第29卷第4期湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào)Vol 29 No 4008年4月Jourmal of Hunan University of Science and EngineeringAp:2008紅薯生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)研究朱薇傅學(xué)正12管天球!毛友輝歐陽(yáng)小蕓羅靜瑤(1.湖南科技學(xué)院,湖南永州425100:2中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙4100833湖南唐人神肉制品有限公司,湖南株洲412000摘要:本研究選用紅薯為原料,采用生料發(fā)酵工藝生產(chǎn)燃料乙醇,研制出了一種適合紅薯生料發(fā)酵用的復(fù)合酶,其最優(yōu)組合為糖化酶20U鄺g、淀粉酶20U/g、蛋白酶5U/g、果膠酶5U/g。同時(shí)對(duì)影響紅薯生料發(fā)酵的主要因素進(jìn)行了研究,確定了生料發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙酶的最佳工藝條件,即料水比為25:1、初始pH為42、發(fā)酵溫度為32°C、發(fā)酵時(shí)間為7天,關(guān)鍵詞:生料發(fā)酵;燃料乙醇;復(fù)合酶;紅著中圖分類(lèi)號(hào):Q81文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1673-2219(2008)040047-03近年來(lái),隨著石油資源日趨嚴(yán)重不足,人類(lèi)正面臨著能500公斤,最高畝產(chǎn)15000公斤,淀粉含量287%,按測(cè)算每源供應(yīng)短缺、燃料安全和環(huán)境污染壓力的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)"。因此,公頃可產(chǎn)95度燃料乙醇8噸以上,玉米每公頃僅產(chǎn)35噸,甜高世界各國(guó)都在加速新能源的開(kāi)發(fā)利用;我國(guó)“十一五”規(guī)劃粱、甘蔗、木薯每公頃產(chǎn)5啦。由此可見(jiàn),選擇單位面積產(chǎn)和國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006~2020年)也將能量高、淀粉含量高的良種紅薯作為乙醇的生產(chǎn)原料是發(fā)展燃料源的開(kāi)發(fā)利用置于重點(diǎn)領(lǐng)域的首位在尋找各種新能源的過(guò)程乙醇的首選方案中,乙醇作為一種高效、清潔的可再生能源,再次成為各國(guó)科鑒于以上原因,本研究選用紅暮為原料,采用生料發(fā)酵技工作者的普遍關(guān)注和研究熱點(diǎn)。來(lái)制備乙醇,探討了復(fù)合酶、料水比、pH、溫度及發(fā)酵時(shí)間乙醇的生產(chǎn)方法可以歸納為發(fā)酵法和水合法兩大類(lèi),目等各因素對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響,最終確定了其最佳的生產(chǎn)條件。前世界各國(guó)主要以發(fā)酵法為主,這是一種古老的生物技術(shù)有著悠久的歷史。然而傳統(tǒng)的發(fā)酵工藝存在兩高兩低一差”1材料與方法的缺點(diǎn),即能量消耗高,生產(chǎn)成本高,淀粉糖化率低,出酒率1.1材料低,經(jīng)濟(jì)效益差,尤其在20世紀(jì)50年代,隨著石油的大規(guī)模開(kāi)11.1菌種和酶制劑采利用,高成本的乙醇逐漸被人們淡忘。直至1973年第一次出活性干酵母:潮南科技學(xué)院可再生能源研究所保藏。現(xiàn)石油危機(jī),巴西、美國(guó)率先倡導(dǎo)“汽油醇”,即在汽油中加入糖化酶:酶活力5000g2,無(wú)錫酶制劑廠生產(chǎn)。定比例無(wú)水乙醇而形成的一種高效清潔燃料。隨后,世界各淀粉酶(酶活力2000U·mL),無(wú)錫酶制劑廠生產(chǎn)國(guó)為了避免今后再受到能源的影響,也都紛紛加入了汽油醇的纖維素酶(酶活力100U·g"),無(wú)錫酶制劑廠生產(chǎn)。研發(fā),并提出了許多新的方法和工藝價(jià)。其中生料發(fā)酵(即蛋白酶(酶活力500000g),湖南津市新型發(fā)酵有限責(zé)無(wú)蒸煮發(fā)酵)以其工藝流程簡(jiǎn)單、易操作,尤其是其摒棄了傳任公司生產(chǎn)統(tǒng)工藝中的高溫蒸煮工序(這一工序占整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程所耗能量果膠酶(酶活力20000g4),湖南津市新型發(fā)酵有限任的30%~40%),從而大幅度節(jié)省能量及設(shè)備,使單位生產(chǎn)成本公司生產(chǎn)。大大降低,被譽(yù)為乙醇工業(yè)的一大突破及重要發(fā)展方向。然l2原料而,生料發(fā)酵作為一新工藝,同樣也存在許多的問(wèn)題。由于生以湖南永州市培育的良種紅薯超然“966”制成的蔣千為原料發(fā)酵沒(méi)有經(jīng)過(guò)熟料發(fā)酵蒸煮過(guò)程中的液化處理和殺菌處理,料經(jīng)粉碎過(guò)60目篩其淀粉含量為6952%,水分含量為967%,因此對(duì)原料及其生產(chǎn)技術(shù)的要求相對(duì)較高。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外常用的粗蛋臼0.31%,粗脂肪047%,粗纖維14.25%。原料有玉米、小麥、甜高粱、甘蔗、木薯等112,使用紅薯12方法的并不多見(jiàn)。其實(shí)紅薯是單位面積產(chǎn)能量最高的生物質(zhì)原料,12l工藝條件的選擇及其工藝流程以湖南永州市為例,其培育的良種紅薯超然“966”般畝產(chǎn)生料發(fā)酵的本質(zhì)是一個(gè)生化反應(yīng)的過(guò)程,當(dāng)原輔料確定后,工藝條件就成為影響生料酸酒的主要因素。本研究主要收稿日期:2007-10-12對(duì)發(fā)酵用的復(fù)合酶種類(lèi)及其數(shù)量、料水比、PH、糖化發(fā)酵溫基金項(xiàng)目:科技部科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目度、糖化發(fā)酵時(shí)間等工藝條件進(jìn)行了探討,其工藝流程如下內(nèi)容[07c26214301758]。紅薯干→粉碎→加水調(diào)配→調(diào)節(jié)pH值→加復(fù)合酶→通氣作者簡(jiǎn)介:朱薇(1976-),女,湖南科技學(xué)院生命科培養(yǎng)→發(fā)酵→成熟醪液→蒸餾出酒學(xué)與化學(xué)工程系教師,碩士,主要從事食品化學(xué)與營(yíng)養(yǎng)及生1.22發(fā)酵液制備及發(fā)酵方法物質(zhì)能源研究稱取一定量的干紅薯粉加水配成一定濃度,用HSO4調(diào)節(jié)47成不同的pH,加入不同比例的復(fù)合酶及酵母攪拌均勻,然后酶的最適溫度為30℃,本實(shí)驗(yàn)考慮到溫度對(duì)復(fù)合酶的綜合影置于不同溫度下發(fā)酵,最后測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)響,故選用了以下各溫度作為發(fā)酵溫度,具體見(jiàn)表3123實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析測(cè)定及其數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理方法表3不同溫度對(duì)發(fā)酵的影響(習(xí)坦,n=5)123.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析測(cè)定方法Table 3 Effect of different temperature to the fermentation殘還原糖和殘總糖的測(cè)定采用DNS法測(cè)定。(x±,n=5)酸度用0.1 mol/L NaOH滴定測(cè)定升幅總糖pH值用pHs-2精密酸度計(jì)測(cè)定溫度(℃出酒率(%)(g10om)(gmn酒度按國(guó)標(biāo)GBT10781測(cè)定。15-2521459:0913.79淀粉出酒率=95%(v)酒精產(chǎn)量(kg)/淀粉量(kg)23721±0.780.73100%。2958.3±0.811.2.3.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理方法由表3中數(shù)據(jù)顯示,在溫度為1525°之間,淀粉利用率高其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SP30軟件進(jìn)行單因素多水平殘余糖量也較小,但是出酒率很低,達(dá)不到預(yù)先效果;當(dāng)溫度和多因素多水平分析,數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(X)表示,取為3538℃c時(shí),不僅產(chǎn)酒事低,同時(shí)淀粉利用率也低,殘余糖<0.05為差異具有顯著性,P>005為無(wú)顯著性差異量高;當(dāng)溫度為32°C時(shí),出酒率最高,且效果顯著(p<0.05)24發(fā)酵時(shí)間對(duì)發(fā)酵的影響2結(jié)果與分析發(fā)酵時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)酒精度、酸度、還原糖皆有影響。本實(shí)21不同料水比對(duì)發(fā)酵的影響驗(yàn)在不同時(shí)間取樣對(duì)其進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果如表4。發(fā)酵醪液濃度的大小直接影響到基質(zhì)中酶及酵母的代謝表4發(fā)酵時(shí)間對(duì)發(fā)酵的影響(又±s,m=5)活動(dòng)。同時(shí),合理的濃度對(duì)提高出酒率、設(shè)備利用率及降低篚Tb4 Effect of time to the fermentatio(卻,n=5)耗也是非常重要的。本實(shí)驗(yàn)以紅薯的淀粉利用率為指標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)發(fā)酵時(shí)間升幅出酒率丕原糖結(jié)果進(jìn)行比較,其結(jié)果如表所示天)酸度(%)(g0omL)(g/0mn)708043表1不同料水比對(duì)發(fā)酵的影響(習(xí)±s,nTablel Effect of water to the fermentation (X+s, n=5)3461.22.12試驗(yàn)號(hào)料水比升酸出酒率淀粉利用率15幅度實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著發(fā)酵時(shí)間的不斷增加,乙醇不斷地增:22368.2±21686.l加,發(fā)酵時(shí)間到第7天,出酒率達(dá)到最高為708%;隨后,出酒1:2528719±25286率又慢慢地下降。其中原可能是酵母菌在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生多種3.2542±3.15832有機(jī)酸,特別是乙酸的生成會(huì)消耗部分乙醇,同時(shí)有機(jī)酸與乙從表可以看出,料水比在1:2和1:25時(shí)淀粉利用率相差不醇發(fā)生酯化反應(yīng)也消耗部分乙醇所以乙醇的量隨著發(fā)酵時(shí)間大,但從出酒率的角度出發(fā)顯然料水比為1:25時(shí),出酒率更的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)。此外,由表還可知,在發(fā)酵時(shí)高(p<00)。另外,在發(fā)酵過(guò)程中還可以看到,加水量越大,間到第7天時(shí),其殘余糖量也是最小的(p005)發(fā)酵液沉淀越嚴(yán)重,從而影響發(fā)酵效果;同時(shí)考慮到較高濃度25復(fù)合酶的確定的醪液發(fā)酵可以節(jié)省能源和提高設(shè)備的利用率,而且對(duì)抑制雜由于酵母自身沒(méi)有糖化酶系傳統(tǒng)的工藝一般經(jīng)過(guò)蒸煮使菌也有利故選用料水比125,在以后實(shí)驗(yàn)中均采用此水料比。淀粉液化、糖化后再進(jìn)行發(fā)酵。而采用生料進(jìn)行發(fā)酵,由于原22初始pH對(duì)發(fā)酵的影響料中淀粉顆粒周?chē)街罅康拇掷w維、粗蛋白、果膠等物質(zhì),發(fā)酵醪液的pH對(duì)酵母的生命活動(dòng)有顯著影響,因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)阻礙糖化酶與淀粉作用,使得乙醇的生產(chǎn)效率很低。為了解決物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的速度與醪液的pH值有關(guān),同時(shí)pH對(duì)酶活也有此問(wèn)題,許多學(xué)者通過(guò)添加復(fù)合酶來(lái)促進(jìn)糖化酶的作用叫,本影響,酵母的最適pH為4~5.本實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)了不同發(fā)酵液的初文前期的實(shí)驗(yàn)也表明,添加淀粉酶、蛋白酶、果膠、纖維素pH進(jìn)行發(fā)酵,實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)n=5,結(jié)果見(jiàn)表2酶對(duì)紅薯生料發(fā)酵都有一定的促進(jìn)作用。為了獲得最佳的酶組表不同pH值對(duì)發(fā)酵的影響(又s,n=5)合,促進(jìn)糖化作用,本實(shí)驗(yàn)采用L(4)表對(duì)各種酶進(jìn)行了正交實(shí)Table2 Effect of different pH to the fermentation( X*s, n=5).驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在料水比為25:1、初始pH為42、溫度為32c的工藝升幅出酒率還原糖條件下進(jìn)行,以淀粉出酒率為指標(biāo),具體的因素水平如表5所示酸度(%)(g/10omL)(g/l0omL)表5復(fù)合酶生料發(fā)酵因素水平表58(自然)33321±235361Table5 Factors and parameters of the composite enzyme28723±267ooked fermentation25583±3.055.3lADE從表2可以看出,隨著初始pH的降低,升酸幅度有所降低因素糖化酶淀粉酶蛋白酶果膠酶纖維素酶但殘?zhí)橇恳搽S之升高。而在pH值為42時(shí),出酒率最高(P(U·g)(·g)(u·g)(·g)(U·g)005),故選用在pH值為4為最佳發(fā)酵pH值。水平1502.3不同溫度對(duì)發(fā)酵的影響水平2100發(fā)酵時(shí)的溫度顯著影響微生物和酶的活性,一般酸酒酵母水平3150的最適作用溫度在2834C,糖化酶的最適溫度為60℃,淀粉水平42003015根據(jù)復(fù)合酶各因素水平的設(shè)計(jì)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)其結(jié)果見(jiàn)表6。備,使單位生產(chǎn)成本大大降低;其次,本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇出了表6復(fù)合酶正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果種適合紅薯生料發(fā)酵用的復(fù)合酶,其組合為:糖化酶Tableb Result of the orthogonal experiment200U/g、淀粉酶20U/g、蛋白酶5U1g、果膠酶5Ug。另外,本實(shí)驗(yàn)因素文還對(duì)影響紅薯生料發(fā)酵的主要因素進(jìn)行了探討,確定了最佳試驗(yàn)號(hào)AD淀粉出酒率生產(chǎn)工藝條件,即料水比為25:l、初始pH為42、發(fā)酵溫度B2c2D2E2050為32C、發(fā)酵時(shí)間為7天2345678A1 B3 C3 D3 E3 0.524E40.55參考文獻(xiàn):A2B1c2D3E40.56A2 B2 C1 D4 E3 0.5[]劉鐵男燃料乙醇與中國(guó)M]北京:經(jīng)濟(jì)科學(xué)出版社,2004A2 B3 C4 DI E2 0.57[2Jacques K, Lyons T P, Kelsall D.R. The Alcohol TextbookA2 B4 C3 D2 EI 0.55A3B1C3D4E20.56(rd Edition)[M]. Nottingham: Nottingham University Press,A3 B2 C4 D3 EI 0.60A3 B3 C1 D2 E412345[3]California Energy Commission staffs, U. S. energy industryA3 B4 C2 D1 E3 0.63A4 B1 C4 D2 E3 0.58production capacity outlook (August2001)[R]. PublicationA4 B2 C3 DI E4 0.64number p600-01-017:10A4B3c2D4E1069[4]Canadian Renewable Fuels Association. Ethanol production in4 B4 C1 D3 EK1/40500.530.550.570.58CanadaEb/oL].http:www.greenfuelsorgethaprod.htmlK240.570570.600.570.575]黃治玲然料乙醇產(chǎn)業(yè)全球發(fā)展?fàn)顩r門(mén)化L管理2003(2)3435Ky40.600600.580.580.57Y=9.196]鈕公藩赴巴西、古巴、墨西哥和泰國(guó)糖業(yè)考察報(bào)告門(mén)廣西K4/4064610.580.590.59極差R01400800500002蔗糖20011):50最優(yōu)組合A4B3C2D4E4[tHomas K.C., ef al. Journal of Industrial Microb[]. 1992,因素主次A>B>C>D=E0(1):61462由可知,各種酶的K值并非是單調(diào)增加的,說(shuō)明各酶秦先魁田建軍低脂玉米粉生料發(fā)酵制酒精技術(shù)主要參數(shù)的之間相互會(huì)產(chǎn)生影響。在影響紅薯生料發(fā)酵的復(fù)合酶中,糖化試驗(yàn)研究J糧食與飼料工業(yè)200110):46-47酶的極差R最大,是主要影響因素,其余的影響因素依次排序9李祥,呂嘉櫪生料釀酒工藝技術(shù)研究門(mén)釀酒科技,2040為:淀粉醵〉蛋白酶>果膠酶和纖維素酶。這可能原因是用紅42-44.薯生料進(jìn)行發(fā)酵,未經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)工藝中的蒸煮等工序,從而糖化[1O黃平生料釀酒技術(shù)M北京:輕工業(yè)出版社,200所需的酶顯得非常重要,另外,從正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果中還可以看出,]劉忠義盧其斌張妙玲等“雙曲生料發(fā)酵制大米、高梁低效果最好的試驗(yàn)號(hào)是15號(hào),在該實(shí)驗(yàn)組中纖維素酶沒(méi)有添加,度白酒門(mén)食品工業(yè),2004,25(4)2426.說(shuō)明纖維素酶在此實(shí)驗(yàn)中影響并不明顯,而果膠酶的相對(duì)需要12)譚顯平甘蔗生產(chǎn)燃料乙醇—解決我國(guó)能源緊缺矛盾的量較高,這與紅薯中果膠含量相對(duì)較高有關(guān)。綜上所述,實(shí)驗(yàn)最佳途徑門(mén)甘蔗糖業(yè)2004(3):1922選用15號(hào)作為紅薯生料發(fā)酵的最佳復(fù)合酶組合,即糖化酶20013]傅學(xué)政,朱薇,管天球我國(guó)紅薯生產(chǎn)燃料乙醇的綜合效益U/g、淀粉酶20U/g、蛋白酶5U/g、果膠酶SUg分析門(mén)潮南科技學(xué)院學(xué)報(bào),2006,(1):183186[14汪江波薛海燕鄒玉玲酶制劑的添加對(duì)早秈稻谷生料發(fā)酵3結(jié)論生產(chǎn)酒精的影響門(mén)中國(guó)釀造,20054:15-17本文采用紅薯生料進(jìn)行發(fā)酵,使糖化、發(fā)酵同時(shí)進(jìn)行,責(zé)任編校:黃光文)摒棄了傳統(tǒng)工藝中的高溫蒸煮工序,從而大幅度節(jié)省能量及設(shè)Production of Alcohol Fermentation by Sweet PotatoZHU Wei FU Xue-zheng GUAN Tian-qlu' MAO You-hup YANG Xlao-yun' LUo Jing-yao'(l Hunan University of Science and Engineering, Yongzhou Hunan 425 1000, China;2. School of Resources Processing and Bioengineering of Central South University, Changsha Hunan 410083, China;3. Hunan Tang Ren Shen Meat Products Ltd, Zhuzhou Hunan412000, China)Abstract: Sweet potato as raw material to Product fuel ethanol, a composite enzyme suitable for fermentation of raw sweet potato isveloped. Its optimal combination is glucoamylase 200U/g, amylase 20U/g, protease 5U/g, pectinase 5U/g. At the same time, the mainfactors of the impact of raw sweet potato fermentation are studied, and identified the optimum conditions to product fuel ethanol infermentation, namely material water ratio 2.5: 1, PH 4. 2, the fermentation temperature 32oC and fermentation time for 7 days.Keywords: fermentation by raw material; fuel ethanol; composite enzyme