薯干補料生料發酵制燃料酒精技術研究

劉忠義 張 勉 張 靜 伍楊洋

(湘潭大學食品與生物工程系,湘潭 411105)

薯干補料生料發酵制燃料酒精技術研究

劉忠義 張 勉 張 靜 伍楊洋

(湘潭大學食品與生物工程系,湘潭 411105)

采用補料生料發酵法以薯干為原料制燃料酒精。采用單因素方法對影響發酵的工藝條件進行了初步研究。結果表明:料水比是制約發酵的關鍵因素;采用補料方式時,在料水比為 4.5時,發酵醪液中酒精含量和淀粉出酒率都得到大幅度提高;醪液初始 pH值對發酵影響不大;醪液中溶解氧含量以及醪液黏稠度對發酵有明顯影響。補料生料發酵從薯干制取燃料酒精具有工業生產潛力。

紅薯 同時糖化發酵 補料發酵工藝 酒精

紅薯的種植范圍廣,單產量和淀粉含量高,對土質要求低,適應性強。紅薯可以加工成各種食品[1],也可以作為代糧作物。但是紅薯干最大的用途是提取淀粉或者是作為淀粉質原料直接用做發酵工業的原料,用于生產乙醇、味精、有機酸、氨基酸以及抗生素等[2]。在研究和探尋的可替代化石能源的新型可再生能源(如太陽能、風能、生物燃料等)中,使用淀粉質原料生產燃料乙醇是現實可行的方案[3-4]。因為大部分淀粉質原料是人類糧食和動物飼料 (例如玉米、大米、小麥等),大量用于酒精發酵可能導致世界糧食安全危機,因此,紅薯原料顯示了獨特的優勢。現代生物技術可以大幅度提高紅薯的產量及淀粉含量[5-6],紅薯的可發酵糖含量高于非黏質玉米,紅薯等塊根作物作為乙醇生產原料將比玉米等糧食作物具有更大的潛力[5-9]。

淀粉質酒精生產技術經歷了高溫蒸煮—糖化—發酵工藝到中溫糊化—同時糖化發酵工藝的變革,這些工藝都存在能源消費比較高等缺點,因此現在正研究開發生料發酵技術[10]。在利用紅薯以及土豆等薯干原料的酒精發酵技術研究中,一般認為這些原料中果膠等含量高,醪液黏度大,不太適合使用生料發酵方法,而適宜采用中溫糊化—同時糖化發酵等工藝[7,9-10]。按照現有生料發酵方法,薯干酒精發酵需要較高的料水比,發酵終了時醪液中酒精含量低,從醪液中蒸餾出酒精需要消費很高的能量。為了提高薯干生料發酵醪液中酒精含量,本研究以紅薯干為原料,初步探討采用生料發酵補料工藝制備燃料乙醇的工藝方法,包括料水比、補料比以及補料時間等因素對發酵的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

釀酒高活性耐高溫型干酵母:宜昌安琪酵母股份有限公司;紅薯干:湖南農村,用廉 -愛農法測定[10-11],其淀粉質量分數為(59.3±0.2)%;中溫淀粉酶(活力 2 000 U/mL)、果膠酶 (活力 40 000 U/mL)、糖化酶(活力 100 000 U/mL):棗莊市杰偌生物酶有限公司。

H I9146型微處理溶氧儀:羅馬尼亞 HANNA儀器公司;SPX-250B-Z恒溫生化培養箱:上海博訊實業有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 乙醇發酵試驗

每個試驗取100 g薯干粉,加入1 000 mL的發酵瓶中,然后以原料薯干粉為基準,加入中溫淀粉酶15 U/g、糖化酶 180 U/g、果膠酶 10 U/g以及酵母5 g/kg和自來水,放入恒溫培養箱 30℃進行發酵,前2 d每天攪拌 1次。對于補料發酵,開始只加入部分薯干粉和酶以及全部酵母(補料比見表 1),按料水比1:4.5加入自來水,到達補料時間后,補足紅薯粉至100 g,再密封發酵。發酵 13 d后,取出檢測。所有試驗均做 3個平行試驗。

表1 補料發酵補料比及加料量

1.2.2 乙醇濃度的檢測方法

取 100 mL成熟發酵液于蒸餾瓶中,加 100 mL蒸餾水,然后蒸出 100 mL溶液,用酒精計測定此溶液的酒精度以及溫度,查表校正后得到發酵液的乙醇體積分數。

1.2.3 總殘糖及發酵醪液還原糖的檢測

采用廉 -愛農法測定[11-12]。發酵醪液的還原糖的測定采用廉 -愛農法中所述的菲林試劑法,即取醪液過濾,直接測定濾液中還原糖含量。

1.2.4 淀粉出酒率的計算

1.2.5 發酵醪液黏度的測定

薯干粉按不同料水比與自來水混合,室溫下靜放置1 h,用數字式旋轉黏度計在恒溫30℃時測定黏度。

1.2.6 發酵醪液中溶解氧的測定

薯干粉按不同料水比與自來水混合,用微處理溶氧儀測定醪液的溶解氧濃度。

2 結果與分析

2.1 初始 pH值對發酵的影響

100 g薯干粉按料水比 1:3.5的比例與室溫下的自來水混合,加入中溫淀粉酶 15 U/g、糖化酶180 U/g、果膠酶 10 U/g以及酵母 5 g/kg,攪拌均勻,放入恒溫培養箱中,在 30℃條件下發酵 10 d。試驗結果 (見表 2)表明,初始 pH值對生料薯干酒精發酵基本上沒有影響。研究報道生料發酵法發酵木薯制作酒精時,需要將初始 pH值調節至4.0[13],生料發酵法發酵玉米制作酒精時,也需要適當調低初始 pH值[14]。而另一些研究則報道淀粉質原料生料酒精發酵時采用自然 pH值即可[15]。理論上,比較低的初始 pH值可以更有效地抑制雜菌污染,有利于發酵過程。然而,不同原料的特性不同,在酵母最適生長溫度下,對初始 pH值的要求可能不同。

表2 不同初始pH值對酒精產出的影響

2.2 不同料水比對發酵的影響

薯干粉按不同的料水比與自來水混合,加入與“2.1”相同的酶和酵母量,攪拌均勻,自然 pH值,在30℃恒溫培養箱發酵 10 d。試驗結果 (見表 3)表明,料水比對發酵淀粉出酒率有明顯的影響。發酵醪液中酒精度開始隨水料比增加而增加,隨后下降。淀粉出酒率則始終隨料水比增加而增加,但是在料水比 1:5.0以后,淀粉出酒率只是略微增加。繼續增加水量,只能大幅度稀釋醪液中酒精濃度,增加酒精提取時的能耗,并降低生產設備的利用率。此外,料水比 1:6.0的試驗組的殘總糖明顯偏高,說明醪液中可發酵性糖未發酵完全,可能是過多的加水量稀釋了酶濃度和酵母濃度,影響了糖化及發酵速度。綜合考慮醪液中酒精度以及淀粉出酒率,薯干生料發酵以料水比 1:4.0至 1:5.0之間為好。

表3 不同料水比對酒精產出的影響

紅薯中含有豐富的淀粉、纖維素以及果膠物質,薯干粉碎后,吸水力特別強。不同料水比的醪液的黏度以及醪液中溶解氧濃度見表 4。當料水比 1:2.5時,醪液非常稠,呈半固體泥漿狀,以至于幾乎不可能將物料攪拌均勻。由于過于黏稠,在料水比 1:2和 1:3時,醪漿的黏度和溶解氧不能用所用的儀器準確測定,但肉眼可見相當多的微小氣泡粘附在薯干粉上,可以推測,此時為了將醪漿攪拌均勻,只有增加攪拌時間和攪拌強度,因此,在攪拌過程中有更多的空氣混入物料中。表 4的數據表明,料水比 1:4和1:5時醪液的黏度高,料水比 1:6時醪液的黏度開始大幅度降低,大約相當于 1:3.5時的一半,料水比1:7時醪液的黏度大約只相當于 1:3.5時的 1/10。而從溶解氧濃度來考慮,料水比 1:4時醪液的溶解氧濃度出現大幅度降低,料水比 1:4以后的醪液的溶解氧濃度雖然一直下降,但是降低的幅度比較平緩。如果不單純考慮溶解氧濃度,那么,從料水比1:4開始直到料水比1:7,醪液中總的溶解氧量基本接近。

表 4 不同料水比的醪液的黏度和溶解氧濃度

酒精發酵開始時,酵母生長需要適量氧氣,然而過多的氧氣將導致酵母大量繁殖,消耗醪液中部分淀粉,這可能是低水料比時淀粉出酒率低的主要原因。此外,濃稠物料可能影響酶和底物的接近以及酶的活性,也將導致淀粉出酒率的下降。結合表 3的數據來推測,溶解氧對淀粉出酒率的影響應該比醪液黏度大。

Srichuwong等[7]認為土豆中含有很高的纖維素和果膠類物質,因此,使用“同時糖化發酵法”發酵土豆濃醪制取酒精時,原料必須經過果膠酶預處理以降低醪液粘稠度,否則,發酵很難進行。

2.3 補料對發酵的影響

按表 1所列,將薯干粉、酶、酵母量以及水混合,攪拌均勻,自然 pH值,在 30℃恒溫培養箱發酵,到達到旺盛發酵時加入剩余的薯干粉及酶,適當攪拌,繼續在30℃恒溫培養箱發酵到終點。結果(見表 5)表明,和一次投料(見表 3)相比,通過補料方式,醪液中酒精度和淀粉出酒率都得到顯著提高。補料時間和補料比均顯著影響發酵,補料時間的影響大于補料比(P<0.05)。

表5 補料比與補料時間對酒精產出的影響

補料時間第 4天的醪液酒精濃度和淀粉出酒率平均分別為 70.7 mL/L和 47.1%,分別優于第 5天的平均值 63.7 mL/L和 41.6%(P<0.05)。隨著補料時間推遲,殘總糖含量增加,淀粉出酒率降低,醪液中酒精含量降低。這可能是因為補料時間過晚,酵母已經開始進入衰亡期,使得補料之后沒有足夠的活性酵母進行發酵,影響了發酵效果。同時酵母的重新生長也額外需要消耗部分可發酵性糖分,這也是淀粉出酒率降低的原因之一。

補料比 6:4時的淀粉出酒率分別為平均 45.2%,高于 7:3時的平均值 43.5%(P<0.05),起始原料加入量(補料比)較小有助于淀粉出酒率的提高。此外,補料比 6:4時的醪液酒精度平均為 69.2%,明顯高于 7:3時的平均酒精度 65.2%(P<0.05)。

發酵過程中發酵醪液的還原糖的變化見表 6。結果表明,不管是否補料發酵,薯干生料發酵過程中發酵醪液的還原糖含量始終處于低濃度,并且發酵的前 8天里基本沒有變化。即薯干生料發酵過程中,酶水解淀粉所得的還原糖基本上被酵母所利用,發酵過程中不會積累葡萄糖等還原糖。方毅等[9]研究紅薯干原料同步糖化發酵生產燃料乙醇時,也表明只要糖化酶用量不是很大時,不會產生發酵過程中葡萄糖抑制酵母生長從而降低酒精產量的問題。

表 6 發酵過程中發酵醪液還原糖含量的變化/g/L

補料分批發酵一直用于發酵生產中。與傳統的分批發酵相比,補料分批發酵可以解除底物抑制,葡萄糖效應和代謝阻礙;而與連續發酵相比,則具有染菌可能性小,菌種不易老化變異等優點,因此補料分批發酵是生料發酵理想的進料方式[16]。試驗證明可以采用補料分批發酵方法,提高薯干生料發酵的淀粉出酒率和發酵醪液中酒精度。在醪液黏稠度很高的情況下,補料分批發酵可以有效降低發酵過程中醪液黏稠度和溶解氧含量,提高發酵效率。

補料發酵之所以能大幅度提高淀粉出酒率和醪液中酒精度,與開始加入相對較少的原料能有效降低醪液的黏稠度和溶解氧濃度有關。例如,按照料水比 1:4.5和補料比 6:4計算,由于開始值加入60%的薯干粉,實際上開始發酵時的料水比只相當于 1:7.5,其余的原料在發酵旺盛時再加入,由于補料時的輕微攪拌操作,會適當補充一點溶解氧進入發酵醪液中。整個發酵過程中合適的總溶解氧量有利于酵母的生長和發酵,較低的黏稠度有利于酶與薯干淀粉充分接觸,有效提高淀粉的水解效率。

試驗所用薯干的淀粉質量分數經測定為59.3%,其理論酒精產率約為 49.5%,采用補料分批發酵,薯干發酵的試驗酒精產率達到 46.9%～47. 2%,和理論產率很接近。下一步試驗需要進一步優化補料生料薯干酒精發酵的工藝參數,并探索降低薯干粉醪液粘稠度的實用方法,進一步提高醪液的酒精含量。

3 結論

3.1 料水比為 1:4.5,補料分批培養可以將薯干酒精發酵的淀粉出酒率從 36.1%提高到 46.9%～47.2%,醪液中酒精度從 55 mL/L提高到 68.7～72.7 mL/L。3.2 初始 pH值采用自然 pH值,對薯干生料酒精發酵基本沒有影響。

3.3 補料時間第 4天的醪液酒精濃度和淀粉出酒率平均分別為 70.7 mL/L和 47.1%,優于第 5天的63.7 mL/L和 41.6%。

3.4 補料比 6:4時的醪液酒精度和淀粉出酒率分別為平均 69.2 mL/L和 45.2%,高于 7:3時的65.2 mL/L和 43.5%。

3.5 補料分批發酵可以有效降低發酵過程中醪液黏稠度和溶解氧含量。

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Feeding-Batch Simultaneous Saccharification and Fe rmentation ofUn-Cooked Dried S weet Potato for ProducingAlcohol

Liu Zhongyi ZhangMian Zhang Jing Wu Yangyang
(Department of Food and Biological Technology,Xiangtan University,Xiangtan 411105)

Fuel ethanol was made from un-cooked dried sweet potato by using feeding-batch simultaneous saccharification and fermentation technology.Some process parameters were preliminarily investigated with singlefactor test,and revealed that the ratio ofmaterials and waterwasone of the key factors affecting the simultaneous sac2 charification and fermentation of raw sweet potato.Results:Using feeding-batch culture technology,the alcohol content of fermentedmash and alcohol yield rate of the sweetpotato starch are significantly increased when the ratio of materials and water is 1:4.5.The fermentation of s weet potato for producing alcohol is hardly affected by initial pH value,and can be completed at natural pH.The feeding-batch simultaneous saccharification and fer mentation tech2 nology of un-cooked sweet potato for producing alcohol displays potential application in industry.

s weet potato,simultaneous saccharification and fer mentation,feeding-batch culture,alcohol

TS262.2;TS261.4 文獻標識碼:A 文章編號:1003-0174(2010)06-0041-05

湖南省科技廳社會發展計劃(2008SK4022)

2009-07-25

劉忠義,男,1964年出生,博士,教授,食品生物技術