響應面優化鮮甘薯生料濃醪發酵乙醇工藝

劉倩倩

摘要：以鮮甘薯為原料，對生料濃醪發酵乙醇的工藝進行研究，通過單因素試驗、響應面優化試驗探討原料去皮程度、發酵時間、發酵溫度、酵母添加量、復合酶添加量、pH值等因素對發酵的影響。結果表明，鮮甘薯生料濃醪發酵乙醇的最佳工藝條件為去皮程度5%、pH值4.5、發酵溫度30 ℃、液固比3 mL ∶1 g、復合酶添加量1.7%、酵母添加量20%，并于120 r/min搖床發酵63 h，當乙醇度達12.3%（V/V）、淀粉利用率達93.0%，則表明該工藝可行。

關鍵詞：鮮甘薯；生料；濃醪；發酵；響應面

中圖分類號： TQ223.12+2文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）09-0302-03

我國乙醇生產大多采用發酵法，且多數乙醇廠以薯類為主要原料，其中甘薯最為普遍。我國甘薯種植極為普遍，除西藏及東北部分地區外，其他各省均廣泛種植[1-2]。在乙醇生產中，甘薯所含淀粉純度較高，有利于糖化和發酵，且由于脂肪、蛋白質含量較少，發酵時產酸低。傳統的淀粉質原料生產乙醇需要高溫高壓蒸煮，能耗極大，約占乙醇生產總能耗的25%～30%[3-9]。以鮮甘薯為原料直接生料濃醪發酵乙醇，可大量減少生產能耗并降低生產成本。通過單因素試驗、響應面優化試驗優化生料發酵乙醇的工藝條件，為實際工業生產提供依據。

1材料與方法

1.1材料與儀器

甘薯（購于菏澤農貿市場）、活性干酵母、復合酶（淀粉酶、糖化酶、果膠酶、纖維素酶）。

電熱恒溫鼓風干燥箱、紫外分光光度計、SHZ-D（Ⅲ）型循環水真空泵、Sartorius CP225D型電子天平、恒溫搖床、電熱恒溫水浴鍋、真空干燥箱、立式壓力蒸汽滅菌器、pHS-2型精密酸度計、顯微鏡。

1.2試驗方法

1.2.1鮮甘薯生料濃醪發酵相關分析檢測（1）原料水分含量的測定：將甘薯粉碎后放入50 ℃恒溫干燥箱烘干至恒質量，計算含水量。（2）原料淀粉含量的測定：先用酸水解淀粉，并用DNS法測定還原糖濃度，再換算成淀粉含量。（3）醪液中酵母濃度：取醪液稀釋n倍，搖勻后在顯微鏡下對酵母計數。（4）醪液中總糖、殘糖含量：采用DNS法測定。（5）醪液pH值：采用pHS-2精密酸度計測定。（6）發酵醪液中酵母死亡率：用美蘭溶液染色后在顯微鏡下觀察計數。（7）醪液乙醇含量分析：按照國標GB/T10781規定方法測定。

1.2.2單因素試驗通過試驗考察原料去皮程度、發酵時間、發酵溫度、pH值、酵母添加量、復合酶添加量6個因素對發酵的影響。采用不同程度去皮的原料各200 g，發酵條件為pH值4.0、液固比3：1、復合酶添加量1.2%、酵母添加量20%、發酵溫度32 ℃、120 r/min搖床發酵72 h。

1.2.3響應面優化試驗為考察各因素間的交互作用并得到最佳發酵工藝條件，在單因素試驗結果的基礎上采用 Design-Expert 軟件，以A（復合酶添加量）、B（酵母添加量）、C（發酵時間）、Y（乙醇度）作為響應指標，由Box-Behnken中心組合進行3因素3水平（表1）優化試驗。

1.2.4淀粉利用率計算淀粉利用率計算公式為：淀粉利用率=m/m0×100%。其中，m為發酵液中乙醇量換算成淀粉的質量（g），m0為原料中淀粉的質量（g）。

2結果與分析

2.1單因素試驗結果

2.1.1去皮程度對發酵的影響去皮程度越高，發酵醪液乙醇含量越高（圖1）。去皮后淀粉含量高，且原料中果膠含量下降，因此淀粉利用率明顯提高，而實際生產中既要考慮去皮工藝的設備、人力、物力成本消耗，又要考慮乙醇度的高低，故應根據工廠實際需求選擇預處理程度。本試驗將去皮程度選取為5%左右較為合適。

2.1.2發酵時間對發酵的影響乙醇度隨著發酵時間的延長逐漸升高，隨后基本趨于穩定，并于70 h左右達到最大值（圖2）。發酵時間過短則淀粉利用不徹底，殘糖量高；若發酵時間過長，酵母可能會利用乙醇產生酸及其他副產物，使乙醇含量降低。本試驗將發酵時間選取為70 h左右較為合適。

2.1.3酵母添加量對發酵的影響酵母添加量的大小對發酵產乙醇水平的高低影響較大（圖3）。接種量過小則菌數增長緩慢，培養時間長，從而延長發酵周期并降低酵母菌種活力，不利于高產乙醇；若接種量過大，菌數劇增及過多代謝廢物使菌種易衰老，導致乙醇度下降。本試驗將酵母添加量選

取為2.5%左右較為合適。

2.1.4pH值對發酵的影響乙醇度隨pH值的升高而先升高后降低（圖4）。發酵醪液的pH值對酵母的生命活動有顯著影響，酵母的最適pH值為4.0～5.0，各種酶也有其最適pH值，本試驗將pH值選取為4.5左右較為合適。

2.1.5發酵溫度對發酵的影響乙醇度在發酵溫度為30～40 ℃時達到最大值（圖5）。釀酒酵母的最適作用溫度為 28～34 ℃，糖化酶的最適溫度為60 ℃，淀粉酶的最適溫度為30 ℃，考慮到溫度對復合酶活力的影響，本試驗將發酵溫度選取為35 ℃左右較為合適。

2.1.6復合酶添加量對發酵的影響復合酶添加量的大小對發酵產乙醇水平的高低影響較大（圖6）。葡萄糖的生成速率影響酵母的生長和發酵，復合酶添加量不足則淀粉降解速率慢，進而影響乙醇的發酵速度；復合酶添加量過多則增加經濟成本。本試驗將復合酶添加量選取為1.5%左右較為合適。

2.2響應面優化試驗結果與分析

利用Design-Expert統計分析軟件對響應面優化試驗結果（表2）進行分析（表3），得出乙醇度與復合酶添加量（A）、酵母添加量（B）、發酵時間（C）之間的二次多項回歸模型方程

該回歸模型的P值<0.000 1，表明該模型極顯著，各因素的一次項A為顯著、B為極顯著，二次項A2、B2、C2均為極顯著，交互項AB、AC、BC均為極顯著，且失擬項不顯著。線性方程的相關系數R2（0.985 1）與校正后的R2（0966 0）具有良好的一致性，表明該模型的準確性、適用性較好。由F值大小可知，影響IDF提取率的因素主次順序為B>A>C，即酵母添加量>復合酶添加量>發酵時間。將乙醇度取最大值，軟件自動分析得到最優條件：發酵時間 63.25 h、酵母添加量2.04%、復合酶添加量1.74%，此條件下乙醇度達到12.34%（V/V）。為便于試驗操作，將各條件選取為發酵時間63 h、酵母添加量2.0%、復合酶添加量17%，在此條件下進行3次平行驗證試驗，乙醇度達到1230%（V/V），淀粉利用率達到93%。3結論

采用響應面法對鮮甘薯生料濃醪發酵乙醇的工藝進行優化，建立的二次多項式數學模型顯著性良好，酵母添加量對乙醇度的影響最大，復合酶添加量次之，發酵時間最小。鮮甘薯生料濃醪發酵乙醇的最佳工藝條件為去皮程度5%、pH值45、發酵溫度30 ℃、液固比3 ∶1、復合酶添加量1.7%、酵母添加量2.0%、120 r/min搖床發酵63 h，此工藝條件下乙醇度達到12.30%（v/v），淀粉利用率達到93%。

參考文獻：

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