沙棗替代部分玉米生產(chǎn)乙醇條件的優(yōu)化

趙 勃，王永勝，李沖偉，3*

（1.黑龍江大學(xué) 農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)教育部工程研究中心，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學(xué) 黑龍江省寒地生態(tài)修復(fù)與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080）

酒精是我國重要的工業(yè)原料。長期以來，以玉米為原料生產(chǎn)酒精始終存在著“與人爭糧食，與糧爭地”的問題[1]，玉米原料價格受市場變化影響較大，這已經(jīng)成為阻礙酒精企業(yè)發(fā)展的重要瓶頸，加上2017年國家取消了玉米價格補(bǔ)貼，這些原因共同加速了一批酒精企業(yè)的相繼停產(chǎn)。因此，尋找價格廉價的替代原料已經(jīng)成為酒精企業(yè)尋求發(fā)展的重要途徑之一。

沙棗（Elaeagnusangustifolia）又名七里香、香柳、刺柳等，主要分布在我國西北各省區(qū)和內(nèi)蒙古西部，少量分布在華北北部和東北西部，每年產(chǎn)量較大，價格低廉，主要用作牲畜的食料，其利用價值較低[2]。據(jù)測定，沙棗中糖類含量所占比重最高，其中果肉含糖43%～59%（20%為果糖，成熟果實(shí)達(dá)60%以上），可謂是釀酒的上等原料。田曉菊等[3]研究了沙棗釀酒發(fā)酵過程中主要成分的變化規(guī)律，表明沙棗釀酒是可行的；于翔[4]通過響應(yīng)面法優(yōu)化了沙棗果酒發(fā)酵的最佳工藝條件，得到沙棗酒酒精度為10%vol～15%vol；雷宇等[5]研究了以木薯粉為主料、玉米粉為輔料混合發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，表明木薯粉與玉米粉比例9∶1時出酒率最高（提高了6.59%）；劉勁松等[6-7]研究了以玉米和陳化大米為復(fù)合原料進(jìn)行乙醇發(fā)酵，結(jié)果表明，陳化水稻添加比例為40%時，酒精度可達(dá)到13.12%vol；以不同玉米原料發(fā)酵生產(chǎn)酒精，結(jié)果表明，脫胚玉米粉酒份最高，可達(dá)15.17%vol，而粕粉出酒率為55.59%，遠(yuǎn)高于脫胚玉米粉、混合玉米粉及粕純玉米粉。劉甲申[8]以玉米和高粱混合原料在低溫液化條件下通過控制高粱添加的比例及淀粉酶用量，酒精度可達(dá)11.4%vol；羅虎等[9]利用大米粉為原料，經(jīng)同步糖化發(fā)酵，酒精度為12.35%vol；DíAZ-CAMPILLOM等[10]從代謝途徑的角度探討了微生物利用單糖的差異性，結(jié)果表明高濃度葡萄糖抑制酵母對果糖利用率，低濃度葡萄糖則相反[11]。

本試驗(yàn)利用沙棗粉替代部分玉米粉，通過單因素和正交試驗(yàn)對混合原料的發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化，旨在探究玉米沙棗混合原料生產(chǎn)乙醇的可行性，期望以此降低酒精企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 材料與方法

1.1 材料及試劑

1.1.1 菌種及樣品

釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、果酒酵母：湖北宜昌安琪酵母有限公司；馬克斯克魯維酵母（K luyveromyces marxianus）1727：中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心；玉米粉：本地超市；沙棗粉：新疆沙灣地區(qū)。

1.1.2 試劑

液化酶（18萬U/m L）、糖化酶（10萬U/g）：寧夏夏盛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司；3,5-二硝基水楊酸（dinitrosalicylic acid，DNS）[12]：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。其他試劑為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

101A-0型電熱鼓風(fēng)干燥箱：北京金北德工貿(mào)有限公司；DK-98-1型水浴鍋：天津市泰斯特儀器有限公司；HZQ-C型空氣浴振蕩器：哈爾濱市東聯(lián)電子技術(shù)開發(fā)有限公司；SP-756PC型紫外分光光度計(jì)：上海光譜儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 玉米粉與沙棗粉發(fā)酵產(chǎn)乙醇工藝流程及操作要點(diǎn)

玉米粉與沙棗粉混合原料總質(zhì)量50 g，以一定比例混合，按一定料水比加入水后于65℃水浴鍋中糊化30min，升溫至100℃，加入1%氯化鈣及一定量的液化酶液化一定時間，降溫至60℃，添加一定量的糖化酶后糖化一定時間，糖化醪冷卻調(diào)pH至4.0，接種酵母靜置發(fā)酵[13]，得乙醇。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

固定其他條件不變，分別考察玉米粉與沙棗粉混合比例（10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5），料水比（1∶3.5、1∶4.0、1∶4.5、1∶5.0、1∶5.5），液化酶用量（20 U/g、25 U/g、30 U/g、35 U/g、40U/g），液化時間（45min、60min、75min、90min、105min），糖化酶用量（100U/g、125U/g、150U/g、175U/g、200U/g），糖化時間（20min、25min、30min、35min、40min），酵母（釀酒酵母）接種量（1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%），發(fā)酵時間（48 h、60 h、72 h、84 h、96 h），發(fā)酵菌種比例（釀酒酵母、果酒酵母、馬克斯克魯維酵母分別以6∶0、5∶1、4∶2、3∶3、2∶4、1∶5的比例兩兩混合）對混合原料生產(chǎn)乙醇的影響[13-14]。

1.3.3 測定方法[15-20]

殘?zhí)橇繙y定：采用DNS法；酒精度測定：采用蒸餾法。

1.3.4 計(jì)算公式

淀粉含量、淀粉出酒率以及淀粉利用率的計(jì)算公式如下：

淀粉含量=玉米質(zhì)量×70%+沙棗質(zhì)量×9.9%（根據(jù)兩種原料淀粉含量粗略計(jì)算）

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米粉與沙棗粉混合比例對乙醇發(fā)酵的影響

表1 玉米粉與沙棗粉混合比例對乙醇發(fā)酵的影響Table 1 Effect of different proportions of corn and Elaeagnus angustifolia powder ratio on ethanol fermentation

由表1可知，當(dāng)玉米粉∶沙棗粉=9∶1時，混合原料組的酒精度（9.86%vol）、淀粉出酒率（36.737%）、淀粉利用率（44.743%）均最高，高于以純玉米粉作為原料（9.62%vol、34.402%、42.506%），說明利用沙棗代替部分玉米生產(chǎn)酒精是可行的，所以玉米粉與沙棗粉混合比例選擇9∶1?；旌显辖M殘?zhí)橇棵黠@高于純玉米粉組，說明有部分還原糖沒有被利用，具體原因有待進(jìn)一步研究。

2.2 料水比對乙醇發(fā)酵的影響

由圖1可知，隨著料水比的增加，酒精度呈緩慢降低的趨勢，殘?zhí)橇砍氏认陆翟偕仙内厔荨．?dāng)料水比為1∶4.5時，殘?zhí)橇孔畹?，?.272 g/L，淀粉出酒率和淀粉利用率達(dá)到最高，分別為27.987%和46.178%。料水比較低時，酒精產(chǎn)量較高，但由于醪液黏度較大，影響了酶的作用，淀粉利用率及出酒率均較低。為了充分利用淀粉，選擇料水比為1∶4.5（g∶m L）。

圖1 料水比對乙醇發(fā)酵的影響Fig.1 Effect ofmaterial to water ratio on ethanol fermentation

2.3 液化酶用量對乙醇發(fā)酵的影響

由圖2可知，隨著液化酶用量的增加，酒精度和殘?zhí)橇烤氏壬仙笙陆档内厔荨．?dāng)液化酶用量為35U/g時，酒精度最高，為10.15%vol，淀粉出酒率和淀粉利用率最高，分別為28.42%和43.61%，故選擇液化酶用量為35U/g。

圖2 液化酶用量對乙醇發(fā)酵的影響Fig.2 Effect of liquefying enzyme addition on ethanol fermentation

2.4 液化時間對乙醇發(fā)酵的影響

圖3 液化時間對乙醇發(fā)酵的影響Fig.3 Effect of liquefaction time on ethanol fermentation

由圖3可知，隨著液化時間的延長，酒精度呈先上升后下降的趨勢，殘?zhí)橇砍氏认陆岛笊仙内厔荨．?dāng)液化時間為60min時，酒精度達(dá)到最高值，為10.12%vol，盡管殘?zhí)橇坎皇亲畹?，但淀粉出酒率和淀粉利用率最高，分別為27.99%和47.72%，故選擇液化時間60min。

2.5 糖化酶用量對乙醇發(fā)酵的影響

圖4 糖化酶用量對乙醇發(fā)酵的影響Fig.4 Effect of glucoamylase addition on ethanol fermentation

由圖4可知，隨著糖化酶用量的增加，酒精度呈先升高后降低的趨勢，殘?zhí)橇砍示徛叩内厔?，淀粉利用率和淀粉出酒率呈先升高后降低的趨勢。?dāng)糖化酶用量為150U/g時，酒精度達(dá)到最大值，為10.42%vol，此時淀粉出酒率和利用率也最高，分別為28.49%和48.74%，故選擇糖化酶用量為150U/g。

2.6 糖化時間對乙醇發(fā)酵的影響

圖5 糖化時間對乙醇發(fā)酵的影響Fig.5 Effect of saccharification tim e on ethanol fermentation

由圖5可知，隨著糖化時間的延長，酒精度呈現(xiàn)先升高再降低又升高的趨勢，殘?zhí)橇砍示徛哂直３址€(wěn)定的趨勢，淀粉利用率和淀粉出酒率呈先升高后降低的趨勢。當(dāng)糖化時間為30min時，酒精度達(dá)到最大值，為10.22%vol，淀粉出酒率和淀粉利用率均最高，分別為29.99%和49.74%。故選擇糖化時間為30min。

2.7 酵母接種量對乙醇發(fā)酵的影響

由圖6可知，隨著酵母接種量的增加，酒精度呈先升高后降低再升高的趨勢，殘?zhí)橇砍氏染徛档秃缶徛叩内厔?，淀粉利用率和淀粉出酒率呈先緩慢升高后降低再緩慢升高的趨勢。?dāng)酵母接種量為2%和3%時，酒精度分別為10.42%vol和10.39%vol，淀粉出酒率和淀粉利用率也基本相同，分別為28.49%和48.74%。從生產(chǎn)成本角度考慮，故選擇酵母接種量為2%。

圖6 酵母接種量對乙醇發(fā)酵的影響Fig.6 Effect of yeast inoculum on ethanol fermentation

2.8 發(fā)酵時間對乙醇發(fā)酵的影響

由圖7可知，隨著發(fā)酵時間的延長，酒精度呈先升高后降低再升高再降低的趨勢，殘?zhí)橇砍氏冉档驮偕叩内厔?。?dāng)發(fā)酵時間為72h、96h時，酒精度達(dá)到最高值，為10.45%vol，淀粉出酒率和淀粉利用率基本相同，分別為28.49%和48.78%，從生產(chǎn)成本角度考慮。故選擇發(fā)酵時間為72 h。

圖7 發(fā)酵時間對乙醇發(fā)酵的影響Fig.7 Effect of fermentation time on ethanol fermentation

2.9 菌種對乙醇發(fā)酵的影響

表2 釀酒酵母與果酒酵母混合發(fā)酵對乙醇發(fā)酵的影響Table 2 Effect ofm ixed fermentation of Saccharomyces cerevisiae and fruitwine yeaston ethanol fermentation

表3 馬克斯克魯維酵母與果酒酵母混合發(fā)酵對乙醇發(fā)酵的影響Table 3 Effect ofm ixed fermentation of Kluyveromyces marxianus and fruitwine yeast on ethanol fermentation

表4 釀酒酵母與馬克斯克魯維酵母混合發(fā)酵對乙醇發(fā)酵的影響Table 4 Effect ofm ixed fermentation of Saccharomyces cerevisiae and Kluyverom ycesmarxianus on ethanol fermentation

由表2～表4可知，當(dāng)使用馬克斯克魯維酵母單獨(dú)發(fā)酵時效果好于混合酵母發(fā)酵，酒精度最高為11.21%vol，殘?zhí)橇繛?.42 g/L，淀粉出酒率和淀粉利用率也最高，分別為32.98%和56.44%，故選擇使用馬克斯克魯維酵母單獨(dú)進(jìn)行發(fā)酵。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)對沙棗替代部分玉米生產(chǎn)乙醇的單因素條件進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，最佳發(fā)酵條件為玉米粉與沙棗粉最佳混合比例9∶1、料水比1∶4.5（g∶m L）、液化時間60m in、液化酶用量35U/g、糖化時間30min、糖化酶用量150U/g、酵母接種量2%、發(fā)酵時間72 h、發(fā)酵菌種為馬克斯克魯維酵母（Kluyveromycesmarxianus）1727。在此條件下，玉米沙棗混合原料發(fā)酵生產(chǎn)酒精度11.21%vol，比純玉米粉生產(chǎn)時（9.62%）提高了16.77%，淀粉出酒率和淀粉利用率分別為32.99%和56.44%。證實(shí)了部分沙棗替代玉米生產(chǎn)酒精的可行性。這不僅為酒精企業(yè)生產(chǎn)提供了新的原料，而且為沙棗資源的合理利用提供了新模式，進(jìn)而成為我國西北地區(qū)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。