玉米秸稈、玉米芯發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的研究

田亞紅，常麗新，王麗萍，徐宵媧

（河北聯(lián)合大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河北唐山063009）

玉米秸稈、玉米芯發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的研究

田亞紅，常麗新，王麗萍，徐宵媧

（河北聯(lián)合大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河北唐山063009）

通過單因素和正交試驗(yàn)，研究了玉米秸稈、玉米芯兩種原料分別發(fā)酵和混合發(fā)酵對(duì)乙醇生產(chǎn)的影響。結(jié)果表明，玉米秸稈和玉米芯分別發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的最佳條件基本一致為：發(fā)酵時(shí)間72 h，接種量5%，pH為4.8；玉米秸稈和玉米芯混合發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的最佳條件為：發(fā)酵時(shí)間72 h，接種量為5%，pH 5.3，玉米秸稈：玉米芯（質(zhì)量比）為2∶3，乙醇濃度達(dá)7.96%，與分別發(fā)酵相比，乙醇濃度提高了20.6%。

玉米秸稈；玉米芯；發(fā)酵；乙醇

乙醇是一種重要的工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用于食品、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域，而且可以部分或全部替代汽油，具有安全、清潔、再生等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的乙醇生產(chǎn)主要以玉米、甘蔗、薯類等農(nóng)作物發(fā)酵而成，使其生產(chǎn)成本過高，無法得到廣泛應(yīng)用。必須尋找新的生產(chǎn)原料和技術(shù)，降低燃料乙醇的生產(chǎn)成本，使其大規(guī)模應(yīng)用成為可能[1]。

玉米是世界上分布最廣的禾本科植物作物之一，我國玉米種植面積居世界第二位，僅次于美國。在玉米精加工的過程中，產(chǎn)生大量玉米廢棄物如玉米秸稈和玉米芯，除少部分直接用于禽畜飼料以外，大部分成為農(nóng)用垃圾，造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。玉米秸稈和玉米芯主要成分為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、浸提物及灰分等[2]。本實(shí)驗(yàn)針以玉米秸稈和玉米芯為主要原料，采用分別發(fā)酵和混合發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇，并對(duì)其發(fā)酵條件進(jìn)行研究。該研究不僅可以拓寬生物有機(jī)質(zhì)制備生物能源的新途徑，而且為玉米廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

玉米秸稈和玉米芯：河北省唐山市豐潤區(qū)，當(dāng)年產(chǎn)。采用酸性洗滌劑法[3]測定玉米秸稈中粗纖維含量為46.58%，玉米芯中粗纖維含量為26.94%。

菌種：釀酒酵母，河北聯(lián)合大學(xué)生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室保存菌種。

纖維素酶：上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 同步糖化發(fā)酵乙醇的工藝路線

圖1 同步糖化發(fā)酵工藝路線Fig.1 Simultaneous saccharification and fermentation process

操作要點(diǎn)：

1.2.1 原料

將玉米秸稈和玉米芯晾干、粉碎過篩（40目）后，備用。

1.2.2 預(yù)處理方法

分別取2.0 g玉米秸稈粉和玉米芯粉，各加入1% H2SO4，固液比為1∶10，溫度為100℃條件下預(yù)處理2h，處理后殘?jiān)粗林行裕?0℃烘至恒重，備用。

1.2.3 玉米秸稈、玉米芯分別發(fā)酵和混合發(fā)酵乙醇

將預(yù)處理后的玉米秸稈、玉米芯水解液濃縮一定的倍數(shù)，加入蛋白胨0.5%，酵母膏0.5%，硫酸亞鐵0.03%，磷酸二氫鉀0.1%，pH 4.5，滅菌后，接入一定量的酵母及纖維素酶，35℃搖床（110 r/min）培養(yǎng)，發(fā)酵過程中取樣測定其乙醇濃度及殘?zhí)菨舛取?/p>

1.3 方法

1.3.1 還原糖的測定

采用DNS法[4]。

1.3.2 酒精度的測定

采用重鉻酸鉀氧化法[5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米秸稈、玉米芯兩種原料分別發(fā)酵對(duì)乙醇發(fā)酵的影響

2.1.1 不同發(fā)酵時(shí)間對(duì)乙醇發(fā)酵的影響

將玉米秸稈、玉米芯兩種原料分別調(diào)pH為4.8，接種量為5%，于35℃分別進(jìn)行同步糖化發(fā)酵。在發(fā)酵12、24、36、48、60、72、84、96h時(shí)，取樣，分別測定上述兩種發(fā)酵液中乙醇濃度和殘?zhí)呛俊＝Y(jié)果如圖2、3所示。

圖2 不同發(fā)酵時(shí)間對(duì)乙醇發(fā)酵的影響（玉米秸稈）Fig.2 Effect of different fermentation time on ethanol fermentation（corn stalk）

由圖2、圖3可知，在發(fā)酵初期，纖維素酶作用于底物中纖維素成分所生成的葡萄糖只有少量被酵母利用生產(chǎn)乙醇，發(fā)酵液中殘?zhí)堑臐舛缺容^高，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，酵母菌大量繁殖，殘?zhí)菨舛戎饾u降低，乙醇濃度呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)發(fā)酵時(shí)間為72 h時(shí)，乙醇濃度分別達(dá)到最高，玉米秸稈發(fā)酵產(chǎn)乙醇濃度為3.25 %，玉米芯發(fā)酵產(chǎn)乙醇濃度為5.46%，故確定玉米秸稈和玉米芯分別發(fā)酵時(shí)的最佳發(fā)酵時(shí)間均為72 h。

圖3 不同發(fā)酵時(shí)間對(duì)乙醇發(fā)酵的影響（玉米芯）Fig.3 Effect of different fermentation time on ethanol fermentation（corn cob）

2.1.2 不同接種量對(duì)乙醇發(fā)酵的影響

在上述確定的最佳條件下，研究不同接種量為1%、3%、5%、7%、9%分別對(duì)玉米秸稈和玉米芯發(fā)酵乙醇的影響，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 不同接種量對(duì)乙醇發(fā)酵的影響（玉米秸稈）Fig.4 Effect of different inoculation amount on ethanol fermentation（corn stalk）

圖5 不同接種量對(duì)乙醇發(fā)酵的影響（玉米芯）Fig.5 Effect of different inoculation amount on ethanol fermentation（corn cob）

由圖4、圖5可知，利用纖維原料同步糖化發(fā)酵的過程中，接種量較小時(shí)，菌體生長緩慢，會(huì)延長發(fā)酵時(shí)間，對(duì)生產(chǎn)不利；接種量過大導(dǎo)致菌體生長過盛，發(fā)酵液粘度增加，乙醇產(chǎn)量反而會(huì)降低。當(dāng)接種量為5%時(shí)，乙醇濃度達(dá)到最高，玉米秸稈發(fā)酵產(chǎn)乙醇濃度為4.12%，玉米芯發(fā)酵產(chǎn)乙醇濃度為6.60%，故最佳接種量均為5%。

2.1.3 不同pH對(duì)乙醇發(fā)酵的影響

在上述確定的最佳條件下，研究不同pH3.8、4.3、4.8、5.3、5.8分別對(duì)玉米秸稈和玉米芯發(fā)酵乙醇的影響，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 不同pH對(duì)乙醇發(fā)酵的影響（玉米秸稈）Fig.6 Effect of different pH on ethanol fermentation（corn stalk）

圖7 不同pH對(duì)乙醇發(fā)酵的影響（玉米芯）Fig.7 Effect of different pH on ethanol fermentation（corn cob）

利用纖維原料同步糖化發(fā)酵的過程中，纖維酶解的最適pH為4.8～5.0，釀酒酵母則在初始pH為3.5～6.5的范圍內(nèi)可正常發(fā)酵，由圖6、圖7可知，pH對(duì)玉米秸稈、玉米芯分別發(fā)酵乙醇的影響基本一致，當(dāng)pH為4.8時(shí)，殘?zhí)菨舛葹樽畹停掖紳舛冗_(dá)到最高，玉米秸稈發(fā)酵產(chǎn)乙醇濃度為3.93%，玉米芯發(fā)酵產(chǎn)乙醇濃度為5.53%，故最佳pH均為4.8。綜合考慮上述單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)玉米芯單獨(dú)發(fā)酵優(yōu)于玉米秸稈單獨(dú)發(fā)酵。

2.2 玉米秸稈、玉米芯兩種原料混合發(fā)酵對(duì)乙醇發(fā)酵的影響

2.2.1 不同混合比對(duì)乙醇發(fā)酵的影響

將玉米秸稈：玉米芯（質(zhì)量比）以不同比例1∶0，4∶1，3∶2，1∶1，2∶3，1∶4，0∶1混合后進(jìn)行同步糖化發(fā)酵，研究不同混合比對(duì)乙醇發(fā)酵的影響，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)玉米秸稈和玉米芯以1∶4的比例混合并進(jìn)行發(fā)酵時(shí)，乙醇濃度達(dá)到最高值8.35%。

2.2.2 混合發(fā)酵的正交實(shí)驗(yàn)

圖8 不同混合比對(duì)乙醇發(fā)酵的影響Fig.8 Effect of different mixture ratio on ethanol fermentation

綜合考慮上述單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)玉米秸稈、玉米芯混合發(fā)酵優(yōu)于分別發(fā)酵。在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)發(fā)酵時(shí)間、接種量、pH和玉米秸稈和玉米芯混合比四因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)，因素及水平如表1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table1 Factors and levels of the orthogonal experiment

表2 L9（34）正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table2 Resluts of the orthogonal experiment

由表2的直觀分析可知，各因素的主次順序是A＞B＞C＞D，即發(fā)酵時(shí)間＞接種量＞pH＞玉米秸稈：玉米芯。綜合各種影響因素，玉米秸稈和玉米芯混合發(fā)酵乙醇的最佳工藝為A2B2C3D1，即發(fā)酵時(shí)間為72 h，接種量為5%，pH 5.3，玉米秸稈：玉米芯（質(zhì)量比）為2∶3。

2.2.3 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

在最佳發(fā)酵條件下，即發(fā)酵時(shí)間為72 h，接種量為5%，pH 5.3，玉米秸稈：玉米芯（質(zhì)量比）為2∶3。進(jìn)行了三次驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，求其乙醇濃度的平均值，得到最佳工藝條件下乙醇濃度為7.96%，乙醇濃度提高了20.6%。

3 結(jié)論

通過比較分析玉米秸稈、玉米芯兩種原料分別發(fā)酵和混合發(fā)酵對(duì)乙醇生產(chǎn)的影響，結(jié)果表明，混合發(fā)酵優(yōu)于分別發(fā)酵，確定了玉米秸稈和玉米芯混合發(fā)酵同步糖化發(fā)酵乙醇的最佳條件：發(fā)酵時(shí)間為72h，接種量為5%，pH 5.3，玉米秸稈：玉米芯（質(zhì)量比）為2∶3，在最佳工藝條件下乙醇濃度為7.96%。乙醇濃度提高了20.6%。

[1]殷建平.中國燃料乙醇發(fā)展?jié)摿Ψ治鯷J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2007(6):6-9

[2]高夢(mèng)祥,許育彬,熊雷鋒,等.玉米秸稈的綜合利用途徑[J].陜西農(nóng)業(yè)科學(xué),2000(7):29-31

[3]張彩瑩,肖連冬.生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京,化學(xué)工業(yè)出版社,2009

[4]張龍翔,張庭芳,李令嬡.生化實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)[M].2版.北京:高等教育出版社,1997

[5]林仁權(quán),胡文蘭,陳國亮.重鉻酸鉀氧化分光光度法測定酒中乙醇含量[J],浙江預(yù)防醫(yī)學(xué),2006,18(3):78-79

Study on Ethanol Fermentation of Corn Straw，Corn Cob

TIAN Ya-hong，CHANG Li-xin，WANG Li-ping，XU Xiao-wa
（College of Life Science，Hebei United University，Tangshan 063009，Hebei，China）

The effects of the individual and mixed fermentation of two kinds of raw materials corn stalk，corn cob on ethanol production were studied by single factor and orthogonal experiments.The results showed that corn straw and corn cob respectively were basically the same as optimum conditions for production of ethanol by fermentation：fermentation time72 h，inoculum 5%，pH 4.8；The mixed fermentation for ethanol production were as follows：fermentation time72h，inoculum for 5%，pH 5.3，corn straw：corn cob（ratio to weight）of2∶3，ethanol concentrations7.96%，Compared with separated fermentation，ethanol concentration increased by20.6%.

corn stalk；corn cob；fermentation；ethanol

10.3969/j.issn.1005-6521.2014.03.013

2012-12-11

河北省科技廳資助項(xiàng)目（12227107D）

田亞紅（1979—），女（漢），講師，碩士研究生，研究方向：發(fā)酵工藝優(yōu)化。