沙棗替代部分玉米生產乙醇條件的優化

趙 勃，王永勝，李沖偉，3*

（1.黑龍江大學 農業微生物技術教育部工程研究中心，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學 生命科學學院，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學 黑龍江省寒地生態修復與資源利用重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080）

酒精是我國重要的工業原料。長期以來，以玉米為原料生產酒精始終存在著“與人爭糧食，與糧爭地”的問題[1]，玉米原料價格受市場變化影響較大，這已經成為阻礙酒精企業發展的重要瓶頸，加上2017年國家取消了玉米價格補貼，這些原因共同加速了一批酒精企業的相繼停產。因此，尋找價格廉價的替代原料已經成為酒精企業尋求發展的重要途徑之一。

沙棗（Elaeagnusangustifolia）又名七里香、香柳、刺柳等，主要分布在我國西北各省區和內蒙古西部，少量分布在華北北部和東北西部，每年產量較大，價格低廉，主要用作牲畜的食料，其利用價值較低[2]。據測定，沙棗中糖類含量所占比重最高，其中果肉含糖43%～59%（20%為果糖，成熟果實達60%以上），可謂是釀酒的上等原料。田曉菊等[3]研究了沙棗釀酒發酵過程中主要成分的變化規律，表明沙棗釀酒是可行的；于翔[4]通過響應面法優化了沙棗果酒發酵的最佳工藝條件，得到沙棗酒酒精度為10%vol～15%vol；雷宇等[5]研究了以木薯粉為主料、玉米粉為輔料混合發酵生產乙醇，表明木薯粉與玉米粉比例9∶1時出酒率最高（提高了6.59%）；劉勁松等[6-7]研究了以玉米和陳化大米為復合原料進行乙醇發酵，結果表明，陳化水稻添加比例為40%時，酒精度可達到13.12%vol；以不同玉米原料發酵生產酒精，結果表明，脫胚玉米粉酒份最高，可達15.17%vol，而粕粉出酒率為55.59%，遠高于脫胚玉米粉、混合玉米粉及粕純玉米粉。劉甲申[8]以玉米和高粱混合原料在低溫液化條件下通過控制高粱添加的比例及淀粉酶用量，酒精度可達11.4%vol；羅虎等[9]利用大米粉為原料，經同步糖化發酵，酒精度為12.35%vol；DíAZ-CAMPILLOM等[10]從代謝途徑的角度探討了微生物利用單糖的差異性，結果表明高濃度葡萄糖抑制酵母對果糖利用率，低濃度葡萄糖則相反[11]。

本試驗利用沙棗粉替代部分玉米粉，通過單因素和正交試驗對混合原料的發酵條件進行優化，旨在探究玉米沙棗混合原料生產乙醇的可行性，期望以此降低酒精企業的生產成本，提高企業的經濟效益。

1 材料與方法

1.1 材料及試劑

1.1.1 菌種及樣品

釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、果酒酵母：湖北宜昌安琪酵母有限公司；馬克斯克魯維酵母（K luyveromyces marxianus）1727：中國工業微生物菌種保藏管理中心；玉米粉：本地超市；沙棗粉：新疆沙灣地區。

1.1.2 試劑

液化酶（18萬U/m L）、糖化酶（10萬U/g）：寧夏夏盛實業集團有限公司；3,5-二硝基水楊酸（dinitrosalicylic acid，DNS）[12]：國藥集團化學試劑有限公司。其他試劑為國產分析純。

1.2 儀器與設備

101A-0型電熱鼓風干燥箱：北京金北德工貿有限公司；DK-98-1型水浴鍋：天津市泰斯特儀器有限公司；HZQ-C型空氣浴振蕩器：哈爾濱市東聯電子技術開發有限公司；SP-756PC型紫外分光光度計：上海光譜儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 玉米粉與沙棗粉發酵產乙醇工藝流程及操作要點

玉米粉與沙棗粉混合原料總質量50 g，以一定比例混合，按一定料水比加入水后于65℃水浴鍋中糊化30min，升溫至100℃，加入1%氯化鈣及一定量的液化酶液化一定時間，降溫至60℃，添加一定量的糖化酶后糖化一定時間，糖化醪冷卻調pH至4.0，接種酵母靜置發酵[13]，得乙醇。

1.3.2 單因素試驗

固定其他條件不變，分別考察玉米粉與沙棗粉混合比例（10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5），料水比（1∶3.5、1∶4.0、1∶4.5、1∶5.0、1∶5.5），液化酶用量（20 U/g、25 U/g、30 U/g、35 U/g、40U/g），液化時間（45min、60min、75min、90min、105min），糖化酶用量（100U/g、125U/g、150U/g、175U/g、200U/g），糖化時間（20min、25min、30min、35min、40min），酵母（釀酒酵母）接種量（1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%），發酵時間（48 h、60 h、72 h、84 h、96 h），發酵菌種比例（釀酒酵母、果酒酵母、馬克斯克魯維酵母分別以6∶0、5∶1、4∶2、3∶3、2∶4、1∶5的比例兩兩混合）對混合原料生產乙醇的影響[13-14]。

1.3.3 測定方法[15-20]

殘糖量測定：采用DNS法；酒精度測定：采用蒸餾法。

1.3.4 計算公式

淀粉含量、淀粉出酒率以及淀粉利用率的計算公式如下：

淀粉含量=玉米質量×70%+沙棗質量×9.9%（根據兩種原料淀粉含量粗略計算）

2 結果與分析

2.1 玉米粉與沙棗粉混合比例對乙醇發酵的影響

表1 玉米粉與沙棗粉混合比例對乙醇發酵的影響Table 1 Effect of different proportions of corn and Elaeagnus angustifolia powder ratio on ethanol fermentation

由表1可知，當玉米粉∶沙棗粉=9∶1時，混合原料組的酒精度（9.86%vol）、淀粉出酒率（36.737%）、淀粉利用率（44.743%）均最高，高于以純玉米粉作為原料（9.62%vol、34.402%、42.506%），說明利用沙棗代替部分玉米生產酒精是可行的，所以玉米粉與沙棗粉混合比例選擇9∶1。混合原料組殘糖量明顯高于純玉米粉組，說明有部分還原糖沒有被利用，具體原因有待進一步研究。

2.2 料水比對乙醇發酵的影響

由圖1可知，隨著料水比的增加，酒精度呈緩慢降低的趨勢，殘糖量呈先下降再上升的趨勢。當料水比為1∶4.5時，殘糖量最低，為0.272 g/L，淀粉出酒率和淀粉利用率達到最高，分別為27.987%和46.178%。料水比較低時，酒精產量較高，但由于醪液黏度較大，影響了酶的作用，淀粉利用率及出酒率均較低。為了充分利用淀粉，選擇料水比為1∶4.5（g∶m L）。

圖1 料水比對乙醇發酵的影響Fig.1 Effect ofmaterial to water ratio on ethanol fermentation

2.3 液化酶用量對乙醇發酵的影響

由圖2可知，隨著液化酶用量的增加，酒精度和殘糖量均呈先上升后下降的趨勢。當液化酶用量為35U/g時，酒精度最高，為10.15%vol，淀粉出酒率和淀粉利用率最高，分別為28.42%和43.61%，故選擇液化酶用量為35U/g。

圖2 液化酶用量對乙醇發酵的影響Fig.2 Effect of liquefying enzyme addition on ethanol fermentation

2.4 液化時間對乙醇發酵的影響

圖3 液化時間對乙醇發酵的影響Fig.3 Effect of liquefaction time on ethanol fermentation

由圖3可知，隨著液化時間的延長，酒精度呈先上升后下降的趨勢，殘糖量呈先下降后上升的趨勢。當液化時間為60min時，酒精度達到最高值，為10.12%vol，盡管殘糖量不是最低，但淀粉出酒率和淀粉利用率最高，分別為27.99%和47.72%，故選擇液化時間60min。

2.5 糖化酶用量對乙醇發酵的影響

圖4 糖化酶用量對乙醇發酵的影響Fig.4 Effect of glucoamylase addition on ethanol fermentation

由圖4可知，隨著糖化酶用量的增加，酒精度呈先升高后降低的趨勢，殘糖量呈緩慢升高的趨勢，淀粉利用率和淀粉出酒率呈先升高后降低的趨勢。當糖化酶用量為150U/g時，酒精度達到最大值，為10.42%vol，此時淀粉出酒率和利用率也最高，分別為28.49%和48.74%，故選擇糖化酶用量為150U/g。

2.6 糖化時間對乙醇發酵的影響

圖5 糖化時間對乙醇發酵的影響Fig.5 Effect of saccharification tim e on ethanol fermentation

由圖5可知，隨著糖化時間的延長，酒精度呈現先升高再降低又升高的趨勢，殘糖量呈緩慢升高又保持穩定的趨勢，淀粉利用率和淀粉出酒率呈先升高后降低的趨勢。當糖化時間為30min時，酒精度達到最大值，為10.22%vol，淀粉出酒率和淀粉利用率均最高，分別為29.99%和49.74%。故選擇糖化時間為30min。

2.7 酵母接種量對乙醇發酵的影響

由圖6可知，隨著酵母接種量的增加，酒精度呈先升高后降低再升高的趨勢，殘糖量呈先緩慢降低后緩慢升高的趨勢，淀粉利用率和淀粉出酒率呈先緩慢升高后降低再緩慢升高的趨勢。當酵母接種量為2%和3%時，酒精度分別為10.42%vol和10.39%vol，淀粉出酒率和淀粉利用率也基本相同，分別為28.49%和48.74%。從生產成本角度考慮，故選擇酵母接種量為2%。

圖6 酵母接種量對乙醇發酵的影響Fig.6 Effect of yeast inoculum on ethanol fermentation

2.8 發酵時間對乙醇發酵的影響

由圖7可知，隨著發酵時間的延長，酒精度呈先升高后降低再升高再降低的趨勢，殘糖量呈先降低再升高的趨勢。當發酵時間為72h、96h時，酒精度達到最高值，為10.45%vol，淀粉出酒率和淀粉利用率基本相同，分別為28.49%和48.78%，從生產成本角度考慮。故選擇發酵時間為72 h。

圖7 發酵時間對乙醇發酵的影響Fig.7 Effect of fermentation time on ethanol fermentation

2.9 菌種對乙醇發酵的影響

表2 釀酒酵母與果酒酵母混合發酵對乙醇發酵的影響Table 2 Effect ofm ixed fermentation of Saccharomyces cerevisiae and fruitwine yeaston ethanol fermentation

表3 馬克斯克魯維酵母與果酒酵母混合發酵對乙醇發酵的影響Table 3 Effect ofm ixed fermentation of Kluyveromyces marxianus and fruitwine yeast on ethanol fermentation

表4 釀酒酵母與馬克斯克魯維酵母混合發酵對乙醇發酵的影響Table 4 Effect ofm ixed fermentation of Saccharomyces cerevisiae and Kluyverom ycesmarxianus on ethanol fermentation

由表2～表4可知，當使用馬克斯克魯維酵母單獨發酵時效果好于混合酵母發酵，酒精度最高為11.21%vol，殘糖量為0.42 g/L，淀粉出酒率和淀粉利用率也最高，分別為32.98%和56.44%，故選擇使用馬克斯克魯維酵母單獨進行發酵。

3 結論

本試驗對沙棗替代部分玉米生產乙醇的單因素條件進行了研究，結果表明，最佳發酵條件為玉米粉與沙棗粉最佳混合比例9∶1、料水比1∶4.5（g∶m L）、液化時間60m in、液化酶用量35U/g、糖化時間30min、糖化酶用量150U/g、酵母接種量2%、發酵時間72 h、發酵菌種為馬克斯克魯維酵母（Kluyveromycesmarxianus）1727。在此條件下，玉米沙棗混合原料發酵生產酒精度11.21%vol，比純玉米粉生產時（9.62%）提高了16.77%，淀粉出酒率和淀粉利用率分別為32.99%和56.44%。證實了部分沙棗替代玉米生產酒精的可行性。這不僅為酒精企業生產提供了新的原料，而且為沙棗資源的合理利用提供了新模式，進而成為我國西北地區新的經濟增長點，具有重要的現實意義。