石榴皮渣微生物發酵乙醇的工藝

吳曉菊,姜 麗

(新疆輕工職業技術學院 食品與生物技術分院,新疆 烏魯木齊 830021)

石榴富含營養成分,能夠很好地補充人體所需營養元素,具有美容養顏、抗衰老、抵抗細菌和病毒、調整心臟正常的運動頻率、軟化血管、補血養氣等功效，富含根皮堿,對傷寒桿菌、痢疾桿菌等均有抑制作用,還可使腸黏膜收斂,分泌物減少,能有效地治療腹瀉、痢疾等癥,有澀腸止瀉的特殊功效。

新疆是我國主要的石榴產地之一。由于特殊的地理氣候條件,新疆的石榴普遍大而甜,種植區主要分布在南疆喀什、和田、阿克蘇等地,其中以葉城縣種植石榴的歷史最長、面積最大、產量最高。果蔬生產企業因石榴產品加工而產生大量的石榴皮渣,且石榴皮渣不易儲存、運輸,腐敗變質后會產生惡臭,容易造成資源浪費和環境污染,故石榴皮渣的綜合利用已成為國家和石榴制品生產企業所關注的一個重要問題[1]。本文研究石榴皮渣發酵生產乙醇的工藝,通過單因素實驗和正交試驗確定最優工藝參數,旨在為石榴皮渣的深加工提供新途徑和理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

石榴皮渣,新疆皮山縣收購;安琪活性干酵母,安琪酵母有限公司。

1.2 主要儀器與設備

電熱恒溫培養箱(DNP-9082型),上海精宏實驗設備有限公司;手持糖度計(VBR90A-WZ109型),杭州匯爾儀器設備有限公司。

1.3 工藝流程

圖1 石榴皮渣發酵生產乙醇的工藝流程

1.4 操作要點

1.4.1 石榴皮渣分選、清洗、預熱

挑選無病蟲害、無腐爛的石榴皮渣,用水清洗后,微波預熱處理5 min[2]。

1.4.2 酵母活化、發酵

用10倍于酵母重量、35 ℃的水活化安琪活性酵母30 min。添加石榴皮渣重量3%的活化后的酵母,充分攪拌后裝入發酵罐,每個發酵罐的滿裝程度為70%,然后在35 ℃條件下密封發酵。

1.4.3 成品分離

發酵結束后得到粗品,再通過過濾和離心分離,得到乙醇成品,計算乙醇含量。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

分別稱取1 kg石榴皮渣樣品,以乙醇得率為指標,對液固比、接種量、發酵溫度和發酵時間進行單因素實驗。

2.1.1 不同液固比對乙醇得率的影響

稱取1 kg石榴皮渣樣品,分別選擇5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1的液固比,添加3%的酵母,在35 ℃條件下密封發酵36 h,計算乙醇得率,結果見表1。

表1 不同液固比對乙醇得率的影響

由表1可知,不同的液固比會影響石榴皮渣的乙醇得率。當液固比從5∶1變化到15∶1時,乙醇得率也隨之增加,這是因為隨著液固比的增加,酵母菌的代謝活力不斷增強,乙醇得率也相應提高。當液固比為15∶1時,乙醇得率最高,為0.590 mL/g;當液固比從15∶1變化到30∶1時,由于過高的濃度影響了酵母菌的活力,乙醇得率呈現下降趨勢。因此,本實驗中的最佳液固比為15∶1。

2.1.2 不同接種量對乙醇得率的影響

稱取1 kg石榴皮渣樣品,選擇15∶1的液固比,分別添加2%、3%、4%、5%、6%的酵母,在35 ℃條件下密封發酵36 h,計算乙醇得率,結果見表2。

表2 不同接種量對乙醇得率的影響

由表2可以看出,乙醇得率并不隨酵母添加量的增加而持續增加。當酵母添加量為3%時,乙醇得率最大,為0.586 mL/g,而當酵母添加量繼續增加時,乙醇得率反而下降。其原因是由于發酵過程中,較多的酵母菌生長繁殖消耗了過多的能量,從而使酵母菌的總發酵能力下降,最終降低了乙醇得率。因此,本實驗中的最佳接種量為3%。

2.1.3 不同發酵溫度對乙醇得率的影響

稱取1 kg石榴皮渣樣品,選擇15∶1的液固比,添加3%的酵母,分別在20、25、30、35、40 ℃下發酵36 h,計算乙醇得率,結果見表3。

表3 不同發酵溫度對乙醇得率的影響

由表3可知,當發酵溫度從20 ℃上升到35 ℃時,乙醇得率呈現持續增加狀態,并在35 ℃時達到最大值0.588 mL/g;當發酵溫度繼續上升到40 ℃時,乙醇得率下降至0.372 mL/g。分析其原因,當溫度從20 ℃上升到35 ℃時,酵母菌的活力不斷增強；當溫度超過40 ℃時,超過了酵母菌的適宜溫度,乙醇得率下降,同時較高溫度下,酵母菌在生長繁殖過程中消耗了較多的能量,致使乙醇的總得率減少[3]。因此,本實驗中的最佳發酵溫度為35 ℃。

2.1.4 不同發酵時間對乙醇得率的影響

稱取1 kg石榴皮渣樣品,選擇15∶1的液固比,添加3%的酵母,在35 ℃條件下分別發酵28、32、36、40、44 h,計算乙醇得率,結果見表4。

表4 不同發酵時間對乙醇得率的影響

由表4可知,當發酵時間從28 h增加到36 h時,隨著發酵時間的增加,乙醇得率逐漸增加;當發酵時間為36 h時,乙醇得率達到最高值0.590 mL/g；當發酵時間超過36 h時,乙醇得率和品質都有所下降,這是由于發酵時間過長,酵母菌生長繁殖消耗的能量較多,使得乙醇得率出現下降趨勢。因此,本實驗中的最佳發酵時間為36 h。

2.2 正交試驗設計

根據單因素實驗結果,選擇液固比、接種量、發酵時間和發酵溫度等4個因素,各因素選取3個水平(見表5),以乙醇得率為指標,進行L9(34)正交試驗,結果見表6。

表5 正交試驗因素水平

表6 L9(34)正交試驗結果分析

續表6：

序號因素ABCD乙醇得率(mL/g)K20.3281.2431.0511.245K31.0201.1121.0291.072k10.3380.3320.4270.348k20.4430.4140.3500.357k30.3400.3730.3430.274R0.1050.0820.0840.083

從表6可以看出,在石榴皮渣微生物發酵生產乙醇的過程中,液固比、接種量、發酵時間和發酵溫度等4因素均會對乙醇得率產生一定程度的影響,正交試驗顯示它們的影響程度為A(液固比)>C(發酵時間)>D(發酵溫度)>B(接種量),最佳工藝為A2B2C1D2,即液固比15∶1、接種量3%、發酵溫度35 ℃、發酵時間36 h,在此條件下對石榴皮渣進行發酵,乙醇得率為0.588 mL/g,且乙醇成品品質優良。

3 結論

新疆果蔬生產企業在石榴產品加工過程中產生了大量的石榴皮渣。由于石榴皮渣不易儲存、運輸,腐敗變質后會產生惡臭,容易造成資源浪費和環境污染。研究發現，石榴皮渣作為原料,經微生物發酵后可獲得品質良好的乙醇。本文通過單因素實驗和正交試驗,確定了石榴皮渣微生物發酵生產乙醇的工藝流程和最佳工藝參數,其工藝流程是:石榴皮渣經分選、清洗、預熱后,添加酵母,在適宜的條件下進行發酵,經分離可得乙醇成品。最佳工藝參數為:液固比15∶1、酵母菌接種量3%、發酵溫度35 ℃、發酵時間36 h,在此條件下對石榴皮渣進行發酵,乙醇得率為0.588 mL/g。