甘薯生产燃料乙醇的发酵品质评价研究进展

甘薯生产燃料乙醇的发酵品质评价研究进展张晓双,武鵬,赵仁勇(河南工业大学粮油食品学院,河南郑州450001)摘要:综逑了甘薯生产燃料乙醇发酵品质评价方面的研究进展,讨论了原料的组分含量、理化特性、关键组分及其在发酵过程中的变化与发酵参数的相关性等指标来评价甘薯生产燃料乙醇发酵品质的可行性与不足之处,简要介绍了完全水解淀粉(CHS)含量及快速黏度分析(RVA)等新型评价手段的应用,为建立评价甘薯生产燃料乙醇的发酵品质指标俸系提供参考关键词:甘薯;淀粉;乙醇产量;转化效率;品质中围分类号:TS262.2文献标志码:B文章编号:1003-62022012)05-0031-04在全球能源短缺及环境压力日益增大的背景1组分含量与原料发酵品质的相关性研究下,寻找可再生的清洁能源特别是以燃料乙醇为代评份原料的发酵品质涉及到两项重要参数,即表的生物质能源,已成为维持人类社会可持续发展乙醇产量和转化效率。转化效率用乙醇实际产量占的迫切需要。燃料乙醇用植物原料制造,是取之不理论产量的百分比表示,反映了淀粉的利用效率,与尽、用之不竭的可再生能源,而且是一种良好的汽油发酵品质正相关。增氧剂和辛烷值调和组分,能有效降低汽车尾气中目前关于甘薯发酵品质评价方法的研究报道尽的一氧化碳含量,从而真正实现节能减排。管很少,但完全可以借鉴玉米、高粱等原料的相关研采用纤维质原料生产燃料乙醇是未来的发展方究,通过分析原料中淀粉、蛋白质等组分的含量以及向,但目前其转化成本很高且工艺复杂,还处于试验原料的理化特性与乙醇产量、转化效率等发酵参数阶段。目前生产中多采用淀粉质原料作为过渡,据的相关性,筛选出能快速评价发酵品质的指标。报道口,200年淀粉质原料生产的燃料乙醇古全球1.1淀粉含量与发酵品质燃料乙醇总量的60%。非主粮原料甘薯的淀粉含淀粉是甘薯的主要组分,淀粉水解成的葡萄糖量约占其干基重的46.8%~73.6%,以其来生产可被酵母利用转化为乙醇。发酵机理如下燃料乙醇不会影响粮食安全,因此可以在生产上广2丙酬一2乙醛→2乙泛应用。2C0, 2NADH+H* 2NAD在评价谷物生产燃料乙醇的发酵品质方面,毫无疑问,淀粉含量与乙醇产量存在相关性,用国内常通过测定酒度、酸度、发酵后的残余还原糖和残余总糖含量等评价原料的发酵品质,且上述它作为评价甘薯发酵品质的主要指标是可行的。有指标在甘薯发酵中也有应用,它们可以直观反映研究证实,甘薯的淀粉含量与乙醇产量正相关发酵品质,测定方法也较简便易行,然而其测定需但淀粉含量高的原料未必转化效率高,而且原料中要建立在完整的发酵实验基础上,不仅复杂耗时的游离糖及化过程中非淀粉多糖分解产生的糖也而且没有预见性。目前,国内对甘薯发酵品质评会增加乙醇产量”,淀粉在发酵过程中的不完全糊价的系统研究鲜有报道。分析了现有评价方法的化和不完全酶解也限制了淀粉含量作为预测指标的特点并借鉴了国外对玉米、小麦及高粱等谷物发可行性,因此以淀粉含量作为评价指标有可能低估酵品质的评价研究,以期完善甘薯发酵品质的评甘薯的发酵品质价方法H中国煤化立(包括酸水解法、酶水比色法等)存在着CNMHG收稿日期:20120224;修回日期:201204-16基金项目:河南省高校科技创新人才支持计划(2010 HASTITO09)作者简介:张晓双(1987),女,硕士研究生,研究方向为食品科学与工程通讯作者:赵仁勇(1969)男,博士,教授研充方向为粮食资源转化与利用张晓双等:甘薯生产燃料乙醇的发酵品质评价研究进展/2012年5阳准确度低、重复性差、程序繁项、测定时间长以及劳全粉经高温120℃处理后的转化效率比95℃的处理动强度大等缺点。低准确度必然导致测定出的淀粉条件增加了约20%,但仍然低于低直链淀粉含量玉含量不能很好地解释转化效率,这与 Zhao: R的报米全粉的转化效率;只有当处理温度升高到160℃道一致口。 Wang D等采用相同淀粉含量、不同时才达到与后者近似的转化效率。WuX等)对高品种的高粲样品进行发酵实验,报道其乙醇产量的粱发酵特性的研究表明,直链淀粉含量与转化效率差异高达7.4%。总之,淀粉含量这一指标不能很呈显著负相关(P<0.001),尤其当直链淀粉含量高好地预测原料的发酵品质。于35%时,转化效率随着直链淀粉含量的增加而降1.2干物率与发酵品质低。 Wang d等的研究表明,当淀粉含量相同时干物率是指鲜薯的干物质含量。刘小平等研糯高粱的乙醇产量通常高于普通非糯高粱品种究报道,干物率与淀粉含量高度相关,而且干物率与 Zhao r等口对糯小麦与非糯小麦的发酵特性研究鲜薯的淀粉含量和其它性状的相关性完全一致,例也有类似发现。综上所述,直链淀粉含量与原料的如鲜薯的于物率和淀粉含量均与出酒率正相关。孙发酵品质息息相关。甘薯中的直链淀粉占总淀粉的健等也报道甘薯的于物率与乙醇产量呈极显著正16.50%~26.35%,直链淀粉分子间的氢键缔合相关(r=0.842,P<0.01)。比支链淀粉紧密,糊化温度高,不易被酶水解,因此此外,干物率的测定准确度高而且测定简便快甘薯中的直链淀粉可能会影响其向葡萄糖的水解转速,因此生产上多以这一指标来估算淀粉含量进而化,从而影响发酵转化效率评价发酵品质。为快速、方便起见,实验室条件下此外,醪化过程中直链淀粉脂类复合物的形成往往采用烘干率作为评价指标,但烘干率的测定迄影响到淀粉颗粒的充分糊化,使淀粉酶进入颗粒内今没有统一的方法和标准,对取样方法、样品量、干部的机会减少,降低淀粉的水解转化率从而影响酵燥温度和时间等也没有统一要求,其应用有待进一母对淀粉的充分利用。 Wang D等通过对比高步探讨。梁全粉醒化前后的差示扫描量热(DSC)图谱发现,1.3可发酵糖含量与发酵品质醪化过程中部分淀粉与脂类形成了难以被酶水解的原料中含有的低分子糖(单糖、二糖、低聚糖等)复合物,降低了淀粉转化速率和乙醇最终产量以及多糖(以淀粉为主)经液化糖化等工序转化成WuX等以高直链淀粉含量的玉米全粉和玉米淀的葡萄糖等简单糖类是酵母生长繁殖的碳源。刘小粉为原料进行发酵实验也有类似发现:在同样的处平等发现甘薯中的还原糖含量愈高,酒精产量愈理条件下,玉米淀粉的转化效率显著高于玉米全粉高。孙健等对甘薯的研究表明,乙醇产量与可溶(P<0.01)性糖以及还原糖含量之间的相关性不显著。由于甘1.5蛋白质含量与发酵品质薯原料中蔗糖等可发酵糖的含量相对较低,酵母主Kindred D R等的研究表明,原料的蛋白质要利用淀粉水解后的葡萄糖显然,仅以可溶性糖含含量可以间接有效地预测乙醇产量。从酵母生长繁量作为评价指标具有局限性。美国 Pioneer公司殖需要氮源的角度来分析,蛋白质可能会提高发酵研究报道,玉米原料中的可发酵糖总量比淀粉含量速度,改善发酵品质。孙健等对比研究了鲜薯及本身能更精确地预测玉米的乙醇产量。PohF甘薯粉的发酵特性,发现乙醇产量与蛋白质含量呈等口也有类似报道正相关关系(r=0.714,P<0.05)1.4直链淀粉含量及其复合物与发酵品质然而谷物原料中蛋白质含量的增加必然导致其理论上计算,1g淀粉完全水解为葡萄糖并百淀粉含量的降低,而且,蛋白质基质对淀粉的包埋作分之百为酵母利用,经无氧发酵后能生产无水乙醇用会限制醪化过程中淀粉颗粒与酶的接触,从而降0.5679g,但实际生产中的发酵转化效率一般约为低其水解程度,因此乙醇产量通常随原料中蛋白质88~95%,这是因为酵母只能利用葡萄糖、果含量的增加而降低”1糖、蔗糖及麦芽糖等小分子糖,而且酵母菌体的生长Swanston J S及 Zhao r等对小麦及高梁和繁殖还要利用一部分糖源进行有氧呼吸。原料中的研中国煤化工产量呈负相关。的淀粉在液化糖化等工序水解为葡萄糖的转化率WaCNMHG量接近的不同高是影响发酵转化效率的关键因素之一。粱品种,其转化双举改硼嚼度鬲达8%这表明蛋白WuX等研究报道高直链淀粉含量的玉米质含量不能简单用作发酵品质的评价指标。张晓双等:甘薯生产燃料乙醇的发酵品质评价研究进展/2012正52原料理化特性与发酵品质的相关性研究酵,结果表明微粉碎对甘薯粉的生料发酵具有促进2.1黏度与发酵品质作用:与粗粉碎甘薯粉相比,微粉碎甘薯粉的发酵速甘薯细胞壁含有戊聚糖、半纤维素及果胶等物率较快,酒精浓度体积分数远高于粗粉碎甘薯粉,质,醪化过程中这些物质与淀粉争夺水分导致醪液且残糖总量以及残余的还原糖含量低于后者黏度增高。 Montesinos t等认为黏度的高低是 Wang D等研究表明,同一高粱品种其细粉的转决定淀粉质原料糖化速度的主要因素。 Wang D化效率比粗高粱粉的高5%。此外, Mahasuk等对高粱发酵的研究也表明,醪液黏度升高会导 honthachat K等(2研究发现淀粉的峰值黏度与最致淀粉的不完全水解从而降低转化效率不同高粱终黏度都受到颗粒粒度的影响,粒径小于300pm品种的转化效率随着醪液黏度的降低而增高。Agu的淀粉颗粒对峰值黏度影响更大,而醪液黏度与乙RC等报道,小麦粉的峰值黏度及最终黏度与乙醇产量显著相关。YanS等2)经过对比发芽高粱醇产量高度相关。 Zhao R等采用快速黏度仪与正常高粱的物理特性与发酵特性后发现,乙醇产(RVA)分析高粱全粉的黏度,发现其最终黏度及稀量与小颗粒物料的含量正相关。可见,评价甘薯粉懈值与乙醇产量之间高度线性相关。总之,黏度可的发酵品质应考虑其颗粒粒度的大小作为评价发酵品质的指标之一。2.2蛋白质特性与发酵品质3评价原料发酵品质的研兖进展YanS等(2)研究发现,正常高粱经发芽处理后为了进一步提高评价准确性, Zhao r等1模其蛋白质含量降低,乙醇产量提高主要因为发芽过拟工业生产中的藤化过程优化建立了一种需要样程中髙粱籽粒内所产生的内源蛋白酶将蛋白质水解品数量少、重复性好、成本低廉且高效的小规模醪化为游离氨基氮,为酵母提供了更多养料。 Zhao R工艺,通过测定醪液中葡萄糖的浓度计算原料中完等1研究表明,高粲蛋白质的消化率与发酵转化效全水解淀粉(CHS)的含量:与淀粉含量的评价结果率呈显著正相关关系(R2=0.91)。蛋白质分子之相比,CHS含量与乙醇产量的相关性更强,因而确间的交联程度是影响蛋白质消化率的主要因素。研立了CHS含量作为预测原料发酵品质的关键究证实2,酵化过程中的热效应使蛋白质变性导指标致其交联度增强,形成的蛋白质网状结构将低聚糖快速黏度分析仪(RⅴA)已广泛应用于谷物淀以及淀粉等多聚糖包裹其中阻碍了发酵过程中酶粉糊化特性的测定23。利用黏度特性与发酵品质与底物的接触,降低了淀粉及蛋白质的利用效率从间的关系, Agu R C等研究报道RVA可用来评而降低了乙醇产量。价小麦生产威士忌的发酵品质。高粱中的单宁会抑现有的研究主要采取物理方法(蒸汽处理、超声制酶对淀粉的液化作用,导致醪液黏度较高波处理等)以及生物学方法(微生物及酶降解等)破haoR等利用这一特性开发出模拟液化工序的坏包裹淀粉的蛋白质基质来提高淀粉的转化利用效10 min rva程序,从而实现了对发酵用低丹宁含率,而且效果显著。 Zhao r等发现蛋白质醪化后量高粱品种的快速筛选,目前此法已在美国工业界其交联度增强,消化率及溶解度均显著下降,醪化前得到了应用。甘薯细胞壁含有戊聚糖、半纤维素果的蛋白质消化率与乙醇产量及转化效率高度相关,胶等组分,醪液黏度高,如何降低醪液黏度是燃料乙而蛋白质含量与乙醇产量及转化效率呈显著正相关醇行业目前面临的技术难题,完全可以借鉴纤维素关系(P<0.01),指出高粱蛋白质的消化率及超声酶和果胶酶在马铃薯和木薯生产燃料乙醇中的应用提取的醪化液的蛋白质含量可作为预测高粱发酵品经验),利用RVA评价甘薯原料的发酵品质。质的指标。2.3原料颗粒度与发酵品质4结论与展望据报道,小颗粒淀粉与水解酶的接触面积较在采用非粮作物生产燃料乙醇的大趋势下,资大,促进酶与淀粉的吸附,加速催化过程,因而水解源丰富的甘薯在我国拥有广阔的应用前景。建立燃彻底:采用 Megazyme方法测定同一样品中淀粉含料“口种的岳是公体系,可以为繁育量的结果也表明,粒度小的物料其淀粉含量高于粒燃料中国煤化工依据,对加工企业度大的物料。这些结论意味着降低原料的颗粒筛CNMH重大意义度可能会改善发酵品质。目前甘薯生产乙醇的发酵品质评价指标尚不完吴琴燕等2对不同粒度的甘薯粉进行生料发善准确性也有待提高,评价方法也需要进一步简张晓双等:甘薯生产燃料乙醇的发酵品质评价研究进展/2012年■5用化因此甘薯生产乙醇发酵品质评价体系的建立仍zine,2003(1);36-38.需进行大量工作。[11 Pohl F, Senn T. A Rapid and sensitive method for the evalua(1)测定方法需要进一步完善,现有的淀粉含ion of cereal grains in bioethanol production using near infred reflectance spectroscopy [j]. Bioresource Technology量测定方法存在着准确度低、重复性差等缺点,而且2011,102(3):28342841于物率的测定方法尚未统一,需要研究更加准确快12] Taylor F, Marquez MA. Johnston D B,et al. Continuous highrs速的淀粉含量测定方法并确立干物率测定的标准ids corn liquefaction and fermentation with stripping of ethanol方法。U]. Bioresource Technology. 2010. 101(12)14 403-4 40(2)目前尚未确立评价甘薯生产燃料乙醇品质[13] Wu x, Zhao R, Sang Y, et al. Factors adversely affecting etha的关键性指标,而且从现有研究报道分析,单一指标nol production in the dry grind processing of sorghum[C]M2007 ASAE Annual Meeting 076230.并不能完全反映甘薯生产燃料乙醇的发酵品质,因14zhR,wax, Seabourn B w, et al. Comparison of waxy vs此尚需依据甘薯的组分含量及其理化特性对发酵品non-waxy wheat in fuel ethanol fermentation [J]. Cereal质的影响,筛选、优化几项关键指标实现对甘薯发酵Chemistry,200986(2):145156品质的综合评价。[15] Huang C, Lai P, Chen l, et ai. Effects of mucilage on the ther(3)目前对甘薯发酵品质评价的研究大都局限mal and pasting properties of yam, taro, and sweet potatostarches [J].LWT-Food Science and Technology, 2010, 4于甘薯组分与乙醇产量之间的相关性,应重视并探寻甘薯主要组分如蛋白质及淀粉在发酵过程中的结[16] Swanston, Newton A C, Brosnan J M,eta. Determining构及功能特性变化对乙醇产量的影响,研究、开发更he spirit yield of wheat varieties and variety mixtures[J].准确更高效的甘薯发酵品质评价技术手段Journal of Cereal Science, 2005, 42(1): 127-13[17] Montesinos T, Navarro J. Production of aicohol from raw wheat参考文献]zyme and Microbial Technology, 2000, 27(5): 362-370.[1] ENERS Energy Concept. Production of biofuels in the world in [18 Agu R C Bringhurst T A, Brosnan J M. Production of grain2009ldb/ol].[2d10-08-30].h1tp://www.biofuelsplatformch/en/infos/ production. php? id=bioethanolJournal of the Institute of Brew, 2006, 112: 314-323[2] Zhang Z, Wheatley CC, Corke H. Biochemical changes during [19] Zhao R, Bean S R, Wu X, et al. 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