甜高粱盐甜1号秸秆榨汁发酵制取乙醇

潘宗瑾，王海洋，杨 华，刘兴华，高 进，秦光蔚，葛汉勤，王 为

（江苏沿海地区农业科学研究所/盐城市甜高粱育种工程技术研究中心 江苏盐城224002）

20世纪因多次出现能源危机，人们便对生物燃料乙醇寄予了厚望。目前，燃料乙醇的生产以淀粉类和糖类等粮食作为原料，这样势必造成与民争粮、与粮争地的情况，导致粮食紧缺，所以各国开始研究用非粮作物来生产燃料乙醇的技术。甜高粱糖分积累快，茎秆汁液中含糖量可达12%～22%[1]，其汁液锤度（Brix，简写为BX）通常为100～200°BX；其生物产量高，茎秆产量75～300 t/hm2，生产力接近速生轮作林的2倍，比甘蔗高30%，是玉米的3.2倍，且能适应干旱、洪涝、盐碱地等不良环境[2]，是最具有潜力的再生能源作物。但是，由于甜高粱在储存时糖分易降解消耗[3]，在甜高粱发酵乙醇产业化时，如何有效储存甜高粱，保持其糖分不损耗，是产业面临的技术难题[1]。

甜高粱发酵生产乙醇的技术主要有固体发酵和液体发酵2种。固体发酵是一种利用粉碎后的甜高粱直接发酵的工艺。固体发酵的优点是设备简易、成本低、易操作、乙醇生产率高，并且在整个工艺过程中不产生废水、废物[1]。但是，固体发酵存在设备占地面积大，对工人能力需求较高，以及发酵周期较长等弱点。李十中等发明了一种具备自控系统的连续固态发酵制取乙醇的装置及工艺，该工艺采用连续固态发酵生产乙醇，工艺可以充分利用可发酵糖分，提高发酵效率，自动化程度高，发酵罐的可调控性强，并可节省成本[4]。液体发酵是将甜高粱茎秆榨汁后发酵，利用糖汁直接发酵可以在很大程度上缩短发酵时间，适合工业上大规模的生产[5]。刘晓娜等发明了一种甜高粱茎秆生产燃料乙醇的方法：采用压榨机将甜高粱压榨后，再用活化的酵母对糖汁进行发酵，随后通过粗蒸馏和精馏的方式提高乙醇的浓度[6]，1 hm2甜高梁茎秆汁液可以转换5 t乙醇。不过，液体发酵存在糖汁易污染的缺点，极大地增加了原料储存的难度[7]，增加了生产成本，是从实验室阶段走向生产阶段的瓶颈。

目前，很多以甜高粱茎秆为原料通过液体发酵生产乙醇的研究主要集中在工艺优化方面[8-9]，其基本工艺流程为：甜高粱种植→茎秆初加工→茎秆榨汁→乙醇发酵→乙醇蒸馏→无水乙醇。本研究利用自育甜高粱品种盐甜1号在实验室内进行液体发酵制取乙醇的初步研究，以期为该品种的开发利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

材料：江苏沿海地区农业科学研究所自主选育的甜高粱品种盐甜1号。盐甜1号为中早熟常规甜高粱品种，高耐盐、强抗倒伏，苗势强，尤其是中后期长势良好[10]。

菌种：安琪耐高温酿酒高活性干酵母，购自湖北安琪酵母股份有限公司。

辅料：（NH4）2HPO41.5 g/L、MgSO41 g/L、CaCl21 g/L，3种辅料作为营养盐加入10 L发酵罐中，可提高CO2产量，增加发酵产物，缩短发酵周期（24 h以下）。

1.2 试验仪器

XUZHONG手摇甘蔗机（郑州旭众）；THZ-C振荡培养箱（江苏太仓市实验设备厂）；7820气相色谱仪（美国安捷伦）；T6新世纪可见-紫外分光光度计（北京普析通用）；RE-2000A旋转蒸发仪（上海亚荣）；10 L发酵罐（江苏贝朗生物工程设备有限公司生产）。

1.3 试验过程

1.3.1 甜高粱不同发育时期的茎秆含糖量。分别在甜高粱开花期（7月26日）、乳熟期（乳熟中期，8月15日）、成熟期（9月10日）、完熟期（10月15日）采用Master－T折射式锤度计测定甜高粱中段茎秆糖锤度。

1.3.2 茎秆榨汁。在甜高粱开花期、乳熟期、成熟期、完熟期时，收割甜高粱秸秆，分别称取10 kg的中段秸秆，随后人工去皮，将内芯置于手摇甘蔗机中进行压榨，获取糖液（主要含蔗糖）。计算出汁率Y=糖液质量M1/秸秆质量M2×100%。糖汁经适当浓缩并将pH值调至5.0后贮存。

1.3.3 糖汁贮存过程中检测糖含量。利用DNS法对贮存3 d和15 d的甜高粱秆汁液检测总糖与还原糖含量。

1.3.4 液体发酵法制取乙醇。将贮存15 d的甜高粱汁液加入适量的营养盐辅料，115℃灭菌20 min，酵母添加量0.5～1.0 g/L，初始pH值5.0，在摇床中38℃活化15 min，于发酵罐中33℃发酵24 h。

1.3.5 乙醇浓缩。使用旋转蒸发仪，在85℃左右浓缩和提纯乙醇，最高可将乙醇提纯到95%（体积分数）左右。

1.4 分析方法

1.4.1 还原糖使用DNS法测定。DNS法是在碱性条件下，利用二硝基水杨酸（DNS）与还原糖发生氧化还原反应，生成3-氨基-5-硝基水杨酸，该产物在煮沸条件下显红棕色，在一定浓度范围内颜色深浅与还原糖含量成一定比例。因其显色的深浅只与糖类游离处还原基团的数量有关，而对还原糖的种类没有选择，因此DNS法也比较适用于在多糖（如纤维糖、半纤维素和淀粉等）水解产生的多种还原糖体系中。

1.4.2 乙醇使用气相色谱法检测。取100 mL成熟发酵液于蒸馏瓶中，加100 mL蒸馏水，然后蒸馏出100 mL溶液，利用气相色谱法测定乙醇含量（体积分数）。色谱条件为进样口温度：250℃；0.75 min分流，分流比100∶1；柱温：起始温度60℃，保持1 min；以15℃/min的升温速率升温至150℃；以3℃/min的升温速率升温至240℃保持3 min；以25℃/min的升温速率升温至280℃保持8 min。载气：氦气，流量：1.0 mL/min。进样方式：脉冲不分流进样；进样量：1.0μL。

2 结果与分析

2.1 甜高粱不同发育时期茎秆汁液糖锤度与出汁率的动态变化

在不同发育时期，盐甜1号茎秆汁液糖锤度均有所不同：开花期时最低，为8.20°BX，完熟期时最高，为18.06°BX，呈现出完熟期＞成熟期＞乳熟期＞开花期的变化趋势。对于茎秆出汁率，开花期时最低，为23.08%，成熟期时最高，为31.25%，表现出成熟期＞完熟期＞乳熟期＞开花期的变化趋势。

由表1可见，如果提前收获（乳熟期），其糖锤度约为12.00°BX，相对于成熟期与完熟期要损失33%～50%，所以，选择好收获期至关重要，不仅直接关系到可利用糖的总量，还关系到出汁率的高低。如在乳熟期收获的甜高粱茎秆，其出汁率在29.72%，相对于完熟期与成熟期要损失1.11%～5.15%。本数据为即时收获压榨，而在实际生产上，由于一次性收获甜高粱过于量大，很难即时压榨，通常要在收获后贮存3～15 d再进行压榨，如果贮存不当，也会因植株呼吸等消耗而导致汁液中糖的损失。如乳熟期收获的甜高粱出汁率为29.72%，进行密封贮存15 d后，甜高粱秸秆的出汁率则为24.22%，下降了18.51%。如果采用非密封式贮存，出汁率则可能会下降更多。

表1 盐甜1号不同发育时期茎秆汁液糖锤度的动态变化

2.2 甜高粱汁液贮存时间对糖量的影响

除了茎秆的贮存外，所榨汁液的贮存也需要科学处理，否则其中的糖（蔗糖与少量还原糖）也易被微生物所分解消耗。对贮存3 d和15 d的甜高粱茎秆汁液的总糖进行检测，发现贮存3 d后，总糖质量分数为10.41%，还原糖质量分数为2.60%；贮存15 d后，总糖质量分数为5.38%，还原糖质量分数为1.34%，下降了约48.32%（图1）。因此，在生产上不仅要科学合理地处理糖汁，还应尽可能地减少糖汁的贮存时间。

2.3 甜高粱糖汁乙醇发酵

利用贮存15 d的甜高粱茎秆汁液做发酵试验，20 h时乙醇体积分数最高达到2.52%。初始糖量质量分数为5.38%（以葡萄糖量计算），理论乙醇产量为Y=5.38%×51.1%=2.75%（51.1%为2醇对糖的理论转化率），因此，可计算得到乙醇得率为91.64%，即91.64%的糖转化为乙醇。由图2可见，20 h糖液达到发酵高峰，24 h已经有所下降，表明随着可利用糖度的下降、乙醇含量的上升，酵母菌也逐渐老化。据此，以甜高粱茎秆汁液进行发酵24 h基本上可将糖液发酵完成。

3 讨论与结论

本试验表明，在甜高粱不同发育时期，盐甜1号茎秆汁液糖锤度均有所不同，以开花期最低，为8.20°BX，完熟期时最高，为18.06°BX，呈现出完熟期＞成熟期＞乳熟期＞开花期的变化趋势。对于茎秆出汁率，开花期时最低，为23.08%，成熟期时最高，为31.25%，表现出成熟期＞完熟期＞乳熟期＞开花期的变化趋势。这2种变化趋势并不完全相同。有报道认为，甜高粱在完熟期时茎秆出汁率和汁液含糖量最高[11]，而本试验茎秆出汁率完熟期较成熟期略低，可能是本试验所用压榨机性能原因所致。出汁率不仅与所用的压榨设备性能有关，更与其贮存方式与时间有关，如密闭贮存15 d的甜高粱秸秆的出汁率仅为24.22%，若采用非密封式贮存，出汁率将会下降更多。

甜高粱茎秆中的糖分含量是其重要的品质性状之一，通常以锤度表示，与茎秆中的可溶性糖含量显著相关。试验结果显示，甜高粱汁液经过短期密封贮存后，糖含量依然会降低，如贮存3 d后，糖分为10.41%；贮存15 d后，糖分质量分数为5.38%，下降了48.32%。可见，原料的贮存方式是制约甜高粱糖汁制取乙醇的瓶颈之一。目前，比较具有潜力的贮藏方式是将甜高粱秸秆制作为秸秆粉，以提高贮藏时间和降低运输成本，但其效果还须进一步验证。此外，贮存的方法还包括完整或切段的新鲜茎秆在通风干燥条件下自然保存、密闭条件下通二氧化硫或惰性气体及冷冻保藏等方法。一般通风保存只适合短期保存；密闭保存成本较高，占地较广；冷冻保藏则能耗高，难以大批量贮存。另外，还有对茎秆汁液进行浓缩处理、酸储处理或添加防腐剂等方法，有利于糖汁较长时期的保存，但时间太长，如糖汁中含有野生酵母及其他微生物，在存放过程中会自然发酵，引起变质，对汁液营养结构破坏较大，也可能影响乙醇发酵效果。

综上，本文对盐甜1号的秸秆榨汁室内发酵制取乙醇，通过成熟期后收割（糖锤度＞15°BX）、短期贮存（＜3 d）、有效压榨（出汁率31.25%）和及时（＜3 d）发酵24 h，可致乙醇得率高于91.64%。