石榴皮渣微生物發(fā)酵乙醇的工藝

吳曉菊,姜 麗

(新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 食品與生物技術(shù)分院,新疆 烏魯木齊 830021)

石榴富含營養(yǎng)成分,能夠很好地補(bǔ)充人體所需營養(yǎng)元素,具有美容養(yǎng)顏、抗衰老、抵抗細(xì)菌和病毒、調(diào)整心臟正常的運(yùn)動(dòng)頻率、軟化血管、補(bǔ)血養(yǎng)氣等功效，富含根皮堿,對傷寒桿菌、痢疾桿菌等均有抑制作用,還可使腸黏膜收斂,分泌物減少,能有效地治療腹瀉、痢疾等癥,有澀腸止瀉的特殊功效。

新疆是我國主要的石榴產(chǎn)地之一。由于特殊的地理氣候條件,新疆的石榴普遍大而甜,種植區(qū)主要分布在南疆喀什、和田、阿克蘇等地,其中以葉城縣種植石榴的歷史最長、面積最大、產(chǎn)量最高。果蔬生產(chǎn)企業(yè)因石榴產(chǎn)品加工而產(chǎn)生大量的石榴皮渣,且石榴皮渣不易儲(chǔ)存、運(yùn)輸,腐敗變質(zhì)后會(huì)產(chǎn)生惡臭,容易造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染,故石榴皮渣的綜合利用已成為國家和石榴制品生產(chǎn)企業(yè)所關(guān)注的一個(gè)重要問題[1]。本文研究石榴皮渣發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝,通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn)確定最優(yōu)工藝參數(shù),旨在為石榴皮渣的深加工提供新途徑和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

石榴皮渣,新疆皮山縣收購;安琪活性干酵母,安琪酵母有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

電熱恒溫培養(yǎng)箱(DNP-9082型),上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;手持糖度計(jì)(VBR90A-WZ109型),杭州匯爾儀器設(shè)備有限公司。

1.3 工藝流程

圖1 石榴皮渣發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝流程

1.4 操作要點(diǎn)

1.4.1 石榴皮渣分選、清洗、預(yù)熱

挑選無病蟲害、無腐爛的石榴皮渣,用水清洗后,微波預(yù)熱處理5 min[2]。

1.4.2 酵母活化、發(fā)酵

用10倍于酵母重量、35 ℃的水活化安琪活性酵母30 min。添加石榴皮渣重量3%的活化后的酵母,充分?jǐn)嚢韬笱b入發(fā)酵罐,每個(gè)發(fā)酵罐的滿裝程度為70%,然后在35 ℃條件下密封發(fā)酵。

1.4.3 成品分離

發(fā)酵結(jié)束后得到粗品,再通過過濾和離心分離,得到乙醇成品,計(jì)算乙醇含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

分別稱取1 kg石榴皮渣樣品,以乙醇得率為指標(biāo),對液固比、接種量、發(fā)酵溫度和發(fā)酵時(shí)間進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。

2.1.1 不同液固比對乙醇得率的影響

稱取1 kg石榴皮渣樣品,分別選擇5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1的液固比,添加3%的酵母,在35 ℃條件下密封發(fā)酵36 h,計(jì)算乙醇得率,結(jié)果見表1。

表1 不同液固比對乙醇得率的影響

由表1可知,不同的液固比會(huì)影響石榴皮渣的乙醇得率。當(dāng)液固比從5∶1變化到15∶1時(shí),乙醇得率也隨之增加,這是因?yàn)殡S著液固比的增加,酵母菌的代謝活力不斷增強(qiáng),乙醇得率也相應(yīng)提高。當(dāng)液固比為15∶1時(shí),乙醇得率最高,為0.590 mL/g;當(dāng)液固比從15∶1變化到30∶1時(shí),由于過高的濃度影響了酵母菌的活力,乙醇得率呈現(xiàn)下降趨勢。因此,本實(shí)驗(yàn)中的最佳液固比為15∶1。

2.1.2 不同接種量對乙醇得率的影響

稱取1 kg石榴皮渣樣品,選擇15∶1的液固比,分別添加2%、3%、4%、5%、6%的酵母,在35 ℃條件下密封發(fā)酵36 h,計(jì)算乙醇得率,結(jié)果見表2。

表2 不同接種量對乙醇得率的影響

由表2可以看出,乙醇得率并不隨酵母添加量的增加而持續(xù)增加。當(dāng)酵母添加量為3%時(shí),乙醇得率最大,為0.586 mL/g,而當(dāng)酵母添加量繼續(xù)增加時(shí),乙醇得率反而下降。其原因是由于發(fā)酵過程中,較多的酵母菌生長繁殖消耗了過多的能量,從而使酵母菌的總發(fā)酵能力下降,最終降低了乙醇得率。因此,本實(shí)驗(yàn)中的最佳接種量為3%。

2.1.3 不同發(fā)酵溫度對乙醇得率的影響

稱取1 kg石榴皮渣樣品,選擇15∶1的液固比,添加3%的酵母,分別在20、25、30、35、40 ℃下發(fā)酵36 h,計(jì)算乙醇得率,結(jié)果見表3。

表3 不同發(fā)酵溫度對乙醇得率的影響

由表3可知,當(dāng)發(fā)酵溫度從20 ℃上升到35 ℃時(shí),乙醇得率呈現(xiàn)持續(xù)增加狀態(tài),并在35 ℃時(shí)達(dá)到最大值0.588 mL/g;當(dāng)發(fā)酵溫度繼續(xù)上升到40 ℃時(shí),乙醇得率下降至0.372 mL/g。分析其原因,當(dāng)溫度從20 ℃上升到35 ℃時(shí),酵母菌的活力不斷增強(qiáng)；當(dāng)溫度超過40 ℃時(shí),超過了酵母菌的適宜溫度,乙醇得率下降,同時(shí)較高溫度下,酵母菌在生長繁殖過程中消耗了較多的能量,致使乙醇的總得率減少[3]。因此,本實(shí)驗(yàn)中的最佳發(fā)酵溫度為35 ℃。

2.1.4 不同發(fā)酵時(shí)間對乙醇得率的影響

稱取1 kg石榴皮渣樣品,選擇15∶1的液固比,添加3%的酵母,在35 ℃條件下分別發(fā)酵28、32、36、40、44 h,計(jì)算乙醇得率,結(jié)果見表4。

表4 不同發(fā)酵時(shí)間對乙醇得率的影響

由表4可知,當(dāng)發(fā)酵時(shí)間從28 h增加到36 h時(shí),隨著發(fā)酵時(shí)間的增加,乙醇得率逐漸增加;當(dāng)發(fā)酵時(shí)間為36 h時(shí),乙醇得率達(dá)到最高值0.590 mL/g；當(dāng)發(fā)酵時(shí)間超過36 h時(shí),乙醇得率和品質(zhì)都有所下降,這是由于發(fā)酵時(shí)間過長,酵母菌生長繁殖消耗的能量較多,使得乙醇得率出現(xiàn)下降趨勢。因此,本實(shí)驗(yàn)中的最佳發(fā)酵時(shí)間為36 h。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選擇液固比、接種量、發(fā)酵時(shí)間和發(fā)酵溫度等4個(gè)因素,各因素選取3個(gè)水平(見表5),以乙醇得率為指標(biāo),進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn),結(jié)果見表6。

表5 正交試驗(yàn)因素水平

表6 L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果分析

續(xù)表6：

序號(hào)因素ABCD乙醇得率(mL/g)K20.3281.2431.0511.245K31.0201.1121.0291.072k10.3380.3320.4270.348k20.4430.4140.3500.357k30.3400.3730.3430.274R0.1050.0820.0840.083

從表6可以看出,在石榴皮渣微生物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的過程中,液固比、接種量、發(fā)酵時(shí)間和發(fā)酵溫度等4因素均會(huì)對乙醇得率產(chǎn)生一定程度的影響,正交試驗(yàn)顯示它們的影響程度為A(液固比)>C(發(fā)酵時(shí)間)>D(發(fā)酵溫度)>B(接種量),最佳工藝為A2B2C1D2,即液固比15∶1、接種量3%、發(fā)酵溫度35 ℃、發(fā)酵時(shí)間36 h,在此條件下對石榴皮渣進(jìn)行發(fā)酵,乙醇得率為0.588 mL/g,且乙醇成品品質(zhì)優(yōu)良。

3 結(jié)論

新疆果蔬生產(chǎn)企業(yè)在石榴產(chǎn)品加工過程中產(chǎn)生了大量的石榴皮渣。由于石榴皮渣不易儲(chǔ)存、運(yùn)輸,腐敗變質(zhì)后會(huì)產(chǎn)生惡臭,容易造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。研究發(fā)現(xiàn)，石榴皮渣作為原料,經(jīng)微生物發(fā)酵后可獲得品質(zhì)良好的乙醇。本文通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn),確定了石榴皮渣微生物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝流程和最佳工藝參數(shù),其工藝流程是:石榴皮渣經(jīng)分選、清洗、預(yù)熱后,添加酵母,在適宜的條件下進(jìn)行發(fā)酵,經(jīng)分離可得乙醇成品。最佳工藝參數(shù)為:液固比15∶1、酵母菌接種量3%、發(fā)酵溫度35 ℃、發(fā)酵時(shí)間36 h,在此條件下對石榴皮渣進(jìn)行發(fā)酵,乙醇得率為0.588 mL/g。