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        基于響應(yīng)面法的玉米水稻混合原料發(fā)酵工藝優(yōu)化研究

        2020-06-17 02:02:30張俊奇袁敬偉
        釀酒科技 2020年5期
        關(guān)鍵詞:酒率糖化酶玉米粉

        張俊奇,佟 毅,袁敬偉,劉 輝

        (1.中糧生化能源(肇東)有限公司,黑龍江肇東 151100;2.吉林中糧生化有限公司,吉林長春 130033)

        我國生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展于“十五”初期,經(jīng)歷了初期試點(diǎn)、穩(wěn)步發(fā)展和非糧乙醇發(fā)展階段。截至2018 年,我國生物燃料乙醇年消費(fèi)量近260 萬噸,隨著酒精需求量增加以及國家政策的實施,發(fā)展非糧乙醇成為行業(yè)大趨勢[1]。

        據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計,截至2016 年年末,我國水稻年庫存在1.25億噸[2],水稻庫存量大但不易保存,極易產(chǎn)生米質(zhì)“陳化”和發(fā)霉變質(zhì)[3]。水稻陳化后,不能作為口糧,也不能用于畜牧養(yǎng)殖,必須經(jīng)過特殊加工后方可進(jìn)入動物食物鏈環(huán)節(jié)中[4]。生產(chǎn)燃料乙醇是世界各國處理陳化糧的一個常用的途徑[5-6],應(yīng)用陳水稻生產(chǎn)燃料乙醇,既能加快庫存水稻流通,減少陳水稻庫存積壓,避免陳化糧產(chǎn)生,從根源上降低陳化水稻流入糧食加工市場風(fēng)險,又能夠緩解燃料乙醇行業(yè)原料緊缺的情況,降低企業(yè)生產(chǎn)成本,提升經(jīng)濟(jì)效益[7-8]。

        響應(yīng)面分析法包括試驗設(shè)計、模型建立、模型合理性分析和尋求最優(yōu)解等眾多試驗與統(tǒng)計技術(shù)[9]。能夠有效的優(yōu)化試驗條件,降低實驗頻次,提升效率。因此,本研究采用Minitab 軟件中的Plackett-Burman 設(shè)計法[10]、最陡爬坡路徑法[11]、以及響應(yīng)面分析法(RSM)[12]相結(jié)合,對玉米水稻原料混合發(fā)酵工藝條件進(jìn)行優(yōu)化研究,為復(fù)合原料或非糧原料生產(chǎn)燃料乙醇提供借鑒。

        1 材料與方法

        1.1 材料、試劑及儀器

        試驗材料:糖化酶、淀粉酶(諾維信公司);安琪超級釀酒高活性酵母(安琪公司);尿素(取自生產(chǎn)車間);玉米粉(取自生產(chǎn)車間);糙米粉(某糧庫提供水稻,脫殼后粉碎,80%過20目篩)。

        試劑:濃硫酸(分析純)、氫氧化鈉(分析純)、鹽酸(分析純)、乙醇等色譜標(biāo)準(zhǔn)品(SIGMA公司)。

        儀器設(shè)備:50 L 全自動發(fā)酵罐(上海保興生物設(shè)備有限公司);搖床(ZHWY-2112F);液相色譜(Agilent 1200);離心機(jī)(3-18K);分析天平(Mettler,AL204,ML204);黏度計(NDJ-5S);水浴鍋(HWS-28);pH 計(PHSJ-3F);離心機(jī)(3-18k);顯微鏡(尼康50I)等。

        1.2 實驗方法

        1.2.1 搖瓶實驗

        液化條件:1 L 液化罐,液化體系為800 g,干物質(zhì)濃度為30%,液化溫度85 ℃,加入實驗對應(yīng)的淀粉酶,攪拌轉(zhuǎn)速120 r/min,液化時間2.5 h。

        發(fā)酵條件:1 L 三角瓶,發(fā)酵體系為350 g,酵母添加量為0.1%,溫度32 ℃,加入對應(yīng)輔料,發(fā)酵時間72 h。

        1.2.2 發(fā)酵罐中試試驗

        發(fā)酵罐體積為50 L,發(fā)酵體系為35 kg;液化攪拌轉(zhuǎn)速140 r/min;發(fā)酵攪拌轉(zhuǎn)速120 r/min;其他條件同1.2.1 中所述。

        1.2.3 檢測方法

        還原糖的檢測:按GB/T 5009.7—2008《食品中還原糖的測定》;干物質(zhì)的檢測:按GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》;淀粉、酒精度檢測按照文獻(xiàn)方法操作[13]。

        1.3 實驗設(shè)計

        (1)Plackett-Burman 設(shè)計法篩選影響淀粉出酒率的顯著性影響因素:Plackett-Burman 設(shè)計法基于非完全平衡塊原理,能夠通過最少實驗次數(shù)評估因素的主效應(yīng),快速從眾多因素中篩選出最關(guān)鍵的因素以供進(jìn)一步研究[14-15]。本研究將酒精發(fā)酵過程中涉及到的原輔料作為影響因素進(jìn)行全面考察,選擇9 因子及實驗次數(shù)N=12 的實驗設(shè)計,每個因子取高低2 個水平,以C/F/I 作為空項以評估實驗誤差(表1)。

        表1 Plackett-Burman 設(shè)計各因素與水平

        (2)最陡爬坡路徑法確定重要因子最適范圍:建立有效的響應(yīng)面方程需找出因子最佳值區(qū)域,以最陡爬坡法進(jìn)行實驗,根據(jù)各因素的效應(yīng)值的大小確定步長,能夠快速的逼近最佳區(qū)域[16]。

        (3)響應(yīng)面分析法確定最佳工藝配方:以爬坡實驗得出的結(jié)果作為依據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面實驗,進(jìn)行回歸分析與誤差分析,進(jìn)而根據(jù)回歸方程繪制響應(yīng)面分析圖,確定最佳工藝條件。

        (4)驗證實驗:用所得的最佳工藝條件進(jìn)行3個平行實驗,以驗證模型可靠性。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 Plackett-Burman實驗

        Plackett-Burman 實驗設(shè)計見表2,分析結(jié)果見表3。由于原料間淀粉含量存在差異,因此采用淀粉出酒率(以95%vol乙醇計)衡量發(fā)酵效果。從分析結(jié)果可以看出,對混合發(fā)酵工藝淀粉出酒率具有顯著影響的因子依次是E>H>B>A,即玉米粉比例>糖化酶加量>淀粉酶加量>尿素加量,確定這4個因素為下一步實驗的關(guān)鍵因素。

        表2 Plackett-Burman 實驗設(shè)計

        表3 Plackett-Burman實驗分析結(jié)果

        2.2 最陡爬坡實驗

        通過表3 數(shù)據(jù)分析,淀粉酶加量、糖化酶加量、尿素加量為正效應(yīng),應(yīng)依次增大,原料為負(fù)效應(yīng),應(yīng)依次減小。爬坡實驗結(jié)果見表4。

        結(jié)果表明,隨著尿素加量、淀粉酶加量、糖化酶加量的逐漸增加,玉米粉比例的逐漸減小,淀粉出酒率呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。當(dāng)尿素加量為1.33 kg/t 糧,淀粉酶加量為0.3 kg/t 糧,玉米粉比例為40%,糖化酶加量為1.0 kg/t 糧時,淀粉出酒率達(dá)到最大,為4因子的最大響應(yīng)值區(qū)域,因此以表4中試驗號4 的各因素水平為中心值設(shè)計后續(xù)響應(yīng)面實驗。

        表4 最陡爬坡路徑試驗結(jié)果

        2.3 響應(yīng)面實驗

        以爬坡實驗確定的因子最適濃度為中心點(diǎn)實施響應(yīng)面分析,各自變量見表5,Box-Behnken 實驗設(shè)計見表6,結(jié)果分析見表7。

        表5 Box-Behnken 設(shè)計因子及水平

        該二次模型多元相關(guān)性系數(shù)R2=0.9823,說明僅有1.77%的變異不能由此模型解釋;模型p 值=0.001,說明模型是顯著的;失擬項p 值=0.283,說明模型沒有失擬現(xiàn)象。經(jīng)回歸擬合后,得到二次多項式方程:

        Y=16.2000+0.05583X1+0.03083X2-0.01500X3+0.09500X4-0.1558X1*X1-0.1433X2*X2-0.0396X3*X3-0.2021X4*X4-0.0075X1*X2-0.0175X1*X3-0.0125X1*X4 +0.0175X2*X3+0.0025X2*X4-0.0100X3*X4。

        根據(jù)回歸方程做出響應(yīng)面分析圖見圖1。由圖1 可見,當(dāng)固定兩個因子時,另外的兩個因子處在增大過程中,淀粉出酒率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,曲面的頂點(diǎn)即為淀粉出酒率的最大值。

        2.4 模型驗證

        由模型可得,玉米粉比例38%,淀粉酶加量0.31 kg/t 糧,糖化酶加量1.02 kg/t 糧,尿素加量1.36 kg/t糧時,預(yù)測的最大響應(yīng)值為55.58%。為驗證模型結(jié)果,以此工藝條件進(jìn)行50 L 中試驗證試驗,由于發(fā)酵體系放大后,發(fā)酵過程會出現(xiàn)醪液內(nèi)部壓力、物料流動性、溫度傳導(dǎo)等一系列變化,試驗結(jié)果可能與小試實驗存在一定差異,經(jīng)3 次重復(fù)實驗,結(jié)果分別為55.54%、55.59%、55.51%,平均值為55.55%,與預(yù)測值55.58%接近,證實了模型的有效性。優(yōu)化后的工藝條件為:玉米粉比例38%,淀粉酶加量0.31 kg/t 糧,液化pH5.6,糖化酶加量1.02 kg/t 糧,尿素加量1.36 kg/t 糧,發(fā)酵pH4.6,發(fā)酵時間72 h。

        3 結(jié)論

        本研究通過Plackett-Burman 實驗設(shè)計,快速有效的從影響酒精發(fā)酵的多個因素中篩選出4 個顯著影響因素:玉米粉比例、淀粉酶加量、糖化酶加量、尿素加量。然后利用最陡爬坡實驗法逼近最大響應(yīng)值區(qū)域并通過Box-Behnken 實驗設(shè)計得出最佳發(fā)酵組合:玉米粉比例38%,淀粉酶加量0.31 kg/t 糧,糖化酶加量1.02 kg/t 糧,尿素加量1.36 kg/t 糧。在最佳發(fā)酵組合條件下,淀粉出酒率可達(dá)55.55%,與由模型計算得出的最大響應(yīng)值55.58%接近,說明通過響應(yīng)面法優(yōu)化玉米水稻混合原料發(fā)酵工藝是合理可靠的。由于實際生產(chǎn)情況較為復(fù)雜,本實驗最佳發(fā)酵組合應(yīng)用于實際生產(chǎn)中還需作進(jìn)一步的生產(chǎn)試驗。

        對于玉米水稻混合原料發(fā)酵過程中其他因素如液化溫度、液化時間、發(fā)酵溫度、酒母接種量等,后續(xù)會進(jìn)行深入研究,以進(jìn)一步提升整體發(fā)酵水平。

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