粟酒裂殖酵母发酵菊芋生产燃料乙醇试验 粟酒裂殖酵母发酵菊芋生产燃料乙醇试验

粟酒裂殖酵母发酵菊芋生产燃料乙醇试验

  • 期刊名字:农业机械学报
  • 文件大小:885kb
  • 论文作者:汪伦记,董英
  • 作者单位:江苏大学食品与生物工程学院,河南科技大学食品与生物工程学院
  • 更新时间:2020-09-30
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论文简介

2010年1月农业机械学报第41卷第1期DoI:10.3969/j.isn.1000-1298.2010.01.021粟酒裂殖酵母发酵菊芋生产燃料乙醇试验汪伦董英(1.江苏大学食品与生物工程学院,镇江212013;2.河南科技大学食品与生物工程学院,洛阳471003)【摘要】以菊粉为原料,研究了粟酒裂殖酵母的乙醇发酵性能并考察了温度、初始pH值和菊粉质量浓度对乙醇发酵的影响,进而研究了粟酒裂殖酵母发酵菊芋汁和菊芋粉生产乙醇的情况。结果表明:粟酒裂殖酵母能发酵菊粉高产乙醇;该菌株最适发酵温度为30℃,最适初始pH值为4.0,在此条件下,菊粉质量浓度200g/L时,乙醇质量浓度达到74.58g/L,理论转化率为81.24%;直接发酵菊芋汁和菊芋粉获得更高的乙醇产率,理论转化率分别达到84.02%和86.09%关键词:菊芋粟酒裂殖酵母同步糖化发酵乙醇发酵中图分类号:S216.2文献标识码:A文章编号:1000-1298(2010)01010605Ethanol Production from Jerusalem ArtichokeUsing Schizosaccharomyces pombeWang Lunji Dong Ying(1. School of Food and Biological Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013,China2. School of Food and Bioengineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, ChinAbstractThe ethanol fermentation capability of Schizosaccharomyces pombe from inulin was investigated.Theeffects of temperature, inulin concentration, and initial pH value on the ethanol fermentation werestudied. The ethanol production from Jerusalem artichoke juice and flour were further studied.Experimental results showed that S. pombe demonstrated good ethanol fermentation performance.Theoptimum initial pH value was 4.0, and the optimum temperature was 30C. Under the optimalconditions, the maximum ethanol concentration of 74 58 g/L, equivalent to 81. 24% of the theoreticalyield, was reached from 200 g/L inulin concentration after 72 h of incubation. Higher theoreticalconversion rates of 84. 02% and 86. 09% were obtained when Jerusalem artichoke juice and flour weredirectly used in fermentation, respectively.Key words Jerusalem artichoke, Schizosaccharomyces pombe, Simultaneous saccharification andfermentation, Ethanol production引言有一个葡萄糖基2),常用来生产高果糖浆,也可以用来生产乙醇-”。菊芋适应性强,耐贫瘠、耐菊芋( Jerusalem artichoke),俗名洋姜,原产北寒、耐旱,特别适合在沙漠、滩涂、盐碱荒地等非农业美,目前在中国广泛种植。菊芋块茎富含菊粉,占其耕地种植,且产量高,价格低廉。作为一种果糖基能干质量的68%-83%。菊粉是果糖经β-2,1-糖源植物,菊芋与小麦、玉米等粮食类淀粉质原料相苷键聚合而成的一种果聚糖,呈直链结构,末端常含比,具有不占耕地、无需液化等优势,是我国非粮燃中国煤化工收稿日期:2009-04-28修问日期:2009-09-27镇江市农业攻关项目(NY2006043)CNMHG作者简介:汪伦记,博士生,河南科技大学讲师主要从事微生物与发酵工程研究 E-mail:w, lunji@sohu,com通讯作者:董英教投博士生导师,主要从事食品功能因子和食品生物技术研究,E-mail;yong@uj,cdu.cn第1期汪伦记等:粟酒裂殖酵母发酵菊芋生产燃料乙醇试验料乙醇生产及其产业规模化发展可选择的原料之养,定时称量,记录CO2失重,估计发酵状况。发酵结束后,全部倒入全玻璃蒸馏器进行乙醇蒸馏,测定以菊芋为原料生产乙醇很早就受到国内外的关乙醇含量,对比S. pombe和S. cerevisiae的乙醇发酵注。20世纪50年代以来,国内外学者先后报道了性能。各种以菊粉为原料生产乙醇的工艺技术,包括12.3温度对乙醇发酵的影响首先酸解或酶解菊粉生成单糖,再利用酿酒酵母发配制200g/L菊粉发酵液,接入S. pombe,接种酵生成乙醇的分步糖化发酵工艺(SHF)和利用产菊量5%,分别在2528、30、33和37℃培养72h,进行粉酶的微生物与酿酒酵母进行混合培养的同步糖化乙醇发酵,考察温度对乙醇发酵的影响,确定最佳发发酵工艺(SSF)。酵温度。本文使用粟酒裂殖酵母(S. pombe)进行单菌同1.2.4初始pH值对乙醇发酵的影响步糖化发酵菊芋生产燃料乙醇的试验。配制200g/L菊粉溶液,初始pH值分别为3.5、1材料和方法4.0、4.5、5.0、5.5,接种量5%,30℃培养72h,考察pH值对乙醇发酵的影响,确定最佳pH值1.1材料1.2.5菊粉质量浓度对乙醇发酵的影响1.11菌种选择150200、250和300g/L4种菊粉质量浓粟酒裂殖酵母购自中国工业微生物菌种保藏管度进行试验,接种量5%,30℃培养72h,研究乙醇理中心;酿酒酵母( Saccharomyces cerevisiae,耐高温得率,确定最佳原料质量浓度。和耐高糖)购自湖北安琪酵母公司;酿酒酵母(S.1.26菊芋汁发酵cerevisiae)和马克斯克鲁维酵母(K. marrons)为实鲜菊芋加适量水,粉碎打浆,纱布过滤去除残验室保存。渣,菊芋汁80℃加热15min灭酶,以防褐变,蒸发浓1.12菊芋粉和菊粉缩至总糖质量浓度为200g/L,接种发酵,接种量菊芋购自安徽省滁州市,鲜菊芋经洗净、切片、5%,温度30℃,转速200r/min。晾晒、干燥、粉碎后置于干燥环境中保存备用;菊粉,12.7菊芋粉发酵购自北京威德生物科技有限公司。以100目筛分菊芋粉为底物进行乙醇发酵,菊1.L3培养基芋粉质量浓度200g/L,温度30℃,转速200r/min(1)斜面培养基。豆芽汁蔗糖琼脂培养基,接接种量5%。种一环菌种于豆芽汁蔗糖琼脂斜面培养基,30℃,培1.3分析方法养72h,储于4℃冰箱备用。(1)乙醇质量浓度的测定:HP4890D气相色(2)种子培养基S.pmbe和K. marxianus:菊粉谱工作站,填料 Porapak-Q粒度80-100目,长2m20g/L,酵母膏15g/L,蛋白胨20g/L,pH值4.6;外径3mm,内径2mm。气化室、色谱柱及热导检测s. cerevisiae:豆芽汁蔗糖培养基。12l℃灭菌20min器的温度分别为150、120、150℃。备用。理论转化率山为(3)发酵培养基三角瓶发酵:菊粉(按试验要求配制所需质量x100%0.51Cf浓度,g/L),酵母膏15g/L,蛋白胨20g/L,除特别指式中Cg-乙醇的质量浓度,g/L出外初始pH值均用稀盐酸调节至4.0,115℃灭菌C——菊粉或菊芋粉质量浓度,gLf一威德菊粉或菊芋粉中初始总糖质量分5L发酵罐:菊芋汁、菊芋粉配成的培养基,用稀数(总糖质量分数定义为原料中菊粉和盐酸调节初始pH值至4.0,115℃灭菌35min。还原糖质量分数总和,试验测定菊芋粉12试验方法中总糖质量分数为75%,威德菊粉为1.2.1种子液的制备90%)酵母接入种子培养基中,30℃振荡培养48h,使其中中国煤化工5细胞浓度达到1×103个/mL以上。1.2.2S. pombe的乙醇发酵性能CNMHG还原糖测定采用DN噌四疋以还原糖计,定量待每个三角瓶装入100mL、200g/L菊粉发酵液,测样品于0.05mol/LHCl中,沸水浴中回流水解分别接入乙醇发酵菌种,接种量5%,30静止培1h,用0.05mo/ L NaOH调成中性。108农业机械学报2010年(3)酶活测定:0.5mL酶液(若必要,适当22乙醇发酵进程中菊粉酶酶活和S. pombe增长稀释)加入到4.5mL质量分数2%的蔗糖溶液(pH在以菊粉为原料发酵生成乙醇的过程中,菊粉值4.8的0.2mo/L醋酸缓冲液配制),5℃反应酶控制菊粉生成果糖,因此发酵过程中菊粉酶的活10min,沸水灭活。DNS法测还原糖含量。外切菊性会影响对菊粉的水解,进而可能影响乙醇产量和粉酶活力定义为:以蔗糖为底物,每分钟水解1μmol发酵进程。为此,对 S pombe利用菊粉(200g/)生蔗糖所需的酶量为一个酶活力单位。产乙醇过程中菊粉酶酶活性进行了研究,结果如(4)酵母浓度的测定3-16:采用血球板计数,图1所示。从图中可以看出,在乙醇发酵过程中胞活细胞浓度测定采用美兰染色外菊粉外切酶酶活性很低,只有2U/mL左右,整个发酵过程酶活变化幅度很小,但低菊粉酶活性对乙2结果与讨论醇发酵没有影响,S. pombe经过短暂的延滞期后,快2.1S. pombe的乙醇发酵性能速分解菊粉生成乙醇,至72h乙醇发酵结束,此时s. pombe和 S. cerevisiae发酵菊粉产乙醇对比试乙醇质量浓度达到n2.97gL(图2)。而葛向阳验结果如表1所示。由表1可知,. pombe乙醇发等利用A.ngsL-09和 S. cerevisiae Z-06发酵酵能力高于. cerevisiae,其乙醇质量浓度达到菊芋生产燃料乙摩的试验中发现,菊粉外切酶是整73.64g/L,理论转化率为80.21%;而S. cereuLsIO个过程中最关键一环,高活性菊粉外切酶能缩短发的乙醇质量浓度和理论转化率只达到40g/L和酵周期、降低残糖、提高乙醇产量和转化率。对此有40%左右,且其发酵时间比S. pombe长。出现这种待进行进一步的深入研究。现象的原因是由于S. cerevisiae不能直接发酵菊粉产乙醇,只有K. martianus分泌胞外的菊粉外切酶先把菊粉分解成果糖,然后S. cerevisiae再发酵果糖生成乙醇,在这个过程中,K. marxianus分泌菊粉外S.pomb细胞含量切酶与S. cerevIsIae发酵果糖无法达到协调一致,而账1×10粉酶活力S. pombe发酵菊粉生产乙醇过程中糖化和发酵同步发酵时间完成。 Ohta, Nakamura和 Szambelan1等人利图1乙醇发酵过程中菊粉酶活性和S. pombe细胞含量用高产菊粉外切酶的微生物,如 Aspergillus niger和Fig 1 Activity of inulinase and S. pombeKluyveromyces fragilis和乙醇发酵性能优良的concentration in the brothS. cerevisiae进行混合发酵菊粉产乙醇,并达到较高由图1和图2还可看出,在乙醇质量浓度快速乙醇产量,理论转化率也达到80%以上。但由于糖增长时,同时伴随着S. pombe的快速增长,细胞浓度化和乙醇发酵分别由两种微生物完成,造成发酵周初始细胞含量为0.53×10个/mL,48h细胞含量为期较长,需要5d以上,而S. pombe仅需72h。以菊5.67×10°个/mL,达到最高,96h发酵结束后下降粉为原料进行燃料乙醇的工业化生产中,S.p0mbe到4.12x10个/mL。发酵后期细胞含量的下降可的同步糖化发酵比混菌发酵的同步糖化发酵相比,能由于发酵液中可发酵糖的耗尽和乙醇对酵母细胞减少了发酵环节,缩短发酵周期的抑制作用襄1S. pombe或S. cerevisiae的菊粉乙醇发酵Tab 1 Ethanol production from inulin by SSF usingS pombe or S cerevisiae总糖质量浓度菌株乙醇质量理论转发酵图N浓度/gL1化率/%时间/hK. martian +s cerevisiae168thermal-tolerance发酵时间hK. marxianus +S cerevisiae41.23(sugar-tolerance)2.3Ha中国煤化工CNMHGK. marxian +S. cerevisiaeS pombe80.21温度是微生物生长的重要环境条件之一,不但影响S. pombe生长和繁殖,同时也影响乙醇发酵酶第1期汪伦记等:粟酒裂殖酵母发酵菊芋生产燃料乙醇试验系的分泌和活性,所以研究温度对S. pombe在乙醇增加,但理论转化率却降低,300g/L和250g/L菊发酵中的影响,对提高发酵生产的效率具有十分重粉溶液乙醇质量浓度达到91.97gL和84.79g/L要的意义。由图3可知,S. pombe最适发酵温度为而其理论转化率只有66.79%和73.89%,200g/L30℃,乙醇质量浓度达74.12g/L,28℃和33℃也具菊芋粉溶液发酵产乙醇其理论转化率达81.24%有较高的乙醇质量浓度,分别为64.12gL和乙醇质量浓度达到74.58g/L,达到较高转化率;6749gL,而在25℃和37℃进行发酵时,乙醇质量150g/L菊芋粉溶液发酵产乙醇虽然理论转化率达浓度只有42.98gL和46.41g/L到88.91%,但乙醇质量浓度偏低,只有61.22g/L2菊粉质量浓度对乙醇发酵的影响Tab 2 Effect of inulin concentration on ethanol production菊粉质量浓度/g“L1乙醇质量浓度理论转化率/%61.22图3培养温度对乙醇发酵的影响91.9756.79Fig 3 Effect of temperatures on ethanol production2.6菊芋汁乙醇发酵研究2.4不同初始pH值对乙醇发酵的影响S. pombe能发酵菊粉产乙醇,但菊粉的生产成pH值是影响微生物生长的另一重要因素通过本较高,无法应用于工业化生产。因此,对S. pombe影响酶的活性而影响发酵。由图4可知,粟酒裂殖发酵菊芋汁的效果进行了研究结果如图5所示。酵母最适发酵初始P值为40左右,乙醉质量浓由图5可知,s. mbe能快速发酵菊芋汁产乙醇,度达到74.19g/L。发酵结束后发酵液的pH值比56h乙醇发酵结束,乙醇质量浓度达到85.69g/L初始时有不同幅度的下降。高的初始pH值导致发理论转化率为84.02%。与发酵菊粉产乙醇相比酵液褐变同时溶液变粘稠流动性变差乙醇产量可获得更高的理论转化率且达到最大乙醇质量浓也随初始PH值的升高而下降,这可能是由于分解度的发酵时间缩短了16h。菊粉的酶和发酵糖产乙醇的酶系受pH值升高而导致酶活下降的缘故总物质敏浓度→乙醇质量浓度401624pH值图5菊芋汁乙醇发酵图4不同初始pH值对乙醇发酵的影响Fig 5 Ethanol production from Jerusalem artichokeFig. 4 Effect of initial PHjuice using S pombe2.5原料质量浓度对乙醇发酵的影响2.7菊芋粉乙醇发酵研究原料质量浓度对乙醇发酵有重要的影响,乙醇不需补充添加任何营养成分,S. pombe能直接发酵是典型的产物抑制,在乙醇体积分数达到4%发酵菊芋汁产乙醇。在此研究的基础上,对以菊芋左右时,就开始产生抑制,发酵速度逐渐降低直至停粉(200g/L)为原料的乙醇发酵进行了试验,结果如止9),因此原料质量浓度过高会导致原料利用不完图6所示。由图6可知,S. pombe也能快速发酵菊全。为尽量提高原料的利用率,常常采用较低质量芋粉产乙醇,56h乙醇发酵结束,此时乙醇质量浓度浓度的原料进行乙醇发酵但质量浓度的降低会造和理论转化率分别为65.86g/L和86.09%。发酵成发酵结束后发酵液乙醇含量低,增大了蒸馏的能结束凵中国煤化工仅有,0E,耗。因此对不同质量浓度菊粉溶液进行了发酵产95.3乙醇的试验,对比不同质量浓度菊粉溶液的乙醇产CNMHGpombe同步糖化量和理论转化率,以确定合适的发酵质量浓度。从发酵菊粉产乙醇不仅省去了菊粉酶解步骤,而且可表2可知,乙醇质量浓度随菊粉质量浓度的增加而以防止因菊粉降解物糖的积累抑制乙醇发酵的现农业机械学报2010年化和糖化设备的投资和能耗,乙醇的生产成本也得到降低。总糖质敏浓度1303结论乙醇质量浓度(1)S. pombe能同步糖化发酵菊粉产乙醇且乙醇发酵性能优良,在pH值4.0、温度30℃的优化发发酵时间h酵条件下,200g/L菊粉溶液发酵产乙醇其理论转化图6菊芋粉乙醇发酵率达到81.24%,乙醇质量浓度达到74.58g/L。发Fig 6 Ethanol production from Jerusalem artichoke酵过程中低菊粉酶活性对乙醇发酵没有影响。four using S pombeS. pombe发酵菊芋汁和菊芋粉获得更高的乙醇产象,有利于维持较高的乙醇生产强度;与混菌培率,理论转化率分别达到84.02%和86.09%。养的同步糖化发酵工艺相比,糖化和发酵都由粟酒(2)S. pombe发酵菊粉产乙醇的糖化与发酵同裂殖酵母完成更易于进行产菊粉酶条件和乙醇发步完成的特性使其比利用S. cerevisiae或 Zymomonas酵条件的同步优化,而与淀粉质原料相比,菊芋粉不 mobile作为乙醇发酵菌株更有优势,能避免糖化与需蒸煮和预先糖化,可直接进行发酵从而减少了液发酵分步进行;这可以降低乙醇发酵的成本和缩短化和糖化大量的能耗。在工业化生产时,减少了液乙醇发酵时间。考文献I Fleming S E, Groot Wassink J W. 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