第26卷第5期西科學(xué)Vol. 26 No 52008年10月JIANGXI SCIENCE0ct.2008文章編號(hào):1001-3679(2008)05-0719-05紅薯干原料同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究方毅',印培民2,黃筱萍2(1南昌大學(xué)生命科學(xué)院,江西南昌330031;2.江西省科學(xué)院微生物研究所江西南昌330029)摘要:本研究以紅薯干為原料,用同步糖化發(fā)酵(SSF)生產(chǎn)燃料乙醇的新工藝,應(yīng)用 ackett-Bum_n實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)篩選彩響乙醇發(fā)酵的重要工藝參數(shù),然后通過Bx- Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)確定各重要工藝參數(shù)的最佳水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,彩響酒精產(chǎn)量的重要參數(shù)是初始pH、接種量和發(fā)酵溫度。優(yōu)化后的最佳工藝條件為初始pH4.4、接種量8.3%,發(fā)酵溫度36.7℃,淀粉利用率達(dá)到89.25%。在此條件下進(jìn)行50L發(fā)酵罐實(shí)驗(yàn),48h其淀粉利用率達(dá)到89.12%。關(guān)鍵詞紅薯干;同步糖化;然料乙醇;響應(yīng)面法(RSA)中圖分類號(hào):TK6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AProduction of Ethanol by Simultaneous Saccharifictionand Fermentation from Sweet PotatoFANG Yi, YIN Pei-min, HUANG Xiao-ping(1. College of Life Science, Nanchang University, Jiangxi Nanchangnstitute of Microbiology, Jiangxi Academy of Sciences, Jiangxi Nanchang 330029 PRC)Abstract: The production of ethanol from sweet potato by simultaneous saccharification and fermentation(SSF)is presented. In the experiments, the kept parameters influencing ethanol fermentationwere screened out by Plackett-Burman design, then the optimum values of the parameters were de-termined by Box-Behnken design. The results suggested that the important parameters includedtial pH, inoculation amount and fermentation temperature. The optimum conditions were as followsitial ph at 4.42, inoculation amount as 8. 35%, and fermentation temperature 36. 69 C. Undersuch conditions starch utilization ratio can reach 89. 12% in 50 L ferment or at 48 h.Key words: Sweet Potato, Simultaneous Saccharifiction and Fermentation, Fuel ethanol, Responssurface analysis( RSA0前言的壓力穩(wěn)定糧食生產(chǎn),增加就業(yè)和農(nóng)民的收人減少環(huán)境污染而備受關(guān)注,并成為各國競(jìng)相研究能源問題是當(dāng)今世界面臨的最為重要的問題與開發(fā)的重要課題之一。我國在“十五”期間將之一,隨著全球性能源短缺及石油危機(jī)的發(fā)生,尋開發(fā)燃料乙醇等石油替代品,節(jié)約石油資源的舉找新的能源資源已成為當(dāng)前世界各國決策層不可措列入了國家發(fā)展計(jì)劃綱要,并在河南黑龍江和回避的緊要任務(wù)。生物質(zhì)燃料乙醇作為一種可再吉林分別開展小麥燃料乙醇、玉米燃料乙醇的試生能源,其發(fā)展的背景和動(dòng)力因能緩解能源危機(jī)生vTL中國煤化工國燃料乙醇采用收稿日期:2008-07-28;修訂日期:2008-08-23CNMHG作者簡(jiǎn)介:方毅(198-),男湖南岳陽人南昌大學(xué)在讀碩士研究方向?yàn)榘l(fā)酵過程的優(yōu)化控制720江西科學(xué)2008年第26卷若干單一的糧食原料生產(chǎn)存在一定的片面性。出表1 Plackett- Burman實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平及編碼于原料多元化,燃料乙胖消費(fèi)分布運(yùn)輸?shù)纫蛩乜紤],我國未來的燃料乙醇項(xiàng)目重點(diǎn)應(yīng)在南方地區(qū)因素變量編碼水平未編碼編碼布設(shè),并且其原料的選擇應(yīng)關(guān)注資源豐富的紅薯H4)2S04/%X木薯等原料2l。CaC12/%甘薯( Sweet Potato)又名紅薯(芋)、白薯液化溫度/℃X3(芋)、番薯、紅苕、地瓜、山芋等。甘薯在我國種糖化酶量/%X40.050.1植面廣,全國除青藏高原外,各地均有種植,尤以黃淮平原、四川和東南措海各省山丘地帶較為集初始pH中。我國甘薯種植面積為1000×10ha,總產(chǎn)約接種量/%X1.5×10°t,居世界之首。紅薯所含淀粉濃度高,發(fā)酵溫度/℃X且氮源豐富,很適合作為燃料乙醇的生產(chǎn)原料。發(fā)酵時(shí)間/h本文探討了采用同步糖化發(fā)酵3( Simultaneous Saccharification and Fermentation,SSF)法,以從 Plackett- Burman實(shí)驗(yàn)篩選出的重要因紅薯干為原料進(jìn)行燃料乙醇生產(chǎn)的生產(chǎn)條件的優(yōu)素,因素取值作進(jìn)一步調(diào)整后,利用 Design-Ex化(借助統(tǒng)計(jì)軟件),為工業(yè)應(yīng)用提供依據(jù)。pert Version6.0.5(Stt-Ease,inc2001)進(jìn)行Box1材料與方法- Behnken響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn),最后驗(yàn)證模型的可信度和50L發(fā)酵罐的放大發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。1.1菌種釀酒酵母( Saccharomyces cerevisiae)y-1,2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論江西省科學(xué)院生物技術(shù)有限責(zé)任公司保存。2.1PB實(shí)驗(yàn)12材料Plackett- Burman(PB)法是一種近飽和的2優(yōu)質(zhì)紅薯干(江西省科學(xué)院生物技術(shù)有限責(zé)水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。它基于非完全平衡塊原理,任公司紅薯基地出產(chǎn),淀粉含量6%左右),液化能用最少試驗(yàn)次數(shù)估計(jì)出因素的主效應(yīng),以從眾酶(杰能科公司產(chǎn)品),糖化酶(杰能科公司產(chǎn)多的考察因素中快速有效地篩選出最為重要的幾品),(NH4)2SO4(工業(yè)級(jí))。個(gè)因素供進(jìn)一步研究-。13主要實(shí)驗(yàn)儀器本文以淀粉利用率為響應(yīng)值,選用實(shí)驗(yàn)次數(shù)氣相色譜儀(島津GL14B),旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(江為N=12的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),對(duì)(NH)2SO,液化溫度,蘇常州),數(shù)顯pH計(jì)( Sartorius PH-10)。CaCl2,糖化酶量,初始pH,接種量,發(fā)酵溫度,發(fā)14實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與乙醇濃度檢測(cè)方法酵時(shí)間進(jìn)行考察,各因素水平依據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)和1.4.1乙醇濃度檢測(cè)取100g發(fā)酵液,倒人經(jīng)驗(yàn)選取,結(jié)果見表2。500mL燒瓶中,再加人100g水,蒸發(fā)出100g液從表3的結(jié)果可知,初始pH和接種量對(duì)本釀體將蒸發(fā)出的液體加入內(nèi)標(biāo)物進(jìn)行乙醇濃度的酒酵母產(chǎn)酒精影響最顯著(P=0.0002<0.05),在檢測(cè)。氣相條件為:島津C14B氣相色譜儀G95%的概率水平上差異顯著發(fā)酵溫度次之(P=300色譜柱色譜柱起始溫度70℃,最終溫度0.0826<0.1),在90%的概率水平上差異顯著,200℃,汽化室,熱導(dǎo)檢測(cè)器的溫度均200℃。且初始pH對(duì)乙醇產(chǎn)生為負(fù)影響,隨著pH的升1.4.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容先通過單因素實(shí)驗(yàn)確定了紅高,乙醇產(chǎn)量降低;接種量與發(fā)酵溫度均為正影薯干粉發(fā)酵的最適加水比(1:4,綜合考慮酒精響隨著其兩者的升高,乙醇產(chǎn)量也升高。而其他度和淀粉利用率),粉碎度(40目),添加氮源的種因素則在90%的概率水平上差異均不顯著,對(duì)乙類(NH4)2SO4),再利用JMP軟件( version40.醇產(chǎn)率貢獻(xiàn)不大結(jié)合上表的t值檢驗(yàn)結(jié)果,從經(jīng)5, SAS Institute Inc..1989-201)中的 Plackett-濟(jì)角廿C-液化溫度,糖化Burman法從8個(gè)因素中篩選出重要因素,各因素酶量中國煤化工碼水平編碼水平見表1。值)。CNMHG第5期方毅等:紅薯干原料同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究721表2 Placket- Burman法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果x3淀粉利用率/%8482.86.81∞1347200911表3 Plackett- Burman實(shí)驗(yàn)的效應(yīng)評(píng)價(jià)代碼因素t值Prob> ItI重要性(NH4)2SO4/%0.3液化溫度℃120.270.80817586糖化酶量%0.3436初始pH接種量/%23.270.0002發(fā)酵溫度/℃3.770.0826發(fā)酵時(shí)間/h0.22362.2Box- Behnken響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)計(jì),實(shí)驗(yàn)安排情況和結(jié)果見表5。依據(jù) Plackett- Burman實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)因子表5響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果水平動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)圖取值進(jìn)行Box- Behnken響應(yīng)面淀粉利用率法實(shí)驗(yàn),各水平如4表。實(shí)驗(yàn)號(hào)A實(shí)驗(yàn)值預(yù)測(cè)值表4Box- Behnken實(shí)驗(yàn)因素水平及編碼88.38188.7088.53因素變量編碼水平編碼編碼0187.6287.44初始pH.22接種量/%B610101088.3388.32發(fā)酵溫度℃086.878707087.9587000087.8787.67設(shè)該模型通過最小二乘法擬合的2次多項(xiàng)方0088.6088.77程為:1188.91Y=c+∑ax+∑bx0088.85088.8088.式(1)中Y為預(yù)測(cè)響應(yīng)值,即淀粉利用率的預(yù)測(cè)187.1587值;x和x為自變量編碼值;c為常數(shù)項(xiàng);a為線5中國煤化工88.86性系數(shù);b為2次項(xiàng)系數(shù);n為因子數(shù),本試驗(yàn)中CNMH為3。使用 Design- Expert進(jìn)行Box- Behnken設(shè)722江西科學(xué)2008年第26卷通過表5中淀粉利用率試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)方程(1)預(yù)測(cè)值能與試驗(yàn)值具有高度相關(guān)性。在這個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行多元回歸擬合,獲得紅薯同步糖化發(fā)酵乙醇中,R2=0.9677,表明僅有不到4%的酒精產(chǎn)量試驗(yàn)中淀粉利用率對(duì)編碼自變量初始pH、接種量不能由該模型解釋和發(fā)酵溫度的2次多項(xiàng)回歸方程(2)同時(shí)由表6可見,3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)淀粉利用淀粉利用=9708+9.02A+2.26B-1.850C率的曲面效應(yīng)皆顯著;溫度和pH的交互影響顯1014A2-0.129B2+0.027C2+3.75E-0.03AB著而其它兩兩交互皆不顯著;初始pH和發(fā)酵溫8.333E-0.04AC-2.5E-0.03BC(2)度兩因素對(duì)淀粉利用率線性影響效應(yīng)顯著,但接從該模型的方差分析(表6)可見,“ Model種量線性影響效應(yīng)不顯著,原因可能是在響應(yīng)面Pob>F”等于0.0019遠(yuǎn)小于0.05,說明模型是試驗(yàn)中已將接種量范圍縮小在一個(gè)較合適的區(qū)重要的。一般認(rèn)為,相關(guān)系數(shù)R2大于0.9,表明間所以接種量的變化影響已不顯著表6淀粉利用率回歸方程系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)?zāi)Ｐ晚?xiàng)系數(shù)估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差平方和均方F值PIntercept88.910.110.180.260.07590.0280.1273.39<0.0010.00330.240.120.250.0787AB7.500E-0030.122.250E-0042.250E-0043.814E-0030.95252.500E-0030.122.250E-0052.250E-0044.238E-0040.98140.0150.122.25E-0042.25E-0040.0150.90522.3模型驗(yàn)證2.4最佳發(fā)酵條件為驗(yàn)證淀粉利用率模型方程(1)的合適性和通過對(duì)淀粉利用率曲面方程(2)求解得知,有效性,在初始pH接種量和發(fā)酵溫度試驗(yàn)水平在初始pH為4.4、接種量為8.3%、發(fā)酵溫度為范圍內(nèi),選擇性地進(jìn)行了6組不同組合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)36.7℃時(shí),紅薯干同步糖化發(fā)酵產(chǎn)乙醇的淀粉利(表7)。利用SPSs( version10.0, SPSS In.USA)用率最大預(yù)測(cè)為8925%;對(duì)最佳點(diǎn)進(jìn)行搖瓶驗(yàn)軟件對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行距離相關(guān)分析得知,淀粉利證試驗(yàn),結(jié)果乙醇濃度達(dá)到8.1%,淀粉利用率為用率實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)r為0.9516,證89.38%,表明預(yù)測(cè)值與驗(yàn)證試驗(yàn)很接近。明此模型是合適有效的。2.550L罐放大發(fā)酵試驗(yàn)表7模型驗(yàn)證利用優(yōu)化后的條件(適當(dāng)調(diào)整初始pH、接種姐號(hào)初的種量發(fā)畫度直程圍值量和發(fā)酵溫度分別為44、8%和37℃)進(jìn)行50L發(fā)酵罐的放大實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在48h處發(fā)酵基本完1428.5368708860成,乙醇濃度不再增加,計(jì)算其原料的淀粉利用24.53788.6888.71率,可以達(dá)到8912%,且乙醇濃度為7.9%,殘?zhí)?8.5788.48濃度為2.47g/L,說明優(yōu)化后的條件同樣適合于50L發(fā)酵罐的生產(chǎn)。54.58.53中國煤化工4.8CNMHGm1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選出的重要因素再用響應(yīng)面法建立了紅薯干同步糖第5期方毅等:紅薯干原料同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究723·化發(fā)酵產(chǎn)生乙醇時(shí)淀粉利用率的2次多項(xiàng)數(shù)學(xué)模發(fā)酵生產(chǎn)乙醇[J].過程工程學(xué)報(bào),005,5(3):352型。通過對(duì)模型方程的求解及方差分析,獲得了356.的最佳發(fā)酵工藝條件,即在初始pH、接種量和發(fā)酵4】歐宏字,賈土需,sAs敏件在微生物培養(yǎng)條件優(yōu)化溫度分別為4.48.3%和36.7℃時(shí)紅薯干同步糖中的應(yīng)用[]天津輕工業(yè)學(xué)院報(bào),2001,36(1):14化發(fā)酵產(chǎn)乙醇的淀粉利用率最大預(yù)測(cè)為892%,并18[5]胡永紅,沈樹寶歐陽平凱響應(yīng)面分析法用于微生驗(yàn)證了模型的可信性。物培養(yǎng)基濃度的優(yōu)化[].工業(yè)微生物2002,32許多研究工作表明,合理地使用優(yōu)化方法,尤(1):9-12其是 Plackett- Burman和響應(yīng)面分析法,在微生[6]郝學(xué)財(cái),余曉斌,劉志鈺,等響應(yīng)面方法在優(yōu)化微物培養(yǎng)基的優(yōu)化工作中能取得良好的效果。通過生物培養(yǎng)基中的應(yīng)用[J].食品研究與開發(fā),2006,對(duì)RSM的研究表明,研究工作者可以在更廣泛的27(1):38-41.范圍內(nèi)考慮因素的組合,以及對(duì)響應(yīng)值的預(yù)測(cè),而[7] Quinn Gerry P, Keough Michaei J. Experimental Design均比一次次的單因素分析方法更有效。and Data Analysis for Biologists[M]. New York: Cam-bridge University Press, 2002參考文獻(xiàn):[8] Bandaru VV R, Somalanka S R, Menduc D R, et al[1]杜連起,張紅新試論我國甘薯加工產(chǎn)業(yè)化[J]河Optimization of fermentation conditions for the produc-北職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2002,16(2):61tionof ethanol from sago starch by co-immobilized[2]傅學(xué)政朱薇管天球我國紅薯生產(chǎn)燃料乙醇的amyloglucosidaseand cells of Zymomonas mobilis usingresponse surface methodology [J]. EMicrob綜合效益分析[].湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào),2006,27Technol.2006,38:209-214.(11):183-18[3]劉振,王金鵬張立峰,等.木薯干原料同步糖化(上接第696頁)[12]潘黔生,方之平四種鯉科魚類腸道中胃泌素免疫1995,41(2):167-172活性細(xì)胞的免疫組織化學(xué)定位及比較[冂]華中農(nóng)[19]張席錦生長抑素[A].王志均胃腸激素[M].北業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1988,7(3):238-242.京:科學(xué)出版社,1985[13]方之平潘黔生,聶秀云,等兩種有胃真骨魚胃腸[20] Pan QS, Fang ZP, ZhaoYi. 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