纖維質原料發酵制取酒精工藝研究進展

李美群 ，馬 力 ，陳永忠 ，王湘南 ，彭邵鋒 ，陳隆升 ，王 瑞 ，許彥明 ，唐 煒 ，彭映赫 ，李志鋼 ，張 震

（1.湖南省林業科學院，湖南長沙410004； 2.國家油茶工程技術研究中心，湖南長沙410004）

纖維質原料發酵制取酒精工藝研究進展

李美群1，2，馬 力1，2，陳永忠1，2，王湘南1，2，彭邵鋒1，2，陳隆升1，2，王 瑞1，2，許彥明1，2，唐 煒1，2，彭映赫1，2，李志鋼1，2，張 震1，2

（1.湖南省林業科學院，湖南長沙410004； 2.國家油茶工程技術研究中心，湖南長沙410004）

分別概述以稻草、玉米、高粱、小麥秸稈，油茶籽餅粕等纖維質為原料，在預處理、菌株選育及誘變、發酵工藝等方面的研究近況，為纖維質原料的發酵研究及高效利用提供參考。

纖維質； 菌種； 發酵； 酒精

稻草、玉米和小麥秸稈是我國農村農業的三大廢棄物，僅農作物秸稈、皮殼，每年產量就達7.5億多噸，其中玉米、稻草、小麥秸稈所占比重分別為35%、22%、21%。秸稈等木質纖維素由纖維素、半纖維素和木質素3部分組成，其中纖維素占40%～50%，半纖維素占25%～35%，木質素占15%～20%。農作物秸稈資源量大、穩定、可再生，解決秸稈中纖維素、半纖維素、木質素的降解利用問題，可為我國生產乙醇提供穩定的原料。本文從預處理、菌種、工藝等方面對稻草、玉米、高粱、小麥秸稈、油茶籽餅粕等纖維質原料發酵制取酒精進行概述，旨在為開發低成本、高效新型預處理技術，尋找纖維素、半纖維素及木質素高效降解菌種、混菌，篩選高效發酵菌及優化發酵工藝等提供參考。

1 稻草秸稈發酵制酒精

稻草秸稈主要是由纖維素、半纖維素和木質素3部分組成，此外還有少量的淀粉、蛋白質、灰分等。任天寶等[1]測得稻草秸稈成分中含有纖維素39.22%、半纖維素16.94%、木質素10.25%、灰分12.41%、可溶出物13.12%、含水率（8±1）%。目前，稻草秸稈降解發酵制酒精的研究較多，有構建新型反應器、分批添料式協同酶解發酵、鹽酸和高溫預處理酶解糖化發酵、酸預處理且酶促糖化發酵、高降解菌糖化發酵、半纖維素組合降解菌與酵母菌糖化發酵、高效木糖菌與酵母菌發酵、耐高溫酵母菌發酵等。

楊濤[2]將水稻秸稈纖維原料的酶解、固定化代謝纖維二糖釀酒酵母工程菌的作用有機藕聯、構建成新型的二級串聯式生物反應器，在該反應器體系的協同作用下，可有效解除纖維二糖和葡萄糖對纖維素酶的反饋抑制作用，促進纖維原料水稻秸稈的酶水解，發酵40 h，乙醇濃度達25.5 g/L，纖維素對乙醇的轉化率達43.0%。采用分批添料式協同酶解發酵工藝，可提高纖維底物的終濃度達250 g/L，產物乙醇的終濃度66.5 g/L。李健等[3]以稻草秸稈為纖維素原料，得出降解糖化的較優工藝條件：鹽酸濃度2.5%、溫度126℃，固液比（g/mL）1∶3的條件下處理1 h后，在溫度為55℃、起始pH值為5.0、酶用量為35 U/g的條件下水解32 h，最終糖化液的葡萄糖含量為14.1%。接入釀酒酵母進行發酵，得到酒精度為13.4%vol。黃峰等[4]以水稻脆性秸稈為原料進行研究，經過纖維素酶處理后，每克脆性秸稈得到的總還原糖量為541.2 mg±8.0 mg，比普通秸稈高出41.9 mg；菌株Escherichia coli SZ470利用酸預處理且酶促糖化的兩種秸稈發酵72 h后，乙醇產量可達10.9 g/L±0.4 g/L。馬潔[5]將稻草降解率高的菌株FD-7接種于以稻草為主要碳源的固體發酵培養基中發酵并對產物進行高溫糖化，利用酵母進行酒精發酵，得到酒精轉化率為10.36%，酒精濃度為20.72 mg/mL。劉津[6]利用秸稈進行乙醇發酵，確定了真菌J-7降解纖維素的最佳時間為72 h，再以15%的接種量接種酵母進行厭氧發酵24 h，得到的發酵液中乙醇濃度最高為12.92 mg/mL。通過分批加液，乙醇濃度可高達13.56 mg/mL。張麗麗[7]選用篩選的半纖維素降解真菌FV3和細菌BV5為最優組合降解水稻秸稈，糖化開始時間為96 h，最適糖化溫度為50℃，最適糖化時間為72 h；利用畢赤酵母和釀酒酵母發酵糖化產物產酒精，得到秸稈的酒精轉化率為9.27%，產品酒精濃度16.59 mg/mL。劉天霞等[8]在試驗室內分離、篩選、馴化培養出1株高效木糖酒精發酵菌株g-13，采用該菌株發酵稻殼粉水解液，酒精轉化率為0.38 g/g。劉薇[9]在稻草經糖化后的發酵培養基中補充氮源尿素，添加木糖發酵菌株進行發酵試驗，得到酒精產量3.265%，殘糖量3.582 mg/mL，酒精得率0.164 g/g，而同時添加安琪酵母和木糖發酵菌株進行發酵試驗，得到酒精產量4.156%，酒精得率0.1819 g/g。劉海臣[10]從酒精廠的酒糟中篩選得到兩株耐高溫的優良酵母菌株。P1，5 min；P2，10 min兩株菌株都能在52 ℃高溫下或酒精度為16%vol YPD固體培養基上生長，且其在52℃下發酵稻草秸稈產酒精度分別為2.96%vol、2.86%vol。

2 玉米秸稈發酵釀造酒精

玉米秸稈中干物質含量為91.3%，粗纖維為23.9%，精蛋白為3.5%，灰分為7.9%，無氮浸出物為49.1%。玉米秸稈發酵制酒精的研究，有堿性濕氧化預處理與同步糖化發酵，稀酸預糖化-酶糖化發酵，控制pH熱水法處理發酵，構建表達α-淀粉酶和糖化酶的酵母發酵，纖維素降解菌糖化發酵、同步糖化發酵等。

張強等[11]采用堿性濕氧化預處理與同步糖化發酵對玉米秸稈制備酒精進行了研究，結果表明，經過預處理，90%纖維素保留在固體中，回收率為95.87%。固體部分利用纖維素酶處理，在50℃，24 h酶解率達到了67.6%；底物8%，經過142 h同步糖化發酵，酒精產量達到了理論酒精產量的79.0%。袁敬偉[12]以玉米秸稈為原料研究稀酸預糖化-酶糖化法發酵生產酒精的工藝，經試驗確定：預糖化過程固液比1∶9，硫酸濃度1.5%（w/w），140℃條件下預糖化1.5 h；酶糖化過程底物濃度25%，pH5.0±0.1，加入1%的纖維素酶，糖化時間72 h；纖維素糖化率可達83.82%，纖維素出酒率可達40.69%，發酵液酒精濃度6.20%vol。國外的Mosier等[13]用控制pH值的熱水法處理玉米秸稈，反應器中原料占16%，190℃下處理15 min，乙醇的產量達到理論產量的88%。Shigechi[14]等利用細胞表面工程構建表達α-淀粉酶和糖化酶的酵母，利用生淀粉發酵產生乙醇。該酵母能在72 h內產生61.8 g/L乙醇，是生玉米淀粉理論收率的86.5%。李冬梅[15]從自然環境中分離篩選出高效產酶且酶活穩定的纖維素降解菌株FLZ6和FLZ10，應用這兩株菌代替纖維素酶使用，進行同時糖化發酵生產乙醇，最佳條件為：反應溫度37℃，初始pH6.0，纖維素降解菌群和酵母菌的比例為1∶1，反應時間36 h，在該條件下，獲得了13.1 g/100 g秸稈的乙醇。習林哲[16]采用超聲波預處理90 min后的“四粒美”秸稈進行同步糖化發酵時，適宜的發酵條件為酵母接種量為5%，pH5.0，發酵時間為3 d，發酵溫度為30℃，纖維素酶的加入量為15 mL，酒精度最高。王菁莎[17]采用正交試驗方法對玉米秸稈同步發酵法生產酒精，結果表明，在發酵溫度32℃，發酵4 d，入池pH值5.0，酵母菌接種量108個/mL，纖維素酶用量為35 IU/g時發酵酒精度最高，可達4.67%vol。任立偉[18]以紫外線誘變法選育高產菌株YT318，并作為最佳工藝發酵菌對經預處理的玉米秸稈，得出最適發酵工藝條件為溫度35℃，最佳搖床轉速100 r/min，最適pH值為5.5，經過60 h發酵，酒精濃度可達5.5%vol，殘總糖在0.7%以下。

3 高粱秸稈發酵釀造酒精

高粱秸稈糖分主要分布在髓和皮中，占總量的91%以上；蛋白質主要存在于葉中，占總量的37.4%，纖維素主要存在于皮和葉中，占總量的80%以上，粗脂肪、灰分主要存在于葉中，分別占總量的77.2%和50%。高粱秸稈發酵釀造酒精有菌株誘變發酵、重組菌發酵、固態發酵、揉搓切碎發酵、同步糖化發酵等。

謝瓊霞[19]以新疆甜高粱秸稈為原料，以休哈塔假絲酵母為誘變出發菌株，通過EMS、LiCl和紫外線3因素復合誘變，以及60Co-γ輻照反復誘變，結合TTC平板、杜氏小管發酵及液態搖瓶發酵三級篩選，最終得到兩株優勢誘變菌株XX5、XX15，二者酒精產率達到0.341 g/g±0.011 g/g和0.327 g/g±0.014 g/g。任麗[20]利用低能N+離子束注入技術對酒精生產菌——酵母菌進行誘變處理，選育發酵基質的酒精產量提高的正突變菌株12#-70-11、12#-90-A-1和出發菌株12#，經3因素4水平正交試驗，最佳工藝條件為：溫度為30℃，pH4.5，接種量為7%，發酵液的酒精含量分別為5.13%vol、5.02%vol和5.10%vol。劉健[21]利用最佳誘變菌株H13對甜高粱秸稈進行固態發酵，最適工藝條件是：粉碎后的甜高粱秸稈300 g，5‰的菌體接種量、68%的基質含水量、36℃條件下發酵60 h；經測定，乙醇產率達6.4 g/100 g鮮秸稈。葉凱[22]以甜高粱為原料，在6%葡萄糖培養基上，重組菌增殖速度較快，發酵效率較高；當發酵時間在48 h時，乙醇含量為41.75 mg/mL。再吐尼古麗·庫爾班等[23]以甜高粱秸稈為原料，采用固態發酵法，酵母菌接種量為0.2%、糖化酶0.1%、纖維素酶0.8%、發酵時間為120 h。結果顯示，發酵到120 h時開始蒸酒，得到8.33 g/100 g 61%粗乙醇。宋俊萍[24]利用甜高粱秸稈中豐富的糖分為原料生產酒精，確定固態發酵的最佳條件：添加0.5%的（NH4）2SO4，0.5%的CaCl2，接種率為0.5%，發酵時間24 h，最適pH值5.0，每克甜高粱干料可以產生0.298 g乙醇。葳力斯[25]采用甜高粱秸稈為原料發酵法生產酒精，固體發酵的最佳發酵條件為：溫度30℃、發酵時間4 d、接種量3%。研究得出，蒸料酒精產量提高13.7%；排氣酒精產量提高8.1%。王祥河[26]以甜高粱秸稈為原料，采用固態發酵：秸稈采用揉搓切碎機切至1～2 cm，籽粒粉碎至60目，0.1 MPa滅菌30 min，接種10%的酵母種子，28℃靜置培養48 h；添加20%籽粒淀粉發酵，酒精含量達9 g/100 g以上。代樹華[27]將切碎至2 cm左右的甜高粱莖稈揉碎至0.15 cm厚的顆粒物料，批次發酵22 kg甜高粱干基，獲得乙醇溶液總計30.13 L，最高濃度為25%，平均濃度10.8%，即為2.88 L純乙醇，氣提發酵周期為40 h，乙醇產率為19.89%。陳朝儒等[28]以甜高粱莖汁及其渣為發酵原料，試驗所得甜高粱莖稈渣汁同步糖化乙醇發酵的優化工藝條件為：發酵溫度36.58℃，混合纖維素酶添加量 23.5（FBU/mL）/35.25（CBU/mL），甜高粱渣汁質量體積比為8.2%，理論預測乙醇產量為89.2%，驗證試驗乙醇產量為88.98%。周美靜等[29]以可溶性固形物濃度為16%的甜高粱莖桿汁液為原料，最終確定利用甜高粱糖汁生產酒精的發酵條件為：pH5.0，接種量10%，溫度30℃，時間48 h，可獲得11%的酒精。

4 小麥秸稈發酵制酒精

小麥秸稈中干物質含量為91.6%，粗纖維為40.9%，精蛋白為2.8%，灰分為5.2%，無氮浸出物為41.5%。小麥秸稈處理方法有蒸汽爆破預處理、亞臨界水處理、不同NaOH預處理、發酵廢液預處理，有分步糖化、同步糖化發酵法等制取酒精。

趙鵬翔等[30]改進傳統蒸汽爆破預處理小麥秸稈，整個草漿和固形物同步糖化發酵乙醇濃度分別達到25.5 g/L、30.6 g/L，分別達到葡萄糖乙醇理論產率的77%、90%；通過提高固形物濃度到20%，乙酸預浸漬氣爆處理后的固形物同步糖化發酵乙醇濃度可達67.3 g/L。賈逾澤等[31]用亞臨界水處理小麥和玉米秸稈后，在35℃下分別發酵，最終獲得的乙醇質量濃度分別為12.8 g/L和10.4 g/L。馬海元等[32]以小麥秸稈為底物，對不同NaOH預處理條件下小麥秸稈的纖維素酶水解效率進行了研究，在NaOH質量分數為1.00%、小麥秸稈固體含量為0.050 g/mL、預處理時間為60 min時，總還原糖的產率達到86.61%，利用最佳預處理條件下的小麥秸稈進行同步糖化發酵，其乙醇產率達到71.70%。馬英輝等[33]利用酒精廠的乙醇發酵廢液對小麥秸稈進行預處理，經實驗，處理小麥秸稈的最佳條件為乙醇、雜醇油體積比為1∶1，處理溫度110℃，處理時間為200 min，處理后的秸稈酶解率達到83.3%，但由于纖維糖化液中抑制發酵成分的存在，使得發酵的酒精度只有6%vol左右。陳玉亮等[34]利用小麥秸稈為原料進行分步糖化發酵產酒精，正交試驗確定的最佳酒精發酵條件為培養溫度30℃，發酵72 h，起始pH4.8，氮源補加量為1%，在此條件下，當底物濃度為2%時，乙醇的產量可達4.83 g/L。張偉等[35]利用釀酒酵母Saccharomyces cerevisiae BY4742對小麥秸稈同步糖化發酵生產燃料乙醇，最優條件為：溫度38℃，固體含量16.0%（m/V），纖維素酶投加量35 FPU/g底物，酵母菌濃度8 g/L。在此條件下，NaOH預處理后的小麥經過120 h同步糖化發酵，乙醇濃度達到最大，為38.32 g/L。

5 油茶餅粕發酵制酒精

提油后的茶餅粕中含有15%～25%粗纖維，30%～60%糖類物質，20%～50%無氮浸出物，10%～20%蛋白質，10%～16%茶皂素，0.5%～7%粗脂肪等。胡堯超[36]以油茶籽粕為原料，嘗試采用酵母菌發酵產酒精，得出油茶籽粕水解糖液的最佳發酵工藝參數為接種量4%，發酵溫度29℃，發酵時間52.5 h，pH5.7，在此條件下，水解糖液中酒精濃度為25.35 g/L，乙醇得率最高達到46.11%。練杰[37]以油茶籽粕為原料，通過單因素試驗確定油茶酒最佳釀制工藝為：油茶籽粕與糯米的比例為2∶3、主發酵溫度為28℃，酵母添加量為0.12%，糖化酶添加量0.4 mL/100 g原料、麥曲添加量為8.0%，主發酵時間為6 d，此時酒精度達到13.46%vol。熊筱等[38]以糖化后的油茶粕為原料，得出最佳發酵菌種為熱帶假絲酵母；最優發酵條件：溫度20℃，時間10 d，接種量1.8 mL/g，加水量1.2 mL/g，在此條件下，乙醇得率為10.9%，純度為99.8%。

6 其他纖維原料發酵制酒精

自然界纖維質原料來源廣泛，如何更好的利用各種纖維質原料發酵制取酒精，需要進行不斷的研究。張璇等[39]探討了以茶葉籽餅粕為原料進行酒精發酵工藝的可行性，結果表明：料水比1∶4，采用50 U/g α-淀粉酶，80 ℃，酶解時間60 min；糖化酶添加量為200 U/g，酶解時間90℃。在pH4.5，接種量0.60 mL/g，發酵時間為5 d，發酵溫度為28℃，酒精轉化率為34.99%。牟曉紅等[40]以食用型向日葵籽殼為原料，采用濕氧化預處理和同步糖化發酵法制備生物乙醇，前者最佳工藝條件為：反應溫度190℃，氧氣壓強1.2 Mpa，過篩干燥后的向日葵籽殼/混合溶液1:10，時間15 min；后者最佳工藝條件為：反應溫度40℃，纖維素酶用量30 U/g，pH4.8，酵母接種量8%。在此條件下，生物乙醇得率為18.04%。熊亮等[41]將菊芋秸稈用NaOH-H2O2預處理后，采用分批補料和補加纖維素酶的方式進行高物料濃度條件下的分步水解和乙醇發酵，利用木糖-葡萄糖共發酵重組釀酒酵母菌株LX03在菊芋秸稈水解液中進行乙醇發酵，發酵72 h乙醇最高濃度達66.2 g/L。張樹河等[42]采用稀酸水解香蕉莖葉纖維，得出半纖維素含量與酒精得率是呈正相關的，含量最高的是美蕉假莖，達到33.65%，產酒精率為15.95%；最低的是美蕉葉片，只有23.54%，產酒精率也只有8.85%。Nagle等[43]用稀硫酸通過單步批式預處理白楊木屑，然后固液分離，固體在130～150℃下洗滌后，以SSF工藝水解發酵，乙醇產量增加了50%。Teater等[44]對比了厭氧消化纖維與柳枝、玉米秸稈的乙醇產率，其中，厭氧消化纖維乙醇轉化率為80.3%，柳枝和玉米秸稈乙醇轉化率為83.13%和78.0%。

7 結語

秸稈發酵生產酒精，早期的預處理主要是采用蒸汽爆破法、酸法、堿法水解糖化纖維素成葡萄糖，蒸汽爆破法投資成本高；而酸法、堿法對設備腐蝕性大，對環境污染嚴重，能耗高。現在更多采用溫和的、能在常壓下進行，具有較高選擇性，可形成單一產物，且產率較高的酶水解技術。發酵方面，可采用一步發酵法、兩步發酵法和同步糖化發酵法，這3種方法都各有優勢，但也存在一些需要不斷完善的方面。隨著經濟的發展，能源需求越來越大，開發新能源，可最大程度的利用現有潛在資源，緩解能源危機。纖維質原料在自然界來源廣泛，稻草、玉米、高粱、小麥秸稈、油茶籽餅粕是產量較大的纖維質原料，如何低成本、低能耗、輕污染、工藝簡單的轉化為酒精，還有很大的發展和研究空間。

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Research Progress in the Fermentation of Fiber Materials to Produce Alcohol

LI Meiqun1,2,MA Li1,2,CHEN Yongzhong1,2,WANG Xiangnan1,2,PENG Shaofeng1,2,CHEN Longsheng1,2,WANG Rui1,2,XU Yanming1,2,TANG Wei1,2,PENG Yinghe1,2,LI Zhigang1,2and ZHANG Zheng1,2
(1.Hunan Academy of Forestry,Changsha,Hunan 410004;2.National Engineering Research Center for Oiltea Camellia,Changsha,Hunan 410004,China)

In this paper,the research progress in the use of fiber materials(rice straw,corn,sorghum,wheat straw,tea seed,etc.)to produce alcohol was reviewed,including pretreatment,yeast strain breeding and mutation,fermentation,etc.The research provided useful reference for high-efficiency utilization of fiber materials.

fiber;yeast strains;fermentation;alcohol

TS262.2；TS261.4

A

1001-9286（2017）11-0097-06

10.13746/j.njkj.2017155

2017-06-02

李美群（1985-），女，湖南邵陽人，助理研究員，碩士研究生，研究方向：油茶加工及副產物深加工，E-mail：mei_qun_li@163.com。

馬力（1982-），女，湖南湘潭人，博士，副研究員，主要從事油脂加工研究，E-mail：276841095@qq.com。

優先數字出版時間：2017-07-25；地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20170725.1342.005.html。