燃料乙醇生產中低聚糖及有機酸的HPLC分析及應用效果

鄭偉，楊維旭，李冬梅，譚洪波，劉春景，孔令新（吉林燃料乙醇有限責任公司，吉林吉林 132101）

燃料乙醇生產中低聚糖及有機酸的HPLC分析及應用效果

鄭偉，楊維旭，李冬梅，譚洪波，劉春景，孔令新（吉林燃料乙醇有限責任公司，吉林吉林 132101）

在燃料乙醇生產過程中，采用高效液相色譜（HPLC）對低聚糖及有機酸進行監測；探討了HPLC法的跟蹤效果，并對有問題的發酵結果進行了分析。結果表明：對發酵液開展HPLC檢測，在生產工藝的優化及決策上效果理想，可滿足過程監控的需求。

燃料乙醇；低聚糖；有機酸；發酵液；糖化酶；酵母；染菌

在燃料乙醇的生產中，成熟的發酵技術就是嚴格的過程控制，體現的是從低聚糖到發酵產物并形成有機酸的過程，而過程控制的實現，需要對過程參數進行合理選取和有效監測。其中低聚糖及有機酸的監測是掌握生產中通過酵母的發酵將糖轉化為乙醇的必備手段；組分能夠被及時、準確的檢測，可充分表達發酵工序運行狀態，對避免染菌、使乙醇收率最大化起到指導性作用。

在燃料乙醇的生產上，國內仍沿續著常規的化學方法監測工藝過程，對發酵工藝指標還局限在還原糖、揮發酸、殘總糖的層面上，而國外（如美國Corn Plus及Renew Energy燃料乙醇公司）已采用高效液相色譜（HPLC）法分析，是對發酵過程更為精細化和最為直接的分析方法；通過測定低聚糖［（低聚糖4-10糖）、麥芽三糖、麥芽糖、葡萄糖］、有機酸、醇（乳酸和丙三醇、醋酸）、發酵目標產物（乙醇）等含量，可非常直觀地表達工藝中各罐的發酵狀況，最終確定工藝參數。這些精細化指標對工藝的運行條件更為具體、實用，這不僅僅是檢測儀器或分析方法的提升，更是對生產工藝管理的促進［1］。

吉林燃料乙醇有限責任公司質檢中心自2004年起，參照Cerestar、Corn Plus及Renew Energy公司的檢測方法，對發酵醪液開展了HPLC的全程監測，在合理控制糖化酶用量、發酵溫度，避免酵母抑制以及染菌對酵母產生的競爭性抑制上，效果較為理想，為生產工藝的優化及決策提供了更為科學的數據依據。

1 實驗

1.1 試劑及儀器

麥芽三糖、麥芽糖、葡萄糖、乳酸鋰、丙三醇、醋酸鈉、無水硫酸鈉、乙醇，均為色譜純，Sigma Aldrich化學公司［2］。

Flexar LC10系統，Perkin Elmer公司，軟件Chromera Manager Ver 4.1.0.6386，phenomenex REZEXTMROA Organic Acid色譜柱（300 mm×7.8 mm，8μm），AJO-4490預處理柱（50 mm×7.8 mm，8μm）。

1.2 方法

1.2.1 低聚糖及有機酸標準樣品濃度

分別準確稱取8種標準品置于100 mL容量瓶中，用流動相（0.0025 mol·L－1H2SO4）溶解并定容，配制成標準品系列溶液及混合標準品溶液；混合標準品溶液濃度見表1。

1.2.2 樣品預處理

為避免酶解及發酵的持續進行，需檢測發酵醪液的初始pH值。用65%H2SO4將醪液pH值調至1.0～1.5，4 000 r·min－1離心5min。取上清液50mL，定容到100 mL，0.22μm水系濾頭過濾至色譜樣品瓶中，自動進樣，進行HPLC分析。

表1 低聚糖及有機酸混合標準品溶液濃度/［g·（100 m L）－1］Tab.1 Concentration of oligosaccharides and organic acid m ixed standard solution

1.2.3 色譜條件

流動相為0.0025mol·L－1H2SO4，流速0.6mL· min－1，柱箱溫度65℃，RID溫度50℃，進樣量20μL，運行時間25 min。

1.2.4 低聚糖及有機酸定性、定量方法

先以保留時間、樣品加標來進行定性；再以峰面積外標法定量。

2 結果與討論

2.1 低聚糖及有機酸標準曲線的回歸方程和線性范圍（表2）

表2 混合標準品溶液的回歸方程和線性范圍Tab.2 Regression equation and linear range ofm ixed standard solution

2.2 燃料乙醇生產中發酵液的液相色譜（圖1）

圖1 發酵液的HPLC圖譜Fig.1 HPLC Spectrum of fermentation liquid

由圖1、表2可知，發酵液中各組分分離度較好，含量線性范圍涵蓋合理，相關性較高，滿足方法的適用性要求。

在對發酵液進行HPLC分析時，組分中會分離出其它的發酵產物；其中，阿拉伯糖、丁二酸、甲醇系發酵過程中正常產物，對發酵影響不大；果糖系液化過程中淀粉鏈還原端的一些葡萄糖單元在高pH值和高溫的聯合作用下異構生成。發酵液中重點關注的組分：（低聚糖4-10糖，合峰）、麥芽三糖、麥芽糖、葡萄糖、乳酸、丙三醇、醋酸、乙醇。

2.3 HPLC對發酵過程的跟蹤應用首先，在發酵早期監控分布，可讓工藝人員了解淀粉酶將淀粉轉化成可發酵糖的程度，并確定投酵母的具體時間。其次，后面出峰的組分（乳酸、丙三醇、醋酸和乙醇）代表在發酵期間所產生的有機酸和乙醇。監控這些組分，可便于工藝人員確認發酵終點；并指導工藝人員添加嚴格控制的限量抗生素，來抑制細菌的污染，及防止其它可能導致抑制乙醇生產的情況發生［3］。

2.3.1 理想的發酵狀態

利用HPLC監測發酵過程，理想的發酵結果見表3。

在進行HPLC分析的同時，將HPLC的分析結果同發酵溫度、酵母的活細胞數及出芽率相結合，對燃料乙醇生產具有更好的指導效果。

表3 理想的發酵結果Tab.3 Data of ideal ferm entation

2.3.2 有問題的發酵結果

利用HPLC對發酵過程進行跟蹤分析，有問題的發酵結果見表4～7。

1）糖化酶用量

表4 有問題的發酵結果1Tab.4 Problem ferm entation data 1

表5 有問題的發酵結果2Tab.5 Problem fermentation data 2

2）發酵溫度

表6 有問題的發酵結果3Tab.6 Problem fermentation data 3

分析表6結果可知，發酵過程存在的問題為較高的發酵溫度、較慢的酵母利用葡萄糖的速率、較高的丙三醇數值、低的乙醇產率、較高的有機酸、較低的出芽率和活細胞數。原因可能是發酵溫度過高造成酵母生長受抑制。因此，應采用較低的發酵溫度32～33℃。

3）染菌

表7 有問題的發酵結果4Tab.7 Problem fermentation data 4

分析表7結果可知，發酵過程存在的問題為較慢的葡萄糖利用效率、較高的有機酸、較低的乙醇產率、較低的出芽率和活細胞數。原因可能是染菌造成對酵母的競爭性抑制。因此，在酵母培養和發酵罐中應添加抑菌劑。

3 結語

1）通過HPLC法對燃料乙醇生產中的發酵液進行低聚糖及有機酸的檢測分析，是過程控制的最為有效的手段，其多組分分離的方法直觀、簡便、快速、準確；為生產裝置平穩運行提供了準確數據信息，實現了過程質量管理及控制的動態分析。

2）依據HPLC檢測發酵不同時間段數據的累積，可有效掌握液化、糖化工序、酶作用底物的效果，了解淀粉在整個乙醇生產工藝的水解程度和水解產物特性，能更直觀地表達發酵過程中各罐的發酵狀況；為掌握酶作用底物效果，酵母的充分利用等生產運行狀態，確定合理工藝參數，避免罐內物料染菌，提高轉化率，可以起到很好作用效果，是生產、工藝管理者及操作者理想的控制資料和數據，具有重要的指導價值和現實意義。

［1］MCGINLEYM，MOTT J.Ethanol Production Monitoring Using Ion Exclusion Hplc.

［2］楊毅，李崎，陳蘊，等.反相高效液相色譜法（RP-HPLC）測定啤酒中有機酸［J］.食品與發酵工業，2003，29（8）：6-12.

［3］劉文信.HPLC在酒精發酵醪液檢測中的應用［J］.化學工程師，2013，（2）：28-30.

HPLC Analysis and App lication Effect of O ligosaccharides and Organic Acid in the Production of Fuel Ethanol

ZHENG W ei，YANG W ei-xu，LIDong-mei，TAN Hong-bo，LIU Chun-jing，KONG Ling-xin
（Jilin Fuel Alcohol Company Limited，Jilin 132101，China）

The content of oligosaccharide and organic acid in the production process of fuel ethanolwas determined by high performance liquid chromatography（HPLC）.The tracking effect of HPLC was discussed，and the problem of fermentation data were analyzed.The results showed that，HPLC analysis of fermentation liquid was ideal in the production process optimization and decision making，and met the requirements of processmonitoring.

fuel ethanol；oligosaccharides；organic acid；fermentation liquid；saccharifying enzyme；yeast；bacterial contamination

TQ 923 O 657.72

A

1672-5425（2015）07-0067-04

10.3969/j.issn.1672－5425.2015.07.018

2015-03-05

鄭偉（1965－），女，吉林省吉林市人，碩士，高級工程師，主要從事燃料乙醇的質量管理，E-mail：zhengw.jfa@cnpc.com.cn；通訊作者：楊維旭，高級工程師，E-mail：yangwx.jfa@cnpc.com.cn。