餐厨垃圾同步糖化发酵生产燃料酒精的工艺

张强

（长春理工大学生命科学技术学院，吉林 长春 130022）

自从20世纪70年代爆发全球性能源危机以来，生物质能源的开发和利用重新引起了人们的重视，其中燃料酒精的生产尤为引人注目[1-2]。

目前我国酒精生产主要以玉米、小麦等粮食作物为原料，从生产成本以及资源再利用两方面考虑，利用富含淀粉及纤维素类的废弃物作为原料则更具有优势。目前已有利用农业废弃物如玉米秸秆、麦秆、麦糠等进行酒精生产的研究，而利用餐厨垃圾生产燃料酒精报道很少[3]。

餐厨垃圾是指家庭、学校、食堂以及餐饮行业的食物废料和残余，是城市生活垃圾的重要组成部分。目前，餐厨垃圾在国内绝大多数城市存在着管理无序、任意处置等问题，严重威胁着消费者的食品安全和身体健康。餐厨垃圾中含有丰富的淀粉，另外还含有蛋白质、纤维素等物质，这些都是酒精极好的发酵原料。利用餐厨垃圾发酵生产酒精，可以有效解决垃圾的环境污染问题，实现其减量化、无害化与资源化，同时对扩大酒精生产原料来源，降低酒精生产成本都将具有积极的意义[4-6]。同时采用同步糖化发酵（SSF） 工艺可以使糖化和发酵同时进行，很大程度上解除了葡萄糖的不断产生对酶反馈抑制作用，降低了基质浓度，有利于菌体生长及酒精合成。

本工作采用酿酒酵母对餐厨垃圾发酵生产燃料酒精工艺进行了研究。通过正交试验确定了适宜的糖化酶、蛋白酶、纤维素酶添加量，并对最适pH值以及发酵周期进行了研究。

1 材料与方法

1.1 原料

餐厨垃圾取自长春理工大学某学生食堂， 经过初步分拣、小型粉碎机粉碎后待用。

1.2 菌种

活性酿酒干酵母（ADY）：酒用耐高温型，湖北安琪酵母股份有限公司生产。

1.3 酶制剂

糖化酶（100 000U/g），蛋白酶（100 000U/g），北京奥博星生物技术有限公司提供。纤维素酶 （40 000U/g），北京东华强盛生物技术有限公司提供。

1.4 餐厨垃圾酒精发酵试验

发酵在500mL玻璃瓶中进行。称取100g餐厨垃圾，将其粉碎，按一定比例加水，灭菌后加入适量的酶制剂和2%活性干酵母，配好发酵栓，发酵在30℃进行。酒精生成量可以通过因CO2的释放引起瓶重变化监测，发酵液中酒精浓度最终通过蒸馏测得。

1.5 还原糖、蛋白质含量测定

还原糖测定采用DNS 法，蛋白质的测定采用凯氏定氮法。

1.6 酒精含量测定

准确量取纱布滤后的发酵醪液100mL于500mL蒸馏瓶中，同时加入100mL蒸馏水。收集馏出液100mL于100mL容量瓶中，再用酒精密度计测其酒精浓度。

2 结果和讨论

2.1 餐厨垃圾组成

餐厨垃圾是一类高有机质、高含水率的资源型废物，不同地区餐厨垃圾的组成会有明显差 别[7-8]。本工作的餐厨垃圾取自长春理工大学某学生食堂，pH值5.3，对其主要成分进行了测定，见表1。从表1中可以看出，餐厨垃圾糖分含量较高，主要为淀粉，纤维素含量较低，水分约占75%。另外还含有蛋白质等物质，适合进行酒精发酵。

表1 餐厨垃圾组成（干基计算）

2.2 糖化酶、蛋白酶和纤维素酶添加实验

餐厨垃圾含有丰富的淀粉，另外还含有纤维素、蛋白质等物质，这些都是酒精极好的发酵原料。但酵母并不能直接利用这些大分子，因此采用糖化酶、蛋白酶以及纤维素酶可将它们转化为酵母可利用的小分子，因此首先进行了3种酶制剂的单因素试验。

2.2.1 糖化酶单因素试验

按照发酵工艺，自然pH值5.3，30℃条件下，考察糖化酶加入量对酒精得率的影响，结果见图1。

由于淀粉颗粒外层的网络结构极为致密，水分子要进入淀粉分子中去是很困难的，传统酒精生产工艺中，通过糊化作用可破坏淀粉分子间的氢键，切断淀粉链。但本实验中餐厨垃圾经过了加热处理，淀粉类物质相当于已经过了糊化过程，故无需添加淀粉酶。糖化酶能将糊化的淀粉从非还原性末端水解α-1.4 葡萄糖苷键，产生葡萄糖[9-10]。由图1可知，添加不同量的糖化酶时，由于生成的还原 糖不断被菌体所利用，可有效地缓解产物对糖化过程的抑制作用，酒精生成量不断增多。但随着糖化酶用量增加，酒精浓度有所降低，可能由于释放出来的糖没有被菌体所利用生产酒精，而生成了其他副产物，并且高糖浓度往往会抑制菌体生长代 谢[11-12]。当糖化酶添加量为100U/g 时酒精浓度最高达到50.7g/L。

图1 糖化酶添加量对酒精发酵的影响

2.2.2 蛋白酶单因素试验

按照发酵工艺，自然pH值5.3，30℃条件下，考察蛋白酶加入量对酒精得率的影响，结果见图2。

图2 蛋白酶添加量对酒精发酵的影响

蛋白酶可水解糖化醪中的蛋白质，一方面增加了醪液中可被酵母利用的氨基酸，促进酵母生长发育，减轻酵母氨基酸合成代谢负荷，减少其能量消耗，可提高发酵速度，另外可降低醪液黏度[13]。从图2可知，随着蛋白酶用量增加，酒精浓度有所降低，主要由于高浓度营养物质的释放会引起菌体竞争，导致菌体过快生长，不利于酒精形成。当蛋白酶添加量为150U/g 时酒精浓度最高达到22.6g/L。酒精浓度总体较低，主要由于缺少糖化酶，糊化的淀粉没有转化为酵母可利用的糖。

2.2.3 纤维素酶单因素试验

按照发酵工艺，自然pH值5.3、30℃条件下，考察纤维酶加入量对酒精得率的影响，结果见图3。

餐厨垃圾中的纤维素类物质，通过纤维素酶的作用可水解成小分子糖类，有利于酵母菌生长繁 殖[12]。由图3可知，当纤维素酶添加量为150U/g 时酒精浓度最高达到21.2g/L。

2.2.4 糖化酶、蛋白酶和纤维素酶正交试验

在上述单因素试验结果基础上，选取糖化酶加入量、蛋白酶加入量以及纤维素酶加入量3个因素，每因素3水平，以醪液酒精浓度考察指标，进行正交试验设计，结果如表2所示。

图3 纤维素酶添加量对酒精发酵的影响

表2 糖化酶、蛋白酶和纤维素酶正交试验结果

表3 方差分析

由表2中的正交试验结果和极差分析可知，极差越大，该因素对指标的影响越大，即该因素越重要。因此，在酒精发酵中3种酶主次顺序为糖化 酶＞蛋白酶＞纤维素酶。据表3的方差分析结果，可知在所考察的变量中，糖化酶对酒精发酵的影响最显著，蛋白酶对酒精发酵较显著，而纤维素酶对酒精发酵的影响不显著，主要由于本实验中餐厨垃圾中纤维素类物质含量较少，使该酶未能充分发挥其作用，因此从成本角度可选择较低添加量。

综合各因素得出，糖化酶最适添加量为100U/g，蛋白酶最适添加量为150U/g，纤维素酶为100U/g。按上述最佳条件，做3次平行验证实验，酒精浓度为54.6g/L。

2.3 不同初始pH值对发酵的影响

按照发酵工艺，糖化酶、蛋白酶以及纤维素酶添加量分别为100U/g、150U/g和100U/g，30℃条件下，考察不同pH 值对酒精发酵的影响，结果见图4。

图4 不同pH值对酒精发酵的影响

pH 值对菌体生长、产物得率以及产物合成方向都有明显的影响。适宜的pH 值能够促进微生物的生长以及酒精的生成，pH 值过高或者过低都会影响菌体的生命活动，进而影响酒精的得率。同时pH 值也影响酶的活性。从图4中可以看出pH 值在5～6左右酒精浓度较高。 因此可选择自然pH值5.3作为最适pH值，发酵过程中省去了调节pH值的麻烦。另外发酵在较酸性的条件下进行，可有效的抑制杂菌的生长，有利于提高酒精产量和纯度[14]。

2.4 不同发酵周期对酒精发酵的影响

按照发酵工艺，糖化酶、蛋白酶以及纤维素酶添加量分别为100U/g、150U/g和100U/g，30℃条件下，自然pH值5.3，考察不同发酵周期对酒精发酵的影响，结果见图5。

从图5中可以看出，发酵时间过短，葡萄糖没有充分被利用，酒精得率较低; 而发酵时间过长，酵母的活性开始下降，并且发酵时间的延长将增加染菌的机会，同时增加酒精的生产成本。从图5中 可以看出24h 以后，酒精浓度增加显著，至120～144h达到最高54.6 g/L，所以发酵周期选为120h。

图5 发酵周期对酒精发酵的影响

3 结 论

餐厨垃圾营养物质含量丰富，通过酿酒酵母对餐厨垃圾发酵生产燃料酒精的工艺研究的结果表明：糖化酶和蛋白酶添加对酒精发酵影响显著，纤维素酶影响较小，糖化酶最适添加量为100U/g，蛋白酶最适添加量为150U/g，纤维素酶为100U/g，自然pH值（5.3）发酵，最佳的发酵周期是120h，最终酒精浓度达到54.6g/L。发酵过程无需添加其他营养物质，说明餐厨垃圾本身所含的营养物质即可以满足菌体生长的需要。

餐厨垃圾作为易腐有机物属于资源型废弃物，由于其极易被微生物所利用，使得生物降解法成为处理垃圾的主要方法。利用餐厨垃圾发酵生产燃料酒精，一方面可有效地将垃圾转化为能源，是垃圾再生利用，开发新能源的一条新途径，不仅有利于环境，而且可以回收能源。另一方面扩大了酒精生产原料来源，对降低燃料酒精生产成本具有积极的意义。

[1] 李振宇，李顶杰，黄格省，等. 燃料酒精发展现状及思考[J]. 化工进展，2013，32（7）：1457-1467.

[2] Madhavan A，Srivastava A，Kondo A，et al. Bioconversion of lignocellulose-derived sugars to ethanol by engineeredSaccharomyces cerevisiae[J].Critical Reviews in Biotechnology，2012，32（1）：22-48.

[3] 党秋玲，刘驰，席北斗，等. 生活垃圾堆肥过程中细菌群落演替规律[J]. 环境科学研究，2011，24（2）：236-242.

[4] 徐长勇，宋薇，赵树青，等. 餐厨垃圾饲料化技术的同源性污染研究[J]. 环境卫生工程，2011，19（1）：9-10.

[5] 田葳. 城市污水处理厂污泥堆肥技术研究[J]. 安徽农业科学，2010，38（20）：10843-10844.

[6] Ma Hongzhi，Wang Qunhui，Qian Dayi，et al. The utilization of acid-tolerant bacteria on ethanol production from kitchen garbage[J].Renewable Energy，2009，34：1466-1470.

[7] 张强，郭元，韩德明. 餐厨垃圾能源化的研究进展[J]. 化工进展，2014，33（1）：187-192.

[8] 王滨，张国政，路福平，等. 酵母酒精耐性机制的研究进展[J]. 天津轻工业学院学报，2001（1）：18-22.

[9] 张敏，毛健，黄桂东. 清酒酿酒酵母酒精耐受机理的研究进展[J]. 食品工业科技，2012，20：342-346.

[10] 奚立民，张昕欣. 双菌共发酵餐厨垃圾生产燃料酒精的新方法[J]. 可再生能源，2011（5）：40-43.

[11] Wang Qunhui，Ma Hongzhi，Xu Wenlong.Ethanol production from kitchen garbage using response surface methodology[J].Biochemical Engineering Journal，2008，39：604-610.

[12] 尹玮，马鸿志，汪群慧. 利用餐厨垃圾酒糟离心液制取糖化酶[J]. 哈尔滨工业大学学报，2009（4）：58-61.

[13] 晏辉，马鸿志，汪群慧. 同步糖化发酵餐厨垃圾生产燃料酒精的研究[J]. 环境与可持续发展，2007（3）：37-39.

[14] 马鸿志，宫利娟，汪群慧. Plackett Burman 实验设计优化餐厨垃圾发酵产燃料酒精的研究[J]. 环境科学，2008（5）：1452-1456.