超聲波結合稀堿預處理甘薯渣的乙醇發酵制備

李平　余雙強　曾舟華

摘要：研究了溫和條件下超聲波、超聲波結合稀酸和超聲波結合稀堿等預處理甘薯渣發酵生產乙醇的工藝。結果表明，超聲波結合稀堿預處理的方法最好，且獲得了最佳的工藝條件為固液質量比１∶１５、超聲波功率２５０Ｗ、超聲波處理時間３０ｍｉｎ，預處理用１０ｇ／Ｌ的ＮａＯＨ，纖維素酶用量３５ＩＵ／ｇ底物，生料酵母菌接種量０．７５％。在該條件下乙醇產率達到２２．４％，與傳統工藝相比，產率提高了１９％。

關鍵詞：甘薯渣；超聲波；稀堿；預處理；發酵；乙醇

中圖分類號：ＴＳ２６１．４ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０12）24－5748-04

隨著人類社會的發展進步，全球范圍內能源緊張和環境污染問題日益受到重視。從長遠看，被廣泛應用的化石燃料（包括石油、煤和天然氣）正逐步走向枯竭，發展非糧益農的替代能源是當前全球面臨的重大科研課題。甘蔗渣含有蔗糖，美國和巴西合作用甘蔗渣做乙醇［１－３］，獲得成功。甘薯渣也含有淀粉，中國民間已有成熟的甘薯渣造酒工藝。中國大部分地區，尤其紅土壤地區的山坡地適合種甘薯。在缺糧年代甘薯曾是農民的半年糧，種植面積很廣。在豐衣足食的當代，尤其經濟較發達地區，甘薯被少量用作糧食，主要用來喂豬，經濟效益不高。農民改種芝麻、黃豆、棉花等農作物，導致適合種甘薯的大量山坡地拋荒。甘薯葉、藤、根都是喂豬的好飼料，甘薯種植面積縮小是導致豬飼料漲價的原因之一。在鄂東地區開展上述課題研究，有助于武漢市生態示范型城市圈的建設，對于建立具有中國特色的生態能源生產基地有著重大的戰略意義［４］。

甘薯渣含淀粉、纖維素、半纖維素、木質素、粗蛋白、粗脂肪和灰分等。降解纖維素效果最好的是纖維素酶。纖維素酶是一類能夠將纖維素降解為葡萄糖的多組分酶系的總稱，它們協同作用，將纖維素降解為寡糖和纖維二糖，最終水解為葡萄糖［５，６］。當采用纖維素酶水解甘薯渣制造乙醇［７－１０］時，纖維素酶必須接觸吸附到纖維素底物才能使反應進行，因此，纖維素對纖維素酶的可及性是決定水解速度的關鍵因素。纖維素的結晶結構以及表面狀態、多組分結構、木質素對纖維素的保護作用以及纖維素被半纖維素覆蓋等結構與化學成分的因素致使甘薯渣難以水解。因此，必須經過預處理使纖維素、半纖維素、木質素分離開，切斷它們的氫鍵，破壞晶體結構，降低聚合度［１１－１３］。

生料釀酒是微生物利用生淀粉直接進行生長、繁殖及代謝的過程［１４，１５］。生料釀酒工藝與傳統發酵酒精工藝比較，具有節約能源、操作簡便和出酒率高等特點［１６］。利用甘薯渣中大量的淀粉生產酒精、優化發酵工藝參數，不僅可以提高甘薯深加工產品的附加值，延長產業鏈，而且可以緩解環境污染問題。通過超聲波和超聲波結合酸堿預處理木質纖維素［１７－１９］后，再在生料酵母的作用下發酵生產乙醇。為此，對甘薯渣超聲波預處理和超聲波結合酸堿預處理生料發酵生產乙醇的工藝進行了研究。

１ 材料與方法

１．１ 材料

甘薯渣來源于湖北省武穴市荷葉村，當年產；生料釀酒酵母由江西省南昌市星火高新技術研究所生產；纖維素酶產生菌由經濟林木種質改良與資源綜合利用湖北省重點實驗室選育得到；氫氧化鈉由廣州化學試劑廠生產；硫酸由常州市科豐化學試劑廠生產。

１．２ 方法

研究做了４種情況的對比試驗。

傳統方法（空白對照試驗）［２０］：將干甘薯渣粉碎，過０．４０ｍｍ篩，取５０ｇ甘薯渣粉，加入固液質量比１∶１５的去離子水，混合均勻。加３５ＩＵ／ｇ的纖維素酶，按０．７５％的接種量接入生料釀酒酵母。在無菌條件下放入恒溫培養箱內，于３０℃發酵７ｄ。

超聲波結合稀酸預處理甘薯渣發酵制備乙醇工藝：將干甘薯渣粉碎，過０．４０ｍｍ篩，取５０ｇ甘薯渣粉，加入固液質量比１∶１５的去離子水，混合均勻。再分別在５００ｍＬ燒杯中加入１５０ｍＬ的不同體積分數的稀硫酸，超聲波功率為２５０Ｗ，處理時間為３０ｍｉｎ。處理后濾干，用去離子水洗滌殘渣至中性，加３５ＩＵ／ｇ的纖維素酶，按０．７５％的接種量接入生料釀酒酵母，加入冷水，在５００ｍＬ三角瓶中混合均勻。無菌條件下放入恒溫培養箱內，３０℃發酵７ｄ。

２ 結果與分析

２．１ 固液質量比對乙醇產率的影響

２．２ 超聲波處理時間對乙醇產率的影響

２．３ 超聲波功率對乙醇產率的影響

２．４ 酵母菌接種量對乙醇產率的影響

２．６ 超聲波結合稀堿預處理中ＮａＯＨ濃度對乙醇產率的影響

２．７ ４種工藝的比較結果

試驗結果表明，最佳的因素水平組合為超聲波功率２５０Ｗ，固液質量比１∶１５，超聲波處理時間３０ｍｉｎ。在此條件下對預處理后甘薯渣發酵制乙醇，乙醇產率為２０．５％，比未經任何預處理的乙醇產率提高９％以上，這表明用超聲波預處理發酵制乙醇的效果不是很好，在超聲波處理最佳因素水平下結合稀酸預處理，當稀硫酸的體積分數為０．５％時，效果最好。超聲波結合稀酸預處理時乙醇的產率為２０．８％，要高于單獨的超聲波預處理，比未經任何預處理的乙醇產率提高了１０．６％。超聲波結合稀堿預處理，與未進行超聲波處理的稀堿預處理相比較，超聲波能有效增加ＮａＯＨ與半纖維素的反應性，也能增加其與木質素的反應性。當ＮａＯＨ的濃度為１０ｇ／Ｌ時效果最好，所得的乙醇產率最高。預處理后的結果表明，超聲波結合稀堿預處理可有效提高ＮａＯＨ對薯渣的處理效果。超聲波結合稀堿預處理的乙醇產率為２２．４％，與傳統工藝相比，乙醇產率提高了１９％。由以上試驗結果可知，利用超聲波對薯渣進行預處理，乙醇產率提高了９％；超聲波結合稀酸預處理，乙醇產率提高了１０．６％；超聲波結合稀堿預處理，乙醇產率提高了１９％。橫向比較，超聲波結合稀堿預處理的效果最好。

３ 結論

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