木薯乙醇濃醪發(fā)酵工藝進展*

劉海軍，張 鈞，王繼艷，馬中義，徐友海，肖天雄，王龍輝，胡世洋，岳 軍，惠繼星

(1.中國石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中國石油吉林石化公司 倉儲中心，吉林 吉林 132021；3.天津大學 化工學院，天津 300072)

木薯是熱帶作物，與馬鈴薯和紅薯并稱為世界三大薯類作物。木薯根為塊狀，呈柱形或紡錘形，塊根表面是一層棕色或淡黃色的表皮，塊根質地松脆，淀粉較純，不僅可以作為食物及動物飼料，還廣泛應用于工業(yè)中作為原料使用。木薯光合作用能力強、耐干旱、耐酸性土壤，適宜在貧瘠的土地種植，被譽為“淀粉之王”，鮮木薯塊根中淀粉質量分數(shù)為30%～35%，木薯干(2.5～2.8 t鮮木薯可曬制1 t木薯干)中淀粉質量分數(shù)可達72%～77%，以木薯為原料生產(chǎn)乙醇比玉米、小麥、甘蔗等更經(jīng)濟，是一種具有很大發(fā)展?jié)摿Φ募Z食替代資源。近年來，隨著人們對木薯原料生產(chǎn)乙醇的重視，國內(nèi)外學者都紛紛致力于木薯乙醇工藝的研究，木薯乙醇濃醪發(fā)酵技術也成為研究熱點。

1 木薯乙醇濃醪發(fā)酵工藝特點

傳統(tǒng)木薯乙醇生產(chǎn)工藝是高能耗、高水耗的過程。為了有效降低能耗和水耗，提高發(fā)酵罐的生產(chǎn)能力，可以通過濃醪發(fā)酵提高發(fā)酵醪中乙醇濃度來實現(xiàn)，即采用高濃度(固形物質量濃度>270 g/L)的醪液進行發(fā)酵，濃醪發(fā)酵是乙醇生產(chǎn)技術的重要進展，不僅可以節(jié)約拌料水、降低蒸汽能耗、提高設備利用率，還可以降低廢醪液處理量，從而降低生產(chǎn)成本，目前已經(jīng)成為國內(nèi)外乙醇行業(yè)的研究熱點[1]。

2 木薯乙醇濃醪發(fā)酵工藝難點

木薯乙醇濃醪發(fā)酵具有較高的初始糖濃度和乙醇濃度，會對酵母產(chǎn)生抑制作用，同時木薯乙醇原料中泥沙等雜質含量高，醪液粘度大，物料輸送困難，不利于連續(xù)性生產(chǎn)。因此，與其它淀粉質原料相比，實現(xiàn)木薯乙醇濃醪發(fā)酵的技術難點更多。影響木薯濃醪發(fā)酵的因素是多方面的，目前國內(nèi)外一些科研機構及乙醇生產(chǎn)企業(yè)從木薯原料的除砂、優(yōu)良釀酒酵母的選育、降低物料粘度、優(yōu)化培養(yǎng)基成分、溫度、pH等發(fā)酵關鍵性因素等方面著手，以改進木薯乙醇濃醪發(fā)酵的生產(chǎn)工藝。

2.1 除砂

木薯在收獲和干燥過程中，經(jīng)常會摻夾泥土、沙石、粗纖維、金屬等雜質，為了將木薯原料(木薯干和鮮木薯)中的淀粉充分釋放出來，提高轉化率，以保證木薯乙醇生產(chǎn)過程的正常進行及提高生產(chǎn)效益，這些雜質必須要在生產(chǎn)前清除，否則將嚴重影響生產(chǎn)的正常進行，如石塊和金屬雜質會造成粉碎機篩板的磨損或損壞，導致生產(chǎn)中斷；泥沙會加速機械設備運轉部位的磨損以及影響正常的發(fā)酵過程。木薯原料的除砂過程通常先進行篩選，再進行磁選。篩選常選用震動篩去除原料中的較大雜質和泥沙；磁選是利用永磁馬蹄鐵除去原料中的鐵屑、鐵釘、螺母等磁性雜質。生產(chǎn)中，需要定期對原料除砂設備進行清理，防止雜質積聚過多，影響除雜效果。

2.2 降低醪液粘度

木薯濃醪發(fā)酵隨著粉漿固形物濃度的提高，醪液的粘度迅速增加，物料流動性變差，給醪液的攪拌、輸送、加熱與冷卻帶來了很大困難，因此，降低高濃度物料的粘度是實現(xiàn)木薯濃醪發(fā)酵的關鍵一步，其中料水比、原料顆粒度和液化酶用量是影響料液粘度的重要因素。(1)隨著料水比的增加，在調漿和加熱糊化過程中高含量的淀粉吸水越多，物料的流動性越差，粘度越大。隋祎等[2]考察了料水比對木薯乙醇濃醪發(fā)酵的醪液粘度的影響，結果表明，在糊化過程中料水質量比為2.35，比2.87時的醪液粘度明顯增加。(2)木薯原料淀粉顆粒越小，淀粉吸水的膨脹能力越強，有利于徹底糊化，但同時增加了醪液的粘度，且增加了原料的粉碎能耗，因此并非木薯原料的顆粒越小越好，當粉碎粒度達到2.4×10-3cm時，顆粒度對粘度的影響不再明顯。目前有些企業(yè)采用木薯原料粗細相結合的方式，以提高醪液流動性[3]。(3)液化酶的用量直接影響醪液的粘度。陸婷婷等[4]對木薯濃醪發(fā)酵的粘度進行了研究，實驗結果表明，液化酶的用量為10 U/g(一個AGU單位是指在25 ℃、pH=4.3、反應時間30 min條件下，每分鐘水解1微克分子麥芽糖所需的酶量)木薯粉時，醪液具有較好的流動性。伍時華等[5]對液化條件進行優(yōu)化，確定了最佳液化酶加入量為10 U/g木薯粉，液化溫度和時間分別為105 ℃和2 h，此條件下醪液粘度低，木薯淀粉液化效果充分。隋祎等[2]對糊化過程中不同加酶量下醪液粘度的變化進行了研究，表明當溫度較高時(85、90、95 ℃)，在同一溫度下，高溫淀粉酶用量(8～14 U/g)越低，醪液粘度越低。另外，為了改善醪液流動性，容元平等[6]采用預處理過的糖蜜水解液對木薯粉調漿進行濃醪發(fā)酵，醪液流速增大約50%，最終發(fā)酵液成熟醪液中乙醇體積分數(shù)為15.5%，實現(xiàn)了較好的濃醪發(fā)酵效果。

為了避免醪液粘度越來越大，在糖化前對糖化酶進行預處理有助于高固含物的糊化及增加液固比[7]。纖維素酶、半纖維素酶、木聚糖酶和阿拉伯糖酶等細胞壁降解酶及果膠降解酶可以降低醪液粘度。Jones等[8]研究了濃醪發(fā)酵過程中蛋白酶對粘度的影響，纖維素酶或β-葡聚糖酶用于水解β-葡聚糖，可大大降低醪液粘度，由2 460 BU可降至420 BU。

2.3 選育優(yōu)良釀酒酵母菌種

由于木薯乙醇濃醪發(fā)酵過程中的底物糖濃度和產(chǎn)物乙醇濃度高，使得發(fā)酵體系中具有較高的滲透壓，易對釀酒酵母產(chǎn)生毒害作用[5]，使得木薯乙醇濃醪發(fā)酵對酵母菌株的要求極為苛刻，因此，選育生產(chǎn)能力強、耐高滲透壓、副產(chǎn)物少的優(yōu)良酵母菌種是實現(xiàn)木薯乙醇濃醪發(fā)酵的關鍵。

木薯乙醇濃醪發(fā)酵過程中高的乙醇濃度會對酵母菌株產(chǎn)生毒性，影響其生長、發(fā)育和生產(chǎn)能力，因此提高酵母對乙醇的耐受性是十分必要的。易弋等[9]通過篩選得到兩株最佳乙醇耐受型釀酒酵母菌株，其乙醇耐受能力遠遠高于出發(fā)菌株，均可在w(乙醇)=9%的培養(yǎng)基中生長，是一株非常有潛力的應用于濃醪發(fā)酵的酵母菌株。利用固定化酵母進行木薯乙醇濃醪發(fā)酵是當代的一種高新技術，可大大增加反應速度，提高生產(chǎn)能力，具有較高的工業(yè)應用價值。伍彥華等[10]對固定化酵母進行選育，得到4株濃醪發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的酵母菌株，以木薯為原料，考察其濃醪發(fā)酵性能。結果表明，其中自絮凝酵母FJY具有較高的耐滲透壓、產(chǎn)乙醇能力，且糖轉化率高、殘?zhí)堑?、甘油產(chǎn)量少，最終w(乙醇)=15.7%。木薯乙醇濃醪發(fā)酵時，溫度是影響酵母生產(chǎn)能力的敏感因素，低溫時酵母的產(chǎn)酒率隨溫度的升高而增加，但當溫度過高時，酵母的產(chǎn)酒率下降，因此可以通過篩選耐高溫酵母提高酵母生產(chǎn)能力，陸雁等[11]篩選到一株產(chǎn)酒率高、溫度耐受性好的耐高溫酵母，并對高溫濃醪發(fā)酵工藝進行了研究，得到的最佳生產(chǎn)工藝條件為料水質量比為1∶2，液化糖化后冷卻至37 ℃，pH=4.0，接種量為5%，發(fā)酵64 h后，最高φ(乙醇)=15.54%，w(殘總糖)=2.73%。

2.4 優(yōu)化發(fā)酵工藝條件

通過優(yōu)化木薯濃醪發(fā)酵過程中的關鍵工藝條件，可以顯著提高酵母的活性和生產(chǎn)能力，也是實現(xiàn)木薯濃醪發(fā)酵的重要手段。培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質的添加量在濃醪發(fā)酵過程中起著至關重要的作用。申乃坤等[12]對木薯濃醪發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的培養(yǎng)條件和培養(yǎng)主要因子進行了優(yōu)化和篩選，得到了影響木薯濃醪發(fā)酵的重要工藝參數(shù)，分別為糖化酶用量、肌醇濃度和料水比，并優(yōu)化得到的最佳工藝條件為糖化酶用量為92.4 U/g淀粉，肌醇的添加量為0.065%，料水質量比為1∶2.97，發(fā)酵48 h后，φ(乙醇)=15.02%，經(jīng)優(yōu)化后，φ(乙醇)提高了25%。易弋等[13]優(yōu)化了木薯濃醪發(fā)酵的液化工藝條件，確定的最佳液化條件為料水質量比為1∶2.3，液化酶用量為10 U/g，液化溫度和時間分別為105 ℃和2 h，達到較好液化效果，最終φ(乙醇)=16.9%?？赏卦诎l(fā)酵過程中起著重要作用，是培養(yǎng)基中的重要營養(yǎng)成分，添加游離氨基氮不僅可以提高發(fā)酵液中乙醇的最終濃度，還增加菌體數(shù)量。Fan Qiang Wang等[14]對培養(yǎng)基中Mg2+、甘氨酸、酵母膏、生物素、乙醛和蛋白胨含量進行了優(yōu)化，使用非線性步進式回歸分析建立了一個預測性數(shù)學模型，其中Mg2+和蛋白胨的濃度是關鍵影響因素，培養(yǎng)基中50 mmol Mg2+和質量分數(shù)為1.5%的蛋白胨可使發(fā)酵48 h后最終φ(乙醇)從14.2%增加至17%。Petra Bafrncova等[15]在濃醪乙醇發(fā)酵培養(yǎng)基中添加了過量的可同化氮素，使得φ(乙醇)最終提高了17%，縮短發(fā)酵時間至28 h，乙醇產(chǎn)率提高了50%以上。

木薯濃醪發(fā)酵時，釀酒酵母對溫度的變化較為敏感，當處于低溫狀態(tài)時，釀酒酵母的發(fā)酵能力與溫度的變化成正比，當溫度較高時，釀酒酵母呈現(xiàn)鈍化狀態(tài)，乙醇的生成速率減慢。另外，發(fā)酵體系中豐富營養(yǎng)物質的供應也是濃醪發(fā)酵的關鍵，若營養(yǎng)物質缺乏，將導致乙醇濃度降低。因此，適宜的發(fā)酵溫度與充足的營養(yǎng)物質有利于濃醪發(fā)酵的順利進行。易弋等[16]在優(yōu)化的木薯粉液化糖化工藝的基礎上，分析了培養(yǎng)基成分以及溫度、pH等條件對木薯濃醪發(fā)酵的影響。實驗結果表明，發(fā)酵培養(yǎng)基中w(尿素)=0.25%，ρ(MgSO4·7H2O)=0.45 g/L，ρ(KH2PO4)=1.5 g/L，ρ(CaCl2)=0.20 g/L，發(fā)酵最適溫度為33 ℃，初始pH值為4.5，酵母菌接種量按體積分數(shù)為10%，發(fā)酵時間 48 h。最終發(fā)酵成熟醪乙醇體積分數(shù)為17.2%，淀粉利用率達91%。

在濃醪發(fā)酵中通常缺少適宜酵母生長的生理環(huán)境，可以通過改進過程工程設計及操作以提高乙醇的產(chǎn)率。如增加新廠發(fā)酵罐串聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)量，或者增加發(fā)酵罐中的擋板可以顯著減少整體發(fā)酵液的返混以及減輕乙醇的抑制效應。這些方法均有良好的經(jīng)濟性及可持續(xù)發(fā)展性。Bai等[17]研究了由連續(xù)攪拌反應器和3個串聯(lián)管式反應器組成的發(fā)酵系統(tǒng)，結果表明該系統(tǒng)應用于濃醪發(fā)酵可達到較好效果。

Bao Yingling等[18]使用統(tǒng)計方法學優(yōu)化了木薯濃醪同步糖化發(fā)酵過程中的水解和發(fā)酵條件，其中質量濃度、顆粒度、初始pH和發(fā)酵溫度是影響發(fā)酵效果的重要因素，通過優(yōu)化在質量分數(shù)為40%、顆粒度為3.9×10-2μm、初始pH為5.5及發(fā)酵溫度為27 ℃條件下，最終w(乙醇)從8.21%增加至15.03%，與模型預測值相吻合。

3 結束語

木薯濃醪發(fā)酵是一種具有巨大應用價值的乙醇發(fā)酵技術，對提高效益、節(jié)約能源有積極的促進作用。目前，木薯濃醪發(fā)酵技術有了一定的研究進展，但仍存在很多技術障礙，限制木薯濃醪發(fā)酵的因素是多方面的，除了木薯原料的除雜、高濃度物料的輸送、耐高糖、高酒分優(yōu)良酵母菌種的選育等困難，還有木薯濃醪發(fā)酵產(chǎn)生的發(fā)酵廢醪如何分離，高濃度有機廢水如何處理等問題，同樣是今后面臨的技術挑戰(zhàn)。因此木薯乙醇濃醪發(fā)酵工藝的研究需要更多的科學研究投入和支持，以便為未來的規(guī)模化生產(chǎn)提供成熟的技術支撐。

[ 參 考 文 獻 ]

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