廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)2013年第1期荔枝渣發(fā)酵轉(zhuǎn)化乙醇的工藝參數(shù)優(yōu)化邱松山,周如金,黃敏,姜翠翠(廣東石油化工學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,廣東茂名525000摘要:采用均勻設(shè)計(jì)優(yōu)化荔枝渣低溫發(fā)酵轉(zhuǎn)化乙醇的工藝參數(shù),荔枝渣預(yù)處理工藝主要考察酶用量、酶解時(shí)間、酶解溫度對酶解效果的影響,發(fā)酵轉(zhuǎn)化乙醇工藝主要考察酒曲添加量、發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵溫度、糖度等參數(shù)對發(fā)酵過程中乙醇得率的影響。利用DPS705軟件對荔枝渣低溫發(fā)酵轉(zhuǎn)化乙醇的發(fā)酵工藝進(jìn)行偏最小二乘回歸分析,獲得最佳的發(fā)酵T藝參數(shù)為酒曲添加量05%,發(fā)酵時(shí)間168h,發(fā)酵溫度30℃糖度16°Bx,優(yōu)化模型的乙醇得率為1716%,在此條件下實(shí)際乙醇得率為154%。關(guān)鍵詞:荔枝渣;發(fā)酵;乙醇中圖分類號:TS209文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1004-874X(2013)01-0099-03Technique of ethanol production fermented with raw Litch residueQIU Song-shan, ZHOU Ru-jin, HUANG Min, JIANG Cui-cui(School of Chemistry and Life Science, Guangdong University of Petroche mical Technology, Maoming 525000, China)Abstract: In this paper, the technologies of ethanol production fermented from litch residue were discussed using uniform design andthe optimization parameters of alcoholic fermentation as the index of alcoholic productive rate were studied. It mainly investigatedamount of enzyme, the time and temperature of enzymatic hydrolysis in the pretreatment process of samples. We also studied theparameters of the process of ethanol production fermented of samples including the addition amount, the time andemperature offermentation and sugar degree, respectively. The results showed that the initial concentration of saccharification liquid was 16 Bx, thealcoholic additive was 0.5%, the fermentation temperature was 30'C, and the best fermentation time was 168 h, and the alcoholicproductive rate could reach 17. 16% under the best optimization parameters with the help of DPS705 software by uniform design. Thepractical yield of ethanol was 15. 4% under this conditionKey words: Litch residue; fermentation; ethanol發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇是當(dāng)代世界生物技術(shù)產(chǎn)品中數(shù)量最多對人類益處最大的產(chǎn)品,面對供應(yīng)日益緊張的化石能1材料與方法源,研發(fā)可替代石油產(chǎn)品能源已成為當(dāng)前世界性的課題。11試驗(yàn)材料利用工業(yè)廢棄物如秸稈、荔枝渣等生物質(zhì)制備燃料乙醇荔枝渣:由廣東為多生命高科有限公司提供,經(jīng)晾曬既能發(fā)展替代能源,又能有效解決廢棄物污染問題。目前烘干、粉碎過042mm孔徑的篩備用。利用生物質(zhì)原料制備乙醇的研究較多,較典型的有酒糟、果膠酶(酶活力50000U1g)和纖維素酶(酶活力15000菊芋叫、馬鈴薯、玉米秸稈荔枝核發(fā)酵生產(chǎn)乙醇等。我Ug)均購自上海源聚生物科技有限公司,安琪釀酒曲購于國是荔枝栽培大國,荔枝加工產(chǎn)品遠(yuǎn)銷國內(nèi)外,荔枝渣是安琪酵母股份有限公司;其余試劑均為實(shí)驗(yàn)室常用分析荔枝深加工過程中的皮和核的混合物對荔枝渣成分分析純;試驗(yàn)用水均為去離子水發(fā)現(xiàn)荔枝渣中含有大量的果膠、糖分等,糖類物質(zhì)主要是培養(yǎng)基:斜面培養(yǎng)基為麥芽汁固體培養(yǎng)基;種子培養(yǎng)葡萄糖、果糖及蔗糖,可被微生物利用生產(chǎn)酒精、果酒、果基為荔枝汁液體培養(yǎng)基明,將鮮荔枝榨汁115℃滅菌30醋、琥珀酸及檸檬酸等微生物產(chǎn)品,廢棄荔枝渣是對生物min備用;發(fā)酵培養(yǎng)基為荔枝渣培養(yǎng)基。質(zhì)資源的極大浪費(fèi),同時(shí)造成環(huán)境污染。充分利用荔枝深主要設(shè)備:RE-52型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器,上海亞榮生化儀器加工過程中荔枝渣發(fā)酵生產(chǎn)乙醇不僅可以充分利用生物廠:JY2502型分析天平,上海精密科學(xué)儀器有限公司質(zhì)資源,而且能避免荔枝渣造成的環(huán)境污染,并能為發(fā)展DKs24型可控恒溫水浴鍋,上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器廠。荔枝加工產(chǎn)業(yè)另辟蹊徑因此開發(fā)利用荔枝渣生物質(zhì)資源12試驗(yàn)方法具有顯著的意義。本試驗(yàn)在前期研究基礎(chǔ)上,以荔枝渣為121試驗(yàn)工藝流程荔枝渣→烘干→粉碎→過篩→調(diào)原料,將其糖分纖維素等物質(zhì)發(fā)酵轉(zhuǎn)化為燃料乙醇,采用漿糖化→滅菌→加入酒曲→發(fā)酵→蒸餾→脫水→乙醇。均勻設(shè)計(jì)初步探討了荔枝渣低溫發(fā)酵轉(zhuǎn)化乙醇的工藝,為1.22荔枝渣預(yù)處理工藝?yán)笾υ写嬖谳^多的果膠、纖充分利用這一寶貴生物質(zhì)資源提供參考維素、總糖等物質(zhì),為了使發(fā)酵酵母充分利用荔枝渣中的營養(yǎng)物質(zhì),需井行復(fù)合酶解預(yù)處理。預(yù)試驗(yàn)表明收稿日期:2012-12-13基金項(xiàng)目:廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011B010100046);茂名市科pH值35時(shí)酶中國煤化工單因素試驗(yàn)篩選基礎(chǔ)上選取影CNMH〔、時(shí)間、溫度作為技計(jì)劃項(xiàng)目作者簡介:邱松山(1978-),男,博土,講帥,E-mal: tustqss@16考察因素,采用均勻設(shè)計(jì)表U(7勹優(yōu)化荔枝渣預(yù)處理工藝,com均勻設(shè)計(jì)中心化偏差CD=04760,以酶解液中糖度作為評100價(jià)指標(biāo),試驗(yàn)結(jié)果參考章英等、宋明軍等叫的方法以平22發(fā)酵工藝均值表征,試驗(yàn)方案見表1。22.1發(fā)酵溫度對乙醉得率的影響酵母生長和酒精代謝酶系統(tǒng)的重要影響因素是發(fā)酵溫度,酵母生長在低溫表1均勻設(shè)計(jì)U(7試驗(yàn)結(jié)果時(shí)會受到抑制,酶系統(tǒng)的產(chǎn)量和活性較低;溫度較高時(shí)鈍序號A果膠酶量B纖維素酶量C時(shí)間D溫度糖度化了酵母的發(fā)酵酶系,酵母活力受到明顯抑制5。在前期0.6(h)(℃)(Bx)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,調(diào)節(jié)發(fā)酵醪的pH值為45、糖度為16°Bx153.273.54酒曲添加量為05%,分別在不同溫度條件下發(fā)酵72h1.0研究發(fā)酵過程中溫度對乙醇得率的影響,結(jié)果如圖1所1.0示。由圖1可知,發(fā)酵溫度對乙醇得率的影響較大,隨著溫度的升高乙醇得率不斷增大,當(dāng)溫度達(dá)到36℃時(shí),乙醇60.82.0254.1214得率最大。隨后乙醇得率開始下降。222發(fā)酵時(shí)間對乙醇得率的影響在其他發(fā)酵參數(shù)一定1.23乙醇發(fā)酵工藝在500mL發(fā)酵瓶中裝入200mL12荔枝渣培養(yǎng)基,于115(±1)℃滅菌20min,按10%接種量接10種荔枝汁液體培養(yǎng)基,厭氧塞封口,于一定溫度恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。在發(fā)酵生產(chǎn)乙醇工藝參數(shù)的單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,選取影響發(fā)酵的相關(guān)因素包括酒曲添加量、發(fā)酵時(shí)8+密濫間、發(fā)酵溫度、糖度作為考察因素,選擇混合水平均勻設(shè)2計(jì)表U6(62×21)安排發(fā)酵工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)條件,定期取樣分析相關(guān)參數(shù)。124分析方法還原糖含量采用3,5-二硝基水楊酸比溫度(℃)色法測定,用葡萄糖作標(biāo)樣繪制DNS顯色的標(biāo)準(zhǔn)曲線。圖1發(fā)酵溫度對乙醇得率的影響總糖測定采用蒽酮比色法測定。酒精體積分?jǐn)?shù)的測定按的條件下,36℃下分別發(fā)酵不同時(shí)間比較發(fā)酵時(shí)間對發(fā)酵照文獻(xiàn)[13方法進(jìn)行。乙醇得率按下式計(jì)算過程中乙醇得率的影響。由圖2可知,不同發(fā)酵時(shí)間對乙乙醇得率(%)=產(chǎn)6%原酒(kg)×100醇得率的影響不同,隨著時(shí)間的延長,發(fā)酵越充分,乙醇得料總耗量(kg)率越高。當(dāng)發(fā)酵時(shí)間為168h時(shí),乙醇得率達(dá)到最高,隨后2結(jié)果與分析又不斷減少。因此,當(dāng)發(fā)酵時(shí)間為168h時(shí),乙醇得率最高。2.1荔枝渣預(yù)處理工藝在此條件下若發(fā)酵時(shí)間過長,則易引起發(fā)酵產(chǎn)物的分解不利于分離,而且易產(chǎn)生更多副產(chǎn)物抑制發(fā)酵的進(jìn)行。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用均勻設(shè)計(jì)方法對荔枝渣預(yù)處理工藝進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果如表1所示。以酶解液中223糖度對乙醇得率的影響為了研究發(fā)酵醪液不同糖度為因變量,用DPS705軟件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對表1所示試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行偏最小二乘回歸分析。得回歸方程為y=5995766x-0985134x1-1.154592x2+0.780762x30.097382x4+0.146439x2+0.062481x2-0.029009x32+0000424x2+0.038103xx2-0.074330xx3+0011377x4-0070654x3+0020776x3x40.004004x4數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后計(jì)算相關(guān)系數(shù),得誤差平方和為07926;決定系數(shù)R2為09679; PRESS統(tǒng)計(jì)量為60112從決定系數(shù)可以看出,其回歸模型的擬合程度較好。荔枝發(fā)酵時(shí)間(h)渣預(yù)處理工藝參數(shù)中影響因數(shù)的回歸系數(shù)的絕對值越大圖2發(fā)酵時(shí)間對乙醇得率的影響表示因素對結(jié)果的影響越大,反之影響較小。根據(jù)因素回糖度對發(fā)酵過程中乙醇得率的影響,調(diào)發(fā)酵醪液的pH值歸系數(shù)確定主次關(guān)系為X1>X>X2>X,表明添加果膠酶量為4.5,添加酒曲05%,在36℃條件下分別調(diào)節(jié)不同糖度對酶解液中糖含量影響最大,酶解時(shí)間次之,酶解溫度影發(fā)酵72h,乙醇得率的變化如圖3所示。由圖3可知,發(fā)響較小。通過對預(yù)處理工藝參數(shù)的考察,確定了最佳預(yù)處酵醪液不同糖度對乙醇得率的影響較大,隨著糖度的升理?xiàng)l件下酶解液中糖含量和酶解率都較高,可直接用于高乙醇得率不斷增加,當(dāng)糖度為16°Bx時(shí),乙醇得率達(dá)到乙醇發(fā)酵,選擇在50℃條件下,添加1200U/g果膠酶和最大值。較中國煤化工的葡萄糖阻遏作用1.0%纖維素酶酶解水解2h效果最佳,此時(shí)經(jīng)預(yù)處理的酶和底物抑制作CNMHG降低了乙醇得率解液中糖度含量為396°Bx。根據(jù)均勻設(shè)計(jì)確定的優(yōu)化工2.4酒曲添灬y呼付平町形啊酒曲添加量影響藝進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),計(jì)算酶解液中糖度為384Bx,說明采用發(fā)酵產(chǎn)乙醇的速度,酒曲添加量大則起始發(fā)酵速度快,可均勻設(shè)計(jì)優(yōu)選可充分考察各因素的水平差異。抑制雜菌的生長,縮短反應(yīng)時(shí)間,反之則起始發(fā)酵較緩數(shù)可判斷因素主次關(guān)系為X>X→>X心X1,表明酒曲添加量15對乙醇得率影響最大,發(fā)酵時(shí)間次之,發(fā)酵溫度影響最小。通過對偏最小二乘回歸模型的分析,確定了最佳的荔枝渣發(fā)酵生產(chǎn)乙醇工藝參數(shù)條件為:pH值為45時(shí)酒曲添加量0.5%,發(fā)酵時(shí)間168h,發(fā)酵溫度30°℃,糖度16°Bx,在此條件下模型預(yù)測的發(fā)酵生產(chǎn)乙醇得率為1716%。并根據(jù)均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)確定的優(yōu)化工藝,選取3份樣品121618進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),計(jì)算乙醇得率為154%,和模型預(yù)測值的醪液糖度(Bx)圖3糖度對乙醇得率的影響相對誤差為45%。何珺珺等采用響應(yīng)面法優(yōu)化荔枝渣發(fā)酵的酒精產(chǎn)量達(dá)到每100g886mL(得率為10.6%),表明慢,抵御雜菌能力弱。在其他發(fā)酵參數(shù)一定的條件下,設(shè)采用均勻設(shè)計(jì)優(yōu)選結(jié)果的數(shù)據(jù)更優(yōu)越,可較充分地考察酒曲添加量分別為0.4%06%0.8%、1.0%、1.2%,在36℃各提取因素的水平差異。條件下發(fā)酵72h,比較不同酒曲添加量下乙醇得率的變化,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,不同酒曲添加量對乙3結(jié)語醇得率的影響不同,隨著酒曲添加量增大,乙醇得率緩慢在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上通過均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)優(yōu)化了荔枝增加,在酒曲添加量為0.5%時(shí),乙醇得率最高,隨后乙醇渣發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乙醇的工藝條件,結(jié)果表明荔枝渣預(yù)處理得率下降。綜合考慮酒曲添加量應(yīng)為0.5%。工藝中添加1200Ug果膠酶和10%纖維素酶酶解水解23發(fā)酵工藝參數(shù)優(yōu)化2h后荔枝渣的預(yù)處理效果較好。在荔枝渣發(fā)酵過程中運(yùn)用混合均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)并采用偏最小二乘回歸分析方法優(yōu)化了發(fā)酵生產(chǎn)乙醇工藝,根據(jù)其回歸方程分析較佳的發(fā)酵工藝為酒曲添加量0.5%,發(fā)酵時(shí)間168h,發(fā)酵溫度82N30℃,糖度16°Bx,優(yōu)化模型的乙醇得率為17.16%,在此條件下實(shí)際乙醇得率為154%。參考文獻(xiàn)[u] Macrelli S, Mogensen J, Zacchi G. Techno-economic evaluation0.100.200.300.400.500.60of 2 generation bioethanol production from sugar cane bagasse酒曲添加量and leaves integrated with the sugar-based ethanol process [J]圖4酒曲添加量對乙醇得率的影響B(tài)iotechnology for Biofuels, 2012 5: 22]宋安東張建威吳云漢,等利用酒糟生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,按照均勻設(shè)計(jì)表安排發(fā)酵的試驗(yàn)研究J農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)2003,19(4)278-281工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)條件,選擇混合水平均勻設(shè)計(jì)表(3]李杰菊李乙醇發(fā)酵工藝的初步研究D南京南京農(nóng)業(yè)大學(xué)U(62×2)安排優(yōu)化工藝試驗(yàn),中心化偏差CD=0.3581,其4 Chen J, Quan M, Cheng Y,eta. Acetylcholinesterase inhibitory結(jié)果如表2所示。activity of Chinese sufu (fermented tofu)ethanol-extract[J]. Food以乙醇得率為因變量,采用DPS7.05軟件數(shù)據(jù)處理系Chemistry.,2012,134(3:1263-1266統(tǒng)對表2所示試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行偏最小二乘回歸分析,得回歸5李興革,李志江牛廣財(cái)?shù)壤民R鈴薯生產(chǎn)酒精發(fā)酵工藝參數(shù)的研究門農(nóng)產(chǎn)品加工學(xué)刊,200907:16-23方程為=13372280140206438X+0042382X+6583562Xy1牛整趙華夏媛媛等堆積糖化對玉米秸稈同步糖化固態(tài)發(fā)酵0630933X0004809X12+0000116X2+0259766X3+0020535生產(chǎn)乙醇的影響中國釀造,2012,31(4):102-105X2-0.0003x013609Xx0.006001731Xx27何丹,肖更生,吳繼軍,等荔枝核無蒸煮發(fā)酵生產(chǎn)酒精的工藝研X3+0.001473X2X40.105604Xyx4究釀酒,200835(1)44-46數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后計(jì)算相關(guān)系數(shù),得誤差平方和為8]黃文芳張松微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M]廣州:暨南大學(xué)出版社200307061,決定系數(shù)R2為09959。從決定系數(shù)可知其回歸模9何珺珺周如金唐玉斌等響應(yīng)面法優(yōu)化荔枝渣發(fā)酵生產(chǎn)酒精型擬合程度較好。回歸系數(shù)分別為X=0.2374、X2=0.2878的工藝條件[食品科學(xué),20132(13):254-257X=0.8304、X=-02610。根據(jù)發(fā)酵工藝相關(guān)參數(shù)的回歸系10章英宋江峰李大婧等均勻設(shè)計(jì)優(yōu)選超聲波提取甘薯葉黃酮的研究食品科技2010,35(61190-198表2發(fā)酵工藝均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果ll宋明軍汪志君,顧林均勺設(shè)計(jì)法姜油樹脂提取工藝的優(yōu)化研究U中國釀造,2009(744-57序號A發(fā)酵溫度B發(fā)酵時(shí)間C酒曲添加量D糖度乙醇得率12吐爾遜吐爾干乃義,馬木提熱衣木阿巴斯阿不都拉35-硝基B648486水楊酸法測定中國樹花中多糖的含量門食品科學(xué),2009,304)132184236-238中國煤化工l8.6[3]何珺珺,周」用荔枝渣生產(chǎn)酒精05性能的比CNMH9-204710.1「4李蘭高廣西石榴酒發(fā)酵條件的優(yōu)化小釀酒2010,37(6):82-85l685.8