复合酶在菊芋粉发酵生产燃料乙醇中的应用

酿酒科技2009年第3期(总第177期) LIQUOR-MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2009No3Tol17复合酶在菊芋粉发酵生产燃料乙醇中的应用李俊俊,唐艳斌,唐湘华,段永忠,许波,黄遵锡(生物能源持续开发利用教育部工程研究中心,云南师范大学酶工程重点实验室南师范大学生命科学学院,云南昆明650092)摘要:菊芋是一种可选择的酒精发酵原料。研究用菊芋粉生产燃料乙醇的工艺参数,在单因素试验的基础上用正交试验进行工艺参数的优化。确定最佳工艺条件为:料水比为1:4.5(m),复合酶添加量0.2%,发酵温度36℃,酵母液用量为6mL,发酵pH值为5.0,发酵时间24h。在此工艺条件下酒精度可达10.8%vol,酒精产率达34.10%技术经济分析说明,使用复合酶和酵母发酵莉芋粉生产燃料乙酶是可行的关键词:燃料乙醇;复合酶;菊芋粉;正交实验中图分类号:Q5;TS2622;TS2614文献标识码:A文章编号:1001-9286(2009)03-0065-04Application of Compound Enzyme in Fuel Ethanol Productionby Jerusalem Artichoke Powder fermentationLI Jun-jun, TANG Yan-bin, TANG Xiang-hua, DUAN Yong-zhong, XU Bo and HUANG Zun-xiEngineering Research Center of Sustainable Development and Utilization of Biomass Energy, Ministry of Education, Key Lab of EnzymaticEngineering in Y un'nan Normal University, Life Science School of Yun nan Normal University, Kun,'ming, Yun, nan 650092, China)Abstract: Jerusalem artichoke is an alternative source for ethanol production. The technical parameters for fuel ethanol production by jerusalemartichoke powder fermentation were investigated,, On the basis of single-factor experiment, orthogonal experiment was conducted to optimize therelated technical parameters. The optimized parameters were determined as follows: the ratio of materials to water was 1: 4.5(m/), the additionlevel of compound enzyme was 0.2 % the fermentation temperature was at 36C, the use level of yeast liquid was 6 mL, the fermentation pH val-ue was 4.5, and the fermentation time was 24 h. Under the above technical conditions, the alcoholicity could reach up to 10.8 %vol, and the yieldof ethanol could achieve 34.10 % The economic analysis showed that fuel ethanol production from jerusalem artichoke powder fermented bycompound enzyme and yeast was feasibleKey words: fuel ethanol; compound enzyme; Jerusalem artichoke powder; orthogonal experiment菊芋是一种多年生草本植物俗称洋姜,鬼子姜,属1材料与方法菊科向日葵属。由于其具有耐寒、耐旱、耐盐碱、抗风沙,1.1材料适应性广繁殖性强等优点使其在全国各地均有分布。11菊芋菊芋的主要成分是多聚果糖除此之外还含有淀粉、蛋白2007年12月中旬采收于云南省呈贡县,采收后洗质、纤维素半纤维素、果胶质等成分。这些成分可在酶的作用下分解成易于被酵母利用而产生乙醇的物质。由于净、切片、晒干、粉碎。1.1.2复合酶菊芋具有上述两方面的特征,使其成为可代替粮食作物自配,组成为:耐高温α-淀粉酶:10ug菊芋粉;糖生产燃料乙醇用的很有潜力的能源植物习。本文研究了采用添加复合酶和耐高温酿酒酵母迺过化酶:80ug菊芋粉;普鲁兰酶:40ug菊芋粉;纤维素酶酶:16ug菊芋边糖化边发酵的方法生产燃料乙醇的最佳工艺条件该粉;酸性蛋白酶:10ug菊芋粉;果胶酶:20ug菊芋粉;方法具有操作简单稳定性好发酵周期短、生产成本低菊粉酶:25ug菊芋粉;B-葡聚糖酶:0ug菊芋粉B一等优点,对进一步实现利用菊芋发酵、规模化生产燃料乙甘露醇具有一定的指导意义。中国煤化工酶:0ug菊芋粉;植酸酶:基金项目:云南省产业重大关键技术开发专项,云发改高技(20081657);云南省应CNMHG收稿日期:2008-12-31作者简介:李俊俊(1979-),男,山西宁武人,硕士研究生,研究方向:微生物酶工程通讯作者:黄遵锡(1964-)男,教授博士生导师,主要从事做生物基因工程方面的研究E- mail Huangnnxit@163com酿酒科技200年第3期(总第177期)· LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2009No3Tol71.1.3耐高温酿酒干酵母间24h;pH50(自然)。发酵结束测定乙醇和还原糖含量耐高温酿酒干酵母:安琪酵母有限公司生产,结果见表21.2方法1.21菊芋粉成分分析艹引麦水时x图且的移产率料水比分析指标:水分,总糖,粗脂肪粗纤维,粗蛋白,还原重量(g) (%vol) (g/100 mL)1:4.08.97.523.68糖,灰分1:4.59.3.2.2干酵母活化1:5.011.50.20632.20称取一定量的干酵母于40倍其重量的35~40℃1:5.50.20431.251:6.010.80.20130.31的2%的葡萄糖水溶液中,先在37℃恒温箱中培养15~20min,然后转移到30℃恒温箱中培养60~70min由表2可知,在上述条件下,随着料水比的增大,发即可。酵前后失重量增加,残还原糖量减少,当料水比为1:5.01.23残还原糖测定时,酒精度和酒精产率均达到最大值;此后随着料水比的将澄清的蒸馏废液稀释到一定倍数,用DNS法测增加,酒精度和出酒率却略有下降。这是因为复合酶的作定用与醪液浓度和其自身浓度有一定关系,在一定范围内,124乙醇含量测定酶反应速度随醪液浓度增加而成正比例增大。但当醪液采用酒精计法。将发酵液倒入500mL圆底烧瓶中,浓度增加到一定程度达到一定值时,反应速度便停止增加100mL水混匀后常压蒸馏,用100mL容量瓶收集馏大,超过时,活力反而下降。同时酶自身浓度在一定浓度出液至刻度,用酒精比重计测馏出液中的酒精浓度和温范围以内时,浓度高,生成物也多。但这并非完全成正比度,最后换算为20℃酒精度。关系,当酶浓度达到一定限度以上时,反应速度也成一定12.5实验计算值而变化极小。因此在适合的醪液浓度和酶液浓度下,产酒精产率=酒精产量(g)×100%酒最高,原料出酒率也最高。通过此试验,确定1:50为发酵产酒精的最佳料水比。12.6工艺流程22.2复合酶添加量对菊芋粉发酵产酒精的影响称取25g过40目的菊芋粉于500mL三角瓶中复合酶作为糖化剂,其添加量的多少影响到菊芋粉加入一定量溶有10ug菊芋粉的耐高温α-淀粉酶的的水解程度设其添加浓度分别为01%0.15%,02%、60℃左右的自来水→于100℃加热蒸煮30min→冷却025%和03%,其他条件分别为:料水比1:50,酵母活至35左有加入一定量复合酶和母活化液→称重,放化液6mL,发酵温度36℃,发酵时间24h,pH50(自的恒温箱中然)。发酵结束测定乙醇和还原糖含量,结果见表3。结束→蒸馏→测酒精度→测蒸馏废液中残还原糖含量→计算酒精产率。表3复合酶添加量对发酵产酒精的影响复介酶发酵前后添加量失重量酒精度残还原糖含量酒精产率2结果与分析(%vol()(g)(g/100ml21菊芋粉成分含量(表1)表1菊芋块茎中各种成分含量0.157.30.458指标水分5.30粗蛋白8.910.2511.810.00.2123L.57总糖还原糖25.85粗脂肪灰分7.54粗纤维由表3可知,在上述条件下,随着复合酶添加量的增加,发酵前后失重量增加,残还原糖量减少。当复合酶22单因素对发酵过程的影响添加量为0.2%时,酒精度和酒精产率均达到最大值,此22.1料水比对菊芋粉发酵产酒精的影响后随着复合酶添加量的增加.发酵液中水解产生的可发料水比影响到发酵的醪液浓度和酶浓度。在此确定酵中国煤化工着发酵的进行,发酵液料水比分别为:14.0、14.5、1:50、1:55和160(每一梯度中CNMH(得发酵液中部分可发发酵3瓶,结果取其平均值,以下同)。其他条件分别为:酵性糖未被酵母利用,残糖增多,原料利用率相对降低。复合酶02%;酵母活化液6mL,发酵温度36℃;发酵时因此,复合酶并非添加越多越好,而是有一个最适添加李俊俊,唐艳斌,唐湘华,段永忠,许波,黄遵锡·复合酶在菊竽粉发酵生产燃料乙醇中的应用量,通过此试验确定其最适添加量为02%。发酵时间影响到原料和设备的利用率,设发酵时间223酵母添加量对菊芋粉发酵产酒精的影响分别为16h24h32h、40h48h、56h和64h。其他条件酵母作为发酵菌种,其添加量的多少影响到发酵周分别为:料水比1:5;酵母活化液6mL;复合酶02%;发期和酒精产率,设定其添加量分别为:4mL、6mL、8mL、酵温度36℃;pH5.0(自然)。发酵结束,测定乙醇和还原10mL和12mL。其他条件分别为:料水比15;复合酶糖含量,结果见表6。02%;发酵温度36℃;发酵时间24h;pH5.0(自然)。发表6发酵时间对产酒精的影响酵结束测定乙醇和还原糖含量(发酵总体积一定,不足部发酵时间发酵前后失重址汭精度残还原糖含量洒精产率分用水补足),结果见表4。(%voI)(g/100nL)(1610.59.80.21330.94表4酵母添加量对发酵产酒精的影10添加量发酵前后酒精度残还原糖含量酒精产率32(叫)失重量(g)(vo1)(g/100a)4012.51032.209.88.50.23926.844812.710.50.19933.155613.010.10.18212.010.0.1832.8313.21012.30.18412.50.179由表6可知,在上述条件下,随着发酵时间的延长,由表4可知,在上述条件下,随着酵母添加量的增发酵前后失重量增加,残还原糖量减少。当发酵时间为加,发酵前后失重量增加,残还原糖量减少。当酵母添加24h时,酒精度和酒精产率均达到最大值此后随着发酵量为6mL时酒精度和酒精产率均达到最大值,此后随时间的延长,酒精度几乎不变,甚至略有下降。说明随着着酵母添加量的增加,水解产生的可发酵性糖不能满足发酵时间的延长,酵母利用的可发酵性糖越来越少,在极酵母发酵之用,酵母菌处于饥饿状态就有可能把发酵产度匮乏的条件下,酵母菌有可能利用已生成的乙醇为原物乙醇作为碳源,使之转化为酸。故发酵结束虽然残糖料来维持其生存将乙醇转化为酸等物质最终导致酒精很低但酒精度和酒精产率却相对较低。因此通过此试度随发酵时间的延长而略有下降。因此通过此试验确验确定酵母活化液的最适添加量为6mL。定发酵的最佳时间为24h22.4发酵温度对菊芋粉发酵产酒精的影响22.6发酵pH值对菊芋粉发酵产酒精的影响温度影响到复合酶的作用效果和酵母菌的生长繁pH值影响到复合酶的作用效果和酵母菌的生长繁殖,设定发酵温度分别为28℃32℃、36℃和40℃其殖,设定发酵的pH值分别为40、4.550(自然)55和他条件分别为:料水比1:5;酵母活化液6mL;复合酶6.0。其他条件分别为:料水比1:5;酵母活化液6mL;复02%;发酵时间24hpH50(自然),发酵结束测定乙醇合酶02%;发酵温度36;发酵时间24hb。发酵结束,和还原糖含量,结果见表5。测定乙醇和还原糖含量,结果见表7。表5温度对发酵产酒糟的影响7pH对发酵产酒精的影响发酵温度发酵前后汭精度残还原糖含量酒精产率发酵发酵前后失重量酒精度残还原糖含量酒精产率(℃)失重量(g)(vol)(g100cL)(%pH值(g)(%vol)(g/l00叫L)(%)10.39.229.0510.40.218826010.910.910.00.20431.572.110.50.17933.1512.010.432.830.2125.510.00.18031.57由表5可知,在上述条件下,随着发酵温度的增加发酵前后失重量增加,残还原糖量减少。当发酵温度为由表7可知,在上述条件下,随着发酵pH值的增36℃时,酒精度和酒精产率均达到最大值,此后随发酵加,发酵前后失重量增加,残还原糖量减少。当发酵pH温度的升高酵母热耐受性降低,虽然起始发酵迅速,但值为5.0(自然)时,酒精度和酒精产率均达到最大值,此随着发酵时间的延长,酵母死亡率增加导致后发酵几乎后随发酵pH值的增加酒精度却在下降,而残糖含量也停止,水解产生的可发酵性糖利用不完全使得酒精度和在减中国煤化工性可以达到“以酸制原料利用率下降。因此,通过此试验确定发酵的最适温酸CNMHG偏中性,易感染产酸度为36℃。菌,产酸菌产酸会损失糖分,降低酒精产率,导致虽然残22.5发酵时间对菊芋粉发酵产酒精的影响还原糖含量低,但酒精度却不高。另一方面pH值过小或酿酒科技200年第3期(总第177期)· LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2009No,3To.l77过大都会降低复合酶中部分酶制剂的活性,甚至使其失前屋后、南方北方均可种植。管理也比较粗放,一次种植活,不利于对菊芋粉的分解作用。因此,通过此试验确定多次采收;且全植株均可利用,亩产鲜茎叶可达5~10t发酵的最适pH值为50,即自然pH值茎叶经发酵可制成优质饲料,蛋白质含量高。亩产地下块2.27正交实验茎可达3~5t,可提取菊粉、腌制酱菜,发酵酒精。以淀粉由以上单因素发酵实验可知,料水比、复合酶添加质为原料发酵生产酒精的设备均可以以菊芋为原料发酵量、酵母添加量、发酵温度对菊芋粉发酵产酒精影响较生产酒精,且菊芋采收一般在冬季,与其他原料采收季节大,故采用L(31)正交表对料水比、复合酶添加量、酵母错开,利于提高设备利用率添加量和发酵温度进行优化实验,以确定最佳的发酵条按以上工艺所得的酒精产率,对菊芋粉发酵产酒精件进行成本分析结果见表102271因素水平设计(表8)表10菊芋粉发酵产酒精成本分析表8正交试验因素水平设计项目数量(t)单价(元/t)金额(元)A:B:复合酶添加量C:温度D:醉母添加量菊芋片平料水比(%)(mL)复合酶0.0060.15干酵母0.01821:5.00.2031:5.5468生产成本300维护和维修100销售1002272正交试验设计(表9)总成本3476表9正变试验结果试验AB发酵20℃酒精由表10可知,菊芋粉发酵生产酒精成本可控制在C3500元∫左右,按国家对燃料价格的规定,目前我国90°()(%vo1)(%)燃油出厂价5200元t,燃料乙醇价格为4700元∧左右。.02225.02410.83410数据表明,单从酒精生产的角度可以实现盈利1200元31左右。421235.02410.332.523结论315.0249.93162125.0249.730.623.1菊芋粉发酵生产酒精的最佳工艺条件为:料水比为3325.0248.526.14.5,复合酶添加量为0.2%,发酵温度为36℃,酵母添3135.0249.529.99939.028.41加量为6mL,发酵pH值为50,发酵时间为24h。在此K128.6026.5026.9026.60工艺条件下酒精度可达10.8%vol,原料出酒率可达K229.9030.2030.1029.0034.10%。K327.0028.8028.5029.90kI9.538.838.978.873.2在此工艺条件下发酵生产酒精,其操作步骤简单9.9710.0710.039.67稳定性好、发酵时间短,提高了设备利用率。k39.009.609.509.973.3应用复合酶发酵菊芋粉生产酒精技术经济可行性R2.903.703.203.30分析表明,单从酒精生产的角度可以实现盈利1200元t从表9可看出本实验所选的各影响因素在不同水左右。因此以菊芋为原料发酵生产燃料乙醇具有很好的平下均可很好地发酵生产乙醇。由极差分析可知:料水潜力。比、复合酶添加量、发酵温度、酵母添加量4因素极差分参考文献:别为290370、3.20和330。因此,在所选定的实验范围]陈铭达,刘兆富菊芋的加工及开发利用门中国林副特产,内4因素主次关系为B>D>C>A,即复合酶添加量>酵母添加量>发酵温度>料水比,通过极差分析得到2]孙纪录贾英民,桑亚新菊芋资源的开发利用U食品科技,加量为02%发酵温度为36℃,酵母添加量为6m,发20027-29ABCD2为最佳工艺条件。即:料水比为1:4.5,复合酶添中国煤化工发酵生产乙醇的初步研酵pH值为5.0,发酵时间为24h。在此工艺条件下酒精CNMHG中国轻工业出版社度可达108%Vl,原料出酒率可达3410%1998.599-610228菊芋粉发酵产酒精技术经济分析5]王福荣生物工程分析与检验M]北京:中国轻工业出版社,菊芋对生长环境要求很低,荒山野坡、盐碱滩地、房2005.140-148