玉米秸秆、玉米芯发酵生产乙醇的研究

田亚红，常丽新，王丽萍，徐宵娲

（河北联合大学生命科学学院，河北唐山063009）

玉米秸秆、玉米芯发酵生产乙醇的研究

田亚红，常丽新，王丽萍，徐宵娲

（河北联合大学生命科学学院，河北唐山063009）

通过单因素和正交试验，研究了玉米秸秆、玉米芯两种原料分别发酵和混合发酵对乙醇生产的影响。结果表明，玉米秸秆和玉米芯分别发酵生产乙醇的最佳条件基本一致为：发酵时间72 h，接种量5%，pH为4.8；玉米秸秆和玉米芯混合发酵生产乙醇的最佳条件为：发酵时间72 h，接种量为5%，pH 5.3，玉米秸秆：玉米芯（质量比）为2∶3，乙醇浓度达7.96%，与分别发酵相比，乙醇浓度提高了20.6%。

玉米秸秆；玉米芯；发酵；乙醇

乙醇是一种重要的工业原料，广泛应用于食品、化工、医药等领域，而且可以部分或全部替代汽油，具有安全、清洁、再生等优点。传统的乙醇生产主要以玉米、甘蔗、薯类等农作物发酵而成，使其生产成本过高，无法得到广泛应用。必须寻找新的生产原料和技术，降低燃料乙醇的生产成本，使其大规模应用成为可能[1]。

玉米是世界上分布最广的禾本科植物作物之一，我国玉米种植面积居世界第二位，仅次于美国。在玉米精加工的过程中，产生大量玉米废弃物如玉米秸秆和玉米芯，除少部分直接用于禽畜饲料以外，大部分成为农用垃圾，造成环境污染和资源浪费。玉米秸秆和玉米芯主要成分为纤维素、半纤维素、木质素、浸提物及灰分等[2]。本实验针以玉米秸秆和玉米芯为主要原料，采用分别发酵和混合发酵生产燃料乙醇，并对其发酵条件进行研究。该研究不仅可以拓宽生物有机质制备生物能源的新途径，而且为玉米废弃物发酵生产燃料乙醇提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

玉米秸秆和玉米芯：河北省唐山市丰润区，当年产。采用酸性洗涤剂法[3]测定玉米秸秆中粗纤维含量为46.58%，玉米芯中粗纤维含量为26.94%。

菌种：酿酒酵母，河北联合大学生物技术实验室保存菌种。

纤维素酶：上海国药集团化学试剂有限公司。

1.2 同步糖化发酵乙醇的工艺路线

图1 同步糖化发酵工艺路线Fig.1 Simultaneous saccharification and fermentation process

操作要点：

1.2.1 原料

将玉米秸秆和玉米芯晾干、粉碎过筛（40目）后，备用。

1.2.2 预处理方法

分别取2.0 g玉米秸秆粉和玉米芯粉，各加入1% H2SO4，固液比为1∶10，温度为100℃条件下预处理2h，处理后残渣水洗至中性，60℃烘至恒重，备用。

1.2.3 玉米秸秆、玉米芯分别发酵和混合发酵乙醇

将预处理后的玉米秸秆、玉米芯水解液浓缩一定的倍数，加入蛋白胨0.5%，酵母膏0.5%，硫酸亚铁0.03%，磷酸二氢钾0.1%，pH 4.5，灭菌后，接入一定量的酵母及纤维素酶，35℃摇床（110 r/min）培养，发酵过程中取样测定其乙醇浓度及残糖浓度。

1.3 方法

1.3.1 还原糖的测定

采用DNS法[4]。

1.3.2 酒精度的测定

采用重铬酸钾氧化法[5]。

2 结果与分析

2.1 玉米秸秆、玉米芯两种原料分别发酵对乙醇发酵的影响

2.1.1 不同发酵时间对乙醇发酵的影响

将玉米秸秆、玉米芯两种原料分别调pH为4.8，接种量为5%，于35℃分别进行同步糖化发酵。在发酵12、24、36、48、60、72、84、96h时，取样，分别测定上述两种发酵液中乙醇浓度和残糖含量。结果如图2、3所示。

图2 不同发酵时间对乙醇发酵的影响（玉米秸秆）Fig.2 Effect of different fermentation time on ethanol fermentation（corn stalk）

由图2、图3可知，在发酵初期，纤维素酶作用于底物中纤维素成分所生成的葡萄糖只有少量被酵母利用生产乙醇，发酵液中残糖的浓度比较高，随着发酵时间的延长，酵母菌大量繁殖，残糖浓度逐渐降低，乙醇浓度呈先上升后下降的趋势，当发酵时间为72 h时，乙醇浓度分别达到最高，玉米秸秆发酵产乙醇浓度为3.25 %，玉米芯发酵产乙醇浓度为5.46%，故确定玉米秸秆和玉米芯分别发酵时的最佳发酵时间均为72 h。

图3 不同发酵时间对乙醇发酵的影响（玉米芯）Fig.3 Effect of different fermentation time on ethanol fermentation（corn cob）

2.1.2 不同接种量对乙醇发酵的影响

在上述确定的最佳条件下，研究不同接种量为1%、3%、5%、7%、9%分别对玉米秸秆和玉米芯发酵乙醇的影响，结果如图4、图5所示。

图4 不同接种量对乙醇发酵的影响（玉米秸秆）Fig.4 Effect of different inoculation amount on ethanol fermentation（corn stalk）

图5 不同接种量对乙醇发酵的影响（玉米芯）Fig.5 Effect of different inoculation amount on ethanol fermentation（corn cob）

由图4、图5可知，利用纤维原料同步糖化发酵的过程中，接种量较小时，菌体生长缓慢，会延长发酵时间，对生产不利；接种量过大导致菌体生长过盛，发酵液粘度增加，乙醇产量反而会降低。当接种量为5%时，乙醇浓度达到最高，玉米秸秆发酵产乙醇浓度为4.12%，玉米芯发酵产乙醇浓度为6.60%，故最佳接种量均为5%。

2.1.3 不同pH对乙醇发酵的影响

在上述确定的最佳条件下，研究不同pH3.8、4.3、4.8、5.3、5.8分别对玉米秸秆和玉米芯发酵乙醇的影响，结果如图6、图7所示。

图6 不同pH对乙醇发酵的影响（玉米秸秆）Fig.6 Effect of different pH on ethanol fermentation（corn stalk）

图7 不同pH对乙醇发酵的影响（玉米芯）Fig.7 Effect of different pH on ethanol fermentation（corn cob）

利用纤维原料同步糖化发酵的过程中，纤维酶解的最适pH为4.8～5.0，酿酒酵母则在初始pH为3.5～6.5的范围内可正常发酵，由图6、图7可知，pH对玉米秸秆、玉米芯分别发酵乙醇的影响基本一致，当pH为4.8时，残糖浓度为最低，乙醇浓度达到最高，玉米秸秆发酵产乙醇浓度为3.93%，玉米芯发酵产乙醇浓度为5.53%，故最佳pH均为4.8。综合考虑上述单因素实验结果，发现玉米芯单独发酵优于玉米秸秆单独发酵。

2.2 玉米秸秆、玉米芯两种原料混合发酵对乙醇发酵的影响

2.2.1 不同混合比对乙醇发酵的影响

将玉米秸秆：玉米芯（质量比）以不同比例1∶0，4∶1，3∶2，1∶1，2∶3，1∶4，0∶1混合后进行同步糖化发酵，研究不同混合比对乙醇发酵的影响，结果如图8所示。

由图8可知，当玉米秸秆和玉米芯以1∶4的比例混合并进行发酵时，乙醇浓度达到最高值8.35%。

2.2.2 混合发酵的正交实验

图8 不同混合比对乙醇发酵的影响Fig.8 Effect of different mixture ratio on ethanol fermentation

综合考虑上述单因素实验结果，发现玉米秸秆、玉米芯混合发酵优于分别发酵。在上述实验的基础上，设计发酵时间、接种量、pH和玉米秸秆和玉米芯混合比四因素三水平的正交实验，因素及水平如表1。实验结果见表2。

表1 正交试验因素水平表Table1 Factors and levels of the orthogonal experiment

表2 L9（34）正交实验结果Table2 Resluts of the orthogonal experiment

由表2的直观分析可知，各因素的主次顺序是A＞B＞C＞D，即发酵时间＞接种量＞pH＞玉米秸秆：玉米芯。综合各种影响因素，玉米秸秆和玉米芯混合发酵乙醇的最佳工艺为A2B2C3D1，即发酵时间为72 h，接种量为5%，pH 5.3，玉米秸秆：玉米芯（质量比）为2∶3。

2.2.3 验证性实验

在最佳发酵条件下，即发酵时间为72 h，接种量为5%，pH 5.3，玉米秸秆：玉米芯（质量比）为2∶3。进行了三次验证性实验，求其乙醇浓度的平均值，得到最佳工艺条件下乙醇浓度为7.96%，乙醇浓度提高了20.6%。

3 结论

通过比较分析玉米秸秆、玉米芯两种原料分别发酵和混合发酵对乙醇生产的影响，结果表明，混合发酵优于分别发酵，确定了玉米秸秆和玉米芯混合发酵同步糖化发酵乙醇的最佳条件：发酵时间为72h，接种量为5%，pH 5.3，玉米秸秆：玉米芯（质量比）为2∶3，在最佳工艺条件下乙醇浓度为7.96%。乙醇浓度提高了20.6%。

[1]殷建平.中国燃料乙醇发展潜力分析[J].中国石油大学学报:社会科学版,2007(6):6-9

[2]高梦祥,许育彬,熊雷锋,等.玉米秸秆的综合利用途径[J].陕西农业科学,2000(7):29-31

[3]张彩莹,肖连冬.生物化学实验[M].北京,化学工业出版社,2009

[4]张龙翔,张庭芳,李令嫒.生化实验方法与技术[M].2版.北京:高等教育出版社,1997

[5]林仁权,胡文兰,陈国亮.重铬酸钾氧化分光光度法测定酒中乙醇含量[J],浙江预防医学,2006,18(3):78-79

Study on Ethanol Fermentation of Corn Straw，Corn Cob

TIAN Ya-hong，CHANG Li-xin，WANG Li-ping，XU Xiao-wa
（College of Life Science，Hebei United University，Tangshan 063009，Hebei，China）

The effects of the individual and mixed fermentation of two kinds of raw materials corn stalk，corn cob on ethanol production were studied by single factor and orthogonal experiments.The results showed that corn straw and corn cob respectively were basically the same as optimum conditions for production of ethanol by fermentation：fermentation time72 h，inoculum 5%，pH 4.8；The mixed fermentation for ethanol production were as follows：fermentation time72h，inoculum for 5%，pH 5.3，corn straw：corn cob（ratio to weight）of2∶3，ethanol concentrations7.96%，Compared with separated fermentation，ethanol concentration increased by20.6%.

corn stalk；corn cob；fermentation；ethanol

10.3969/j.issn.1005-6521.2014.03.013

2012-12-11

河北省科技厅资助项目（12227107D）

田亚红（1979—），女（汉），讲师，硕士研究生，研究方向：发酵工艺优化。