釀酒科技2009年第3期(總第177期) LIQUOR-MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2009No3Tol17復(fù)合酶在菊芋粉發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇中的應(yīng)用李俊俊,唐艷斌,唐湘華,段永忠,許波,黃遵錫(生物能源持續(xù)開發(fā)利用教育部工程研究中心,云南師范大學(xué)酶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,云南昆明650092)摘要:菊芋是一種可選擇的酒精發(fā)酵原料。研究用菊芋粉生產(chǎn)燃料乙醇的工藝參數(shù),在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上用正交試驗(yàn)進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化。確定最佳工藝條件為:料水比為1:4.5(m),復(fù)合酶添加量0.2%,發(fā)酵溫度36℃,酵母液用量為6mL,發(fā)酵pH值為5.0,發(fā)酵時間24h。在此工藝條件下酒精度可達(dá)10.8%vol,酒精產(chǎn)率達(dá)34.10%技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析說明,使用復(fù)合酶和酵母發(fā)酵莉芋粉生產(chǎn)燃料乙酶是可行的關(guān)鍵詞:燃料乙醇;復(fù)合酶;菊芋粉;正交實(shí)驗(yàn)中圖分類號:Q5;TS2622;TS2614文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1001-9286(2009)03-0065-04Application of Compound Enzyme in Fuel Ethanol Productionby Jerusalem Artichoke Powder fermentationLI Jun-jun, TANG Yan-bin, TANG Xiang-hua, DUAN Yong-zhong, XU Bo and HUANG Zun-xiEngineering Research Center of Sustainable Development and Utilization of Biomass Energy, Ministry of Education, Key Lab of EnzymaticEngineering in Y un'nan Normal University, Life Science School of Yun nan Normal University, Kun,'ming, Yun, nan 650092, China)Abstract: Jerusalem artichoke is an alternative source for ethanol production. The technical parameters for fuel ethanol production by jerusalemartichoke powder fermentation were investigated,, On the basis of single-factor experiment, orthogonal experiment was conducted to optimize therelated technical parameters. The optimized parameters were determined as follows: the ratio of materials to water was 1: 4.5(m/), the additionlevel of compound enzyme was 0.2 % the fermentation temperature was at 36C, the use level of yeast liquid was 6 mL, the fermentation pH val-ue was 4.5, and the fermentation time was 24 h. Under the above technical conditions, the alcoholicity could reach up to 10.8 %vol, and the yieldof ethanol could achieve 34.10 % The economic analysis showed that fuel ethanol production from jerusalem artichoke powder fermented bycompound enzyme and yeast was feasibleKey words: fuel ethanol; compound enzyme; Jerusalem artichoke powder; orthogonal experiment菊芋是一種多年生草本植物俗稱洋姜,鬼子姜,屬1材料與方法菊科向日葵屬。由于其具有耐寒、耐旱、耐鹽堿、抗風(fēng)沙,1.1材料適應(yīng)性廣繁殖性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)使其在全國各地均有分布。11菊芋菊芋的主要成分是多聚果糖除此之外還含有淀粉、蛋白2007年12月中旬采收于云南省呈貢縣,采收后洗質(zhì)、纖維素半纖維素、果膠質(zhì)等成分。這些成分可在酶的作用下分解成易于被酵母利用而產(chǎn)生乙醇的物質(zhì)。由于凈、切片、曬干、粉碎。1.1.2復(fù)合酶菊芋具有上述兩方面的特征,使其成為可代替糧食作物自配,組成為:耐高溫α-淀粉酶:10ug菊芋粉;糖生產(chǎn)燃料乙醇用的很有潛力的能源植物習(xí)。本文研究了采用添加復(fù)合酶和耐高溫釀酒酵母迺過化酶:80ug菊芋粉;普魯蘭酶:40ug菊芋粉;纖維素酶酶:16ug菊芋邊糖化邊發(fā)酵的方法生產(chǎn)燃料乙醇的最佳工藝條件該粉;酸性蛋白酶:10ug菊芋粉;果膠酶:20ug菊芋粉;方法具有操作簡單穩(wěn)定性好發(fā)酵周期短、生產(chǎn)成本低菊粉酶:25ug菊芋粉;B-葡聚糖酶:0ug菊芋粉B一等優(yōu)點(diǎn),對進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)利用菊芋發(fā)酵、規(guī)模化生產(chǎn)燃料乙甘露醇具有一定的指導(dǎo)意義。中國煤化工酶:0ug菊芋粉;植酸酶:基金項目:云南省產(chǎn)業(yè)重大關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)專項,云發(fā)改高技(20081657);云南省應(yīng)CNMHG收稿日期:2008-12-31作者簡介:李俊俊(1979-),男,山西寧武人,碩士研究生,研究方向:微生物酶工程通訊作者:黃遵錫(1964-)男,教授博士生導(dǎo)師,主要從事做生物基因工程方面的研究E- mail Huangnnxit@163com釀酒科技200年第3期(總第177期)· LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2009No3Tol71.1.3耐高溫釀酒干酵母間24h;pH50(自然)。發(fā)酵結(jié)束測定乙醇和還原糖含量耐高溫釀酒干酵母:安琪酵母有限公司生產(chǎn),結(jié)果見表21.2方法1.21菊芋粉成分分析艸引麥水時x圖且的移產(chǎn)率料水比分析指標(biāo):水分,總糖,粗脂肪粗纖維,粗蛋白,還原重量(g) (%vol) (g/100 mL)1:4.08.97.523.68糖,灰分1:4.59.3.2.2干酵母活化1:5.011.50.20632.20稱取一定量的干酵母于40倍其重量的35~40℃1:5.50.20431.251:6.010.80.20130.31的2%的葡萄糖水溶液中,先在37℃恒溫箱中培養(yǎng)15~20min,然后轉(zhuǎn)移到30℃恒溫箱中培養(yǎng)60~70min由表2可知,在上述條件下,隨著料水比的增大,發(fā)即可。酵前后失重量增加,殘還原糖量減少,當(dāng)料水比為1:5.01.23殘還原糖測定時,酒精度和酒精產(chǎn)率均達(dá)到最大值;此后隨著料水比的將澄清的蒸餾廢液稀釋到一定倍數(shù),用DNS法測增加,酒精度和出酒率卻略有下降。這是因?yàn)閺?fù)合酶的作定用與醪液濃度和其自身濃度有一定關(guān)系,在一定范圍內(nèi),124乙醇含量測定酶反應(yīng)速度隨醪液濃度增加而成正比例增大。但當(dāng)醪液采用酒精計法。將發(fā)酵液倒入500mL圓底燒瓶中,濃度增加到一定程度達(dá)到一定值時,反應(yīng)速度便停止增加100mL水混勻后常壓蒸餾,用100mL容量瓶收集餾大,超過時,活力反而下降。同時酶自身濃度在一定濃度出液至刻度,用酒精比重計測餾出液中的酒精濃度和溫范圍以內(nèi)時,濃度高,生成物也多。但這并非完全成正比度,最后換算為20℃酒精度。關(guān)系,當(dāng)酶濃度達(dá)到一定限度以上時,反應(yīng)速度也成一定12.5實(shí)驗(yàn)計算值而變化極小。因此在適合的醪液濃度和酶液濃度下,產(chǎn)酒精產(chǎn)率=酒精產(chǎn)量(g)×100%酒最高,原料出酒率也最高。通過此試驗(yàn),確定1:50為發(fā)酵產(chǎn)酒精的最佳料水比。12.6工藝流程22.2復(fù)合酶添加量對菊芋粉發(fā)酵產(chǎn)酒精的影響稱取25g過40目的菊芋粉于500mL三角瓶中復(fù)合酶作為糖化劑,其添加量的多少影響到菊芋粉加入一定量溶有10ug菊芋粉的耐高溫α-淀粉酶的的水解程度設(shè)其添加濃度分別為01%0.15%,02%、60℃左右的自來水→于100℃加熱蒸煮30min→冷卻025%和03%,其他條件分別為:料水比1:50,酵母活至35左有加入一定量復(fù)合酶和母活化液→稱重,放化液6mL,發(fā)酵溫度36℃,發(fā)酵時間24h,pH50(自的恒溫箱中然)。發(fā)酵結(jié)束測定乙醇和還原糖含量,結(jié)果見表3。結(jié)束→蒸餾→測酒精度→測蒸餾廢液中殘還原糖含量→計算酒精產(chǎn)率。表3復(fù)合酶添加量對發(fā)酵產(chǎn)酒精的影響復(fù)介酶發(fā)酵前后添加量失重量酒精度殘還原糖含量酒精產(chǎn)率2結(jié)果與分析(%vol()(g)(g/100ml21菊芋粉成分含量(表1)表1菊芋塊莖中各種成分含量0.157.30.458指標(biāo)水分5.30粗蛋白8.910.2511.810.00.2123L.57總糖還原糖25.85粗脂肪灰分7.54粗纖維由表3可知,在上述條件下,隨著復(fù)合酶添加量的增加,發(fā)酵前后失重量增加,殘還原糖量減少。當(dāng)復(fù)合酶22單因素對發(fā)酵過程的影響添加量為0.2%時,酒精度和酒精產(chǎn)率均達(dá)到最大值,此22.1料水比對菊芋粉發(fā)酵產(chǎn)酒精的影響后隨著復(fù)合酶添加量的增加.發(fā)酵液中水解產(chǎn)生的可發(fā)料水比影響到發(fā)酵的醪液濃度和酶濃度。在此確定酵中國煤化工著發(fā)酵的進(jìn)行,發(fā)酵液料水比分別為:14.0、14.5、1:50、1:55和160(每一梯度中CNMH(得發(fā)酵液中部分可發(fā)發(fā)酵3瓶,結(jié)果取其平均值,以下同)。其他條件分別為:酵性糖未被酵母利用,殘?zhí)窃龆?原料利用率相對降低。復(fù)合酶02%;酵母活化液6mL,發(fā)酵溫度36℃;發(fā)酵時因此,復(fù)合酶并非添加越多越好,而是有一個最適添加李俊俊,唐艷斌,唐湘華,段永忠,許波,黃遵錫·復(fù)合酶在菊竽粉發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇中的應(yīng)用量,通過此試驗(yàn)確定其最適添加量為02%。發(fā)酵時間影響到原料和設(shè)備的利用率,設(shè)發(fā)酵時間223酵母添加量對菊芋粉發(fā)酵產(chǎn)酒精的影響分別為16h24h32h、40h48h、56h和64h。其他條件酵母作為發(fā)酵菌種,其添加量的多少影響到發(fā)酵周分別為:料水比1:5;酵母活化液6mL;復(fù)合酶02%;發(fā)期和酒精產(chǎn)率,設(shè)定其添加量分別為:4mL、6mL、8mL、酵溫度36℃;pH5.0(自然)。發(fā)酵結(jié)束,測定乙醇和還原10mL和12mL。其他條件分別為:料水比15;復(fù)合酶糖含量,結(jié)果見表6。02%;發(fā)酵溫度36℃;發(fā)酵時間24h;pH5.0(自然)。發(fā)表6發(fā)酵時間對產(chǎn)酒精的影響酵結(jié)束測定乙醇和還原糖含量(發(fā)酵總體積一定,不足部發(fā)酵時間發(fā)酵前后失重址汭精度殘還原糖含量灑精產(chǎn)率分用水補(bǔ)足),結(jié)果見表4。(%voI)(g/100nL)(1610.59.80.21330.94表4酵母添加量對發(fā)酵產(chǎn)酒精的影10添加量發(fā)酵前后酒精度殘還原糖含量酒精產(chǎn)率32(叫)失重量(g)(vo1)(g/100a)4012.51032.209.88.50.23926.844812.710.50.19933.155613.010.10.18212.010.0.1832.8313.21012.30.18412.50.179由表6可知,在上述條件下,隨著發(fā)酵時間的延長,由表4可知,在上述條件下,隨著酵母添加量的增發(fā)酵前后失重量增加,殘還原糖量減少。當(dāng)發(fā)酵時間為加,發(fā)酵前后失重量增加,殘還原糖量減少。當(dāng)酵母添加24h時,酒精度和酒精產(chǎn)率均達(dá)到最大值此后隨著發(fā)酵量為6mL時酒精度和酒精產(chǎn)率均達(dá)到最大值,此后隨時間的延長,酒精度幾乎不變,甚至略有下降。說明隨著著酵母添加量的增加,水解產(chǎn)生的可發(fā)酵性糖不能滿足發(fā)酵時間的延長,酵母利用的可發(fā)酵性糖越來越少,在極酵母發(fā)酵之用,酵母菌處于饑餓狀態(tài)就有可能把發(fā)酵產(chǎn)度匱乏的條件下,酵母菌有可能利用已生成的乙醇為原物乙醇作為碳源,使之轉(zhuǎn)化為酸。故發(fā)酵結(jié)束雖然殘?zhí)橇蟻砭S持其生存將乙醇轉(zhuǎn)化為酸等物質(zhì)最終導(dǎo)致酒精很低但酒精度和酒精產(chǎn)率卻相對較低。因此通過此試度隨發(fā)酵時間的延長而略有下降。因此通過此試驗(yàn)確驗(yàn)確定酵母活化液的最適添加量為6mL。定發(fā)酵的最佳時間為24h22.4發(fā)酵溫度對菊芋粉發(fā)酵產(chǎn)酒精的影響22.6發(fā)酵pH值對菊芋粉發(fā)酵產(chǎn)酒精的影響溫度影響到復(fù)合酶的作用效果和酵母菌的生長繁pH值影響到復(fù)合酶的作用效果和酵母菌的生長繁殖,設(shè)定發(fā)酵溫度分別為28℃32℃、36℃和40℃其殖,設(shè)定發(fā)酵的pH值分別為40、4.550(自然)55和他條件分別為:料水比1:5;酵母活化液6mL;復(fù)合酶6.0。其他條件分別為:料水比1:5;酵母活化液6mL;復(fù)02%;發(fā)酵時間24hpH50(自然),發(fā)酵結(jié)束測定乙醇合酶02%;發(fā)酵溫度36;發(fā)酵時間24hb。發(fā)酵結(jié)束,和還原糖含量,結(jié)果見表5。測定乙醇和還原糖含量,結(jié)果見表7。表5溫度對發(fā)酵產(chǎn)酒糟的影響7pH對發(fā)酵產(chǎn)酒精的影響發(fā)酵溫度發(fā)酵前后汭精度殘還原糖含量酒精產(chǎn)率發(fā)酵發(fā)酵前后失重量酒精度殘還原糖含量酒精產(chǎn)率(℃)失重量(g)(vol)(g100cL)(%pH值(g)(%vol)(g/l00叫L)(%)10.39.229.0510.40.218826010.910.910.00.20431.572.110.50.17933.1512.010.432.830.2125.510.00.18031.57由表5可知,在上述條件下,隨著發(fā)酵溫度的增加發(fā)酵前后失重量增加,殘還原糖量減少。當(dāng)發(fā)酵溫度為由表7可知,在上述條件下,隨著發(fā)酵pH值的增36℃時,酒精度和酒精產(chǎn)率均達(dá)到最大值,此后隨發(fā)酵加,發(fā)酵前后失重量增加,殘還原糖量減少。當(dāng)發(fā)酵pH溫度的升高酵母熱耐受性降低,雖然起始發(fā)酵迅速,但值為5.0(自然)時,酒精度和酒精產(chǎn)率均達(dá)到最大值,此隨著發(fā)酵時間的延長,酵母死亡率增加導(dǎo)致后發(fā)酵幾乎后隨發(fā)酵pH值的增加酒精度卻在下降,而殘?zhí)呛恳餐Ｖ?水解產(chǎn)生的可發(fā)酵性糖利用不完全使得酒精度和在減中國煤化工性可以達(dá)到“以酸制原料利用率下降。因此,通過此試驗(yàn)確定發(fā)酵的最適溫酸CNMHG偏中性,易感染產(chǎn)酸度為36℃。菌,產(chǎn)酸菌產(chǎn)酸會損失糖分,降低酒精產(chǎn)率,導(dǎo)致雖然殘22.5發(fā)酵時間對菊芋粉發(fā)酵產(chǎn)酒精的影響還原糖含量低,但酒精度卻不高。另一方面pH值過小或釀酒科技200年第3期(總第177期)· LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2009No,3To.l77過大都會降低復(fù)合酶中部分酶制劑的活性,甚至使其失前屋后、南方北方均可種植。管理也比較粗放,一次種植活,不利于對菊芋粉的分解作用。因此,通過此試驗(yàn)確定多次采收;且全植株均可利用,畝產(chǎn)鮮莖葉可達(dá)5~10t發(fā)酵的最適pH值為50,即自然pH值莖葉經(jīng)發(fā)酵可制成優(yōu)質(zhì)飼料,蛋白質(zhì)含量高。畝產(chǎn)地下塊2.27正交實(shí)驗(yàn)莖可達(dá)3~5t,可提取菊粉、腌制醬菜,發(fā)酵酒精。以淀粉由以上單因素發(fā)酵實(shí)驗(yàn)可知,料水比、復(fù)合酶添加質(zhì)為原料發(fā)酵生產(chǎn)酒精的設(shè)備均可以以菊芋為原料發(fā)酵量、酵母添加量、發(fā)酵溫度對菊芋粉發(fā)酵產(chǎn)酒精影響較生產(chǎn)酒精,且菊芋采收一般在冬季,與其他原料采收季節(jié)大,故采用L(31)正交表對料水比、復(fù)合酶添加量、酵母錯開,利于提高設(shè)備利用率添加量和發(fā)酵溫度進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn),以確定最佳的發(fā)酵條按以上工藝所得的酒精產(chǎn)率,對菊芋粉發(fā)酵產(chǎn)酒精件進(jìn)行成本分析結(jié)果見表102271因素水平設(shè)計(表8)表10菊芋粉發(fā)酵產(chǎn)酒精成本分析表8正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計項目數(shù)量(t)單價(元/t)金額(元)A:B:復(fù)合酶添加量C:溫度D:醉母添加量菊芋片平料水比(%)(mL)復(fù)合酶0.0060.15干酵母0.01821:5.00.2031:5.5468生產(chǎn)成本300維護(hù)和維修100銷售1002272正交試驗(yàn)設(shè)計(表9)總成本3476表9正變試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)AB發(fā)酵20℃酒精由表10可知,菊芋粉發(fā)酵生產(chǎn)酒精成本可控制在C3500元∫左右,按國家對燃料價格的規(guī)定,目前我國90°()(%vo1)(%)燃油出廠價5200元t,燃料乙醇價格為4700元∧左右。.02225.02410.83410數(shù)據(jù)表明,單從酒精生產(chǎn)的角度可以實(shí)現(xiàn)盈利1200元31左右。421235.02410.332.523結(jié)論315.0249.93162125.0249.730.623.1菊芋粉發(fā)酵生產(chǎn)酒精的最佳工藝條件為:料水比為3325.0248.526.14.5,復(fù)合酶添加量為0.2%,發(fā)酵溫度為36℃,酵母添3135.0249.529.99939.028.41加量為6mL,發(fā)酵pH值為50,發(fā)酵時間為24h。在此K128.6026.5026.9026.60工藝條件下酒精度可達(dá)10.8%vol,原料出酒率可達(dá)K229.9030.2030.1029.0034.10%。K327.0028.8028.5029.90kI9.538.838.978.873.2在此工藝條件下發(fā)酵生產(chǎn)酒精,其操作步驟簡單9.9710.0710.039.67穩(wěn)定性好、發(fā)酵時間短,提高了設(shè)備利用率。k39.009.609.509.973.3應(yīng)用復(fù)合酶發(fā)酵菊芋粉生產(chǎn)酒精技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性R2.903.703.203.30分析表明,單從酒精生產(chǎn)的角度可以實(shí)現(xiàn)盈利1200元t從表9可看出本實(shí)驗(yàn)所選的各影響因素在不同水左右。因此以菊芋為原料發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇具有很好的平下均可很好地發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。由極差分析可知:料水潛力。比、復(fù)合酶添加量、發(fā)酵溫度、酵母添加量4因素極差分參考文獻(xiàn):別為290370、3.20和330。因此,在所選定的實(shí)驗(yàn)范圍]陳銘達(dá),劉兆富菊芋的加工及開發(fā)利用門中國林副特產(chǎn),內(nèi)4因素主次關(guān)系為B>D>C>A,即復(fù)合酶添加量>酵母添加量>發(fā)酵溫度>料水比,通過極差分析得到2]孫紀(jì)錄賈英民,桑亞新菊芋資源的開發(fā)利用U食品科技,加量為02%發(fā)酵溫度為36℃,酵母添加量為6m,發(fā)20027-29ABCD2為最佳工藝條件。即:料水比為1:4.5,復(fù)合酶添中國煤化工發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的初步研酵pH值為5.0,發(fā)酵時間為24h。在此工藝條件下酒精CNMHG中國輕工業(yè)出版社度可達(dá)108%Vl,原料出酒率可達(dá)3410%1998.599-610228菊芋粉發(fā)酵產(chǎn)酒精技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析5]王福榮生物工程分析與檢驗(yàn)M]北京:中國輕工業(yè)出版社,菊芋對生長環(huán)境要求很低,荒山野坡、鹽堿灘地、房2005.140-148