雪花梨廢棄物轉化乙醇的工藝研究

郝秋娟，馬同鎖，于子簫，李 娜，郝東旭

（1.河北經貿大學生物科學與工程學院，河北石家莊 050061；2.西南科技大學生命科學與工程學院，四川綿陽 621010；3.河北經濟管理學校，河北石家莊 050071）

雪花梨廢棄物轉化乙醇的工藝研究

郝秋娟1，馬同鎖1，于子簫2，李 娜1，郝東旭3

（1.河北經貿大學生物科學與工程學院，河北石家莊 050061；2.西南科技大學生命科學與工程學院，四川綿陽 621010；3.河北經濟管理學校，河北石家莊 050071）

為掌握雪花梨廢棄物發酵工藝條件，在單因素試驗的基礎上，運用正交試驗設計方法對雪花梨廢棄物帶渣發酵工藝進行了研究和優化。結果表明，雪花梨廢棄物最佳發酵工藝條件為（NH4）2SO4添加量1.5 g/L，發酵溫度28℃，初始pH值5.5，接種量為8%，酒精度達6.3%（V/V）。

雪花梨；廢棄物；乙醇

雪花梨屬于薔薇科植物，是我國僅次于柑橘和蘋果之后的第三大水果[1]，富含糖類、多種氨基酸、維生素、有機酸等，營養豐富，也特別容易腐爛。據統計，我國每年產生的果蔬廢棄物高達1.0×104t，其中大部分被隨意丟棄到環境中，造成了環境污染[2]。目前，我國對果蔬廢棄物的處理方式主要有好氧堆肥法生產肥料[3-7]和厭氧消化法生產沼氣[8-14]，除此之外，還有部分學者進行了果蔬廢棄物轉化為生物乙醇的研究[15-17]，但是關于雪花梨廢棄物轉化乙醇的研究尚未見報道。若實現雪花梨廢棄物轉化乙醇，將更經濟合理地處理和利用梨廢棄物，同時緩解能源危機。經過乙醇發酵的廢料還可以生產有機肥料，更加徹底地利用梨廢棄物。因此，如何合理有效利用雪花梨廢棄物具有重要意義。試驗以雪花梨廢棄物為原料，采用單因素試驗確定了（NH4）2SO4添加量、發酵初始pH值、發酵溫度、接種量等因素，進而采用正交試驗確定了雪花梨廢棄物轉化乙醇的最佳工藝，為以雪花梨廢棄物為原料采用液體發酵制備燃料乙醇提供了理論依據，為燃料乙醇的制備提供新原料。

1 材料與方法

1.1 材料

雪花梨，采自河北趙縣；酒精酵母，河北經貿大學實驗室保存。

1.2 儀器與設備

25D型生化培養箱，金壇市天竟實驗儀器廠產品；LYT-330型折光儀，上海淋譽公司產品；SARTORIUS型賽多利斯分析天平，北京賽多利思儀器系統有限公司產品；LDZX-50FBS型立式壓力蒸汽滅菌器，上海申安醫療器械廠產品。

1.3 試驗方法

1.3.1 腐爛雪花梨的處理

將腐爛30%以上雪花梨的腐爛部分除去，剩余部分切碎，用組織搗碎機搗碎，蒸煮滅菌。

1.3.2 單因素試驗

將250 g經粉碎處理的雪花梨裝入500 mL的錐形瓶若干瓶，蒸煮滅菌，其中分別控制（NH4）2SO4添加量、發酵溫度、初始pH值、接種量進行發酵，每隔12 h分別測定其失質量情況，發酵結束測定酒精含量，以確定最佳發酵工藝條件。

1.3.3 正交試驗

根據單因素試驗的結果，以酒精產率作為考查指標，進一步設計L9（34）正交試驗，以確定最佳發酵工藝條件。

發酵工藝優化正交試驗因素與水平設計見表1。

表1 發酵工藝優化正交試驗因素與水平設計

1.3.4 檢測分析方法

酒精度采用比重計法測定。

2 結果與分析

2.1 硫酸銨添加量的確定

將250 g經粉碎處理的雪花梨裝入500 mL的錐形瓶若干瓶，自然pH值，接種量6%，分別添加0，0.5，1.0，1.5，2.0 g/L的硫酸銨，滅菌，冷卻后接種，于28℃條件下發酵，發酵終了測定酒精度。

硫酸銨添加量的確定見圖1。

圖1 硫酸銨添加量的確定

由圖1可知，在相同發酵條件下，酒精度隨硫酸銨添加量的增大，出現先上升后下降的變化趨勢，并且硫酸銨添加量為1.5 g/L時，酒精產率最多為6.0%（V/V），故確定硫酸銨的最佳添加量為1.5 g/L。

2.2 發酵溫度的確定

溫度的高低不僅影響菌體的生長繁殖，還影響菌體新陳代謝的速度和方向。為了考查溫度對發酵的影響，設置溫度分別為25，28，31，34℃，其他條件不變測定發酵過程失質量情況和發酵后酒精度，以確定最佳發酵溫度。

發酵溫度對CO2失質量數的影響見圖2，發酵溫度對酒精度的影響見圖3。

圖2 發酵溫度對CO2失質量數的影響

圖3 發酵溫度對酒精度的影響

由圖2可知，在不同發酵溫度下，隨著發酵的進行，CO2失質量數越來越多。發酵24 h時，31℃條件下失質量數最多，為2.2 g，25℃失質量數最少，為0.8 g；隨著發酵進行至發酵結束時，失質量總量為28℃失質量數＞31℃失質量數＞25℃失質量數＞34℃失質量數。由圖3可知，在28℃條件下發酵酒精產率最高為6.1%（V/V），31℃條件下次之為6.0%（V/V），25℃條件下酒精產率最低，為5.6%（V/V）。綜合考慮，發酵溫度為28℃時，CO2失質量最大，酒精度最高。故選擇最佳發酵溫度為28℃。

2.3 發酵pH值的確定

pH值的高低不僅影響底物的解離情況，還影響細胞對營養物質的吸收，進而影響微生物細胞的生長繁殖和代謝方向。為了考查pH值對發酵的影響，分別控制發酵初始pH值5.0，5.5（自然），6.0，6.5，其他條件不變測定發酵過程失質量情況和發酵終了酒精度，以確定最佳發酵初始pH值。

pH值對CO2失質量數的影響見圖4，初始pH值對酒精度的影響見圖5。

圖4 pH值對CO2失質量數的影響

由圖4可知，在不同發酵pH值條件下，隨著發酵的進行，CO2失質量數越來越多。隨著pH值升高，CO2失質量數呈現先增大后減小的趨勢。發酵24 h時，pH值5.5條件下CO2失質量數最多，為2.0 g；pH值6.5條件下失質量數最少，為0.8 g，故在pH值5.5時發酵最快。發酵結束時，失質量總量為pH值5.5失質量數＞pH值5.0失質量數＞pH值6.0失質量數＞pH值6.5失質量數。由圖5可知，發酵結束時，pH值5.5條件下酒精產率最高，為6.1%（V/V）；pH值6.5條件下酒精產率最低，為5.7%（V/V）。綜合考慮，發酵pH值為5.5時，CO2失質量最大，酒精度最高。故選擇最佳發酵初始pH值為5.5。

2.4 酵母接種量的確定

接種量過低，會導致遲滯期過長，進而影響發酵周期，影響設備利用率和發酵效率；接種量過高，會影響目的產物收率。為了考查接種量對發酵的影響，分別控制接種量2%，4%，6%，8%，10%，其他條件不變，測定發酵過程失質量數及發酵終了酒精度，以確定最佳接種量。

接種量對CO2失質量數的影響見圖6，接種量對酒精度的影響見圖7。

圖5 初始pH值對酒精度的影響

圖6 接種量對CO2失質量數的影響

圖7 接種量對酒精度的影響

由圖6可知，在不同發酵pH值條件下，隨著發酵的進行，CO2失質量數越來越大，并且隨著接種量增大，CO2失質量數呈現先增大后減小的趨勢，發酵24 h時，接種量為6%～10%時，CO2失質量數無明顯差異；接種量為2%～4%時，CO2失質量數略低。發酵結束時，接種量為6%時失質量數最大，為7.8 g。

由圖7可知，發酵結束時，接種量為6%時酒精產率最高，為5.9%（V/V）；接種量為10%時酒精產率最低，為5.4%（V/V）。綜合考慮，接種量為6%時，CO2失質量數最大，酒精度最高，故選擇最佳接種量為6%。

2.5 正交試驗

為了考查各單因素之間的交互作用，根據發酵單因素試驗的結果，進一步設計L9（34）正交試驗，以確定最佳發酵工藝。

發酵工藝優化正交試驗結果與分析見表2。

表2 發酵工藝優化正交試驗結果與分析

由表2可知，在發酵工藝優化的正交試驗中，對酒精度影響大小順序依次是A＞C＞B，即發酵溫度＞接種量＞初始pH值，最佳發酵工藝條件組合為A2B2C3，即發酵溫度28℃，初始pH值5.5，接種量為8%。經驗證試驗，最佳發酵工藝條件下酒精含量達6.3%（V/V）。

3 結論

雪花梨廢棄物轉化燃料乙醇發酵最佳條件為（NH4）2SO4添加量1.5 g/L，發酵溫度28℃，初始pH值5.5，接種量為8%。在此工藝條件下，酒精含量達6.3%（V/V）。利用雪花梨廢棄物轉化燃料乙醇發酵工藝的確定，為燃料乙醇的制備提供了新的原料，為水果廢棄物的合理化利用、變廢為寶提供了新思路。

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Study on the Conversion of Snow Pear Waste into Alcohol

HAO Qiujuan1，MA Tongsuo1，YU Zixiao2，LI Na1，HAO Dongxu3
（1.College of Biological Science and Engineering，Hebei University of Economics and Business，Shijiazhuang，Hebei 050061，China；2.School of Life Science and Engineering，South West University of Science and Technology，Mianyang，Sichuan 621010，China；3.Hebei Economic Management School，Shijiazhuang，Hebei 050071，China）

Based on the single factor experiment，the orthogonal experiment design method was used to study the fermentation process of the waste of the snow pears.The results showed that the most optimum fermentation conditions were obtained as follows，the（NH4）2SO4addtion 1.5 g/L，fermentation temperature 28 ℃，initial pH value 5.5，inoculation amount 8%，the biggest alcohol content was 6.3% （V/V） .

snow pears；waste；alcohol

S216.4

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.11.006

1671-9646（2017） 11a-0021-03

2017-09-06

河北省高等學校科學研究計劃項目（QN2015092）；河北省科技支撐計劃項目（14236802D-2）；河北經貿大學大學生創新實驗項目（201500043）。

郝秋娟（1976— ），女，碩士，講師，研究方向為應用微生物方向的教學和研究。