBx，108℃高壓蒸汽滅菌 10 min，備用[5]。

發(fā)酵培養(yǎng)基：高粱水解液，調(diào)節(jié)糖度至12oBx，115℃高壓蒸汽滅菌20 min，備用[5]。

1.3 實驗方法

1.3.1 測定方法與計算公式

酒精度的測定：取50 mL發(fā)酵液于蒸餾瓶中，加入50 mL水蒸餾，用酒精計法測定餾出液[6]。

1.3.2 浮萍還原糖發(fā)酵的響應面分析實驗考查（表1）

表1 響應面實驗設計中變量與編碼

1.3.2.1 發(fā)酵pH值對發(fā)酵度的影響

固定發(fā)酵溫度為28℃，發(fā)酵料液比為1∶10，作五組對比試驗，五組發(fā)酵 pH 值分別設為 4、5、6、7、8，結(jié)果如圖1所示。

圖1 pH值對發(fā)酵度的影響

由圖1可以看出，固定其他因素后，發(fā)酵pH值對發(fā)酵度雖有影響，但影響程度不大，且隨著pH值的增大發(fā)酵度減小。最適宜的pH值為4。

1.3.2.2 發(fā)酵溫度對發(fā)酵度的影響

作對比試驗五組，固定其發(fā)酵pH值為4，發(fā)酵料液比為 1∶10，發(fā)酵溫度分別設為 20℃、24℃、28℃、32℃、36℃,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)作圖，結(jié)果如圖2所示。

圖2 發(fā)酵溫度對發(fā)酵度的影響

由圖2可以看出，固定其他因素不變，溫度對發(fā)酵度影響較大。過低的發(fā)酵溫度，酵母活躍度不高，發(fā)酵度也不高；過高的發(fā)酵溫度會使酵母失活，從而導致發(fā)酵度降低。最適宜的發(fā)酵溫度在28℃。

1.3.2.3 發(fā)酵料液比對發(fā)酵度的影響

設置料液比為 1∶2，1∶4，1∶6，1∶8，1∶10，固定發(fā)酵溫度為28℃發(fā)酵，pH值為4。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)做圖，結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出，當固定發(fā)酵溫度和pH值時，發(fā)酵料液比對發(fā)酵度影響較大，發(fā)酵料液比與發(fā)酵度呈正比，料液比從1∶2到1∶6時，隨著料液比增大，發(fā)酵度也增大，但逐漸增長緩慢。

圖3 發(fā)酵料液比對發(fā)酵度的影響

2 發(fā)酵浮萍還原糖的響應面分析實驗

2.1 響應面試驗設計和實驗結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken Design（BBD）設計原則，選取發(fā)酵pH值、發(fā)酵溫度、發(fā)酵料液比3個對發(fā)酵度影響較顯著的因素,以發(fā)酵效率為響應值，得到的試驗數(shù)據(jù)詳見表2。

2.2 二元多次回歸模型分析

運用Design-Expert軟件對表3的數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，最終得到二次多元回歸方程（Y為發(fā)酵效率）：

運用Design-Expert軟件，進行二元多次模擬，得到二元回歸方程的等高線和響應面（圖4～圖6）。從圖4～圖6中可以看出，3個因素的交互作用對發(fā)酵還原糖影響顯著，F(xiàn)值可以判斷各個因素對還原糖濃度的影響程度，F(xiàn)值越大影響程度越顯著。根據(jù)表3我們可以判斷發(fā)酵料液比和發(fā)酵溫度協(xié)調(diào)作用下對發(fā)酵效率的影響最大。

表3 浮萍響應面分析實驗中微波處理的分析結(jié)果

圖4 發(fā)酵pH值和發(fā)酵溫度對發(fā)酵效率的影響

圖5 發(fā)酵pH值和料液比對發(fā)酵效率的影響

圖6 發(fā)酵料液比和發(fā)酵溫度對發(fā)酵效率的影響

根據(jù)實驗結(jié)果，可以判斷和確定最佳實驗條件為發(fā)酵pH值為4，發(fā)酵溫度為28℃和料液比為1∶10，此時發(fā)酵效率為45.63%。因此比一般的發(fā)酵效率提高了12.33%。

3 結(jié)論

本文研究了浮萍中還原糖做燃料乙醇的發(fā)酵工藝條件的優(yōu)化，利用響應面法對影響因素進行了數(shù)據(jù)比較，并找出了顯著性因素[2]。

發(fā)酵pH值、發(fā)酵溫度、發(fā)酵的料液比三因素對發(fā)酵度都有影響，其中發(fā)酵料液比對發(fā)酵影響最大，其次是發(fā)酵液溫度，影響最小的是發(fā)酵pH值。發(fā)酵效率較高的發(fā)酵條件是在發(fā)酵pH值為4，發(fā)酵溫度為28℃和料液比為1∶10時，主要是因為在發(fā)酵pH值和發(fā)酵溫度適宜的情況下酵母才能達到最大活性，從而發(fā)酵效率高。而料液比影響發(fā)酵最主要的因素在于如果料液比過低，就會使溶質(zhì)濃度過高，從而含氧量少，發(fā)酵效率低。還原糖的原料來自于浮萍。隨著經(jīng)濟發(fā)展，能源問題和污染問題日益尖銳，浮萍作為生物質(zhì)能源，可以吸收重金屬，凈化水體，且淀粉含量高，屬于不能食用的淀粉，原料成本低，對環(huán)境無害，所以用浮萍制備燃料乙醇是可行之舉。