木薯同步糖化發酵生產燃料乙醇的工藝優化

李柯 夏敏 曹婉瑜 杜瑞卿

摘要 [目的] 優化木薯同步糖化發酵生產燃料乙醇的工藝。[方法]在實驗室進行發酵試驗，通過前期單因素試驗的結果選取了3個對發酵結果影響較大的因素：發酵時間、發酵溫度、料水比按正交試驗設計方案進行發酵條件的優化。[結果]試驗表明，3個因素對木薯同步糖化生產燃料乙醇的影響作用的主次順序為發酵時間、發酵溫度、料水比;優化方案為：料水比 1∶2.5 g/ml，發酵溫度 32 ℃ ，發酵時間 54 h ，優化后的發酵結果酒度達到了14.3%（V/V），原料轉化率達到了30.7%。[結論] 研究可為木薯發酵生產燃料乙醇提供理論依據。

關鍵詞 正交設計;同步糖化發酵;乙醇;優化

中圖分類號 S609.9 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）33-11869-02

Optimization of Technique for Producing Fuel Ethanol by Cassava Simultaneous Saccharification and Fermentation

LI Ke， XIA Min*， CAO Wan-yu et al

（School of Life Science and Technology， Nanyang Normal University， Nanyang， Henan 473061）

Abstract [Objective] To optimize technique for producing fuel ethanol by cassava simultaneous saccharification and fermentation. [Method] Three main influencing factors selected from single factor experiment， including fermentation time， temperature and solid-liquid ratio， were used to conduct the orthogonal test， so as to optimize the fermentation conditions. [Result] The experiment showed that， the order of three factors influencing ethanol production is fermentation time>temperature>solid-liquid ratio. The optimal scheme is： solid-liquid ratio 1∶2.5 g/ml， fermentation temperature 32 ℃， fermentation time 54 h， the concentration of ethanol is up to 14.3%（V/V）， material conversion rate reaches 30.7%. [Conclusion] The study can provide theoretical basis for producing fuel ethanol by cassava fermentation.

Key words Orthogonal design; Simultaneous saccharification and fermentation; Ethanol; Optimization

基金項目 河南省高校工程技術研究中心“農業生物質資源化”資助項目。

作者簡介 李柯（1989- ），女，河南南陽人，碩士研究生，研究方向：生物質能源。

*通訊作者，教授，碩士生導師，從事生物質能源方面的研究。

收稿日期 2014-10-27

近年來我國經濟發展迅速，對能源的需求量越來越大，加上傳統能源的不可再生性，能源問題日益凸顯，因此促進了可再生能源的快速發展，燃料乙醇作為新能源代表之一受到廣泛關注和快速發展。而最開始利用糧食生產燃料乙醇在后期受到了巨大的輿論沖擊，認為其影響了糧食安全。在這種情況下，大力發展非糧燃料乙醇變得很有必要[1-2]。目前的非糧燃料乙醇的原料主要有甘蔗、甜菜、木薯、木質纖維素等。就目前的技術以及當地資源而言，木薯是最為合適的非糧燃料乙醇原料。木薯耐旱、耐貧瘠、病害少、易栽培，可以種植在糧食不能生長的土地上，適宜栽培于熱帶亞熱帶地區，且方便運輸，木薯干淀粉含量可達68%以上。據初步估算，僅種植木薯一項，就可以滿足全國推廣10%燃料乙醇汽油的需要[3]。

最早引入對同步糖化發酵（Simultaneous Saccharification and Fermentation，SSF）模式的研究是在對纖維乙醇的研究中。但是一是纖維乙醇離大規模工業化生產還有距離，二是這種發酵模式在纖維乙醇中的應用存在不少沒有解決的難題，人們把這種發酵模式引入到以淀粉為原料的燃料乙醇生產中。在傳統的以淀粉為原料的燃料乙醇生產中普遍應用的是先糖化后發酵（Separate Hydrolysis and Fermentation，SHF）模式，關于SSF的研究和應用都比較少。事實上，SSF模式發酵是一種比SHF效率要高的發酵模式。

傳統的SHF模式在發酵階段初期，高濃度的葡萄糖會對酵母菌產生葡萄糖抑制作用，從而造成發酵周期增長。Montesinos 等以液化后的小麥面粉為原料，比較了SHF模式和先糖化6 h 再用SSF模式及直接應用SSF 模式進行發酵的3種過程，結果發現直接進行SSF 過程的發酵周期是最短的[4]。蔡柳等用均勻設計法研究木薯生料同步發酵優化之后的原料轉化率為32.83%，但是發酵周期選為120 h，這在工業生產中并不實用[2]。

筆者進行該試驗先對木薯粉漿進行高溫液化，糖化發酵階段則同步進行。同步糖化發酵工藝中糖化和發酵同時進行，糖化產出的單糖及時被酵母菌利用，既能解決分步糖化發酵中發酵初期由于葡萄糖濃度過高造成的葡萄糖抑制發酵作用，又會因為罐中酶解產生的糖分被及時利用導致沒有多余的糖分從而避免了雜菌的污染[5-6]。

通過單因素試驗后確定對發酵影響較大的因素并選取了其中3個因素做正交設計試驗優化發酵工藝參數，提高原料出酒率，節約生產成本，為實際生產提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料

木薯干，老撾進口，粉碎后檢測淀粉含量為69.3%。

耐高溫α-淀粉酶、糖化酶，諾維信生物技術有限公司生產。

酵母為安琪超級釀酒高活性干酵母，安琪酵母股份有限公司生產。

1.2 試驗設計

依據前期的單因素試驗結果以及查閱相關文獻[2，5]選取了影響發酵過程的3個因素：發酵溫度、發酵時間以及醪液濃度（料水比）作為影響因素進行L9（34）正交設計，對3個因素設置3個濃度梯度，濃度梯度及編碼水平見表1。

1.3 試驗方法

1.3.1 酵母活化。

干酵母、水、葡萄糖按100∶1 000∶1的比例混勻，30 ℃水浴30 min即可作為酒母使用。

1.3.2 同步糖化發酵工藝。

將木薯干粉碎過篩備用，稱取60 g木薯粉加150 ml水于500 ml錐形瓶中加入耐高溫α-淀粉酶15 U/g混勻，在95 ℃水浴鍋中蒸煮30 min。降溫至30 ℃加入糖化酶180 U/g和活化后的酵母，酵母按7%的添加量添加，充分混勻。調整初始pH為4.5后用紗布或濾膜封口然后置于恒溫搖床中培養60 h后取出測定乙醇含量。

表1 優化發酵條件正交試驗L9（34）

1.3.3 乙醇產量的測定。

取100 ml發酵液和110 ml蒸餾水混合于500 ml的蒸餾瓶中，收集蒸餾液100 ml用酒度計和溫度計測出乙醇濃度及溫度，查校正表得發酵液乙醇產量。

1.3.4 原料轉化率的計算[2]。公式如下：

原料轉化率=0.789 3XV0.938 4M×100%

式中，X，乙醇體積分數;V，發酵液體積（ml）;M，原料總量（g）。

2 結果與分析

對正交試驗數據結果進行直觀分析的結果如表2所示試驗中每個處理設3個重復。

表2 乙醇產率正交試驗結果及數據的直觀分析

對表2進行直觀分析可以看出，料水比最大的K值是K2，發酵溫度最大的K值是K2，發酵時間最大的K值是K3，即表示3個影響因素分別在2水平、2水平、3水平上對發酵結果影響最大。依據極差R大小，3個因素作用的大小順序依次是發酵時間、發酵溫度、料水比。優選方案是A2B2D3，即料水比1∶2.5 g/ml，發酵溫度32 ℃，發酵時間54 h。

對試驗結果數據進行方差分析。顯著性水平α=0.005，查F分布表，F0.005（2，2）=199。根據試驗數據算得的料水比的F值703.714，發酵溫度的F值737.638 1，發酵時間的F值4 946.537，都遠遠大于查表得到的觀測值F（199），這證明這3個發酵影響因素在發酵過程中對發酵結果的影響作用穩定而且差異比較大。從F值的大小得出3個影響因素對發酵結果影響的大小順序依次是D因素（發酵時間）、B（發酵溫度）、A（料水比），這與直觀分析的結果一致。

對試驗結果進行了驗證性試驗，利用直觀分析得到的最優條件組合做發酵試驗，做3組平行，試驗后取3組數據的平均值，得到的原料轉化率為30.7%，高于試驗中的各個組合得到的原料轉化率，說明該優化組合可行。

3 結論與討論

從試驗結果可以看出，在發酵過程中發酵溫度、發酵時間以及發酵料水比對發酵結果的影響都是很顯著的。通過正交試驗選擇出的最優組合方案是料水比1∶2.5 g/ml，發酵溫度32 ℃，發酵時間54 h，優化后的發酵結果出酒率達到了14.3%（V/V），原料轉化率達到了30.7%，在保證轉化率的前提下大幅度縮短了發酵周期。

木薯同步糖化發酵與傳統的糖化發酵分步進行的發酵工藝相比，能顯著減少發酵周期，提高設備利用率，節省設備投資及占地面積;而且同步進行糖化發酵使得淀粉糖化時產生的葡萄糖能立即被酵母所利用，罐中很少可利用糖分的存在能有效防止雜菌的污染，保證發酵過程的順利進行;同時，同步糖化發酵把糖化和發酵合為一步進行，也簡化了工序操作，節約人力和能耗[3，5-6]。

參考文獻

[1] 陳必鏈.微生物工程[M].北京：科學出版社，2010：227-229.

[2] 蔡柳，譚顯勝，袁哲明，等.木薯生料發酵轉化乙醇的工藝參數優化研究[J].中國農學通報，2010，26（20）：406-412.

[3] 段鋼，許宏賢，阮振華，等.新鮮木薯直接轉化生產乙醇[J].食品與生物技術學報，2009，28（3）：413-417.

[4] MONTESINOS T，NAVARRO J.Production of alcohol from raw wheat flour amyloglucosidase and Saccharomyces cerevisiae[J].Enzyme Microb Technol，2000，27：362-370.

[5] 劉振，王金鵬，張立峰，等.木薯干原料同步糖化發酵生產乙醇[J].過程工程學報，2005，5（3）：353-356.

[6] 徐大鵬，馮英，王俊增，等.木薯發酵乙醇工藝的研究進展[J].釀酒科技，2012（1）：93-97.