李美群 ,马 力 ,陈永忠 ,王湘南 ,彭邵锋 ,陈隆升 ,王 瑞 ,许彦明 ,唐 炜 ,彭映赫 ,李志钢 ,张 震
(1.湖南省林业科学院,湖南长沙410004; 2.国家油茶工程技术研究中心,湖南长沙410004)
纤维质原料发酵制取酒精工艺研究进展
李美群1,2,马 力1,2,陈永忠1,2,王湘南1,2,彭邵锋1,2,陈隆升1,2,王 瑞1,2,许彦明1,2,唐 炜1,2,彭映赫1,2,李志钢1,2,张 震1,2
(1.湖南省林业科学院,湖南长沙410004; 2.国家油茶工程技术研究中心,湖南长沙410004)
分别概述以稻草、玉米、高粱、小麦秸秆,油茶籽饼粕等纤维质为原料,在预处理、菌株选育及诱变、发酵工艺等方面的研究近况,为纤维质原料的发酵研究及高效利用提供参考。
纤维质; 菌种; 发酵; 酒精
稻草、玉米和小麦秸秆是我国农村农业的三大废弃物,仅农作物秸秆、皮壳,每年产量就达7.5亿多吨,其中玉米、稻草、小麦秸秆所占比重分别为35%、22%、21%。秸秆等木质纤维素由纤维素、半纤维素和木质素3部分组成,其中纤维素占40%~50%,半纤维素占25%~35%,木质素占15%~20%。农作物秸秆资源量大、稳定、可再生,解决秸秆中纤维素、半纤维素、木质素的降解利用问题,可为我国生产乙醇提供稳定的原料。本文从预处理、菌种、工艺等方面对稻草、玉米、高粱、小麦秸秆、油茶籽饼粕等纤维质原料发酵制取酒精进行概述,旨在为开发低成本、高效新型预处理技术,寻找纤维素、半纤维素及木质素高效降解菌种、混菌,筛选高效发酵菌及优化发酵工艺等提供参考。
稻草秸秆主要是由纤维素、半纤维素和木质素3部分组成,此外还有少量的淀粉、蛋白质、灰分等。任天宝等[1]测得稻草秸秆成分中含有纤维素39.22%、半纤维素16.94%、木质素10.25%、灰分12.41%、可溶出物13.12%、含水率(8±1)%。目前,稻草秸秆降解发酵制酒精的研究较多,有构建新型反应器、分批添料式协同酶解发酵、盐酸和高温预处理酶解糖化发酵、酸预处理且酶促糖化发酵、高降解菌糖化发酵、半纤维素组合降解菌与酵母菌糖化发酵、高效木糖菌与酵母菌发酵、耐高温酵母菌发酵等。
杨涛[2]将水稻秸秆纤维原料的酶解、固定化代谢纤维二糖酿酒酵母工程菌的作用有机藕联、构建成新型的二级串联式生物反应器,在该反应器体系的协同作用下,可有效解除纤维二糖和葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制作用,促进纤维原料水稻秸秆的酶水解,发酵40 h,乙醇浓度达25.5 g/L,纤维素对乙醇的转化率达43.0%。采用分批添料式协同酶解发酵工艺,可提高纤维底物的终浓度达250 g/L,产物乙醇的终浓度66.5 g/L。李健等[3]以稻草秸秆为纤维素原料,得出降解糖化的较优工艺条件:盐酸浓度2.5%、温度126℃,固液比(g/mL)1∶3的条件下处理1 h后,在温度为55℃、起始pH值为5.0、酶用量为35 U/g的条件下水解32 h,最终糖化液的葡萄糖含量为14.1%。接入酿酒酵母进行发酵,得到酒精度为13.4%vol。黄峰等[4]以水稻脆性秸秆为原料进行研究,经过纤维素酶处理后,每克脆性秸秆得到的总还原糖量为541.2 mg±8.0 mg,比普通秸秆高出41.9 mg;菌株Escherichia coli SZ470利用酸预处理且酶促糖化的两种秸秆发酵72 h后,乙醇产量可达10.9 g/L±0.4 g/L。马洁[5]将稻草降解率高的菌株FD-7接种于以稻草为主要碳源的固体发酵培养基中发酵并对产物进行高温糖化,利用酵母进行酒精发酵,得到酒精转化率为10.36%,酒精浓度为20.72 mg/mL。刘津[6]利用秸秆进行乙醇发酵,确定了真菌J-7降解纤维素的最佳时间为72 h,再以15%的接种量接种酵母进行厌氧发酵24 h,得到的发酵液中乙醇浓度最高为12.92 mg/mL。通过分批加液,乙醇浓度可高达13.56 mg/mL。张丽丽[7]选用筛选的半纤维素降解真菌FV3和细菌BV5为最优组合降解水稻秸秆,糖化开始时间为96 h,最适糖化温度为50℃,最适糖化时间为72 h;利用毕赤酵母和酿酒酵母发酵糖化产物产酒精,得到秸秆的酒精转化率为9.27%,产品酒精浓度16.59 mg/mL。刘天霞等[8]在试验室内分离、筛选、驯化培养出1株高效木糖酒精发酵菌株g-13,采用该菌株发酵稻壳粉水解液,酒精转化率为0.38 g/g。刘薇[9]在稻草经糖化后的发酵培养基中补充氮源尿素,添加木糖发酵菌株进行发酵试验,得到酒精产量3.265%,残糖量3.582 mg/mL,酒精得率0.164 g/g,而同时添加安琪酵母和木糖发酵菌株进行发酵试验,得到酒精产量4.156%,酒精得率0.1819 g/g。刘海臣[10]从酒精厂的酒糟中筛选得到两株耐高温的优良酵母菌株。P1,5 min;P2,10 min两株菌株都能在52 ℃高温下或酒精度为16%vol YPD固体培养基上生长,且其在52℃下发酵稻草秸秆产酒精度分别为2.96%vol、2.86%vol。
玉米秸秆中干物质含量为91.3%,粗纤维为23.9%,精蛋白为3.5%,灰分为7.9%,无氮浸出物为49.1%。玉米秸秆发酵制酒精的研究,有碱性湿氧化预处理与同步糖化发酵,稀酸预糖化-酶糖化发酵,控制pH热水法处理发酵,构建表达α-淀粉酶和糖化酶的酵母发酵,纤维素降解菌糖化发酵、同步糖化发酵等。
张强等[11]采用碱性湿氧化预处理与同步糖化发酵对玉米秸秆制备酒精进行了研究,结果表明,经过预处理,90%纤维素保留在固体中,回收率为95.87%。固体部分利用纤维素酶处理,在50℃,24 h酶解率达到了67.6%;底物8%,经过142 h同步糖化发酵,酒精产量达到了理论酒精产量的79.0%。袁敬伟[12]以玉米秸秆为原料研究稀酸预糖化-酶糖化法发酵生产酒精的工艺,经试验确定:预糖化过程固液比1∶9,硫酸浓度1.5%(w/w),140℃条件下预糖化1.5 h;酶糖化过程底物浓度25%,pH5.0±0.1,加入1%的纤维素酶,糖化时间72 h;纤维素糖化率可达83.82%,纤维素出酒率可达40.69%,发酵液酒精浓度6.20%vol。国外的Mosier等[13]用控制pH值的热水法处理玉米秸秆,反应器中原料占16%,190℃下处理15 min,乙醇的产量达到理论产量的88%。Shigechi[14]等利用细胞表面工程构建表达α-淀粉酶和糖化酶的酵母,利用生淀粉发酵产生乙醇。该酵母能在72 h内产生61.8 g/L乙醇,是生玉米淀粉理论收率的86.5%。李冬梅[15]从自然环境中分离筛选出高效产酶且酶活稳定的纤维素降解菌株FLZ6和FLZ10,应用这两株菌代替纤维素酶使用,进行同时糖化发酵生产乙醇,最佳条件为:反应温度37℃,初始pH6.0,纤维素降解菌群和酵母菌的比例为1∶1,反应时间36 h,在该条件下,获得了13.1 g/100 g秸秆的乙醇。习林哲[16]采用超声波预处理90 min后的“四粒美”秸秆进行同步糖化发酵时,适宜的发酵条件为酵母接种量为5%,pH5.0,发酵时间为3 d,发酵温度为30℃,纤维素酶的加入量为15 mL,酒精度最高。王菁莎[17]采用正交试验方法对玉米秸秆同步发酵法生产酒精,结果表明,在发酵温度32℃,发酵4 d,入池pH值5.0,酵母菌接种量108个/mL,纤维素酶用量为35 IU/g时发酵酒精度最高,可达4.67%vol。任立伟[18]以紫外线诱变法选育高产菌株YT318,并作为最佳工艺发酵菌对经预处理的玉米秸秆,得出最适发酵工艺条件为温度35℃,最佳摇床转速100 r/min,最适pH值为5.5,经过60 h发酵,酒精浓度可达5.5%vol,残总糖在0.7%以下。
高粱秸秆糖分主要分布在髓和皮中,占总量的91%以上;蛋白质主要存在于叶中,占总量的37.4%,纤维素主要存在于皮和叶中,占总量的80%以上,粗脂肪、灰分主要存在于叶中,分别占总量的77.2%和50%。高粱秸秆发酵酿造酒精有菌株诱变发酵、重组菌发酵、固态发酵、揉搓切碎发酵、同步糖化发酵等。
谢琼霞[19]以新疆甜高粱秸秆为原料,以休哈塔假丝酵母为诱变出发菌株,通过EMS、LiCl和紫外线3因素复合诱变,以及60Co-γ辐照反复诱变,结合TTC平板、杜氏小管发酵及液态摇瓶发酵三级筛选,最终得到两株优势诱变菌株XX5、XX15,二者酒精产率达到0.341 g/g±0.011 g/g和0.327 g/g±0.014 g/g。任丽[20]利用低能N+离子束注入技术对酒精生产菌——酵母菌进行诱变处理,选育发酵基质的酒精产量提高的正突变菌株12#-70-11、12#-90-A-1和出发菌株12#,经3因素4水平正交试验,最佳工艺条件为:温度为30℃,pH4.5,接种量为7%,发酵液的酒精含量分别为5.13%vol、5.02%vol和5.10%vol。刘健[21]利用最佳诱变菌株H13对甜高粱秸秆进行固态发酵,最适工艺条件是:粉碎后的甜高粱秸秆300 g,5‰的菌体接种量、68%的基质含水量、36℃条件下发酵60 h;经测定,乙醇产率达6.4 g/100 g鲜秸秆。叶凯[22]以甜高粱为原料,在6%葡萄糖培养基上,重组菌增殖速度较快,发酵效率较高;当发酵时间在48 h时,乙醇含量为41.75 mg/mL。再吐尼古丽·库尔班等[23]以甜高粱秸秆为原料,采用固态发酵法,酵母菌接种量为0.2%、糖化酶0.1%、纤维素酶0.8%、发酵时间为120 h。结果显示,发酵到120 h时开始蒸酒,得到8.33 g/100 g 61%粗乙醇。宋俊萍[24]利用甜高粱秸秆中丰富的糖分为原料生产酒精,确定固态发酵的最佳条件:添加0.5%的(NH4)2SO4,0.5%的CaCl2,接种率为0.5%,发酵时间24 h,最适pH值5.0,每克甜高粱干料可以产生0.298 g乙醇。葳力斯[25]采用甜高粱秸秆为原料发酵法生产酒精,固体发酵的最佳发酵条件为:温度30℃、发酵时间4 d、接种量3%。研究得出,蒸料酒精产量提高13.7%;排气酒精产量提高8.1%。王祥河[26]以甜高粱秸秆为原料,采用固态发酵:秸秆采用揉搓切碎机切至1~2 cm,籽粒粉碎至60目,0.1 MPa灭菌30 min,接种10%的酵母种子,28℃静置培养48 h;添加20%籽粒淀粉发酵,酒精含量达9 g/100 g以上。代树华[27]将切碎至2 cm左右的甜高粱茎秆揉碎至0.15 cm厚的颗粒物料,批次发酵22 kg甜高粱干基,获得乙醇溶液总计30.13 L,最高浓度为25%,平均浓度10.8%,即为2.88 L纯乙醇,气提发酵周期为40 h,乙醇产率为19.89%。陈朝儒等[28]以甜高粱茎汁及其渣为发酵原料,试验所得甜高粱茎秆渣汁同步糖化乙醇发酵的优化工艺条件为:发酵温度36.58℃,混合纤维素酶添加量 23.5(FBU/mL)/35.25(CBU/mL),甜高粱渣汁质量体积比为8.2%,理论预测乙醇产量为89.2%,验证试验乙醇产量为88.98%。周美静等[29]以可溶性固形物浓度为16%的甜高粱茎杆汁液为原料,最终确定利用甜高粱糖汁生产酒精的发酵条件为:pH5.0,接种量10%,温度30℃,时间48 h,可获得11%的酒精。
小麦秸秆中干物质含量为91.6%,粗纤维为40.9%,精蛋白为2.8%,灰分为5.2%,无氮浸出物为41.5%。小麦秸秆处理方法有蒸汽爆破预处理、亚临界水处理、不同NaOH预处理、发酵废液预处理,有分步糖化、同步糖化发酵法等制取酒精。
赵鹏翔等[30]改进传统蒸汽爆破预处理小麦秸秆,整个草浆和固形物同步糖化发酵乙醇浓度分别达到25.5 g/L、30.6 g/L,分别达到葡萄糖乙醇理论产率的77%、90%;通过提高固形物浓度到20%,乙酸预浸渍气爆处理后的固形物同步糖化发酵乙醇浓度可达67.3 g/L。贾逾泽等[31]用亚临界水处理小麦和玉米秸秆后,在35℃下分别发酵,最终获得的乙醇质量浓度分别为12.8 g/L和10.4 g/L。马海元等[32]以小麦秸秆为底物,对不同NaOH预处理条件下小麦秸秆的纤维素酶水解效率进行了研究,在NaOH质量分数为1.00%、小麦秸秆固体含量为0.050 g/mL、预处理时间为60 min时,总还原糖的产率达到86.61%,利用最佳预处理条件下的小麦秸秆进行同步糖化发酵,其乙醇产率达到71.70%。马英辉等[33]利用酒精厂的乙醇发酵废液对小麦秸秆进行预处理,经实验,处理小麦秸秆的最佳条件为乙醇、杂醇油体积比为1∶1,处理温度110℃,处理时间为200 min,处理后的秸秆酶解率达到83.3%,但由于纤维糖化液中抑制发酵成分的存在,使得发酵的酒精度只有6%vol左右。陈玉亮等[34]利用小麦秸秆为原料进行分步糖化发酵产酒精,正交试验确定的最佳酒精发酵条件为培养温度30℃,发酵72 h,起始pH4.8,氮源补加量为1%,在此条件下,当底物浓度为2%时,乙醇的产量可达4.83 g/L。张伟等[35]利用酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae BY4742对小麦秸秆同步糖化发酵生产燃料乙醇,最优条件为:温度38℃,固体含量16.0%(m/V),纤维素酶投加量35 FPU/g底物,酵母菌浓度8 g/L。在此条件下,NaOH预处理后的小麦经过120 h同步糖化发酵,乙醇浓度达到最大,为38.32 g/L。
提油后的茶饼粕中含有15%~25%粗纤维,30%~60%糖类物质,20%~50%无氮浸出物,10%~20%蛋白质,10%~16%茶皂素,0.5%~7%粗脂肪等。胡尧超[36]以油茶籽粕为原料,尝试采用酵母菌发酵产酒精,得出油茶籽粕水解糖液的最佳发酵工艺参数为接种量4%,发酵温度29℃,发酵时间52.5 h,pH5.7,在此条件下,水解糖液中酒精浓度为25.35 g/L,乙醇得率最高达到46.11%。练杰[37]以油茶籽粕为原料,通过单因素试验确定油茶酒最佳酿制工艺为:油茶籽粕与糯米的比例为2∶3、主发酵温度为28℃,酵母添加量为0.12%,糖化酶添加量0.4 mL/100 g原料、麦曲添加量为8.0%,主发酵时间为6 d,此时酒精度达到13.46%vol。熊筱等[38]以糖化后的油茶粕为原料,得出最佳发酵菌种为热带假丝酵母;最优发酵条件:温度20℃,时间10 d,接种量1.8 mL/g,加水量1.2 mL/g,在此条件下,乙醇得率为10.9%,纯度为99.8%。
自然界纤维质原料来源广泛,如何更好的利用各种纤维质原料发酵制取酒精,需要进行不断的研究。张璇等[39]探讨了以茶叶籽饼粕为原料进行酒精发酵工艺的可行性,结果表明:料水比1∶4,采用50 U/g α-淀粉酶,80 ℃,酶解时间60 min;糖化酶添加量为200 U/g,酶解时间90℃。在pH4.5,接种量0.60 mL/g,发酵时间为5 d,发酵温度为28℃,酒精转化率为34.99%。牟晓红等[40]以食用型向日葵籽壳为原料,采用湿氧化预处理和同步糖化发酵法制备生物乙醇,前者最佳工艺条件为:反应温度190℃,氧气压强1.2 Mpa,过筛干燥后的向日葵籽壳/混合溶液1:10,时间15 min;后者最佳工艺条件为:反应温度40℃,纤维素酶用量30 U/g,pH4.8,酵母接种量8%。在此条件下,生物乙醇得率为18.04%。熊亮等[41]将菊芋秸秆用NaOH-H2O2预处理后,采用分批补料和补加纤维素酶的方式进行高物料浓度条件下的分步水解和乙醇发酵,利用木糖-葡萄糖共发酵重组酿酒酵母菌株LX03在菊芋秸秆水解液中进行乙醇发酵,发酵72 h乙醇最高浓度达66.2 g/L。张树河等[42]采用稀酸水解香蕉茎叶纤维,得出半纤维素含量与酒精得率是呈正相关的,含量最高的是美蕉假茎,达到33.65%,产酒精率为15.95%;最低的是美蕉叶片,只有23.54%,产酒精率也只有8.85%。Nagle等[43]用稀硫酸通过单步批式预处理白杨木屑,然后固液分离,固体在130~150℃下洗涤后,以SSF工艺水解发酵,乙醇产量增加了50%。Teater等[44]对比了厌氧消化纤维与柳枝、玉米秸秆的乙醇产率,其中,厌氧消化纤维乙醇转化率为80.3%,柳枝和玉米秸秆乙醇转化率为83.13%和78.0%。
秸秆发酵生产酒精,早期的预处理主要是采用蒸汽爆破法、酸法、碱法水解糖化纤维素成葡萄糖,蒸汽爆破法投资成本高;而酸法、碱法对设备腐蚀性大,对环境污染严重,能耗高。现在更多采用温和的、能在常压下进行,具有较高选择性,可形成单一产物,且产率较高的酶水解技术。发酵方面,可采用一步发酵法、两步发酵法和同步糖化发酵法,这3种方法都各有优势,但也存在一些需要不断完善的方面。随着经济的发展,能源需求越来越大,开发新能源,可最大程度的利用现有潜在资源,缓解能源危机。纤维质原料在自然界来源广泛,稻草、玉米、高粱、小麦秸秆、油茶籽饼粕是产量较大的纤维质原料,如何低成本、低能耗、轻污染、工艺简单的转化为酒精,还有很大的发展和研究空间。
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Research Progress in the Fermentation of Fiber Materials to Produce Alcohol
LI Meiqun1,2,MA Li1,2,CHEN Yongzhong1,2,WANG Xiangnan1,2,PENG Shaofeng1,2,CHEN Longsheng1,2,WANG Rui1,2,XU Yanming1,2,TANG Wei1,2,PENG Yinghe1,2,LI Zhigang1,2and ZHANG Zheng1,2
(1.Hunan Academy of Forestry,Changsha,Hunan 410004;2.National Engineering Research Center for Oiltea Camellia,Changsha,Hunan 410004,China)
In this paper,the research progress in the use of fiber materials(rice straw,corn,sorghum,wheat straw,tea seed,etc.)to produce alcohol was reviewed,including pretreatment,yeast strain breeding and mutation,fermentation,etc.The research provided useful reference for high-efficiency utilization of fiber materials.
fiber;yeast strains;fermentation;alcohol
TS262.2;TS261.4
A
1001-9286(2017)11-0097-06
10.13746/j.njkj.2017155
2017-06-02
李美群(1985-),女,湖南邵阳人,助理研究员,硕士研究生,研究方向:油茶加工及副产物深加工,E-mail:mei_qun_li@163.com。
马力(1982-),女,湖南湘潭人,博士,副研究员,主要从事油脂加工研究,E-mail:276841095@qq.com。
优先数字出版时间:2017-07-25;地址:http://kns.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20170725.1342.005.html。