菊芋制备生物乙醇的研究进展

安微农业科学, Joumal of Anhui Agri..Soi.2010,38(26):14819-14820责任编辑张杨林寶任校对况玲玲菊芋制备生物乙醇的研究进展张美德2(中国科学院青岛生物能源与过程研究所山东青岛261012中国科学院研究生院,北京1009摘要从发酵工艺、栽培、收获等方面概逑了国内外菊竽制备生物乙醇方面的研究进展,在分析菊芋制备生物乙醇的优势的同时,提出了菊芋制备生物乙醇产业化中尚待解决的一些问题。关键词菊芋;生物乙醇;进展中图分类号S682.1·1文献标识码A文章编号0517-6611(010)26-14819-02Research Progress of Bioethanol from Jerusalem ArtichokeZHANG Mei-de (Qingdao Institute of Bioenergy and Process, Chinese Academy of Sciences, Qingdao, Shandong 266101)Abstract Research progress of bioethanol from jerusalem artichoke on aspects of fermentation, culture and harvest were reviewed. Advantageswell as problems in ethanol production from jerusalem artichoke were also analyzeey words Jerusalem artichoke; Bioethanol生物乙醇是指以生物质为原料,经过发酵、蒸馏工艺制分的损失。成的燃料乙醇。它可以单独或与汽油混配制成乙醇汽油作研究表明发酵时的pH值酵母类型会影响乙醇的产率。为汽车燃料。生物乙醇的开发能减轻人类对石油等化石燃 Guiraud等发现在pH值35的条件下,具有菊粉酶活性的酵料的依赖降低温室气体的排放,从而更好地保护环境。巴母在半连续过程培养7d后能达到较高水平的发酵效果。而西和美国分别以甘蔗和玉米为原料成功开发了生物乙醇。在非酸性条件时,会产生沉淀,从而降低发酵效率。Sam近年来我国也相继对甜高粱、木薯、甘薯、菊芋等植物开展 belan等研究表明,当用具有菊粉酶活性的酵母( kluyeromy了生物乙醇开发方面的研究。由于菊芋高效多产且适应性 ces fragilis)与无菊粉酶活性的酿酒酵母( Saccharomyces cervi.强能忍受干早、盐碱、贫瘠等恶劣环境符合“不与人争粮、siae)或运动发酵单胞菌(2 zymomonas mobilis)混合使用时,能不与粮争地”的生物质能源开发原则,因而引起了广泛的获得比使用单个微生物高2%-12%的乙醇产量。关注。笔者综述了菊芋制备生物乙醇的研究进展旨在为更1.2栽培品种对菊芋z醇生产的影响栽培品种也会影响好地开发生物能源提供参考。菊芋乙醇的产率。 Baldini等对6个菊芋品种的块茎和茎1菊芋制备生物乙醇研究概况秆中菊粉和糖含量进行了评估,发现品种间差异较大。菊芋( Helianthus tuberosus L.)别名洋姜鬼子姜是菊科 Stolzenburg对17个菊芋栽培品种的块茎产量和乙醇产率进向日葵属多年生植物。原产北美,17世纪移植于欧洲目前行了研究,发现块茎产量越高,乙醇产率也越高。如BS8遍及加拿大美国英国法国德国意大利、荷兰、日本、印17块茎产量和乙醇产率分别为12.2hm2和5589Lh度等国我国从南至北均有栽培。菊芋块茎中富含丰富的菊而 Henriette I块茎产量和乙醇产率分别为.6v/hm2和粉转化为果糖后可用来生产乙醇。国外从20世纪20年代2630Lhm21。开始就已经研究利用菊芋生产乙醇。Koai等使用一种凝1.,3收获季节及储藏温度对菊芋乙醇生产的影响收获时聚性莫氏假单胞杆菌发酵菊芋汁液生产乙醇在批量生产中间对菊芋乙醇生产也是至关重要的。 Saengthongpinit等对不每升汁液含有245g糖,可以获得乙醉约10L.相当于理同收获时间以及储藏温度下菊芋块茎中菊粉的变化情况进论产量的92%,每公顷每年生产的块茎可以转化成4500L行了研究发现较晚收获的块茎中菊粉含量减少,而果糖和乙醇和碳氢燃料2。目前已经在发酵工艺、栽培、收获等蔗糖含量增加。相关研究表明,9、10月份收获的块茎具方面开展了菊芊制备生物乙醇的研究有较差的发酵效果;而过冬后收获或低温储藏的块茎具有很1.1发酵工艺对菊芋乙醇生产的影响在发酵生产生物好的发酵效果。这是因为过早收获时,由于绿原酸或类似的乙醇前,生物质材料需要经过一系列的预处理,如材料破发酵抑制物的存在,会影响发酵效果。而过冬后收获或低碎、果肉果浆分离等。进一步的处理则包括木质素去除以及将细胞或半细胞成分水解消化成可发酵成分。根据发酵温储藏时,块茎中的菊粉会降解成大量可发酵的糖分,从而具有理想的发酵效果所需的步骤,可以把菊芋发酵生产乙醇工艺分为单独水解发酵法(SHF)和同时糖化发酵法(SF)。SHF指先通过1,4茎和块茎的乙醇生产潜力比较在以往的研究中,主要用块茎来生产乙醇。近年来开始有人研究用菊芋的地上酸或酶水解将菊粉转化成可发酵糖分,然后转移到另一容器用细菌或酵母发酵生产乙醇:而SF则无需经过事先水部分(茎)来生产乙醇。根据光合同化物分配模式的变解直接用具有菊粉酶活性的一类酵母(如 kluyveromyces mo化中国煤化工期:萌发和形态建成sianis)即可在一个容器内进行发酵生产乙醇。和SHF法相CNMHG和衰老期“。在块茎比SF法操作简单能节约大量的能耗,以及减少可发酵糖形成期乙前,叶片光合作用秋系的光合产物主要存贮于茎叶中;在块茎形成期,茎叶中存贮的光合产物直接转移到块茎作者简介张美德(1978-),男,江西奉新人,博士研究生,研究方向:中同时叶片光合作用刚固定的光合产物也直接运输到块茎收稿日期20100531中。因此块茎形成前的茎可用作乙醇生产。Cu等对1214820安撒农业科学2010年个不同成熟期品种进行了茎和块茎的乙醇生产潜力比较。然杂志00,29(1):21结果表明,早熟品种茎和块茎的产量都低于中、晚熟品种,[2]KOSARIC N, COSENTINO G P, WIECZOREK A, et al. The jerusalem arti.choke as an agricultural crop[ J]. Biomass, 1984,5: 1-36中晚熟品种的茎和块茎都表现出更高的产糖量,因此有更[3] SWANTON CJ, CAVERS P B. Biomass and nutrient allocation pattems in高的乙醇生产潜力。另外,中、晚熟品种茎的乙醇生产潜力jerusalem artichoke( Helianthus tuberosus )[J]. Canadian Joumal of Bots-my,199,67:2890-287仅为块茎乙醇生产潜力的38%[4]KAYS SJ, NOTTINGHAM S T. Biology and chemistry o jerusalem art.2菊芋制备生物乙醇的优势hoke: Helianthus tuberosus L [M].Boca Raton, Fla: CRC[5]GUIRAUD J P, CAILLAUD J M, GAIZY P Optimization o前美国的玉米乙醇、巴西的甘蔗乙醇法国的甜菜乙duction from jerusalem artichokes[J]. Applied Microbiolog二=醇等乙醇开发都比较成功然而也有不足之处。如美国由于种植玉米需要占用大量的耕地,从而引发了全球粮食危机[6] SZAMBELAN K, NOWAK J, CZARNECKI Z Use d z,and Saccharomyces cerevisiae mixed with Kluyveromyces fragilis for im-此外种植玉米需要农药氮肥等的大量投入,并产生与化石cmx高muhm小h能源相似的温室气体排放量“。与玉米、甘蔗甜菜等相[7] CHABBERT N, GUIRAUD J P, ARNOUX M,ed. Productivity and fer比,菊芋具有下列优点:可以在干旱、盐碱、贫瘠等恶劣环境rentability of different jerusalem artichoke( Helianthus tuberosus )culti-an[J]. Biomass,1986,6271?284中生长因此不会占用耕地;肥料、杀虫剂灌溉等方面所需8] BALDIN M, DANUSO F TURI M,ed. Evaluation of new clones of jer-投入低。周正等进行了菊芋替代玉米发酵生产乙醇方面d Products,2004,19:25?40的研究结果表明由菊芋生产燃料乙醇的成本比玉米燃料[9] STOLZENBURG K. Topinambur( Helianthus tuberosus l.)- Rohstoif fur乙醇更具优势。如果能提高原料的利用率以及增加副产品die Ethanodgewinnung, Lap Forchheim Gernany, 2006[ Eb/oL]. hTtp!//的利用价值菊芋燃料乙醇的优势将更明显www.lap-forchheim.del[10]SAENGTHONGPINTT W, SAJJAANANTAKUL T Influence of harvest3结语time and storage temperature on characteristics of inulin from jerusalem随着人类的大量开发利用,石油等化石能源面临枯竭的artichoke( Helianthus tuberosus L)tubers[J]. Postharvest Biology and危险而且这些化石能源所释放的SO2和CO2已经严重威胁1 I CASERTA G. CERVIGNI T The use of Jerusalem artichoke stalks for the到人类生存的生态环境。因此开发新的环保能源来取代化石uction o fructose or ethanol J]. Bioresource Technolo47?250能源将是避免环境恶化的有力手段。而能源植物以其资源的2] NEGRO M J, BALLESTEROS L, MANZANARES P, et al. Inulin- contRi丰富性、可再生性和二氧化碳零排放等优势必将成为一种重要ng biomass for ethanol production: carbohydrate extraction and ethanolfermentation[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2006, 129/的替代能源。菊芋是一种非常理想的能源植物在我国生物质产业“十一五发展规划”中菊芋与甜高粱、木薯、甘薯等一并列[13] CURT M D, AGUADO P, SANZ M,dl. Clone precocity and the use dfHelianthus tuberosus L stems forops and为我国生物质产业优先发展的能源植物。菊芋等生物质能源的开发将有利于缓解能源短缺的紧张局面。然而,要实现菊[14] PEARCE F Fuels gold: big risks d the biofuel revolution[ J]. New Scien-芋能源乙醇生产工业化还需要做好以下几方面的工作:①[15] PIMENTEL D. Ethanol fuels: energy balance, COnduCE, and environmen.提高产量,降低栽培收获、运输成本。通过基因改良等方式134.培育高产且抗逆性强的菊芋品种,提高菊芋的产量。同时通[16] KLASS D I. Biomass for renewable,hnk,咖 d chemicals[M].SDiego: Academic press, 1998过就近加工等方式努力降低菊芋乙醇生产成本。②提高副[7]周正曹海龙朱豫等菊芋替代玉米发酵生产乙醇的初步研究[品的利用价值。如菊芋乙醇生产后产生的浆液可用作动西北农业学报,2008,17(4):27-301,305物饲料。③改进乙醇生产工艺提高乙醇产率降低乙醇[18]葛月红菊芋栽培技术[门内蒙古农业科技,3008(5):114.生产总成本,增强菊芋生物乙醇的市场竞争力。[19]刘彦宋维平张艳菊粉对猪肉脂肪组织中3-甲基吲哚含量的影响参考文献[J].华北农学报m06,21(6):128-130.[1]李军吴平治李美茹等能源植物的研究进展及其发展趋势[J自““m(上接第14801页)4结语3《园林植物遗传育种学》实验教学改革效果实验教学是高校培养学生的重要环节,如何充分开发经过几轮的教学实践通过不断地改革与探索新的教利用有限的实验资源条件对于提高实验教学水平至关重学模式克服了传统教学模式的弊端充分挖掘了可利用的资要。总之,创新能力的培养是顺应时代发展所提出的。每源,节约了教学成本,使学生的学习效果得到了提高深受位高校教师只有不断地更新教学观念,采用创造性的教学学生的欢迎。对20072008级园林专业学生进行了问卷调手段和方法,与时俱进,才能有效地调动学生学习的兴趣,查,评估了实验教学改革的效果,多数学生认为改革效果从而培养学生的创新能力“较好”或“非常好”(表3)。学生亲自实践每一个试验环參考中国煤化工节激发了科研兴趣,提高了综合运用知识解决问题的能1]才培养模式初探[J]绵阳CNMHG力;模拟科学研究的环境培养学生的自学统筹管理与合(2吴9和0)-a中培养学生创新能力的探作等综合能力。讨