薯干补料生料发酵制燃料酒精技术研究

刘忠义 张 勉 张 静 伍杨洋

(湘潭大学食品与生物工程系,湘潭 411105)

薯干补料生料发酵制燃料酒精技术研究

刘忠义 张 勉 张 静 伍杨洋

(湘潭大学食品与生物工程系,湘潭 411105)

采用补料生料发酵法以薯干为原料制燃料酒精。采用单因素方法对影响发酵的工艺条件进行了初步研究。结果表明:料水比是制约发酵的关键因素;采用补料方式时,在料水比为 4.5时,发酵醪液中酒精含量和淀粉出酒率都得到大幅度提高;醪液初始 pH值对发酵影响不大;醪液中溶解氧含量以及醪液黏稠度对发酵有明显影响。补料生料发酵从薯干制取燃料酒精具有工业生产潜力。

红薯 同时糖化发酵 补料发酵工艺 酒精

红薯的种植范围广,单产量和淀粉含量高,对土质要求低,适应性强。红薯可以加工成各种食品[1],也可以作为代粮作物。但是红薯干最大的用途是提取淀粉或者是作为淀粉质原料直接用做发酵工业的原料,用于生产乙醇、味精、有机酸、氨基酸以及抗生素等[2]。在研究和探寻的可替代化石能源的新型可再生能源(如太阳能、风能、生物燃料等)中,使用淀粉质原料生产燃料乙醇是现实可行的方案[3-4]。因为大部分淀粉质原料是人类粮食和动物饲料 (例如玉米、大米、小麦等),大量用于酒精发酵可能导致世界粮食安全危机,因此,红薯原料显示了独特的优势。现代生物技术可以大幅度提高红薯的产量及淀粉含量[5-6],红薯的可发酵糖含量高于非黏质玉米,红薯等块根作物作为乙醇生产原料将比玉米等粮食作物具有更大的潜力[5-9]。

淀粉质酒精生产技术经历了高温蒸煮—糖化—发酵工艺到中温糊化—同时糖化发酵工艺的变革,这些工艺都存在能源消费比较高等缺点,因此现在正研究开发生料发酵技术[10]。在利用红薯以及土豆等薯干原料的酒精发酵技术研究中,一般认为这些原料中果胶等含量高,醪液黏度大,不太适合使用生料发酵方法,而适宜采用中温糊化—同时糖化发酵等工艺[7,9-10]。按照现有生料发酵方法,薯干酒精发酵需要较高的料水比,发酵终了时醪液中酒精含量低,从醪液中蒸馏出酒精需要消费很高的能量。为了提高薯干生料发酵醪液中酒精含量,本研究以红薯干为原料,初步探讨采用生料发酵补料工艺制备燃料乙醇的工艺方法,包括料水比、补料比以及补料时间等因素对发酵的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

酿酒高活性耐高温型干酵母:宜昌安琪酵母股份有限公司;红薯干:湖南农村,用廉 -爱农法测定[10-11],其淀粉质量分数为(59.3±0.2)%;中温淀粉酶(活力 2 000 U/mL)、果胶酶 (活力 40 000 U/mL)、糖化酶(活力 100 000 U/mL):枣庄市杰偌生物酶有限公司。

H I9146型微处理溶氧仪:罗马尼亚 HANNA仪器公司;SPX-250B-Z恒温生化培养箱:上海博讯实业有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 乙醇发酵试验

每个试验取100 g薯干粉,加入1 000 mL的发酵瓶中,然后以原料薯干粉为基准,加入中温淀粉酶15 U/g、糖化酶 180 U/g、果胶酶 10 U/g以及酵母5 g/kg和自来水,放入恒温培养箱 30℃进行发酵,前2 d每天搅拌 1次。对于补料发酵,开始只加入部分薯干粉和酶以及全部酵母(补料比见表 1),按料水比1:4.5加入自来水,到达补料时间后,补足红薯粉至100 g,再密封发酵。发酵 13 d后,取出检测。所有试验均做 3个平行试验。

表1 补料发酵补料比及加料量

1.2.2 乙醇浓度的检测方法

取 100 mL成熟发酵液于蒸馏瓶中,加 100 mL蒸馏水,然后蒸出 100 mL溶液,用酒精计测定此溶液的酒精度以及温度,查表校正后得到发酵液的乙醇体积分数。

1.2.3 总残糖及发酵醪液还原糖的检测

采用廉 -爱农法测定[11-12]。发酵醪液的还原糖的测定采用廉 -爱农法中所述的菲林试剂法,即取醪液过滤,直接测定滤液中还原糖含量。

1.2.4 淀粉出酒率的计算

1.2.5 发酵醪液黏度的测定

薯干粉按不同料水比与自来水混合,室温下静放置1 h,用数字式旋转黏度计在恒温30℃时测定黏度。

1.2.6 发酵醪液中溶解氧的测定

薯干粉按不同料水比与自来水混合,用微处理溶氧仪测定醪液的溶解氧浓度。

2 结果与分析

2.1 初始 pH值对发酵的影响

100 g薯干粉按料水比 1:3.5的比例与室温下的自来水混合,加入中温淀粉酶 15 U/g、糖化酶180 U/g、果胶酶 10 U/g以及酵母 5 g/kg,搅拌均匀,放入恒温培养箱中,在 30℃条件下发酵 10 d。试验结果 (见表 2)表明,初始 pH值对生料薯干酒精发酵基本上没有影响。研究报道生料发酵法发酵木薯制作酒精时,需要将初始 pH值调节至4.0[13],生料发酵法发酵玉米制作酒精时,也需要适当调低初始 pH值[14]。而另一些研究则报道淀粉质原料生料酒精发酵时采用自然 pH值即可[15]。理论上,比较低的初始 pH值可以更有效地抑制杂菌污染,有利于发酵过程。然而,不同原料的特性不同,在酵母最适生长温度下,对初始 pH值的要求可能不同。

表2 不同初始pH值对酒精产出的影响

2.2 不同料水比对发酵的影响

薯干粉按不同的料水比与自来水混合,加入与“2.1”相同的酶和酵母量,搅拌均匀,自然 pH值,在30℃恒温培养箱发酵 10 d。试验结果 (见表 3)表明,料水比对发酵淀粉出酒率有明显的影响。发酵醪液中酒精度开始随水料比增加而增加,随后下降。淀粉出酒率则始终随料水比增加而增加,但是在料水比 1:5.0以后,淀粉出酒率只是略微增加。继续增加水量,只能大幅度稀释醪液中酒精浓度,增加酒精提取时的能耗,并降低生产设备的利用率。此外,料水比 1:6.0的试验组的残总糖明显偏高,说明醪液中可发酵性糖未发酵完全,可能是过多的加水量稀释了酶浓度和酵母浓度,影响了糖化及发酵速度。综合考虑醪液中酒精度以及淀粉出酒率,薯干生料发酵以料水比 1:4.0至 1:5.0之间为好。

表3 不同料水比对酒精产出的影响

红薯中含有丰富的淀粉、纤维素以及果胶物质,薯干粉碎后,吸水力特别强。不同料水比的醪液的黏度以及醪液中溶解氧浓度见表 4。当料水比 1:2.5时,醪液非常稠,呈半固体泥浆状,以至于几乎不可能将物料搅拌均匀。由于过于黏稠,在料水比 1:2和 1:3时,醪浆的黏度和溶解氧不能用所用的仪器准确测定,但肉眼可见相当多的微小气泡粘附在薯干粉上,可以推测,此时为了将醪浆搅拌均匀,只有增加搅拌时间和搅拌强度,因此,在搅拌过程中有更多的空气混入物料中。表 4的数据表明,料水比 1:4和1:5时醪液的黏度高,料水比 1:6时醪液的黏度开始大幅度降低,大约相当于 1:3.5时的一半,料水比1:7时醪液的黏度大约只相当于 1:3.5时的 1/10。而从溶解氧浓度来考虑,料水比 1:4时醪液的溶解氧浓度出现大幅度降低,料水比 1:4以后的醪液的溶解氧浓度虽然一直下降,但是降低的幅度比较平缓。如果不单纯考虑溶解氧浓度,那么,从料水比1:4开始直到料水比1:7,醪液中总的溶解氧量基本接近。

表 4 不同料水比的醪液的黏度和溶解氧浓度

酒精发酵开始时,酵母生长需要适量氧气,然而过多的氧气将导致酵母大量繁殖,消耗醪液中部分淀粉,这可能是低水料比时淀粉出酒率低的主要原因。此外,浓稠物料可能影响酶和底物的接近以及酶的活性,也将导致淀粉出酒率的下降。结合表 3的数据来推测,溶解氧对淀粉出酒率的影响应该比醪液黏度大。

Srichuwong等[7]认为土豆中含有很高的纤维素和果胶类物质,因此,使用“同时糖化发酵法”发酵土豆浓醪制取酒精时,原料必须经过果胶酶预处理以降低醪液粘稠度,否则,发酵很难进行。

2.3 补料对发酵的影响

按表 1所列,将薯干粉、酶、酵母量以及水混合,搅拌均匀,自然 pH值,在 30℃恒温培养箱发酵,到达到旺盛发酵时加入剩余的薯干粉及酶,适当搅拌,继续在30℃恒温培养箱发酵到终点。结果(见表 5)表明,和一次投料(见表 3)相比,通过补料方式,醪液中酒精度和淀粉出酒率都得到显著提高。补料时间和补料比均显著影响发酵,补料时间的影响大于补料比(P<0.05)。

表5 补料比与补料时间对酒精产出的影响

补料时间第 4天的醪液酒精浓度和淀粉出酒率平均分别为 70.7 mL/L和 47.1%,分别优于第 5天的平均值 63.7 mL/L和 41.6%(P<0.05)。随着补料时间推迟,残总糖含量增加,淀粉出酒率降低,醪液中酒精含量降低。这可能是因为补料时间过晚,酵母已经开始进入衰亡期,使得补料之后没有足够的活性酵母进行发酵,影响了发酵效果。同时酵母的重新生长也额外需要消耗部分可发酵性糖分,这也是淀粉出酒率降低的原因之一。

补料比 6:4时的淀粉出酒率分别为平均 45.2%,高于 7:3时的平均值 43.5%(P<0.05),起始原料加入量(补料比)较小有助于淀粉出酒率的提高。此外,补料比 6:4时的醪液酒精度平均为 69.2%,明显高于 7:3时的平均酒精度 65.2%(P<0.05)。

发酵过程中发酵醪液的还原糖的变化见表 6。结果表明,不管是否补料发酵,薯干生料发酵过程中发酵醪液的还原糖含量始终处于低浓度,并且发酵的前 8天里基本没有变化。即薯干生料发酵过程中,酶水解淀粉所得的还原糖基本上被酵母所利用,发酵过程中不会积累葡萄糖等还原糖。方毅等[9]研究红薯干原料同步糖化发酵生产燃料乙醇时,也表明只要糖化酶用量不是很大时,不会产生发酵过程中葡萄糖抑制酵母生长从而降低酒精产量的问题。

表 6 发酵过程中发酵醪液还原糖含量的变化/g/L

补料分批发酵一直用于发酵生产中。与传统的分批发酵相比,补料分批发酵可以解除底物抑制,葡萄糖效应和代谢阻碍;而与连续发酵相比,则具有染菌可能性小,菌种不易老化变异等优点,因此补料分批发酵是生料发酵理想的进料方式[16]。试验证明可以采用补料分批发酵方法,提高薯干生料发酵的淀粉出酒率和发酵醪液中酒精度。在醪液黏稠度很高的情况下,补料分批发酵可以有效降低发酵过程中醪液黏稠度和溶解氧含量,提高发酵效率。

补料发酵之所以能大幅度提高淀粉出酒率和醪液中酒精度,与开始加入相对较少的原料能有效降低醪液的黏稠度和溶解氧浓度有关。例如,按照料水比 1:4.5和补料比 6:4计算,由于开始值加入60%的薯干粉,实际上开始发酵时的料水比只相当于 1:7.5,其余的原料在发酵旺盛时再加入,由于补料时的轻微搅拌操作,会适当补充一点溶解氧进入发酵醪液中。整个发酵过程中合适的总溶解氧量有利于酵母的生长和发酵,较低的黏稠度有利于酶与薯干淀粉充分接触,有效提高淀粉的水解效率。

试验所用薯干的淀粉质量分数经测定为59.3%,其理论酒精产率约为 49.5%,采用补料分批发酵,薯干发酵的试验酒精产率达到 46.9%～47. 2%,和理论产率很接近。下一步试验需要进一步优化补料生料薯干酒精发酵的工艺参数,并探索降低薯干粉醪液粘稠度的实用方法,进一步提高醪液的酒精含量。

3 结论

3.1 料水比为 1:4.5,补料分批培养可以将薯干酒精发酵的淀粉出酒率从 36.1%提高到 46.9%～47.2%,醪液中酒精度从 55 mL/L提高到 68.7～72.7 mL/L。3.2 初始 pH值采用自然 pH值,对薯干生料酒精发酵基本没有影响。

3.3 补料时间第 4天的醪液酒精浓度和淀粉出酒率平均分别为 70.7 mL/L和 47.1%,优于第 5天的63.7 mL/L和 41.6%。

3.4 补料比 6:4时的醪液酒精度和淀粉出酒率分别为平均 69.2 mL/L和 45.2%,高于 7:3时的65.2 mL/L和 43.5%。

3.5 补料分批发酵可以有效降低发酵过程中醪液黏稠度和溶解氧含量。

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Feeding-Batch Simultaneous Saccharification and Fe rmentation ofUn-Cooked Dried S weet Potato for ProducingAlcohol

Liu Zhongyi ZhangMian Zhang Jing Wu Yangyang
(Department of Food and Biological Technology,Xiangtan University,Xiangtan 411105)

Fuel ethanol was made from un-cooked dried sweet potato by using feeding-batch simultaneous saccharification and fermentation technology.Some process parameters were preliminarily investigated with singlefactor test,and revealed that the ratio ofmaterials and waterwasone of the key factors affecting the simultaneous sac2 charification and fermentation of raw sweet potato.Results:Using feeding-batch culture technology,the alcohol content of fermentedmash and alcohol yield rate of the sweetpotato starch are significantly increased when the ratio of materials and water is 1:4.5.The fermentation of s weet potato for producing alcohol is hardly affected by initial pH value,and can be completed at natural pH.The feeding-batch simultaneous saccharification and fer mentation tech2 nology of un-cooked sweet potato for producing alcohol displays potential application in industry.

s weet potato,simultaneous saccharification and fer mentation,feeding-batch culture,alcohol

TS262.2;TS261.4 文献标识码:A 文章编号:1003-0174(2010)06-0041-05

湖南省科技厅社会发展计划(2008SK4022)

2009-07-25

刘忠义,男,1964年出生,博士,教授,食品生物技术