木薯同步糖化发酵生产燃料乙醇的工艺优化

李柯 夏敏 曹婉瑜 杜瑞卿

摘要 [目的] 优化木薯同步糖化发酵生产燃料乙醇的工艺。[方法]在实验室进行发酵试验，通过前期单因素试验的结果选取了3个对发酵结果影响较大的因素：发酵时间、发酵温度、料水比按正交试验设计方案进行发酵条件的优化。[结果]试验表明，3个因素对木薯同步糖化生产燃料乙醇的影响作用的主次顺序为发酵时间、发酵温度、料水比;优化方案为：料水比 1∶2.5 g/ml，发酵温度 32 ℃ ，发酵时间 54 h ，优化后的发酵结果酒度达到了14.3%（V/V），原料转化率达到了30.7%。[结论] 研究可为木薯发酵生产燃料乙醇提供理论依据。

关键词 正交设计;同步糖化发酵;乙醇;优化

中图分类号 S609.9 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）33-11869-02

Optimization of Technique for Producing Fuel Ethanol by Cassava Simultaneous Saccharification and Fermentation

LI Ke， XIA Min*， CAO Wan-yu et al

（School of Life Science and Technology， Nanyang Normal University， Nanyang， Henan 473061）

Abstract [Objective] To optimize technique for producing fuel ethanol by cassava simultaneous saccharification and fermentation. [Method] Three main influencing factors selected from single factor experiment， including fermentation time， temperature and solid-liquid ratio， were used to conduct the orthogonal test， so as to optimize the fermentation conditions. [Result] The experiment showed that， the order of three factors influencing ethanol production is fermentation time>temperature>solid-liquid ratio. The optimal scheme is： solid-liquid ratio 1∶2.5 g/ml， fermentation temperature 32 ℃， fermentation time 54 h， the concentration of ethanol is up to 14.3%（V/V）， material conversion rate reaches 30.7%. [Conclusion] The study can provide theoretical basis for producing fuel ethanol by cassava fermentation.

Key words Orthogonal design; Simultaneous saccharification and fermentation; Ethanol; Optimization

基金项目 河南省高校工程技术研究中心“农业生物质资源化”资助项目。

作者简介 李柯（1989- ），女，河南南阳人，硕士研究生，研究方向：生物质能源。

*通讯作者，教授，硕士生导师，从事生物质能源方面的研究。

收稿日期 2014-10-27

近年来我国经济发展迅速，对能源的需求量越来越大，加上传统能源的不可再生性，能源问题日益凸显，因此促进了可再生能源的快速发展，燃料乙醇作为新能源代表之一受到广泛关注和快速发展。而最开始利用粮食生产燃料乙醇在后期受到了巨大的舆论冲击，认为其影响了粮食安全。在这种情况下，大力发展非粮燃料乙醇变得很有必要[1-2]。目前的非粮燃料乙醇的原料主要有甘蔗、甜菜、木薯、木质纤维素等。就目前的技术以及当地资源而言，木薯是最为合适的非粮燃料乙醇原料。木薯耐旱、耐贫瘠、病害少、易栽培，可以种植在粮食不能生长的土地上，适宜栽培于热带亚热带地区，且方便运输，木薯干淀粉含量可达68%以上。据初步估算，仅种植木薯一项，就可以满足全国推广10%燃料乙醇汽油的需要[3]。

最早引入对同步糖化发酵（Simultaneous Saccharification and Fermentation，SSF）模式的研究是在对纤维乙醇的研究中。但是一是纤维乙醇离大规模工业化生产还有距离，二是這种发酵模式在纤维乙醇中的应用存在不少没有解决的难题，人们把这种发酵模式引入到以淀粉为原料的燃料乙醇生产中。在传统的以淀粉为原料的燃料乙醇生产中普遍应用的是先糖化后发酵（Separate Hydrolysis and Fermentation，SHF）模式，关于SSF的研究和应用都比较少。事实上，SSF模式发酵是一种比SHF效率要高的发酵模式。

传统的SHF模式在发酵阶段初期，高浓度的葡萄糖会对酵母菌产生葡萄糖抑制作用，从而造成发酵周期增长。Montesinos 等以液化后的小麦面粉为原料，比较了SHF模式和先糖化6 h 再用SSF模式及直接应用SSF 模式进行发酵的3种过程，结果发现直接进行SSF 过程的发酵周期是最短的[4]。蔡柳等用均匀设计法研究木薯生料同步发酵优化之后的原料转化率为32.83%，但是发酵周期选为120 h，这在工业生产中并不实用[2]。

笔者进行该试验先对木薯粉浆进行高温液化，糖化发酵阶段则同步进行。同步糖化发酵工艺中糖化和发酵同时进行，糖化产出的单糖及时被酵母菌利用，既能解决分步糖化发酵中发酵初期由于葡萄糖浓度过高造成的葡萄糖抑制发酵作用，又会因为罐中酶解产生的糖分被及时利用导致没有多余的糖分从而避免了杂菌的污染[5-6]。

通过单因素试验后确定对发酵影响较大的因素并选取了其中3个因素做正交设计试验优化发酵工艺参数，提高原料出酒率，节约生产成本，为实际生产提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料

木薯干，老挝进口，粉碎后检测淀粉含量为69.3%。

耐高温α-淀粉酶、糖化酶，诺维信生物技术有限公司生产。

酵母为安琪超级酿酒高活性干酵母，安琪酵母股份有限公司生产。

1.2 试验设计

依据前期的单因素试验结果以及查阅相关文献[2，5]选取了影响发酵过程的3个因素：发酵温度、发酵时间以及醪液浓度（料水比）作为影响因素进行L9（34）正交设计，对3个因素设置3个浓度梯度，浓度梯度及编码水平见表1。

1.3 试验方法

1.3.1 酵母活化。

干酵母、水、葡萄糖按100∶1 000∶1的比例混匀，30 ℃水浴30 min即可作为酒母使用。

1.3.2 同步糖化发酵工艺。

将木薯干粉碎过筛备用，称取60 g木薯粉加150 ml水于500 ml锥形瓶中加入耐高温α-淀粉酶15 U/g混匀，在95 ℃水浴锅中蒸煮30 min。降温至30 ℃加入糖化酶180 U/g和活化后的酵母，酵母按7%的添加量添加，充分混匀。调整初始pH为4.5后用纱布或滤膜封口然后置于恒温摇床中培养60 h后取出测定乙醇含量。

表1 优化发酵条件正交试验L9（34）

1.3.3 乙醇产量的测定。

取100 ml发酵液和110 ml蒸馏水混合于500 ml的蒸馏瓶中，收集蒸馏液100 ml用酒度计和温度计测出乙醇浓度及温度，查校正表得发酵液乙醇产量。

1.3.4 原料转化率的计算[2]。公式如下：

原料转化率=0.789 3XV0.938 4M×100%

式中，X，乙醇体积分数;V，发酵液体积（ml）;M，原料总量（g）。

2 结果与分析

对正交试验数据结果进行直观分析的结果如表2所示试验中每个处理设3个重复。

表2 乙醇产率正交试验结果及数据的直观分析

对表2进行直观分析可以看出，料水比最大的K值是K2，发酵温度最大的K值是K2，发酵时间最大的K值是K3，即表示3个影响因素分别在2水平、2水平、3水平上对发酵结果影响最大。依据极差R大小，3个因素作用的大小顺序依次是发酵时间、发酵温度、料水比。优选方案是A2B2D3，即料水比1∶2.5 g/ml，发酵温度32 ℃，发酵时间54 h。

对试验结果数据进行方差分析。显著性水平α=0.005，查F分布表，F0.005（2，2）=199。根据试验数据算得的料水比的F值703.714，发酵温度的F值737.638 1，发酵时间的F值4 946.537，都远远大于查表得到的观测值F（199），这证明这3个发酵影响因素在发酵过程中对发酵结果的影响作用稳定而且差异比较大。从F值的大小得出3个影响因素对发酵结果影响的大小顺序依次是D因素（发酵时间）、B（发酵温度）、A（料水比），这与直观分析的结果一致。

对试验结果进行了验证性试验，利用直观分析得到的最优条件组合做发酵试验，做3组平行，试验后取3组数据的平均值，得到的原料转化率为30.7%，高于试验中的各个组合得到的原料转化率，说明该优化组合可行。

3 结论与讨论

从试验结果可以看出，在发酵过程中发酵温度、发酵时间以及发酵料水比对发酵结果的影响都是很顯著的。通过正交试验选择出的最优组合方案是料水比1∶2.5 g/ml，发酵温度32 ℃，发酵时间54 h，优化后的发酵结果出酒率达到了14.3%（V/V），原料转化率达到了30.7%，在保证转化率的前提下大幅度缩短了发酵周期。

木薯同步糖化发酵与传统的糖化发酵分步进行的发酵工艺相比，能显著减少发酵周期，提高设备利用率，节省设备投资及占地面积;而且同步进行糖化发酵使得淀粉糖化时产生的葡萄糖能立即被酵母所利用，罐中很少可利用糖分的存在能有效防止杂菌的污染，保证发酵过程的顺利进行;同时，同步糖化发酵把糖化和发酵合为一步进行，也简化了工序操作，节约人力和能耗[3，5-6]。

参考文献

[1] 陈必链.微生物工程[M].北京：科学出版社，2010：227-229.

[2] 蔡柳，谭显胜，袁哲明，等.木薯生料发酵转化乙醇的工艺参数优化研究[J].中国农学通报，2010，26（20）：406-412.

[3] 段钢，许宏贤，阮振华，等.新鲜木薯直接转化生产乙醇[J].食品与生物技术学报，2009，28（3）：413-417.

[4] MONTESINOS T，NAVARRO J.Production of alcohol from raw wheat flour amyloglucosidase and Saccharomyces cerevisiae[J].Enzyme Microb Technol，2000，27：362-370.

[5] 刘振，王金鹏，张立峰，等.木薯干原料同步糖化发酵生产乙醇[J].过程工程学报，2005，5（3）：353-356.

[6] 徐大鹏，冯英，王俊增，等.木薯发酵乙醇工艺的研究进展[J].酿酒科技，2012（1）：93-97.