橡子粉乙醇化試驗(yàn)條件研究

摘要[目的] 研究?jī)?yōu)化橡子粉發(fā)酵乙醇的試驗(yàn)條件。[方法] 以采于牡丹江林口的橡子為原料，以乙醇濃度為指標(biāo)，通過(guò)單因素和正交試驗(yàn)考察發(fā)酵時(shí)間、接種量、轉(zhuǎn)速及發(fā)酵溫度4個(gè)因素對(duì)橡子粉發(fā)酵后乙醇濃度的影響。[結(jié)果]試驗(yàn)確定了各因素對(duì)原料發(fā)酵的影響程度大小依次為：發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵溫度、轉(zhuǎn)速、接種量；橡子粉發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的最佳條件：發(fā)酵液接種量3%，搖床轉(zhuǎn)速120 r/min，發(fā)酵溫度32 ℃，發(fā)酵時(shí)間為接種培養(yǎng)開(kāi)始至96 h結(jié)束，此條件下橡子粉的酒精轉(zhuǎn)化率約為16.37%。 [結(jié)論]研究可為橡子原料量化生產(chǎn)燃料乙醇奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞橡子；乙醇化；試驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)S789.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）26-323-03

Abstract[Objective] To optimize experimental conditions of ethanol fermentation by acorn powder. [Method] With acorn collected from Linkou， Mudanjiang as raw material， ethanol concentration as indicator， through single factor and orthogonal test， the effects of fermentation time， inoculation amount， rotation speed and fermentation temperature on ethanol concentration were investigated. [Result] The order of influence factors is： fermentation time， fermentation temperature， rotation speed， inoculation amount； the optimal conditions ethanol fermentation by acorn powder are： fermentation broth 3%， shaking speed 120 r/min， fermentation temperature 32 ℃， fermentation time 96 h， under the above conditions， alcohol conversion rate of acorn powder is about 16.37%. [Conclusion] The research can lay the foundation for the production of fuel ethanol with acorn.

Key wordsAcorn； Ethanol； Experimental study

橡子種仁中淀粉含量高，是良好的淀粉質(zhì)原料，也是代替糧食作物制備燃料乙醇的理想來(lái)源。東北林區(qū)橡實(shí)資源豐富，利用橡子作為燃料乙醇的原料，可充分利用林區(qū)非林木資源生產(chǎn)清潔燃料，節(jié)約大量糧食。因此，以橡子為原料發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇是橡子較好的利用途徑之一。

橡子淀粉經(jīng)糖化處理后轉(zhuǎn)化為可供酵母發(fā)酵的糖類（主要是單糖及部分二糖和三糖），其后通過(guò)酵母對(duì)糖化液進(jìn)行乙醇化發(fā)酵。發(fā)酵時(shí)，酵母主要通過(guò)糖酵解途徑進(jìn)行同型酒精發(fā)酵，即由EMP途徑代謝產(chǎn)生丙酮酸并經(jīng)過(guò)脫羧釋放CO2，在這個(gè)過(guò)程中，中間產(chǎn)物乙醛被還原成乙醇，同時(shí)釋放出熱量。

筆者對(duì)橡子粉發(fā)酵乙醇的試驗(yàn)條件進(jìn)行研究，通過(guò)試驗(yàn)確定了具體條件對(duì)原料發(fā)酵的影響程度，橡子粉以最佳條件發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，能提高橡子淀粉的酒精轉(zhuǎn)化率，為橡子原料量化生產(chǎn)燃料乙醇奠定基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1供試菌種及原料。供試菌種南陽(yáng)6號(hào)，由黑龍江省微生物研究所提供。原料橡子，采于牡丹江林口，曬干后脫殼，粉碎后烘干備用。

1.1.2主要試劑。葡萄糖、酵母膏、蛋白胨等均為分析純；淀粉酶，5 000 U/g，北京東華強(qiáng)盛試劑有限公司；糖化酶，50 000 U/g，湖南省津市市新型發(fā)酵有限公司。

1.1.3主要儀器。JG200型多功能粉碎機(jī)，上海廣沙工貿(mào)有限公司；電子天平，梅特勒-托利多公司；手提式壓力蒸汽滅菌器，浙江新豐醫(yī)療器械有限公司；電熱恒溫水浴鍋，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；搖床，上海智城分析儀器制造有限責(zé)任公司；糖度計(jì)、溫度計(jì)等。

1.1.4菌種活化培養(yǎng)基。蛋白胨 2%，酵母膏1%，葡萄糖2%，pH 6.0（固體培養(yǎng)基加瓊脂1.5%～2.0%），115 ℃滅菌15 min。發(fā)酵液制備：取經(jīng)過(guò)處理的橡子粉20 g，將橡子粉水解后配制成發(fā)酵液，調(diào)節(jié)pH為6.0，并分裝于250 ml三角瓶中，冷卻后在無(wú)菌條件下接入活化好的酵母菌種。

1.2方法

1.2.1單因素試驗(yàn)。以乙醇濃度為指標(biāo)，考察發(fā)酵時(shí)間、接種量、轉(zhuǎn)速及發(fā)酵溫度4個(gè)單因素對(duì)發(fā)酵后乙醇濃度的影響。發(fā)酵時(shí)間的考察范圍為48～96 h；接種量的考察范圍為1%～3%；轉(zhuǎn)速的考察范圍為80～120 r/min；發(fā)酵溫度的考察范圍為28～36 ℃。

1.2.2正交試驗(yàn)。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以乙醇濃度為考察目標(biāo)，選定發(fā)酵時(shí)間、接種量、轉(zhuǎn)速、溫度為考察因素，設(shè)計(jì)4因素3水平L9（34）正交試驗(yàn)。各因素和水平見(jiàn)表1。

2結(jié)果與分析

2.1單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1發(fā)酵時(shí)間對(duì)乙醇濃度的影響。固定種液接種量為2%，溫度為28 ℃，轉(zhuǎn)速為80 r/min，以乙醇濃度為指標(biāo)，考察48、72、96 h不同發(fā)酵時(shí)間對(duì)發(fā)酵的影響。由圖1可見(jiàn)，發(fā)酵到48 h時(shí)，乙醇濃度值較低，發(fā)酵速率慢，處于酵母發(fā)酵的前期，乙醇濃度較低的原因可能是菌體利用其葡萄糖進(jìn)行自身的生長(zhǎng)；48～72 h時(shí)，乙醇濃度增長(zhǎng)迅速，發(fā)酵速率增加，此時(shí)發(fā)酵速率最快，為主發(fā)酵期；從72～96 h時(shí)，乙醇濃度增長(zhǎng)趨于平緩，發(fā)酵速率變化不大，可以看出發(fā)酵時(shí)間對(duì)橡子原料發(fā)酵的影響較大。

2.1.2接種量對(duì)乙醇濃度的影響。固定發(fā)酵時(shí)間為72 h，溫度為28 ℃，轉(zhuǎn)速為80 r/min，以乙醇濃度為指標(biāo)，考察1%、2%、3%不同接種量對(duì)發(fā)酵的影響。由圖2可見(jiàn)，隨著接種量增加，乙醇濃度增加；接種量在1%～2%范圍時(shí)，乙醇濃度隨著接種量的增加增長(zhǎng)較快；接種量在2%～3%范圍時(shí)，乙醇濃度隨著接種量的增加而緩慢增長(zhǎng)，此時(shí)菌種主要利用發(fā)酵液中葡萄糖進(jìn)行自身菌體生長(zhǎng)。接種量過(guò)多或過(guò)少，都會(huì)影響菌體發(fā)酵作用，接種量太小，會(huì)延長(zhǎng)發(fā)酵周期、降低酵母菌種活力；接種量過(guò)大，易導(dǎo)致菌種衰老，不利于酒精高產(chǎn)。因此選擇接種量在2%～3%為較適宜的接種范圍，保證在較短的發(fā)酵周期內(nèi)得到較高的乙醇產(chǎn)率。固定發(fā)酵時(shí)間72 h，溫度28 ℃，接種量2%，以乙醇濃度為指標(biāo)，考察80、100、120 r/min不同轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)酵的影響。由圖3可見(jiàn)，在低供氧條件下，酵母發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生少量乙醇，乙醇產(chǎn)量隨著轉(zhuǎn)速增加而不斷增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速為100～120 r/min時(shí)，乙醇含量趨于平緩，殘葡萄糖濃度下降緩慢。因此，轉(zhuǎn)速宜選擇在100 r/min左右。

綜上結(jié)果，發(fā)酵時(shí)間、接種量、發(fā)酵溫度、搖床轉(zhuǎn)速等都是影響發(fā)酵效果的重要指標(biāo)，通過(guò)單因素試驗(yàn)初步確定了各參數(shù)的最佳范圍，在這樣的條件下進(jìn)行發(fā)酵可以獲得較高的酒精產(chǎn)率。

2.2正交試驗(yàn)結(jié)果改變發(fā)酵溫度、時(shí)間、接種量等條件，測(cè)定不同發(fā)酵條件下所能得到的乙醇濃度，并通過(guò)對(duì)試驗(yàn)水平的篩選得到最佳組合條件，使發(fā)酵后的乙醇濃度達(dá)到最大，正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2的極差分析結(jié)果可以看出，對(duì)橡子粉發(fā)酵產(chǎn)生乙醇濃度的影響順序大小依次為：A、D、C、B，即發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵溫度、轉(zhuǎn)速、接種量，最優(yōu)組合為A3B3C3D2。發(fā)酵時(shí)間和發(fā)酵溫度是影響橡子淀粉發(fā)酵后乙醇產(chǎn)量的主要因素。

2.3最佳試驗(yàn)條件的驗(yàn)證由正交試驗(yàn)結(jié)果分析得出發(fā)酵最優(yōu)條件組合為A3B3C3D2，即發(fā)酵時(shí)間96 h，接種量3%，轉(zhuǎn)速120 r/min，發(fā)酵溫度32 ℃。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，在此條件下發(fā)酵后乙醇濃度值約為26.83 g/L，其值是各組中最高的。

2.4酒精轉(zhuǎn)化率的計(jì)算由上述試驗(yàn)得到橡子粉發(fā)酵后的乙醇濃度值約為26.83 g/L，此時(shí)，以粗淀粉產(chǎn)率為62.10%計(jì)算，利用橡子粉發(fā)酵乙醇的酒精轉(zhuǎn)化率約為16.37%。

酒精轉(zhuǎn)化率（%）=[酒精體積（ml）×酒精度（%）]/淀粉含量（g）×100%

3結(jié)論

通過(guò)單因素及正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果確定了試驗(yàn)條件對(duì)發(fā)酵結(jié)果的影響程度大小依次為：發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵溫度、轉(zhuǎn)速、接種量。橡子淀粉發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的最優(yōu)組合條件為，發(fā)酵液接種量3%，搖床轉(zhuǎn)速為120 r/min，發(fā)酵溫度為32 ℃，發(fā)酵時(shí)間為接種培養(yǎng)開(kāi)始至96 h結(jié)束，在該條件下橡子粉的酒精轉(zhuǎn)化率約為16.37%。

參考文獻(xiàn)

[1] 范紅巖，宮殿良 橡子發(fā)酵轉(zhuǎn)化燃料乙醇的工藝研究[J].化學(xué)工程師，2013（5）：76-78.

[2] 程荷芳，衛(wèi)民，蔣劍春，等.橡子淀粉性質(zhì)及酶解液化條件的優(yōu)化[J].食品科技，2010（10）：102-105.

[3] 韓梅，戴速航，林榮峰，等.甜菜乙醇發(fā)酵條件的研究[J].可再生能源，2010（4）：72-75.

[4] 謝碧霞，李安平，田玉峰，等.響應(yīng)面法優(yōu)化橡實(shí)淀粉生料發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精工藝[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（12）：92-97.

[5] 梁瑋，施翔星.木薯干發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇潛力研究[J].中外能源，2010（5）：31-34.43卷26期欒泰龍等橡子粉乙醇化試驗(yàn)條件研究