沙棗生料發酵工藝生產乙醇的研究

張家偉，馮德偉，覃紅梅，韓宏明，謝曉航

（廣西輕工業科學技術研究院有限公司，廣西南寧 530031）

能源是社會和經濟發展的重要物質基礎，目前我國已成為了世界能源生產和消費大國。隨著經濟總量的迅速增長和人民生活水平的不斷提高，我國能源需求將持續增長。國家發展和改革委員會于2007 年發布的《可再生能源中長期發展規劃》指出“增加能源供應、保障能源安全、保護生態環境、促進經濟和社會的可持續發展，是我國經濟和社會發展的一項重大戰略任務”，明確地指出“生物液體燃料是重要的石油替代產品，主要包括燃料乙醇和生物柴油”。2017 年9 月，經國務院同意，國家發展改革委、國家能源局等十五部門聯合印發《關于擴大生物燃料乙醇生產和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》，到2020 年，在全國范圍推廣使用車用乙醇汽油，屆時燃料乙醇消費量預計將達到1300萬噸/年[1]，對生產原料的需求也將會急劇攀升。目前我國生產燃料乙醇的原料主要是玉米、稻谷、小麥等糧食原料以及木薯、甘薯、糖蜜等非糧原料[2]。隨著社會對燃料乙醇需求的大量增加，生產原料必將出現供不應求的現象。因此，持續對乙醇生產原料多元化的探索勢在必行。

沙棗（Elaeagnus angustifoliaLinn），別名七里香、銀柳、香柳、刺柳、桂香柳、紅豆等。沙棗樹是一種經濟型樹種，集多種功能于一身，其花、果、枝、葉均具有開發利用價值，已在食品、造紙、藥物、飼草、木材等多方面得到廣泛的應用。同時，沙棗樹又具備了抗風沙、耐干旱、耐高溫、耐鹽漬、耐瘠薄、易繁殖、適應性強的特性，是改造干旱、鹽漬地、沙地、荒地等造林用優選樹種之一[3]。在我國東北、華北、西北等地區，已大量種植用于防風固林，自然資源極其豐富。其中成熟沙棗果實總糖含量高達60%左右[4]，非常適合用于發酵生產乙醇，并且由于成熟沙棗果實只含糖不含淀粉，因此無需經過液化、糖化等工序，非常適合采用生料發酵工藝，可節省大量的能源消耗。隨著我國全面推廣使用車用乙醇汽油的時間到來，繼玉米、木薯、稻谷、小麥、糖蜜等原料后，沙棗可成為燃料乙醇的一種新的有效生產原料。

本研究從實際生產的角度出發，以沙棗為原料進行生料發酵工藝的研究，探討沙棗生料發酵的影響因素，為生產提供參考，以確定沙棗原料發酵生產乙醇的發酵工藝條件，也為乙醇生產原料的多元化提供一種新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料

菌株：活性干酵母（安琪酵母股份有限公司生產）。

原輔料：沙棗果，產于新疆，經測定總糖含量為60.23%。

試劑及耗材：糖蜜，經測定錘度為84.5°Bx，總糖含量為48.72 %；抑菌劑，克菌靈（廣西南寧萬宇科技有限公司生產，用量10 g/m3醪液）；酶制劑，果膠酶，酶活力5 萬U/g（南寧龐博生物工程有限公司生產）；營養鹽，硫酸銨。

1.2 實驗方法

1.2.1 乙醇發酵實驗

取160 g 沙棗粉（經粉碎機粉碎過Φ1.8 篩網），活性干酵母0.08 g（按原料的萬分之五計，經活化后加入），硫酸銨2 g，克菌靈0.008 g，加入1000 mL 三角瓶中，按不同粉水比加入水，充分混合均勻，用紗布扎好瓶口，放入32 ℃恒溫培養箱內進行發酵。發酵前期間歇搖瓶，觀察發酵情況，并記錄CO2失重數據。

1.2.2 總糖與殘糖的測定方法

總糖和殘糖的含量采用DNS法測定[5]。

1.2.3 成熟醪酒精含量的測定方法

取100 mL 成熟醪液于1000 mL 蒸餾瓶中，加入100 mL 自來水。然后蒸餾出100 mL 淡酒液，利用精密酒度計和溫度計測量此溶液的乙醇濃度及溫度，查表進行酒精度校正[6]。

1.2.4 揮發酸的測定

吸取蒸餾出來的淡酒液50 mL 放入250 mL 三角瓶中，加入0.1%酚酞指示劑2 滴，用0.1 mol/L 濃度的NaOH 溶液滴定至溶液變粉紅色，10 s 不褪色即為終點，記錄耗用的NaOH 溶液毫升數(V)，計算出揮發酸的含量[6]。

揮發酸含量（g/100 mL）=0.012 V

2 結果與分析

2.1 不同粉水比對發酵結果的影響

不同的發酵濃度在實際生產中具有非常重要的意義，粉水比過低，成熟醪液的酒精濃度偏低，造成設備利用率低；蒸餾的蒸汽單耗偏高，而粉水比過高，醪液濃度高，流動性差，不利于物料的管道輸送，同時，醪液濃度高，發酵速度慢，成熟醪殘糖偏高，物料的利用率下降，造成綜合經濟效益差。

表1 不同粉水比對發酵結果的影響

從表1 可以看出，成熟醪的酒精度隨著粉水比的提高而提高，而當粉水比達到1∶2.5 時，由于粉水比過高，物料已經是半固態的狀態，流動性極差，在實際生產中已經無法進行管道式的輸送，因此，粉水比應該控制在1∶2.8以下比較合適。

2.2 抑菌措施對發酵結果的影響

由于生料發酵工藝沒有對原料進行蒸煮處理，原料中帶有很多雜菌，因此生料發酵工藝對雜菌控制要求較高，發酵成功與否，與控制雜菌的措施密切相關。

從表2 可以看出，空白組的揮發酸的升酸差最大，酒精度最低，殘糖最高，而使用克菌靈組揮發酸的升酸差最小，酒精度最高，殘糖最低。說明雜菌的控制措施對生料發酵至關重要，對發酵結果影響很大。因此，在生料發酵工藝中，必須采取有效的雜菌控制措施，才能保證發酵順利高效進行。

表2 不同抑菌措施對發酵結果的影響

表3 生料發酵與熟料發酵對發酵結果的影響

2.3 生料發酵與熟料發酵對發酵結果的影響

在有效抑菌措施保證的基礎上，展開了生料發酵與熟料發酵（即將拌勻的物料在水浴升溫至90 ℃，并維持1 h）的對比，考查兩種發酵方式對發酵結果的影響。

從表3 可以看出，發酵前期熟料發酵工藝的CO2失重速度比生料發酵工藝快，但發酵結束后，CO2失重、酒精度、揮發酸和殘糖等指標沒有明顯的區別，同時在發酵和蒸餾過程中觀察到，生料發酵形成的氣泡上升的高度比熟料發酵的要稍微高。這種現象與沙棗果肉中果膠含量高達1.2%左右有關系[7]，造成醪液黏度較高的結果。果膠是一種高分子有機物，耐熱性比較差，熟料發酵時，當將醪液加熱至90 ℃時，果膠結構被破壞，醪液黏度下降。從發酵結果看，生料發酵與熟料發酵沒有明顯區別，但生料發酵工藝與熟料發酵工藝對比，在實際生產中可節省大約25 %的煤耗和電耗以及5 %左右水耗[8]，節能效果明顯，具有很好的推廣應用意義。

2.4 果膠酶對發酵結果的影響

果膠酶是一種多酶復合物，它通常包括原果膠酶、果膠甲酯水解酶、果膠酸酶，果膠酶在乙醇發酵中可起降低原料黏度的作用，果膠酶水解果膠主要生成β-半乳糖醛酸。通過添加不同劑量的果膠酶，測定其對發酵結果的影響。

從表4 可以看出，不同的果膠酶添加量對乙醇的發酵結果沒有明顯的影響，而在發酵和蒸餾過程中觀察到，隨著果膠酶添加量的增加，產生氣泡的量有所下降，說明果膠酶對降低原料的黏度有一定作用，但對最終產乙醇結果沒有影響，因此，在實際生產中，為了降低生產成本，無需添加果膠酶。如發酵過程產生氣泡量大，添加少量消泡劑即可解決。

表4 添加不同劑量果膠酶對發酵結果的影響

2.5 沙棗與糖質原料混合發酵的影響

由于沙棗本身的特點，單純使用沙棗進行乙醇發酵時，粉水比不能過高，造成發酵成熟醪酒精度偏低，在實際生產中，噸乙醇的蒸餾耗汽量會比較高，不利于控制生產成本。因此，采用沙棗與其他糖質原料混合發酵的方法，能有效提高成熟醪的酒精度，降低蒸汽單耗。

表5 不同沙棗+糖蜜比例混合發酵的結果

從表5 可以看出，通過添加糖蜜進行混合發酵，成熟醪液的酒精度有了較大的提高，在實際生產中，酒精度每提高1 %vol，可節省蒸汽15 %～20 %[9]，節能效果明顯。在實際生產當中，也可以根據原料的存量等情況，在保證混合液流動性的前提下，調整兩種原料及水的比例，以達到最佳的發酵結果，從而節省蒸汽耗量，降低生產成本。

3 結論及建議

3.1 從節能角度出發，沙棗適合采用生料發酵工藝生產乙醇，與熟料發酵、是否添加果膠酶等因素，其發酵結果沒有明顯區別。

3.2 采用生料發酵工藝需要采取有效的雜菌抑制措施，否則易感染雜菌導致醪液酸敗，造成物料的損失。

3.3 建議沙棗原料與糖蜜等糖質原料進行混合發酵，可有效提高成熟醪酒精度，從而降低蒸餾蒸汽消耗量，降低生產成本。