甜高粱鹽甜1號秸稈榨汁發(fā)酵制取乙醇

潘宗瑾，王海洋，楊 華，劉興華，高 進(jìn)，秦光蔚，葛漢勤，王 為

（江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/鹽城市甜高粱育種工程技術(shù)研究中心 江蘇鹽城224002）

20世紀(jì)因多次出現(xiàn)能源危機，人們便對生物燃料乙醇寄予了厚望。目前，燃料乙醇的生產(chǎn)以淀粉類和糖類等糧食作為原料，這樣勢必造成與民爭糧、與糧爭地的情況，導(dǎo)致糧食緊缺，所以各國開始研究用非糧作物來生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)。甜高粱糖分積累快，莖稈汁液中含糖量可達(dá)12%～22%[1]，其汁液錘度（Brix，簡寫為BX）通常為100～200°BX；其生物產(chǎn)量高，莖稈產(chǎn)量75～300 t/hm2，生產(chǎn)力接近速生輪作林的2倍，比甘蔗高30%，是玉米的3.2倍，且能適應(yīng)干旱、洪澇、鹽堿地等不良環(huán)境[2]，是最具有潛力的再生能源作物。但是，由于甜高粱在儲存時糖分易降解消耗[3]，在甜高粱發(fā)酵乙醇產(chǎn)業(yè)化時，如何有效儲存甜高粱，保持其糖分不損耗，是產(chǎn)業(yè)面臨的技術(shù)難題[1]。

甜高粱發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的技術(shù)主要有固體發(fā)酵和液體發(fā)酵2種。固體發(fā)酵是一種利用粉碎后的甜高粱直接發(fā)酵的工藝。固體發(fā)酵的優(yōu)點是設(shè)備簡易、成本低、易操作、乙醇生產(chǎn)率高，并且在整個工藝過程中不產(chǎn)生廢水、廢物[1]。但是，固體發(fā)酵存在設(shè)備占地面積大，對工人能力需求較高，以及發(fā)酵周期較長等弱點。李十中等發(fā)明了一種具備自控系統(tǒng)的連續(xù)固態(tài)發(fā)酵制取乙醇的裝置及工藝，該工藝采用連續(xù)固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，工藝可以充分利用可發(fā)酵糖分，提高發(fā)酵效率，自動化程度高，發(fā)酵罐的可調(diào)控性強，并可節(jié)省成本[4]。液體發(fā)酵是將甜高粱莖稈榨汁后發(fā)酵，利用糖汁直接發(fā)酵可以在很大程度上縮短發(fā)酵時間，適合工業(yè)上大規(guī)模的生產(chǎn)[5]。劉曉娜等發(fā)明了一種甜高粱莖稈生產(chǎn)燃料乙醇的方法：采用壓榨機將甜高粱壓榨后，再用活化的酵母對糖汁進(jìn)行發(fā)酵，隨后通過粗蒸餾和精餾的方式提高乙醇的濃度[6]，1 hm2甜高梁莖稈汁液可以轉(zhuǎn)換5 t乙醇。不過，液體發(fā)酵存在糖汁易污染的缺點，極大地增加了原料儲存的難度[7]，增加了生產(chǎn)成本，是從實驗室階段走向生產(chǎn)階段的瓶頸。

目前，很多以甜高粱莖稈為原料通過液體發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的研究主要集中在工藝優(yōu)化方面[8-9]，其基本工藝流程為：甜高粱種植→莖稈初加工→莖稈榨汁→乙醇發(fā)酵→乙醇蒸餾→無水乙醇。本研究利用自育甜高粱品種鹽甜1號在實驗室內(nèi)進(jìn)行液體發(fā)酵制取乙醇的初步研究，以期為該品種的開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

材料：江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所自主選育的甜高粱品種鹽甜1號。鹽甜1號為中早熟常規(guī)甜高粱品種，高耐鹽、強抗倒伏，苗勢強，尤其是中后期長勢良好[10]。

菌種：安琪耐高溫釀酒高活性干酵母，購自湖北安琪酵母股份有限公司。

輔料：（NH4）2HPO41.5 g/L、MgSO41 g/L、CaCl21 g/L，3種輔料作為營養(yǎng)鹽加入10 L發(fā)酵罐中，可提高CO2產(chǎn)量，增加發(fā)酵產(chǎn)物，縮短發(fā)酵周期（24 h以下）。

1.2 試驗儀器

XUZHONG手搖甘蔗機（鄭州旭眾）；THZ-C振蕩培養(yǎng)箱（江蘇太倉市實驗設(shè)備廠）；7820氣相色譜儀（美國安捷倫）；T6新世紀(jì)可見-紫外分光光度計（北京普析通用）；RE-2000A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海亞榮）；10 L發(fā)酵罐（江蘇貝朗生物工程設(shè)備有限公司生產(chǎn)）。

1.3 試驗過程

1.3.1 甜高粱不同發(fā)育時期的莖稈含糖量。分別在甜高粱開花期（7月26日）、乳熟期（乳熟中期，8月15日）、成熟期（9月10日）、完熟期（10月15日）采用Master－T折射式錘度計測定甜高粱中段莖稈糖錘度。

1.3.2 莖稈榨汁。在甜高粱開花期、乳熟期、成熟期、完熟期時，收割甜高粱秸稈，分別稱取10 kg的中段秸稈，隨后人工去皮，將內(nèi)芯置于手搖甘蔗機中進(jìn)行壓榨，獲取糖液（主要含蔗糖）。計算出汁率Y=糖液質(zhì)量M1/秸稈質(zhì)量M2×100%。糖汁經(jīng)適當(dāng)濃縮并將pH值調(diào)至5.0后貯存。

1.3.3 糖汁貯存過程中檢測糖含量。利用DNS法對貯存3 d和15 d的甜高粱稈汁液檢測總糖與還原糖含量。

1.3.4 液體發(fā)酵法制取乙醇。將貯存15 d的甜高粱汁液加入適量的營養(yǎng)鹽輔料，115℃滅菌20 min，酵母添加量0.5～1.0 g/L，初始pH值5.0，在搖床中38℃活化15 min，于發(fā)酵罐中33℃發(fā)酵24 h。

1.3.5 乙醇濃縮。使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，在85℃左右濃縮和提純乙醇，最高可將乙醇提純到95%（體積分?jǐn)?shù)）左右。

1.4 分析方法

1.4.1 還原糖使用DNS法測定。DNS法是在堿性條件下，利用二硝基水楊酸（DNS）與還原糖發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成3-氨基-5-硝基水楊酸，該產(chǎn)物在煮沸條件下顯紅棕色，在一定濃度范圍內(nèi)顏色深淺與還原糖含量成一定比例。因其顯色的深淺只與糖類游離處還原基團的數(shù)量有關(guān)，而對還原糖的種類沒有選擇，因此DNS法也比較適用于在多糖（如纖維糖、半纖維素和淀粉等）水解產(chǎn)生的多種還原糖體系中。

1.4.2 乙醇使用氣相色譜法檢測。取100 mL成熟發(fā)酵液于蒸餾瓶中，加100 mL蒸餾水，然后蒸餾出100 mL溶液，利用氣相色譜法測定乙醇含量（體積分?jǐn)?shù)）。色譜條件為進(jìn)樣口溫度：250℃；0.75 min分流，分流比100∶1；柱溫：起始溫度60℃，保持1 min；以15℃/min的升溫速率升溫至150℃；以3℃/min的升溫速率升溫至240℃保持3 min；以25℃/min的升溫速率升溫至280℃保持8 min。載氣：氦氣，流量：1.0 mL/min。進(jìn)樣方式：脈沖不分流進(jìn)樣；進(jìn)樣量：1.0μL。

2 結(jié)果與分析

2.1 甜高粱不同發(fā)育時期莖稈汁液糖錘度與出汁率的動態(tài)變化

在不同發(fā)育時期，鹽甜1號莖稈汁液糖錘度均有所不同：開花期時最低，為8.20°BX，完熟期時最高，為18.06°BX，呈現(xiàn)出完熟期＞成熟期＞乳熟期＞開花期的變化趨勢。對于莖稈出汁率，開花期時最低，為23.08%，成熟期時最高，為31.25%，表現(xiàn)出成熟期＞完熟期＞乳熟期＞開花期的變化趨勢。

由表1可見，如果提前收獲（乳熟期），其糖錘度約為12.00°BX，相對于成熟期與完熟期要損失33%～50%，所以，選擇好收獲期至關(guān)重要，不僅直接關(guān)系到可利用糖的總量，還關(guān)系到出汁率的高低。如在乳熟期收獲的甜高粱莖稈，其出汁率在29.72%，相對于完熟期與成熟期要損失1.11%～5.15%。本數(shù)據(jù)為即時收獲壓榨，而在實際生產(chǎn)上，由于一次性收獲甜高粱過于量大，很難即時壓榨，通常要在收獲后貯存3～15 d再進(jìn)行壓榨，如果貯存不當(dāng)，也會因植株呼吸等消耗而導(dǎo)致汁液中糖的損失。如乳熟期收獲的甜高粱出汁率為29.72%，進(jìn)行密封貯存15 d后，甜高粱秸稈的出汁率則為24.22%，下降了18.51%。如果采用非密封式貯存，出汁率則可能會下降更多。

表1 鹽甜1號不同發(fā)育時期莖稈汁液糖錘度的動態(tài)變化

2.2 甜高粱汁液貯存時間對糖量的影響

除了莖稈的貯存外，所榨汁液的貯存也需要科學(xué)處理，否則其中的糖（蔗糖與少量還原糖）也易被微生物所分解消耗。對貯存3 d和15 d的甜高粱莖稈汁液的總糖進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)貯存3 d后，總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.41%，還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.60%；貯存15 d后，總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.38%，還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.34%，下降了約48.32%（圖1）。因此，在生產(chǎn)上不僅要科學(xué)合理地處理糖汁，還應(yīng)盡可能地減少糖汁的貯存時間。

2.3 甜高粱糖汁乙醇發(fā)酵

利用貯存15 d的甜高粱莖稈汁液做發(fā)酵試驗，20 h時乙醇體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)到2.52%。初始糖量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.38%（以葡萄糖量計算），理論乙醇產(chǎn)量為Y=5.38%×51.1%=2.75%（51.1%為2醇對糖的理論轉(zhuǎn)化率），因此，可計算得到乙醇得率為91.64%，即91.64%的糖轉(zhuǎn)化為乙醇。由圖2可見，20 h糖液達(dá)到發(fā)酵高峰，24 h已經(jīng)有所下降，表明隨著可利用糖度的下降、乙醇含量的上升，酵母菌也逐漸老化。據(jù)此，以甜高粱莖稈汁液進(jìn)行發(fā)酵24 h基本上可將糖液發(fā)酵完成。

3 討論與結(jié)論

本試驗表明，在甜高粱不同發(fā)育時期，鹽甜1號莖稈汁液糖錘度均有所不同，以開花期最低，為8.20°BX，完熟期時最高，為18.06°BX，呈現(xiàn)出完熟期＞成熟期＞乳熟期＞開花期的變化趨勢。對于莖稈出汁率，開花期時最低，為23.08%，成熟期時最高，為31.25%，表現(xiàn)出成熟期＞完熟期＞乳熟期＞開花期的變化趨勢。這2種變化趨勢并不完全相同。有報道認(rèn)為，甜高粱在完熟期時莖稈出汁率和汁液含糖量最高[11]，而本試驗莖稈出汁率完熟期較成熟期略低，可能是本試驗所用壓榨機性能原因所致。出汁率不僅與所用的壓榨設(shè)備性能有關(guān)，更與其貯存方式與時間有關(guān)，如密閉貯存15 d的甜高粱秸稈的出汁率僅為24.22%，若采用非密封式貯存，出汁率將會下降更多。

甜高粱莖稈中的糖分含量是其重要的品質(zhì)性狀之一，通常以錘度表示，與莖稈中的可溶性糖含量顯著相關(guān)。試驗結(jié)果顯示，甜高粱汁液經(jīng)過短期密封貯存后，糖含量依然會降低，如貯存3 d后，糖分為10.41%；貯存15 d后，糖分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.38%，下降了48.32%。可見，原料的貯存方式是制約甜高粱糖汁制取乙醇的瓶頸之一。目前，比較具有潛力的貯藏方式是將甜高粱秸稈制作為秸稈粉，以提高貯藏時間和降低運輸成本，但其效果還須進(jìn)一步驗證。此外，貯存的方法還包括完整或切段的新鮮莖稈在通風(fēng)干燥條件下自然保存、密閉條件下通二氧化硫或惰性氣體及冷凍保藏等方法。一般通風(fēng)保存只適合短期保存；密閉保存成本較高，占地較廣；冷凍保藏則能耗高，難以大批量貯存。另外，還有對莖稈汁液進(jìn)行濃縮處理、酸儲處理或添加防腐劑等方法，有利于糖汁較長時期的保存，但時間太長，如糖汁中含有野生酵母及其他微生物，在存放過程中會自然發(fā)酵，引起變質(zhì)，對汁液營養(yǎng)結(jié)構(gòu)破壞較大，也可能影響乙醇發(fā)酵效果。

綜上，本文對鹽甜1號的秸稈榨汁室內(nèi)發(fā)酵制取乙醇，通過成熟期后收割（糖錘度＞15°BX）、短期貯存（＜3 d）、有效壓榨（出汁率31.25%）和及時（＜3 d）發(fā)酵24 h，可致乙醇得率高于91.64%。