荔枝渣发酵转化乙醇的工艺参数优化

广东农业科学2013年第1期荔枝渣发酵转化乙醇的工艺参数优化邱松山,周如金,黄敏,姜翠翠(广东石油化工学院化学与生命科学学院,广东茂名525000摘要:采用均匀设计优化荔枝渣低温发酵转化乙醇的工艺参数,荔枝渣预处理工艺主要考察酶用量、酶解时间、酶解温度对酶解效果的影响,发酵转化乙醇工艺主要考察酒曲添加量、发酵时间、发酵温度、糖度等参数对发酵过程中乙醇得率的影响。利用DPS705软件对荔枝渣低温发酵转化乙醇的发酵工艺进行偏最小二乘回归分析,获得最佳的发酵T艺参数为酒曲添加量05%,发酵时间168h,发酵温度30℃糖度16°Bx,优化模型的乙醇得率为1716%,在此条件下实际乙醇得率为154%。关键词:荔枝渣;发酵;乙醇中图分类号:TS209文献标识码:A文章编号:1004-874X(2013)01-0099-03Technique of ethanol production fermented with raw Litch residueQIU Song-shan, ZHOU Ru-jin, HUANG Min, JIANG Cui-cui(School of Chemistry and Life Science, Guangdong University of Petroche mical Technology, Maoming 525000, China)Abstract: In this paper, the technologies of ethanol production fermented from litch residue were discussed using uniform design andthe optimization parameters of alcoholic fermentation as the index of alcoholic productive rate were studied. It mainly investigatedamount of enzyme, the time and temperature of enzymatic hydrolysis in the pretreatment process of samples. We also studied theparameters of the process of ethanol production fermented of samples including the addition amount, the time andemperature offermentation and sugar degree, respectively. The results showed that the initial concentration of saccharification liquid was 16 Bx, thealcoholic additive was 0.5%, the fermentation temperature was 30'C, and the best fermentation time was 168 h, and the alcoholicproductive rate could reach 17. 16% under the best optimization parameters with the help of DPS705 software by uniform design. Thepractical yield of ethanol was 15. 4% under this conditionKey words: Litch residue; fermentation; ethanol发酵法生产乙醇是当代世界生物技术产品中数量最多对人类益处最大的产品,面对供应日益紧张的化石能1材料与方法源,研发可替代石油产品能源已成为当前世界性的课题。11试验材料利用工业废弃物如秸秆、荔枝渣等生物质制备燃料乙醇荔枝渣:由广东为多生命高科有限公司提供,经晾晒既能发展替代能源,又能有效解决废弃物污染问题。目前烘干、粉碎过042mm孔径的筛备用。利用生物质原料制备乙醇的研究较多,较典型的有酒糟、果胶酶(酶活力50000U1g)和纤维素酶(酶活力15000菊芋叫、马铃薯、玉米秸秆荔枝核发酵生产乙醇等。我Ug)均购自上海源聚生物科技有限公司,安琪酿酒曲购于国是荔枝栽培大国,荔枝加工产品远销国内外,荔枝渣是安琪酵母股份有限公司;其余试剂均为实验室常用分析荔枝深加工过程中的皮和核的混合物对荔枝渣成分分析纯;试验用水均为去离子水发现荔枝渣中含有大量的果胶、糖分等,糖类物质主要是培养基:斜面培养基为麦芽汁固体培养基;种子培养葡萄糖、果糖及蔗糖,可被微生物利用生产酒精、果酒、果基为荔枝汁液体培养基明,将鲜荔枝榨汁115℃灭菌30醋、琥珀酸及柠檬酸等微生物产品,废弃荔枝渣是对生物min备用;发酵培养基为荔枝渣培养基。质资源的极大浪费,同时造成环境污染。充分利用荔枝深主要设备:RE-52型旋转蒸发器,上海亚荣生化仪器加工过程中荔枝渣发酵生产乙醇不仅可以充分利用生物厂:JY2502型分析天平,上海精密科学仪器有限公司质资源,而且能避免荔枝渣造成的环境污染,并能为发展DKs24型可控恒温水浴锅,上海精宏实验设备仪器厂。荔枝加工产业另辟蹊径因此开发利用荔枝渣生物质资源12试验方法具有显著的意义。本试验在前期研究基础上,以荔枝渣为121试验工艺流程荔枝渣→烘干→粉碎→过筛→调原料,将其糖分纤维素等物质发酵转化为燃料乙醇,采用浆糖化→灭菌→加入酒曲→发酵→蒸馏→脱水→乙醇。均匀设计初步探讨了荔枝渣低温发酵转化乙醇的工艺,为1.22荔枝渣预处理工艺荔枝渣中存在较多的果胶、纤充分利用这一宝贵生物质资源提供参考维素、总糖等物质,为了使发酵酵母充分利用荔枝渣中的营养物质,需井行复合酶解预处理。预试验表明收稿日期:2012-12-13基金项目:广东省科技计划项目(2011B010100046);茂名市科pH值35时酶中国煤化工单因素试验筛选基础上选取影CNMH〔、时间、温度作为技计划项目作者简介:邱松山(1978-),男,博土,讲帅,E-mal: tustqss@16考察因素,采用均匀设计表U(7勹优化荔枝渣预处理工艺,com均匀设计中心化偏差CD=04760,以酶解液中糖度作为评100价指标,试验结果参考章英等、宋明军等叫的方法以平22发酵工艺均值表征,试验方案见表1。22.1发酵温度对乙醉得率的影响酵母生长和酒精代谢酶系统的重要影响因素是发酵温度,酵母生长在低温表1均匀设计U(7试验结果时会受到抑制,酶系统的产量和活性较低;温度较高时钝序号A果胶酶量B纤维素酶量C时间D温度糖度化了酵母的发酵酶系,酵母活力受到明显抑制5。在前期0.6(h)(℃)(Bx)试验的基础上,调节发酵醪的pH值为45、糖度为16°Bx153.273.54酒曲添加量为05%,分别在不同温度条件下发酵72h1.0研究发酵过程中温度对乙醇得率的影响,结果如图1所1.0示。由图1可知,发酵温度对乙醇得率的影响较大,随着温度的升高乙醇得率不断增大,当温度达到36℃时,乙醇60.82.0254.1214得率最大。随后乙醇得率开始下降。222发酵时间对乙醇得率的影响在其他发酵参数一定1.23乙醇发酵工艺在500mL发酵瓶中装入200mL12荔枝渣培养基,于115(±1)℃灭菌20min,按10%接种量接10种荔枝汁液体培养基,厌氧塞封口,于一定温度恒温培养箱中培养。在发酵生产乙醇工艺参数的单因素试验基础上,选取影响发酵的相关因素包括酒曲添加量、发酵时8+密滥间、发酵温度、糖度作为考察因素,选择混合水平均匀设2计表U6(62×21)安排发酵工艺参数优化试验条件,定期取样分析相关参数。124分析方法还原糖含量采用3,5-二硝基水杨酸比温度(℃)色法测定,用葡萄糖作标样绘制DNS显色的标准曲线。图1发酵温度对乙醇得率的影响总糖测定采用蒽酮比色法测定。酒精体积分数的测定按的条件下,36℃下分别发酵不同时间比较发酵时间对发酵照文献[13方法进行。乙醇得率按下式计算过程中乙醇得率的影响。由图2可知,不同发酵时间对乙乙醇得率(%)=产6%原酒(kg)×100醇得率的影响不同,随着时间的延长,发酵越充分,乙醇得料总耗量(kg)率越高。当发酵时间为168h时,乙醇得率达到最高,随后2结果与分析又不断减少。因此,当发酵时间为168h时,乙醇得率最高。2.1荔枝渣预处理工艺在此条件下若发酵时间过长,则易引起发酵产物的分解不利于分离,而且易产生更多副产物抑制发酵的进行。在单因素试验的基础上,采用均匀设计方法对荔枝渣预处理工艺进行优化的结果如表1所示。以酶解液中223糖度对乙醇得率的影响为了研究发酵醪液不同糖度为因变量,用DPS705软件数据处理系统对表1所示试验结果进行偏最小二乘回归分析。得回归方程为y=5995766x-0985134x1-1.154592x2+0.780762x30.097382x4+0.146439x2+0.062481x2-0.029009x32+0000424x2+0.038103xx2-0.074330xx3+0011377x4-0070654x3+0020776x3x40.004004x4数据标准化后计算相关系数,得误差平方和为07926;决定系数R2为09679; PRESS统计量为60112从决定系数可以看出,其回归模型的拟合程度较好。荔枝发酵时间(h)渣预处理工艺参数中影响因数的回归系数的绝对值越大图2发酵时间对乙醇得率的影响表示因素对结果的影响越大,反之影响较小。根据因素回糖度对发酵过程中乙醇得率的影响,调发酵醪液的pH值归系数确定主次关系为X1>X>X2>X,表明添加果胶酶量为4.5,添加酒曲05%,在36℃条件下分别调节不同糖度对酶解液中糖含量影响最大,酶解时间次之,酶解温度影发酵72h,乙醇得率的变化如图3所示。由图3可知,发响较小。通过对预处理工艺参数的考察,确定了最佳预处酵醪液不同糖度对乙醇得率的影响较大,随着糖度的升理条件下酶解液中糖含量和酶解率都较高,可直接用于高乙醇得率不断增加,当糖度为16°Bx时,乙醇得率达到乙醇发酵,选择在50℃条件下,添加1200U/g果胶酶和最大值。较中国煤化工的葡萄糖阻遏作用1.0%纤维素酶酶解水解2h效果最佳,此时经预处理的酶和底物抑制作CNMHG降低了乙醇得率解液中糖度含量为396°Bx。根据均匀设计确定的优化工2.4酒曲添灬y呼付平町形啊酒曲添加量影响艺进行验证试验,计算酶解液中糖度为384Bx,说明采用发酵产乙醇的速度,酒曲添加量大则起始发酵速度快,可均匀设计优选可充分考察各因素的水平差异。抑制杂菌的生长,缩短反应时间,反之则起始发酵较缓数可判断因素主次关系为X>X→>X心X1,表明酒曲添加量15对乙醇得率影响最大,发酵时间次之,发酵温度影响最小。通过对偏最小二乘回归模型的分析,确定了最佳的荔枝渣发酵生产乙醇工艺参数条件为:pH值为45时酒曲添加量0.5%,发酵时间168h,发酵温度30°℃,糖度16°Bx,在此条件下模型预测的发酵生产乙醇得率为1716%。并根据均匀设计试验确定的优化工艺,选取3份样品121618进行验证试验,计算乙醇得率为154%,和模型预测值的醪液糖度(Bx)图3糖度对乙醇得率的影响相对误差为45%。何珺珺等采用响应面法优化荔枝渣发酵的酒精产量达到每100g886mL(得率为10.6%),表明慢,抵御杂菌能力弱。在其他发酵参数一定的条件下,设采用均匀设计优选结果的数据更优越,可较充分地考察酒曲添加量分别为0.4%06%0.8%、1.0%、1.2%,在36℃各提取因素的水平差异。条件下发酵72h,比较不同酒曲添加量下乙醇得率的变化,结果如图4所示。由图4可知,不同酒曲添加量对乙3结语醇得率的影响不同,随着酒曲添加量增大,乙醇得率缓慢在单因素试验基础上通过均匀设计试验优化了荔枝增加,在酒曲添加量为0.5%时,乙醇得率最高,随后乙醇渣发酵转化为乙醇的工艺条件,结果表明荔枝渣预处理得率下降。综合考虑酒曲添加量应为0.5%。工艺中添加1200Ug果胶酶和10%纤维素酶酶解水解23发酵工艺参数优化2h后荔枝渣的预处理效果较好。在荔枝渣发酵过程中运用混合均匀试验设计并采用偏最小二乘回归分析方法优化了发酵生产乙醇工艺,根据其回归方程分析较佳的发酵工艺为酒曲添加量0.5%,发酵时间168h,发酵温度82N30℃,糖度16°Bx,优化模型的乙醇得率为17.16%,在此条件下实际乙醇得率为154%。参考文献[u] Macrelli S, Mogensen J, Zacchi G. Techno-economic evaluation0.100.200.300.400.500.60of 2 generation bioethanol production from sugar cane bagasse酒曲添加量and leaves integrated with the sugar-based ethanol process [J]图4酒曲添加量对乙醇得率的影响Biotechnology for Biofuels, 2012 5: 22]宋安东张建威吴云汉,等利用酒糟生物质发酵生产燃料乙醇在单因素试验的基础上,按照均匀设计表安排发酵的试验研究J农业工程学报2003,19(4)278-281工艺参数优化试验条件,选择混合水平均匀设计表(3]李杰菊李乙醇发酵工艺的初步研究D南京南京农业大学U(62×2)安排优化工艺试验,中心化偏差CD=0.3581,其4 Chen J, Quan M, Cheng Y,eta. Acetylcholinesterase inhibitory结果如表2所示。activity of Chinese sufu (fermented tofu)ethanol-extract[J]. Food以乙醇得率为因变量,采用DPS7.05软件数据处理系Chemistry.,2012,134(3:1263-1266统对表2所示试验结果进行偏最小二乘回归分析,得回归5李兴革,李志江牛广财等利用马铃薯生产酒精发酵工艺参数的研究门农产品加工学刊,200907:16-23方程为=13372280140206438X+0042382X+6583562Xy1牛整赵华夏媛媛等堆积糖化对玉米秸秆同步糖化固态发酵0630933X0004809X12+0000116X2+0259766X3+0020535生产乙醇的影响中国酿造,2012,31(4):102-105X2-0.0003x013609Xx0.006001731Xx27何丹,肖更生,吴继军,等荔枝核无蒸煮发酵生产酒精的工艺研X3+0.001473X2X40.105604Xyx4究酿酒,200835(1)44-46数据标准化后计算相关系数,得误差平方和为8]黄文芳张松微生物学实验指导[M]广州:暨南大学出版社200307061,决定系数R2为09959。从决定系数可知其回归模9何珺珺周如金唐玉斌等响应面法优化荔枝渣发酵生产酒精型拟合程度较好。回归系数分别为X=0.2374、X2=0.2878的工艺条件[食品科学,20132(13):254-257X=0.8304、X=-02610。根据发酵工艺相关参数的回归系10章英宋江峰李大婧等均匀设计优选超声波提取甘薯叶黄酮的研究食品科技2010,35(61190-198表2发酵工艺均匀设计试验结果ll宋明军汪志君,顾林均勺设计法姜油树脂提取工艺的优化研究U中国酿造,2009(744-57序号A发酵温度B发酵时间C酒曲添加量D糖度乙醇得率12吐尔逊吐尔干乃义,马木提热衣木阿巴斯阿不都拉35-硝基B648486水杨酸法测定中国树花中多糖的含量门食品科学,2009,304)132184236-238中国煤化工l8.6[3]何珺珺,周」用荔枝渣生产酒精05性能的比CNMH9-204710.1「4李兰高广西石榴酒发酵条件的优化小酿酒2010,37(6):82-85l685.8