第29卷第4期湖南科技學院學報Vol 29 No 4008年4月Jourmal of Hunan University of Science and EngineeringAp:2008紅薯生產燃料乙醇的技術研究朱薇傅學正12管天球!毛友輝歐陽小蕓羅靜瑤(1.湖南科技學院,湖南永州425100:2中南大學資源加工與生物工程學院,湖南長沙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)酵工藝生產燃料乙醇,研制出了一種適合紅薯生料發(fā)酵用的復合酶,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。同時對影響紅薯生料發(fā)酵的主要因素進行了研究,確定了生料發(fā)酵生產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)酵時間為7天,關鍵詞:生料發(fā)酵;燃料乙醇;復合酶;紅著中圖分類號:Q81文獻標識碼:A文章編號:1673-2219(2008)040047-03近年來,隨著石油資源日趨嚴重不足,人類正面臨著能500公斤,最高畝產15000公斤,淀粉含量287%,按測算每源供應短缺、燃料安全和環(huán)境污染壓力的嚴峻挑戰(zhàn)"。因此,公頃可產95度燃料乙醇8噸以上,玉米每公頃僅產35噸,甜高世界各國都在加速新能源的開發(fā)利用;我國“十一五”規(guī)劃粱、甘蔗、木薯每公頃產5啦。由此可見,選擇單位面積產和國家中長期科學和技術發(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原料是發(fā)展燃料源的開發(fā)利用置于重點領域的首位在尋找各種新能源的過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注和研究熱點。來制備乙醇,探討了復合酶、料水比、pH、溫度及發(fā)酵時間乙醇的生產方法可以歸納為發(fā)酵法和水合法兩大類,目等各因素對發(fā)酵過程的影響,最終確定了其最佳的生產條件。前世界各國主要以發(fā)酵法為主,這是一種古老的生物技術有著悠久的歷史。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,即能量消耗高,生產成本高,淀粉糖化率低,出酒率1.1材料低,經(jīng)濟效益差,尤其在20世紀50年代,隨著石油的大規(guī)模開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:潮南科技學院可再生能源研究所保藏?，F(xiàn)石油危機,巴西、美國率先倡導“汽油醇”,即在汽油中加入糖化酶:酶活力5000g2,無錫酶制劑廠生產。定比例無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),無錫酶制劑廠生產國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"),無錫酶制劑廠生產。研發(fā),并提出了許多新的方法和工藝價。其中生料發(fā)酵(即蛋白酶(酶活力500000g),湖南津市新型發(fā)酵有限責無蒸煮發(fā)酵)以其工藝流程簡單、易操作,尤其是其摒棄了傳任公司生產統(tǒng)工藝中的高溫蒸煮工序(這一工序占整個生產過程所耗能量果膠酶(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)省能量及設備,使單位生產成本公司生產。大大降低,被譽為乙醇工業(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)酵沒有經(jīng)過熟料發(fā)酵蒸煮過程中的液化處理和殺菌處理,料經(jīng)粉碎過60目篩其淀粉含量為6952%,水分含量為967%,因此對原料及其生產技術的要求相對較高。現(xiàn)在國內外常用的粗蛋臼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。其實紅薯是單位面積產能量最高的生物質原料,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”般畝產生料發(fā)酵的本質是一個生化反應的過程,當原輔料確定后,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對發(fā)酵用的復合酶種類及其數(shù)量、料水比、PH、糖化發(fā)酵溫基金項目:科技部科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金資助項目度、糖化發(fā)酵時間等工藝條件進行了探討,其工藝流程如下內容[07c26214301758]。紅薯干→粉碎→加水調配→調節(jié)pH值→加復合酶→通氣作者簡介:朱薇(1976-),女,湖南科技學院生命科培養(yǎng)→發(fā)酵→成熟醪液→蒸餾出酒學與化學工程系教師,碩士,主要從事食品化學與營養(yǎng)及生1.22發(fā)酵液制備及發(fā)酵方法物質能源研究稱取一定量的干紅薯粉加水配成一定濃度,用HSO4調節(jié)47成不同的pH,加入不同比例的復合酶及酵母攪拌均勻,然后酶的最適溫度為30℃,本實驗考慮到溫度對復合酶的綜合影置于不同溫度下發(fā)酵,最后測定各項指標響,故選用了以下各溫度作為發(fā)酵溫度,具體見表3123實驗結果的分析測定及其數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理方法表3不同溫度對發(fā)酵的影響(習坦,n=5)123.1實驗結果的分析測定方法Table 3 Effect of different temperature to the fermentation殘還原糖和殘總糖的測定采用DNS法測定。(x±,n=5)酸度用0.1 mol/L NaOH滴定測定升幅總糖pH值用pHs-2精密酸度計測定溫度(℃出酒率(%)(g10om)(gmn酒度按國標GBT10781測定。15-2521459:0913.79淀粉出酒率=95%(v)酒精產量(kg)/淀粉量(kg)23721±0.780.73100%。2958.3±0.811.2.3.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理方法由表3中數(shù)據(jù)顯示,在溫度為1525°之間,淀粉利用率高其實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SP30軟件進行單因素多水平殘余糖量也較小,但是出酒率很低,達不到預先效果;當溫度和多因素多水平分析,數(shù)據(jù)以均數(shù)±標準差(X)表示,取為3538℃c時,不僅產酒事低,同時淀粉利用率也低,殘余糖<0.05為差異具有顯著性,P>005為無顯著性差異量高;當溫度為32°C時,出酒率最高,且效果顯著(p<0.05)24發(fā)酵時間對發(fā)酵的影響2結果與分析發(fā)酵時間的長短對酒精度、酸度、還原糖皆有影響。本實21不同料水比對發(fā)酵的影響驗在不同時間取樣對其進行測定,結果如表4。發(fā)酵醪液濃度的大小直接影響到基質中酶及酵母的代謝表4發(fā)酵時間對發(fā)酵的影響(又±s,m=5)活動。同時,合理的濃度對提高出酒率、設備利用率及降低篚Tb4 Effect of time to the fermentatio(卻,n=5)耗也是非常重要的。本實驗以紅薯的淀粉利用率為指標對實驗發(fā)酵時間升幅出酒率丕原糖結果進行比較,其結果如表所示天)酸度(%)(g0omL)(g/0mn)708043表1不同料水比對發(fā)酵的影響(習±s,nTablel Effect of water to the fermentation (X+s, n=5)3461.22.12試驗號料水比升酸出酒率淀粉利用率15幅度實驗結果顯示,隨著發(fā)酵時間的不斷增加,乙醇不斷地增:22368.2±21686.l加,發(fā)酵時間到第7天,出酒率達到最高為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過程中產生多種3.2542±3.15832有機酸,特別是乙酸的生成會消耗部分乙醇,同時有機酸與乙從表可以看出,料水比在1:2和1:25時淀粉利用率相差不醇發(fā)生酯化反應也消耗部分乙醇所以乙醇的量隨著發(fā)酵時間大,但從出酒率的角度出發(fā)顯然料水比為1:25時,出酒率更的增加呈先上升后下降的趨勢。此外,由表還可知,在發(fā)酵時高(p<00)。另外,在發(fā)酵過程中還可以看到,加水量越大,間到第7天時,其殘余糖量也是最小的(p005)發(fā)酵液沉淀越嚴重,從而影響發(fā)酵效果;同時考慮到較高濃度25復合酶的確定的醪液發(fā)酵可以節(jié)省能源和提高設備的利用率,而且對抑制雜由于酵母自身沒有糖化酶系傳統(tǒng)的工藝一般經(jīng)過蒸煮使菌也有利故選用料水比125,在以后實驗中均采用此水料比。淀粉液化、糖化后再進行發(fā)酵。而采用生料進行發(fā)酵,由于原22初始pH對發(fā)酵的影響料中淀粉顆粒周圍附著大量的粗纖維、粗蛋白、果膠等物質,發(fā)酵醪液的pH對酵母的生命活動有顯著影響,因為營養(yǎng)阻礙糖化酶與淀粉作用,使得乙醇的生產效率很低。為了解決物質進入細胞的速度與醪液的pH值有關,同時pH對酶活也有此問題,許多學者通過添加復合酶來促進糖化酶的作用叫,本影響,酵母的最適pH為4~5.本實驗調節(jié)了不同發(fā)酵液的初文前期的實驗也表明,添加淀粉酶、蛋白酶、果膠、纖維素pH進行發(fā)酵,實驗重復次數(shù)n=5,結果見表2酶對紅薯生料發(fā)酵都有一定的促進作用。為了獲得最佳的酶組表不同pH值對發(fā)酵的影響(又s,n=5)合,促進糖化作用,本實驗采用L(4)表對各種酶進行了正交實Table2 Effect of different pH to the fermentation( X*s, n=5).驗。實驗在料水比為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行,以淀粉出酒率為指標,具體的因素水平如表5所示酸度(%)(g/10omL)(g/l0omL)表5復合酶生料發(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,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不同溫度對發(fā)酵的影響水平2100發(fā)酵時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)復合酶各因素水平的設計進行正交實驗其結果見表6。備,使單位生產成本大大降低;其次,本文通過實驗選擇出了表6復合酶正交實驗結果種適合紅薯生料發(fā)酵用的復合酶,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,本實驗因素文還對影響紅薯生料發(fā)酵的主要因素進行了探討,確定了最佳試驗號AD淀粉出酒率生產工藝條件,即料水比為25:l、初始pH為42、發(fā)酵溫度B2c2D2E2050為32C、發(fā)酵時間為7天2345678A1 B3 C3 D3 E3 0.524E40.55參考文獻:A2B1c2D3E40.56A2 B2 C1 D4 E3 0.5[]劉鐵男燃料乙醇與中國M]北京:經(jīng)濟科學出版社,2004A2 B3 C4 DI E2 0.57[2Jacques K, Lyons T P, Kelsall D.R. 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Journal of Industrial Microb[]. 1992,因素主次A>B>C>D=E0(1):61462由可知,各種酶的K值并非是單調增加的,說明各酶秦先魁田建軍低脂玉米粉生料發(fā)酵制酒精技術主要參數(shù)的之間相互會產生影響。在影響紅薯生料發(fā)酵的復合酶中,糖化試驗研究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研究門釀酒科技,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.薯生料進行發(fā)酵,未經(jīng)過傳統(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,從正交實驗結果中還可以看出,]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號是15號,在該實驗組中纖維素酶沒有添加,度白酒門食品工業(yè),2004,25(4)2426.說明纖維素酶在此實驗中影響并不明顯,而果膠酶的相對需要12)譚顯平甘蔗生產燃料乙醇—解決我國能源緊缺矛盾的量較高,這與紅薯中果膠含量相對較高有關。綜上所述,實驗最佳途徑門甘蔗糖業(yè)2004(3):1922選用15號作為紅薯生料發(fā)酵的最佳復合酶組合,即糖化酶20013]傅學政,朱薇,管天球我國紅薯生產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分析門潮南科技學院學報,2006,(1):183186[14汪江波薛海燕鄒玉玲酶制劑的添加對早秈稻谷生料發(fā)酵3結論生產酒精的影響門中國釀造,20054:15-17本文采用紅薯生料進行發(fā)酵,使糖化、發(fā)酵同時進行,責任編校: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