橡子粉乙醇化試驗條件研究

摘要[目的] 研究優化橡子粉發酵乙醇的試驗條件。[方法] 以采于牡丹江林口的橡子為原料，以乙醇濃度為指標，通過單因素和正交試驗考察發酵時間、接種量、轉速及發酵溫度4個因素對橡子粉發酵后乙醇濃度的影響。[結果]試驗確定了各因素對原料發酵的影響程度大小依次為：發酵時間、發酵溫度、轉速、接種量；橡子粉發酵生產乙醇的最佳條件：發酵液接種量3%，搖床轉速120 r/min，發酵溫度32 ℃，發酵時間為接種培養開始至96 h結束，此條件下橡子粉的酒精轉化率約為16.37%。 [結論]研究可為橡子原料量化生產燃料乙醇奠定基礎。

關鍵詞橡子；乙醇化；試驗研究

中圖分類號S789.7文獻標識碼A文章編號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，是良好的淀粉質原料，也是代替糧食作物制備燃料乙醇的理想來源。東北林區橡實資源豐富，利用橡子作為燃料乙醇的原料，可充分利用林區非林木資源生產清潔燃料，節約大量糧食。因此，以橡子為原料發酵生產燃料乙醇是橡子較好的利用途徑之一。

橡子淀粉經糖化處理后轉化為可供酵母發酵的糖類（主要是單糖及部分二糖和三糖），其后通過酵母對糖化液進行乙醇化發酵。發酵時，酵母主要通過糖酵解途徑進行同型酒精發酵，即由EMP途徑代謝產生丙酮酸并經過脫羧釋放CO2，在這個過程中，中間產物乙醛被還原成乙醇，同時釋放出熱量。

筆者對橡子粉發酵乙醇的試驗條件進行研究，通過試驗確定了具體條件對原料發酵的影響程度，橡子粉以最佳條件發酵生產乙醇，能提高橡子淀粉的酒精轉化率，為橡子原料量化生產燃料乙醇奠定基礎。

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6號，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，北京東華強盛試劑有限公司；糖化酶，50 000 U/g，湖南省津市市新型發酵有限公司。

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

1.1.4菌種活化培養基。蛋白胨 2%，酵母膏1%，葡萄糖2%，pH 6.0（固體培養基加瓊脂1.5%～2.0%），115 ℃滅菌15 min。發酵液制備：取經過處理的橡子粉20 g，將橡子粉水解后配制成發酵液，調節pH為6.0，并分裝于250 ml三角瓶中，冷卻后在無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。以乙醇濃度為指標，考察發酵時間、接種量、轉速及發酵溫度4個單因素對發酵后乙醇濃度的影響。發酵時間的考察范圍為48～96 h；接種量的考察范圍為1%～3%；轉速的考察范圍為80～120 r/min；發酵溫度的考察范圍為28～36 ℃。

1.2.2正交試驗。在單因素試驗的基礎上，以乙醇濃度為考察目標，選定發酵時間、接種量、轉速、溫度為考察因素，設計4因素3水平L9（34）正交試驗。各因素和水平見表1。

2結果與分析

2.1單因素試驗結果

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

2.1.2接種量對乙醇濃度的影響。固定發酵時間為72 h，溫度為28 ℃，轉速為80 r/min，以乙醇濃度為指標，考察1%、2%、3%不同接種量對發酵的影響。由圖2可見，隨著接種量增加，乙醇濃度增加；接種量在1%～2%范圍時，乙醇濃度隨著接種量的增加增長較快；接種量在2%～3%范圍時，乙醇濃度隨著接種量的增加而緩慢增長，此時菌種主要利用發酵液中葡萄糖進行自身菌體生長。接種量過多或過少，都會影響菌體發酵作用，接種量太小，會延長發酵周期、降低酵母菌種活力；接種量過大，易導致菌種衰老，不利于酒精高產。因此選擇接種量在2%～3%為較適宜的接種范圍，保證在較短的發酵周期內得到較高的乙醇產率。固定發酵時間72 h，溫度28 ℃，接種量2%，以乙醇濃度為指標，考察80、100、120 r/min不同轉速對發酵的影響。由圖3可見，在低供氧條件下，酵母發酵葡萄糖產生少量乙醇，乙醇產量隨著轉速增加而不斷增加，當轉速為100～120 r/min時，乙醇含量趨于平緩，殘葡萄糖濃度下降緩慢。因此，轉速宜選擇在100 r/min左右。

綜上結果，發酵時間、接種量、發酵溫度、搖床轉速等都是影響發酵效果的重要指標，通過單因素試驗初步確定了各參數的最佳范圍，在這樣的條件下進行發酵可以獲得較高的酒精產率。

2.2正交試驗結果改變發酵溫度、時間、接種量等條件，測定不同發酵條件下所能得到的乙醇濃度，并通過對試驗水平的篩選得到最佳組合條件，使發酵后的乙醇濃度達到最大，正交試驗結果見表2。

由表2的極差分析結果可以看出，對橡子粉發酵產生乙醇濃度的影響順序大小依次為：A、D、C、B，即發酵時間、發酵溫度、轉速、接種量，最優組合為A3B3C3D2。發酵時間和發酵溫度是影響橡子淀粉發酵后乙醇產量的主要因素。

2.3最佳試驗條件的驗證由正交試驗結果分析得出發酵最優條件組合為A3B3C3D2，即發酵時間96 h，接種量3%，轉速120 r/min，發酵溫度32 ℃。通過試驗驗證，在此條件下發酵后乙醇濃度值約為26.83 g/L，其值是各組中最高的。

2.4酒精轉化率的計算由上述試驗得到橡子粉發酵后的乙醇濃度值約為26.83 g/L，此時，以粗淀粉產率為62.10%計算，利用橡子粉發酵乙醇的酒精轉化率約為16.37%。

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

3結論

通過單因素及正交設計試驗結果確定了試驗條件對發酵結果的影響程度大小依次為：發酵時間、發酵溫度、轉速、接種量。橡子淀粉發酵生產乙醇的最優組合條件為，發酵液接種量3%，搖床轉速為120 r/min，發酵溫度為32 ℃，發酵時間為接種培養開始至96 h結束，在該條件下橡子粉的酒精轉化率約為16.37%。

參考文獻

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