餐廚垃圾同步糖化發酵生產燃料酒精的工藝

張強

（長春理工大學生命科學技術學院，吉林 長春 130022）

自從20世紀70年代爆發全球性能源危機以來，生物質能源的開發和利用重新引起了人們的重視，其中燃料酒精的生產尤為引人注目[1-2]。

目前我國酒精生產主要以玉米、小麥等糧食作物為原料，從生產成本以及資源再利用兩方面考慮，利用富含淀粉及纖維素類的廢棄物作為原料則更具有優勢。目前已有利用農業廢棄物如玉米秸稈、麥稈、麥糠等進行酒精生產的研究，而利用餐廚垃圾生產燃料酒精報道很少[3]。

餐廚垃圾是指家庭、學校、食堂以及餐飲行業的食物廢料和殘余，是城市生活垃圾的重要組成部分。目前，餐廚垃圾在國內絕大多數城市存在著管理無序、任意處置等問題，嚴重威脅著消費者的食品安全和身體健康。餐廚垃圾中含有豐富的淀粉，另外還含有蛋白質、纖維素等物質，這些都是酒精極好的發酵原料。利用餐廚垃圾發酵生產酒精，可以有效解決垃圾的環境污染問題，實現其減量化、無害化與資源化，同時對擴大酒精生產原料來源，降低酒精生產成本都將具有積極的意義[4-6]。同時采用同步糖化發酵（SSF） 工藝可以使糖化和發酵同時進行，很大程度上解除了葡萄糖的不斷產生對酶反饋抑制作用，降低了基質濃度，有利于菌體生長及酒精合成。

本工作采用釀酒酵母對餐廚垃圾發酵生產燃料酒精工藝進行了研究。通過正交試驗確定了適宜的糖化酶、蛋白酶、纖維素酶添加量，并對最適pH值以及發酵周期進行了研究。

1 材料與方法

1.1 原料

餐廚垃圾取自長春理工大學某學生食堂， 經過初步分揀、小型粉碎機粉碎后待用。

1.2 菌種

活性釀酒干酵母（ADY）：酒用耐高溫型，湖北安琪酵母股份有限公司生產。

1.3 酶制劑

糖化酶（100 000U/g），蛋白酶（100 000U/g），北京奧博星生物技術有限公司提供。纖維素酶 （40 000U/g），北京東華強盛生物技術有限公司提供。

1.4 餐廚垃圾酒精發酵試驗

發酵在500mL玻璃瓶中進行。稱取100g餐廚垃圾，將其粉碎，按一定比例加水，滅菌后加入適量的酶制劑和2%活性干酵母，配好發酵栓，發酵在30℃進行。酒精生成量可以通過因CO2的釋放引起瓶重變化監測，發酵液中酒精濃度最終通過蒸餾測得。

1.5 還原糖、蛋白質含量測定

還原糖測定采用DNS 法，蛋白質的測定采用凱氏定氮法。

1.6 酒精含量測定

準確量取紗布濾后的發酵醪液100mL于500mL蒸餾瓶中，同時加入100mL蒸餾水。收集餾出液100mL于100mL容量瓶中，再用酒精密度計測其酒精濃度。

2 結果和討論

2.1 餐廚垃圾組成

餐廚垃圾是一類高有機質、高含水率的資源型廢物，不同地區餐廚垃圾的組成會有明顯差 別[7-8]。本工作的餐廚垃圾取自長春理工大學某學生食堂，pH值5.3，對其主要成分進行了測定，見表1。從表1中可以看出，餐廚垃圾糖分含量較高，主要為淀粉，纖維素含量較低，水分約占75%。另外還含有蛋白質等物質，適合進行酒精發酵。

表1 餐廚垃圾組成（干基計算）

2.2 糖化酶、蛋白酶和纖維素酶添加實驗

餐廚垃圾含有豐富的淀粉，另外還含有纖維素、蛋白質等物質，這些都是酒精極好的發酵原料。但酵母并不能直接利用這些大分子，因此采用糖化酶、蛋白酶以及纖維素酶可將它們轉化為酵母可利用的小分子，因此首先進行了3種酶制劑的單因素試驗。

2.2.1 糖化酶單因素試驗

按照發酵工藝，自然pH值5.3，30℃條件下，考察糖化酶加入量對酒精得率的影響，結果見圖1。

由于淀粉顆粒外層的網絡結構極為致密，水分子要進入淀粉分子中去是很困難的，傳統酒精生產工藝中，通過糊化作用可破壞淀粉分子間的氫鍵，切斷淀粉鏈。但本實驗中餐廚垃圾經過了加熱處理，淀粉類物質相當于已經過了糊化過程，故無需添加淀粉酶。糖化酶能將糊化的淀粉從非還原性末端水解α-1.4 葡萄糖苷鍵，產生葡萄糖[9-10]。由圖1可知，添加不同量的糖化酶時，由于生成的還原 糖不斷被菌體所利用，可有效地緩解產物對糖化過程的抑制作用，酒精生成量不斷增多。但隨著糖化酶用量增加，酒精濃度有所降低，可能由于釋放出來的糖沒有被菌體所利用生產酒精，而生成了其他副產物，并且高糖濃度往往會抑制菌體生長代 謝[11-12]。當糖化酶添加量為100U/g 時酒精濃度最高達到50.7g/L。

圖1 糖化酶添加量對酒精發酵的影響

2.2.2 蛋白酶單因素試驗

按照發酵工藝，自然pH值5.3，30℃條件下，考察蛋白酶加入量對酒精得率的影響，結果見圖2。

圖2 蛋白酶添加量對酒精發酵的影響

蛋白酶可水解糖化醪中的蛋白質，一方面增加了醪液中可被酵母利用的氨基酸，促進酵母生長發育，減輕酵母氨基酸合成代謝負荷，減少其能量消耗，可提高發酵速度，另外可降低醪液黏度[13]。從圖2可知，隨著蛋白酶用量增加，酒精濃度有所降低，主要由于高濃度營養物質的釋放會引起菌體競爭，導致菌體過快生長，不利于酒精形成。當蛋白酶添加量為150U/g 時酒精濃度最高達到22.6g/L。酒精濃度總體較低，主要由于缺少糖化酶，糊化的淀粉沒有轉化為酵母可利用的糖。

2.2.3 纖維素酶單因素試驗

按照發酵工藝，自然pH值5.3、30℃條件下，考察纖維酶加入量對酒精得率的影響，結果見圖3。

餐廚垃圾中的纖維素類物質，通過纖維素酶的作用可水解成小分子糖類，有利于酵母菌生長繁 殖[12]。由圖3可知，當纖維素酶添加量為150U/g 時酒精濃度最高達到21.2g/L。

2.2.4 糖化酶、蛋白酶和纖維素酶正交試驗

在上述單因素試驗結果基礎上，選取糖化酶加入量、蛋白酶加入量以及纖維素酶加入量3個因素，每因素3水平，以醪液酒精濃度考察指標，進行正交試驗設計，結果如表2所示。

圖3 纖維素酶添加量對酒精發酵的影響

表2 糖化酶、蛋白酶和纖維素酶正交試驗結果

表3 方差分析

由表2中的正交試驗結果和極差分析可知，極差越大，該因素對指標的影響越大，即該因素越重要。因此，在酒精發酵中3種酶主次順序為糖化 酶＞蛋白酶＞纖維素酶。據表3的方差分析結果，可知在所考察的變量中，糖化酶對酒精發酵的影響最顯著，蛋白酶對酒精發酵較顯著，而纖維素酶對酒精發酵的影響不顯著，主要由于本實驗中餐廚垃圾中纖維素類物質含量較少，使該酶未能充分發揮其作用，因此從成本角度可選擇較低添加量。

綜合各因素得出，糖化酶最適添加量為100U/g，蛋白酶最適添加量為150U/g，纖維素酶為100U/g。按上述最佳條件，做3次平行驗證實驗，酒精濃度為54.6g/L。

2.3 不同初始pH值對發酵的影響

按照發酵工藝，糖化酶、蛋白酶以及纖維素酶添加量分別為100U/g、150U/g和100U/g，30℃條件下，考察不同pH 值對酒精發酵的影響，結果見圖4。

圖4 不同pH值對酒精發酵的影響

pH 值對菌體生長、產物得率以及產物合成方向都有明顯的影響。適宜的pH 值能夠促進微生物的生長以及酒精的生成，pH 值過高或者過低都會影響菌體的生命活動，進而影響酒精的得率。同時pH 值也影響酶的活性。從圖4中可以看出pH 值在5～6左右酒精濃度較高。 因此可選擇自然pH值5.3作為最適pH值，發酵過程中省去了調節pH值的麻煩。另外發酵在較酸性的條件下進行，可有效的抑制雜菌的生長，有利于提高酒精產量和純度[14]。

2.4 不同發酵周期對酒精發酵的影響

按照發酵工藝，糖化酶、蛋白酶以及纖維素酶添加量分別為100U/g、150U/g和100U/g，30℃條件下，自然pH值5.3，考察不同發酵周期對酒精發酵的影響，結果見圖5。

從圖5中可以看出，發酵時間過短，葡萄糖沒有充分被利用，酒精得率較低; 而發酵時間過長，酵母的活性開始下降，并且發酵時間的延長將增加染菌的機會，同時增加酒精的生產成本。從圖5中 可以看出24h 以后，酒精濃度增加顯著，至120～144h達到最高54.6 g/L，所以發酵周期選為120h。

圖5 發酵周期對酒精發酵的影響

3 結 論

餐廚垃圾營養物質含量豐富，通過釀酒酵母對餐廚垃圾發酵生產燃料酒精的工藝研究的結果表明：糖化酶和蛋白酶添加對酒精發酵影響顯著，纖維素酶影響較小，糖化酶最適添加量為100U/g，蛋白酶最適添加量為150U/g，纖維素酶為100U/g，自然pH值（5.3）發酵，最佳的發酵周期是120h，最終酒精濃度達到54.6g/L。發酵過程無需添加其他營養物質，說明餐廚垃圾本身所含的營養物質即可以滿足菌體生長的需要。

餐廚垃圾作為易腐有機物屬于資源型廢棄物，由于其極易被微生物所利用，使得生物降解法成為處理垃圾的主要方法。利用餐廚垃圾發酵生產燃料酒精，一方面可有效地將垃圾轉化為能源，是垃圾再生利用，開發新能源的一條新途徑，不僅有利于環境，而且可以回收能源。另一方面擴大了酒精生產原料來源，對降低燃料酒精生產成本具有積極的意義。

[1] 李振宇，李頂杰，黃格省，等. 燃料酒精發展現狀及思考[J]. 化工進展，2013，32（7）：1457-1467.

[2] Madhavan A，Srivastava A，Kondo A，et al. Bioconversion of lignocellulose-derived sugars to ethanol by engineeredSaccharomyces cerevisiae[J].Critical Reviews in Biotechnology，2012，32（1）：22-48.

[3] 黨秋玲，劉馳，席北斗，等. 生活垃圾堆肥過程中細菌群落演替規律[J]. 環境科學研究，2011，24（2）：236-242.

[4] 徐長勇，宋薇，趙樹青，等. 餐廚垃圾飼料化技術的同源性污染研究[J]. 環境衛生工程，2011，19（1）：9-10.

[5] 田葳. 城市污水處理廠污泥堆肥技術研究[J]. 安徽農業科學，2010，38（20）：10843-10844.

[6] Ma Hongzhi，Wang Qunhui，Qian Dayi，et al. The utilization of acid-tolerant bacteria on ethanol production from kitchen garbage[J].Renewable Energy，2009，34：1466-1470.

[7] 張強，郭元，韓德明. 餐廚垃圾能源化的研究進展[J]. 化工進展，2014，33（1）：187-192.

[8] 王濱，張國政，路福平，等. 酵母酒精耐性機制的研究進展[J]. 天津輕工業學院學報，2001（1）：18-22.

[9] 張敏，毛健，黃桂東. 清酒釀酒酵母酒精耐受機理的研究進展[J]. 食品工業科技，2012，20：342-346.

[10] 奚立民，張昕欣. 雙菌共發酵餐廚垃圾生產燃料酒精的新方法[J]. 可再生能源，2011（5）：40-43.

[11] Wang Qunhui，Ma Hongzhi，Xu Wenlong.Ethanol production from kitchen garbage using response surface methodology[J].Biochemical Engineering Journal，2008，39：604-610.

[12] 尹瑋，馬鴻志，汪群慧. 利用餐廚垃圾酒糟離心液制取糖化酶[J]. 哈爾濱工業大學學報，2009（4）：58-61.

[13] 晏輝，馬鴻志，汪群慧. 同步糖化發酵餐廚垃圾生產燃料酒精的研究[J]. 環境與可持續發展，2007（3）：37-39.

[14] 馬鴻志，宮利娟，汪群慧. Plackett Burman 實驗設計優化餐廚垃圾發酵產燃料酒精的研究[J]. 環境科學，2008（5）：1452-1456.