潘宗瑾,王海洋,楊 華,劉興華,高 進,秦光蔚,葛漢勤,王 為
(江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/鹽城市甜高粱育種工程技術(shù)研究中心 江蘇鹽城224002)
20世紀(jì)因多次出現(xiàn)能源危機,人們便對生物燃料乙醇寄予了厚望。目前,燃料乙醇的生產(chǎn)以淀粉類和糖類等糧食作為原料,這樣勢必造成與民爭糧、與糧爭地的情況,導(dǎo)致糧食緊缺,所以各國開始研究用非糧作物來生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)。甜高粱糖分積累快,莖稈汁液中含糖量可達(dá)12%~22%[1],其汁液錘度(Brix,簡寫為BX)通常為100~200°BX;其生物產(chǎn)量高,莖稈產(chǎn)量75~300 t/hm2,生產(chǎn)力接近速生輪作林的2倍,比甘蔗高30%,是玉米的3.2倍,且能適應(yīng)干旱、洪澇、鹽堿地等不良環(huán)境[2],是最具有潛力的再生能源作物。但是,由于甜高粱在儲存時糖分易降解消耗[3],在甜高粱發(fā)酵乙醇產(chǎn)業(yè)化時,如何有效儲存甜高粱,保持其糖分不損耗,是產(chǎn)業(yè)面臨的技術(shù)難題[1]。
甜高粱發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的技術(shù)主要有固體發(fā)酵和液體發(fā)酵2種。固體發(fā)酵是一種利用粉碎后的甜高粱直接發(fā)酵的工藝。固體發(fā)酵的優(yōu)點是設(shè)備簡易、成本低、易操作、乙醇生產(chǎn)率高,并且在整個工藝過程中不產(chǎn)生廢水、廢物[1]。但是,固體發(fā)酵存在設(shè)備占地面積大,對工人能力需求較高,以及發(fā)酵周期較長等弱點。李十中等發(fā)明了一種具備自控系統(tǒng)的連續(xù)固態(tài)發(fā)酵制取乙醇的裝置及工藝,該工藝采用連續(xù)固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇,工藝可以充分利用可發(fā)酵糖分,提高發(fā)酵效率,自動化程度高,發(fā)酵罐的可調(diào)控性強,并可節(jié)省成本[4]。液體發(fā)酵是將甜高粱莖稈榨汁后發(fā)酵,利用糖汁直接發(fā)酵可以在很大程度上縮短發(fā)酵時間,適合工業(yè)上大規(guī)模的生產(chǎn)[5]。劉曉娜等發(fā)明了一種甜高粱莖稈生產(chǎn)燃料乙醇的方法:采用壓榨機將甜高粱壓榨后,再用活化的酵母對糖汁進行發(fā)酵,隨后通過粗蒸餾和精餾的方式提高乙醇的濃度[6],1 hm2甜高梁莖稈汁液可以轉(zhuǎn)換5 t乙醇。不過,液體發(fā)酵存在糖汁易污染的缺點,極大地增加了原料儲存的難度[7],增加了生產(chǎn)成本,是從實驗室階段走向生產(chǎn)階段的瓶頸。
目前,很多以甜高粱莖稈為原料通過液體發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的研究主要集中在工藝優(yōu)化方面[8-9],其基本工藝流程為:甜高粱種植→莖稈初加工→莖稈榨汁→乙醇發(fā)酵→乙醇蒸餾→無水乙醇。本研究利用自育甜高粱品種鹽甜1號在實驗室內(nèi)進行液體發(fā)酵制取乙醇的初步研究,以期為該品種的開發(fā)利用提供參考依據(jù)。
材料:江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所自主選育的甜高粱品種鹽甜1號。鹽甜1號為中早熟常規(guī)甜高粱品種,高耐鹽、強抗倒伏,苗勢強,尤其是中后期長勢良好[10]。
菌種:安琪耐高溫釀酒高活性干酵母,購自湖北安琪酵母股份有限公司。
輔料:(NH4)2HPO41.5 g/L、MgSO41 g/L、CaCl21 g/L,3種輔料作為營養(yǎng)鹽加入10 L發(fā)酵罐中,可提高CO2產(chǎn)量,增加發(fā)酵產(chǎn)物,縮短發(fā)酵周期(24 h以下)。
XUZHONG手搖甘蔗機(鄭州旭眾);THZ-C振蕩培養(yǎng)箱(江蘇太倉市實驗設(shè)備廠);7820氣相色譜儀(美國安捷倫);T6新世紀(jì)可見-紫外分光光度計(北京普析通用);RE-2000A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海亞榮);10 L發(fā)酵罐(江蘇貝朗生物工程設(shè)備有限公司生產(chǎn))。
1.3.1 甜高粱不同發(fā)育時期的莖稈含糖量。分別在甜高粱開花期(7月26日)、乳熟期(乳熟中期,8月15日)、成熟期(9月10日)、完熟期(10月15日)采用Master-T折射式錘度計測定甜高粱中段莖稈糖錘度。
1.3.2 莖稈榨汁。在甜高粱開花期、乳熟期、成熟期、完熟期時,收割甜高粱秸稈,分別稱取10 kg的中段秸稈,隨后人工去皮,將內(nèi)芯置于手搖甘蔗機中進行壓榨,獲取糖液(主要含蔗糖)。計算出汁率Y=糖液質(zhì)量M1/秸稈質(zhì)量M2×100%。糖汁經(jīng)適當(dāng)濃縮并將pH值調(diào)至5.0后貯存。
1.3.3 糖汁貯存過程中檢測糖含量。利用DNS法對貯存3 d和15 d的甜高粱稈汁液檢測總糖與還原糖含量。
1.3.4 液體發(fā)酵法制取乙醇。將貯存15 d的甜高粱汁液加入適量的營養(yǎng)鹽輔料,115℃滅菌20 min,酵母添加量0.5~1.0 g/L,初始pH值5.0,在搖床中38℃活化15 min,于發(fā)酵罐中33℃發(fā)酵24 h。
1.3.5 乙醇濃縮。使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,在85℃左右濃縮和提純乙醇,最高可將乙醇提純到95%(體積分?jǐn)?shù))左右。
1.4.1 還原糖使用DNS法測定。DNS法是在堿性條件下,利用二硝基水楊酸(DNS)與還原糖發(fā)生氧化還原反應(yīng),生成3-氨基-5-硝基水楊酸,該產(chǎn)物在煮沸條件下顯紅棕色,在一定濃度范圍內(nèi)顏色深淺與還原糖含量成一定比例。因其顯色的深淺只與糖類游離處還原基團的數(shù)量有關(guān),而對還原糖的種類沒有選擇,因此DNS法也比較適用于在多糖(如纖維糖、半纖維素和淀粉等)水解產(chǎn)生的多種還原糖體系中。
1.4.2 乙醇使用氣相色譜法檢測。取100 mL成熟發(fā)酵液于蒸餾瓶中,加100 mL蒸餾水,然后蒸餾出100 mL溶液,利用氣相色譜法測定乙醇含量(體積分?jǐn)?shù))。色譜條件為進樣口溫度:250℃;0.75 min分流,分流比100∶1;柱溫:起始溫度60℃,保持1 min;以15℃/min的升溫速率升溫至150℃;以3℃/min的升溫速率升溫至240℃保持3 min;以25℃/min的升溫速率升溫至280℃保持8 min。載氣:氦氣,流量:1.0 mL/min。進樣方式:脈沖不分流進樣;進樣量:1.0μL。
在不同發(fā)育時期,鹽甜1號莖稈汁液糖錘度均有所不同:開花期時最低,為8.20°BX,完熟期時最高,為18.06°BX,呈現(xiàn)出完熟期>成熟期>乳熟期>開花期的變化趨勢。對于莖稈出汁率,開花期時最低,為23.08%,成熟期時最高,為31.25%,表現(xiàn)出成熟期>完熟期>乳熟期>開花期的變化趨勢。
由表1可見,如果提前收獲(乳熟期),其糖錘度約為12.00°BX,相對于成熟期與完熟期要損失33%~50%,所以,選擇好收獲期至關(guān)重要,不僅直接關(guān)系到可利用糖的總量,還關(guān)系到出汁率的高低。如在乳熟期收獲的甜高粱莖稈,其出汁率在29.72%,相對于完熟期與成熟期要損失1.11%~5.15%。本數(shù)據(jù)為即時收獲壓榨,而在實際生產(chǎn)上,由于一次性收獲甜高粱過于量大,很難即時壓榨,通常要在收獲后貯存3~15 d再進行壓榨,如果貯存不當(dāng),也會因植株呼吸等消耗而導(dǎo)致汁液中糖的損失。如乳熟期收獲的甜高粱出汁率為29.72%,進行密封貯存15 d后,甜高粱秸稈的出汁率則為24.22%,下降了18.51%。如果采用非密封式貯存,出汁率則可能會下降更多。
表1 鹽甜1號不同發(fā)育時期莖稈汁液糖錘度的動態(tài)變化
除了莖稈的貯存外,所榨汁液的貯存也需要科學(xué)處理,否則其中的糖(蔗糖與少量還原糖)也易被微生物所分解消耗。對貯存3 d和15 d的甜高粱莖稈汁液的總糖進行檢測,發(fā)現(xiàn)貯存3 d后,總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.41%,還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.60%;貯存15 d后,總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.38%,還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.34%,下降了約48.32%(圖1)。因此,在生產(chǎn)上不僅要科學(xué)合理地處理糖汁,還應(yīng)盡可能地減少糖汁的貯存時間。
利用貯存15 d的甜高粱莖稈汁液做發(fā)酵試驗,20 h時乙醇體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)到2.52%。初始糖量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.38%(以葡萄糖量計算),理論乙醇產(chǎn)量為Y=5.38%×51.1%=2.75%(51.1%為2醇對糖的理論轉(zhuǎn)化率),因此,可計算得到乙醇得率為91.64%,即91.64%的糖轉(zhuǎn)化為乙醇。由圖2可見,20 h糖液達(dá)到發(fā)酵高峰,24 h已經(jīng)有所下降,表明隨著可利用糖度的下降、乙醇含量的上升,酵母菌也逐漸老化。據(jù)此,以甜高粱莖稈汁液進行發(fā)酵24 h基本上可將糖液發(fā)酵完成。
本試驗表明,在甜高粱不同發(fā)育時期,鹽甜1號莖稈汁液糖錘度均有所不同,以開花期最低,為8.20°BX,完熟期時最高,為18.06°BX,呈現(xiàn)出完熟期>成熟期>乳熟期>開花期的變化趨勢。對于莖稈出汁率,開花期時最低,為23.08%,成熟期時最高,為31.25%,表現(xiàn)出成熟期>完熟期>乳熟期>開花期的變化趨勢。這2種變化趨勢并不完全相同。有報道認(rèn)為,甜高粱在完熟期時莖稈出汁率和汁液含糖量最高[11],而本試驗莖稈出汁率完熟期較成熟期略低,可能是本試驗所用壓榨機性能原因所致。出汁率不僅與所用的壓榨設(shè)備性能有關(guān),更與其貯存方式與時間有關(guān),如密閉貯存15 d的甜高粱秸稈的出汁率僅為24.22%,若采用非密封式貯存,出汁率將會下降更多。
甜高粱莖稈中的糖分含量是其重要的品質(zhì)性狀之一,通常以錘度表示,與莖稈中的可溶性糖含量顯著相關(guān)。試驗結(jié)果顯示,甜高粱汁液經(jīng)過短期密封貯存后,糖含量依然會降低,如貯存3 d后,糖分為10.41%;貯存15 d后,糖分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.38%,下降了48.32%??梢姡系馁A存方式是制約甜高粱糖汁制取乙醇的瓶頸之一。目前,比較具有潛力的貯藏方式是將甜高粱秸稈制作為秸稈粉,以提高貯藏時間和降低運輸成本,但其效果還須進一步驗證。此外,貯存的方法還包括完整或切段的新鮮莖稈在通風(fēng)干燥條件下自然保存、密閉條件下通二氧化硫或惰性氣體及冷凍保藏等方法。一般通風(fēng)保存只適合短期保存;密閉保存成本較高,占地較廣;冷凍保藏則能耗高,難以大批量貯存。另外,還有對莖稈汁液進行濃縮處理、酸儲處理或添加防腐劑等方法,有利于糖汁較長時期的保存,但時間太長,如糖汁中含有野生酵母及其他微生物,在存放過程中會自然發(fā)酵,引起變質(zhì),對汁液營養(yǎng)結(jié)構(gòu)破壞較大,也可能影響乙醇發(fā)酵效果。
綜上,本文對鹽甜1號的秸稈榨汁室內(nèi)發(fā)酵制取乙醇,通過成熟期后收割(糖錘度>15°BX)、短期貯存(<3 d)、有效壓榨(出汁率31.25%)和及時(<3 d)發(fā)酵24 h,可致乙醇得率高于91.64%。