張家偉，馮德偉，覃紅梅，韓宏明，謝曉航

（廣西輕工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，廣西南寧 530031）

能源是社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，目前我國已成為了世界能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國。隨著經(jīng)濟(jì)總量的迅速增長和人民生活水平的不斷提高，我國能源需求將持續(xù)增長。國家發(fā)展和改革委員會于2007 年發(fā)布的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》指出“增加能源供應(yīng)、保障能源安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展，是我國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的一項(xiàng)重大戰(zhàn)略任務(wù)”，明確地指出“生物液體燃料是重要的石油替代產(chǎn)品，主要包括燃料乙醇和生物柴油”。2017 年9 月，經(jīng)國務(wù)院同意，國家發(fā)展改革委、國家能源局等十五部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于擴(kuò)大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車用乙醇汽油的實(shí)施方案》，到2020 年，在全國范圍推廣使用車用乙醇汽油，屆時(shí)燃料乙醇消費(fèi)量預(yù)計(jì)將達(dá)到1300萬噸/年[1]，對生產(chǎn)原料的需求也將會急劇攀升。目前我國生產(chǎn)燃料乙醇的原料主要是玉米、稻谷、小麥等糧食原料以及木薯、甘薯、糖蜜等非糧原料[2]。隨著社會對燃料乙醇需求的大量增加，生產(chǎn)原料必將出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)象。因此，持續(xù)對乙醇生產(chǎn)原料多元化的探索勢在必行。

沙棗（Elaeagnus angustifoliaLinn），別名七里香、銀柳、香柳、刺柳、桂香柳、紅豆等。沙棗樹是一種經(jīng)濟(jì)型樹種，集多種功能于一身，其花、果、枝、葉均具有開發(fā)利用價(jià)值，已在食品、造紙、藥物、飼草、木材等多方面得到廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，沙棗樹又具備了抗風(fēng)沙、耐干旱、耐高溫、耐鹽漬、耐瘠薄、易繁殖、適應(yīng)性強(qiáng)的特性，是改造干旱、鹽漬地、沙地、荒地等造林用優(yōu)選樹種之一[3]。在我國東北、華北、西北等地區(qū)，已大量種植用于防風(fēng)固林，自然資源極其豐富。其中成熟沙棗果實(shí)總糖含量高達(dá)60%左右[4]，非常適合用于發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，并且由于成熟沙棗果實(shí)只含糖不含淀粉，因此無需經(jīng)過液化、糖化等工序，非常適合采用生料發(fā)酵工藝，可節(jié)省大量的能源消耗。隨著我國全面推廣使用車用乙醇汽油的時(shí)間到來，繼玉米、木薯、稻谷、小麥、糖蜜等原料后，沙棗可成為燃料乙醇的一種新的有效生產(chǎn)原料。

本研究從實(shí)際生產(chǎn)的角度出發(fā)，以沙棗為原料進(jìn)行生料發(fā)酵工藝的研究，探討沙棗生料發(fā)酵的影響因素，為生產(chǎn)提供參考，以確定沙棗原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的發(fā)酵工藝條件，也為乙醇生產(chǎn)原料的多元化提供一種新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料

菌株：活性干酵母（安琪酵母股份有限公司生產(chǎn)）。

原輔料：沙棗果，產(chǎn)于新疆，經(jīng)測定總糖含量為60.23%。

試劑及耗材：糖蜜，經(jīng)測定錘度為84.5°Bx，總糖含量為48.72 %；抑菌劑，克菌靈（廣西南寧萬宇科技有限公司生產(chǎn)，用量10 g/m3醪液）；酶制劑，果膠酶，酶活力5 萬U/g（南寧龐博生物工程有限公司生產(chǎn)）；營養(yǎng)鹽，硫酸銨。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 乙醇發(fā)酵實(shí)驗(yàn)

取160 g 沙棗粉（經(jīng)粉碎機(jī)粉碎過Φ1.8 篩網(wǎng)），活性干酵母0.08 g（按原料的萬分之五計(jì)，經(jīng)活化后加入），硫酸銨2 g，克菌靈0.008 g，加入1000 mL 三角瓶中，按不同粉水比加入水，充分混合均勻，用紗布扎好瓶口，放入32 ℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行發(fā)酵。發(fā)酵前期間歇搖瓶，觀察發(fā)酵情況，并記錄CO2失重?cái)?shù)據(jù)。

1.2.2 總糖與殘?zhí)堑臏y定方法

總糖和殘?zhí)堑暮坎捎肈NS法測定[5]。

1.2.3 成熟醪酒精含量的測定方法

取100 mL 成熟醪液于1000 mL 蒸餾瓶中，加入100 mL 自來水。然后蒸餾出100 mL 淡酒液，利用精密酒度計(jì)和溫度計(jì)測量此溶液的乙醇濃度及溫度，查表進(jìn)行酒精度校正[6]。

1.2.4 揮發(fā)酸的測定

吸取蒸餾出來的淡酒液50 mL 放入250 mL 三角瓶中，加入0.1%酚酞指示劑2 滴，用0.1 mol/L 濃度的NaOH 溶液滴定至溶液變粉紅色，10 s 不褪色即為終點(diǎn)，記錄耗用的NaOH 溶液毫升數(shù)(V)，計(jì)算出揮發(fā)酸的含量[6]。

揮發(fā)酸含量（g/100 mL）=0.012 V

2 結(jié)果與分析

2.1 不同粉水比對發(fā)酵結(jié)果的影響

不同的發(fā)酵濃度在實(shí)際生產(chǎn)中具有非常重要的意義，粉水比過低，成熟醪液的酒精濃度偏低，造成設(shè)備利用率低；蒸餾的蒸汽單耗偏高，而粉水比過高，醪液濃度高，流動性差，不利于物料的管道輸送，同時(shí)，醪液濃度高，發(fā)酵速度慢，成熟醪殘?zhí)瞧?，物料的利用率下降，造成綜合經(jīng)濟(jì)效益差。

表1 不同粉水比對發(fā)酵結(jié)果的影響

從表1 可以看出，成熟醪的酒精度隨著粉水比的提高而提高，而當(dāng)粉水比達(dá)到1∶2.5 時(shí)，由于粉水比過高，物料已經(jīng)是半固態(tài)的狀態(tài)，流動性極差，在實(shí)際生產(chǎn)中已經(jīng)無法進(jìn)行管道式的輸送，因此，粉水比應(yīng)該控制在1∶2.8以下比較合適。

2.2 抑菌措施對發(fā)酵結(jié)果的影響

由于生料發(fā)酵工藝沒有對原料進(jìn)行蒸煮處理，原料中帶有很多雜菌，因此生料發(fā)酵工藝對雜菌控制要求較高，發(fā)酵成功與否，與控制雜菌的措施密切相關(guān)。

從表2 可以看出，空白組的揮發(fā)酸的升酸差最大，酒精度最低，殘?zhí)亲罡?，而使用克菌靈組揮發(fā)酸的升酸差最小，酒精度最高，殘?zhí)亲畹汀Ｕf明雜菌的控制措施對生料發(fā)酵至關(guān)重要，對發(fā)酵結(jié)果影響很大。因此，在生料發(fā)酵工藝中，必須采取有效的雜菌控制措施，才能保證發(fā)酵順利高效進(jìn)行。

表2 不同抑菌措施對發(fā)酵結(jié)果的影響

表3 生料發(fā)酵與熟料發(fā)酵對發(fā)酵結(jié)果的影響

2.3 生料發(fā)酵與熟料發(fā)酵對發(fā)酵結(jié)果的影響

在有效抑菌措施保證的基礎(chǔ)上，展開了生料發(fā)酵與熟料發(fā)酵（即將拌勻的物料在水浴升溫至90 ℃，并維持1 h）的對比，考查兩種發(fā)酵方式對發(fā)酵結(jié)果的影響。

從表3 可以看出，發(fā)酵前期熟料發(fā)酵工藝的CO2失重速度比生料發(fā)酵工藝快，但發(fā)酵結(jié)束后，CO2失重、酒精度、揮發(fā)酸和殘?zhí)堑戎笜?biāo)沒有明顯的區(qū)別，同時(shí)在發(fā)酵和蒸餾過程中觀察到，生料發(fā)酵形成的氣泡上升的高度比熟料發(fā)酵的要稍微高。這種現(xiàn)象與沙棗果肉中果膠含量高達(dá)1.2%左右有關(guān)系[7]，造成醪液黏度較高的結(jié)果。果膠是一種高分子有機(jī)物，耐熱性比較差，熟料發(fā)酵時(shí)，當(dāng)將醪液加熱至90 ℃時(shí)，果膠結(jié)構(gòu)被破壞，醪液黏度下降。從發(fā)酵結(jié)果看，生料發(fā)酵與熟料發(fā)酵沒有明顯區(qū)別，但生料發(fā)酵工藝與熟料發(fā)酵工藝對比，在實(shí)際生產(chǎn)中可節(jié)省大約25 %的煤耗和電耗以及5 %左右水耗[8]，節(jié)能效果明顯，具有很好的推廣應(yīng)用意義。

2.4 果膠酶對發(fā)酵結(jié)果的影響

果膠酶是一種多酶復(fù)合物，它通常包括原果膠酶、果膠甲酯水解酶、果膠酸酶，果膠酶在乙醇發(fā)酵中可起降低原料黏度的作用，果膠酶水解果膠主要生成β-半乳糖醛酸。通過添加不同劑量的果膠酶，測定其對發(fā)酵結(jié)果的影響。

從表4 可以看出，不同的果膠酶添加量對乙醇的發(fā)酵結(jié)果沒有明顯的影響，而在發(fā)酵和蒸餾過程中觀察到，隨著果膠酶添加量的增加，產(chǎn)生氣泡的量有所下降，說明果膠酶對降低原料的黏度有一定作用，但對最終產(chǎn)乙醇結(jié)果沒有影響，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，為了降低生產(chǎn)成本，無需添加果膠酶。如發(fā)酵過程產(chǎn)生氣泡量大，添加少量消泡劑即可解決。

表4 添加不同劑量果膠酶對發(fā)酵結(jié)果的影響

2.5 沙棗與糖質(zhì)原料混合發(fā)酵的影響

由于沙棗本身的特點(diǎn)，單純使用沙棗進(jìn)行乙醇發(fā)酵時(shí)，粉水比不能過高，造成發(fā)酵成熟醪酒精度偏低，在實(shí)際生產(chǎn)中，噸乙醇的蒸餾耗汽量會比較高，不利于控制生產(chǎn)成本。因此，采用沙棗與其他糖質(zhì)原料混合發(fā)酵的方法，能有效提高成熟醪的酒精度，降低蒸汽單耗。

表5 不同沙棗+糖蜜比例混合發(fā)酵的結(jié)果

從表5 可以看出，通過添加糖蜜進(jìn)行混合發(fā)酵，成熟醪液的酒精度有了較大的提高，在實(shí)際生產(chǎn)中，酒精度每提高1 %vol，可節(jié)省蒸汽15 %～20 %[9]，節(jié)能效果明顯。在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，也可以根據(jù)原料的存量等情況，在保證混合液流動性的前提下，調(diào)整兩種原料及水的比例，以達(dá)到最佳的發(fā)酵結(jié)果，從而節(jié)省蒸汽耗量，降低生產(chǎn)成本。

3 結(jié)論及建議

3.1 從節(jié)能角度出發(fā)，沙棗適合采用生料發(fā)酵工藝生產(chǎn)乙醇，與熟料發(fā)酵、是否添加果膠酶等因素，其發(fā)酵結(jié)果沒有明顯區(qū)別。

3.2 采用生料發(fā)酵工藝需要采取有效的雜菌抑制措施，否則易感染雜菌導(dǎo)致醪液酸敗，造成物料的損失。

3.3 建議沙棗原料與糖蜜等糖質(zhì)原料進(jìn)行混合發(fā)酵，可有效提高成熟醪酒精度，從而降低蒸餾蒸汽消耗量，降低生產(chǎn)成本。