絮凝劑的添加促進玉米燃料乙醇工藝中DDGS色澤提升的研究

馬煜恒，何皓，許召賢，王盛煒，金明杰

(1.南京理工大學環境與生物工程學院，南京 210094；2.中國石油天然氣股份有限公司石油化工研究院生物質燃料與新能源研究室，北京 102206)

隨著工業化發展和人口增加，社會對能源的需求不斷增長。目前全球大部分能源供應來自不可再生的化石燃料，不可再生資源的消耗和與之產生的環境污染問題讓世界各國都十分重視新型能源形式的開發。我國是世界上最大的石油進口國，近年來石油的對外依賴度均超過70%，因此發展新型能源形式對我國的意義更為重大。作為一種汽油替代燃料，生物燃料乙醇因其具有清潔、可再生和可以降低汽車尾氣中一氧化碳和碳氫化合物排放等優點，已被公認為是解決化石燃料使用問題最有效的辦法之一。2017年，國家發展改革委、國家能源局和財政部等十五部門聯合印發了《關于擴大生物燃料乙醇生產和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》要求到2020年在全國范圍內實現車用乙醇汽油的全覆蓋。

雖然已有許多關于木質纖維素原料制備第二代生物燃料乙醇的報道，但大部分工作還停留在實驗室階段[1]。目前全球規?；a和銷售的燃料乙醇主要是通過以富含淀粉或糖類的作物為主要原料的第一代生物乙醇技術進行生產。由于我國玉米資源豐富，并且玉米淀粉含量高，玉米是我國進行生物燃料乙醇生產的主要原料之一。據國家糧油信息中心統計，2018年國內燃料乙醇產能為322萬t，其中玉米燃料乙醇產能為270萬t[2]。在將玉米轉化為乙醇中，主要包括濕磨(Wet Grind，WG)法和干磨(Dry Grind，DG)法兩種工藝。由于設備投資低和工藝簡單，干磨工藝是我國玉米燃料乙醇的主要生產工藝[3]。在干磨過程中，將玉米磨碎成粉與酶混合用于液化和淀粉的水解，之后接入酵母發酵生產乙醇。除乙醇外，玉米干磨工藝還形成二氧化碳和DDGS(帶有可溶性物質的干酒糟，Distillers Dried Grains with Solubles)兩種主要副產品。典型的干磨工藝從1 t玉米中產生約417.3 L(約329.2 kg)乙醇和約303.1 kg DDGS[4]。

在玉米乙醇生產過程中，玉米中的淀粉(約占玉米干重的70%左右)被水解成葡萄糖，并進一步被酵母菌轉化為了乙醇，因此發酵后剩余的DDGS中的蛋白質和脂肪等營養成分的含量較玉米更高[5-6]。此外，乙醇發酵過程中繁殖的大量酵母菌體也殘留在DDGS中，進一步提高了其營養成分。豐富的營養成份使DDGS成為養殖行業重要的飼料來源，為養殖業提供了豐富的蛋白質和脂質[7]。根據上文所述，在玉米燃料乙醇企業生產1 t DDGS的同時，也會產生約0.92 t DDGS。因此，DDGS的品質和售價對玉米燃料乙醇企業的營利性至關重要[8]。尤其隨著近年來我國燃料乙醇企業補貼的減少甚至取消，許多玉米燃料乙醇企業更加重視生產工藝整體的經濟性[2]，尤其是DDGS的品質和售價。

在國內外交易市場，產品色澤是評價DDGS質量的一項重要指標，也是DDGS售價的決定因素之一[9]。我國國家標準《玉米干全酒糟(玉米DDGS)》(GB/T25866-2010)也將顏色作為DDGS分級的重要指標：一級DDGS的顏色標準為淺黃色，二級DDGS顏色標準為黃褐色。根據DDGS的成分和生產過程，研究者認為美拉德反應是影響DDGS色澤一個最重要的因素。發酵醪蒸餾后的全酒糟離心后，大部分葡萄糖、麥芽糖及一些可溶蛋白質和氨基酸留在上清液中。還原糖、蛋白質及氨基酸(特別是賴氨酸和精氨酸等堿性氨基酸)是引起美拉德反應的主要物質，因此制備DDGS時，上清液比例越大，干燥時發生的美拉德反應程度越高，DDGS色澤越深[10]。若上清液中的還原糖和蛋白質含量減少，那么美拉德反應底物即變少，褐變程度降低，即可使DDGS色澤變淺。因此，在工藝中減少酒糟上清液的還原糖及蛋白質等，降低美拉德反應速度，可以提高DDGS色澤及品質，提高其在飼料市場的競爭性。

混凝/絮凝是用于去除懸浮固體、膠體及部分可溶物質的最廣泛的分離工藝之一[11]。鑒于此，本試驗以玉米燃料乙醇行業發酵醪蒸餾后剩余的全酒糟為主要原料，嘗試通過對酒糟中添加絮凝劑降低上清液中還原糖、蛋白質和氨基酸，進而提升DDGS的色度。本研究為改善玉米燃料乙醇工藝中DDGS的色澤及品質奠定了基礎，有助于提高玉米燃料乙醇工廠整體的經濟性。

1 材料與方法

1.1 材料

玉米燃料乙醇工藝中的全酒糟由吉林燃料乙醇有限公司提供。

試劑有：瓜爾膠、羧甲基纖維素(CMC)、Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3、FeCl3、明礬、淀粉、陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)、陰離子聚丙烯酰胺、兩性離子聚丙烯酰胺、非離子聚丙烯酰胺、聚合Fe2(SO4)3、聚合AlCl3、AlCl3、單寧酸、海藻酸鈉、殼聚糖、聚丙烯酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)，均為分析純。

儀器設備有：電熱恒溫鼓風干燥箱、威福光電色差儀2300、電子天平、高效液相色譜儀(HPLC)、渦旋振蕩儀、移液槍、烘箱、離心機、研缽、420 um篩、250 um篩和小型粉碎機。

1.2 試驗方法

1.2.1 絮凝劑母液的制備

絮凝劑母液：將瓜爾膠、羧甲基纖維素(CMC)、Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3、FeCl3、明礬、淀粉、陽離子聚丙烯酰胺、陰離子聚丙烯酰胺、兩性離子聚丙烯酰胺、非離子聚丙烯酰胺、聚合Fe2(SO4)3、聚合AlCl3、AlCl3、單寧酸、海藻酸鈉、殼聚糖、聚丙烯酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)等試劑制備濃度為20 g/L的母液。

1.2.2 實驗室DDGS的制備

將玉米乙醇工藝蒸餾乙醇后獲得的全酒糟以4 000 r/min離心10 min，分為可溶物上清與不可溶物固體兩部分。將70%可溶物上清放烘箱干燥濃縮至45%干重得到DDS，同時將不可溶物固體在烘箱溫度為95 ℃下干燥得到DDG；DDS與DDG均勻混合后于95 ℃下進一步烘干至水分為10%左右，最終制得玉米乙醇副產物DDGS。DDGS制備流程如圖1所示。

圖1 DDGS制備流程圖

1.2.3 DDGS色澤測定

打開測色儀，設置顏色空間為L*、a*和b*，標準觀察者為10°(CIE1964)，顏色光源為D65，色差公式為ΔE*Hunter，平均測量次數為3次。首先以儀器自帶黑白板校準儀器，以黑板作為標準品對照，然后取DDGS粉末，用分光測色儀專用器皿盛裝，按“Test”測量其色澤。顏色用L*、a*和b*顏色空間表示，也被稱為CIELAB，其中L*表示亮度，a*和b*為色澤坐標。a*為紅綠色方向，b*為黃藍色方向，ΔE*Hunter值表示為單個樣品的綜合品質。并且L*值是測色儀黑白之間的偏向，一般情況下值越大代表DDGS色澤越亮，品質越好；值越小代表DDGS色澤越暗，品質越差。

取DDGS于研缽中研碎過420～250 μm網篩，使用色差儀對DDGS色澤進行測量。

1.2.4 以不同方式添加絮凝劑及其篩選

以下面三種方式在全酒糟中添加絮凝劑(添加量為全酒糟總質量的0.05%)：(1)全酒糟直接添加絮凝劑：在酒糟離心前即添加，繼續1.2.2與1.2.3操作；(2)可溶物Thin Stillage添加絮凝劑后不進行二次離心：在離心后的可溶物上清中添加，渦旋振蕩3 min，靜置30 min，繼續1.2.2與1.2.3操作；(3)在可溶物Thin Stillage中添加后進行二次離心：前期步驟同(2)，靜置后以6 000 r/min轉速保持10 min，繼續用1.2.2與1.2.3操作。

1.2.5 絮凝劑添加前后上清液成分變化

將效果較好的4種絮凝劑陽離子聚丙烯酰胺、聚合AlCl3、單寧酸和DMC以第三種添加方式添加在可溶物上清中，離心后獲得的上清液通過0.22 μm濾膜過濾，并檢測葡萄糖、麥芽糖、木糖、阿拉伯糖含量、游離氨基酸種類及含量。對照組為無絮凝劑添加的DDGS制備工藝獲得的樣品。

1.2.6 絮凝劑添加量的優化

取上述4種效果較好的絮凝劑，進行6種不同添加比例(酒糟總質量的0.01%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.1%)的用量優化，確認最優用量，采用第三種方式添加絮凝劑。

2 結果與分析

2.1 絮凝劑添加方式及添加種類的篩選

圖2為三種不同添加絮凝劑方式制得DDGS的L*值和△E*Hunter值。從圖2(a)中可以看出，添加瓜爾膠、淀粉、CPAM、聚合AlCl3、殼聚糖、聚丙烯酸和DMC這7種絮凝劑相對比對照組亮度有增加，但L*值增加小于0.5，而其它向全酒糟中直接添加絮凝劑的方式獲得的DDGS亮度均小于對照組。以此種方式添加絮凝劑制備DDS時，眼觀上清透明度或渾濁程度基本沒有減少。分析主要原因為全酒糟固體不可溶物較多，干擾了絮凝劑的正常功能，導致全酒糟中的可溶物、膠體、糖分及蛋白濃度基本無減少。觀察圖2(b)，較之對照組，離心后添加Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3、明膠、淀粉、CPAM、兩性離子聚丙烯酰胺、聚合Fe2(SO4)3、聚合AlCl3、AlCl3、海藻酸鈉和DMC等11種絮凝劑，制得的DDGS亮度均有所增加。其中，添加DMC組獲得的DDGSL*值比對照組增加了1.41，而其它8種絮凝劑組獲得的DDGS均比對照組亮度低。圖2(c)顯示除海藻酸鈉組，可溶物Thin Stillage中添加絮凝劑后進行二次離心制得的DDGS亮度較之對照組均有所增加，并且添加CPAM、聚合AlCl3、單寧酸、DMC等4種絮凝劑制得的DDGSL*值較對照組提高2個數值以上。這與第二種添加絮凝劑方式而制得的DDGS增加較多的3種絮凝劑(CPAM、聚合AlCl3、DMC)是吻合的。由于CPAM可以與多種化合物形成氫鍵，絮凝帶負電荷的膠體[12]，達到凝集或降低渾濁度的目的，而本試驗主要是由于二次離心使可溶物上清中絮凝物完全沉淀使DDS與DDG制備DDGS時發生美拉德反應的物質濃度降低導致產物的亮度增加。有研究者[13]以DMC為單體，通過反相乳液聚合，制得CPAM應用于廢水絮凝，結果顯示該廢水透光率接近100%。以上所有色差儀測得的L*和△E*Hunter兩值趨勢基本一致。

圖2 三種不同添加絮凝劑方式制得DDGS的L*值和△E*Hunter值

上述三種方法結果表明，在全酒糟離心后的可溶物上清中添加絮凝劑提高DDGS色澤效果好，在試驗中選擇的絮凝劑中有4種絮凝劑表現尤為突出，分別為CPAM、聚合AlCl3、單寧酸和DMC。

2.2 絮凝劑添加前后上清液成分變化

通過對全酒糟可溶物上清中17種游離氨基酸含量進行檢測發現，其中存在一定量的游離氨基酸，種類最多的五種游離氨基酸分別為谷氨酸、亮氨酸、精氨酸、甘氨酸和丙氨酸，如圖3(a)所示。在全酒糟離心后上清中添加效果較好的4種絮凝劑公司檢測游離氨基酸種類及含量如圖3(b)所示，從圖中可以看出天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、酪氨酸和賴氨酸這8種氨基酸濃度相比對照組下降比較明顯。針對在全酒糟離心后上清中分別添加8種氨基酸各10倍濃度于酒糟上清中，制備玉米乙醇發酵副產品DDGS測色澤，相比對照組，圖3(d)中添加氨基酸后的L*值雖不明顯但大部分有所降低，進一步驗證了添加絮凝劑可以減少酒糟上清中氨基酸和糖分的濃度，降低后續制備DDGS烘干過程中美拉德反應的發生，使DDGS色澤變淺，提高其品質。在全酒糟離心后上清中添加效果較好的4種絮凝劑測糖分結果圖3(c)所示，從圖中可知，添加CPAM、聚合AlCl3、單寧酸、DMC4種絮凝劑與原酒糟上清相比，麥芽糖、葡萄糖、木糖和阿拉伯糖四種糖分的含量均有所降低，且添加聚合AlCl3絮凝劑，除了葡萄糖以外，其它糖分減少最多；CPAM絮凝劑和單寧酸絮凝劑的上清液四種糖分含量相對減少較多。這一定程度上驗證了DDGS烘干過程中減少美拉德反應的理論設想，使DDGS色澤變淺，亮度有所增加，品質提高。

圖3 Thin Stillage中添加絮凝劑并進行二次離心后上清液糖分和氨基酸含量變化

2.3 絮凝劑添加量的優化

對CPAM、聚合AlCl3、單寧酸和DMC4種絮凝劑進行不同比例添加，添加不同比例絮凝劑制DDGS測定L*值和△E*Hunter值如圖4所示。從圖4中可以看出，添加不同比例的絮凝劑對DDGS成品顏色均有改善。在酒糟可溶物上清中添加不同比例的CPAM絮凝劑，在0.04%比例時，L*值最大為66.37，而前期添加0.05%比例時，L*值為66.56，相差較小，可優化得到CPAM較佳的添加比例為0.04%。在酒糟上清中添加不同比例的聚合AlCl3絮凝劑，L*值在0.04%添加比例前后呈上升后下降趨勢，因此絮凝劑使用過多或過少都不能達到最好的效果，這與李楠楠等[14]的一些研究結果類似，其研究聚合AlCl3對凈水效果表明聚合AlCl3加量為5 g/100 mL時絮凝效果最佳，適量的絮凝劑可以中和清液中膠體表面的電荷，降低粒子間排斥作用從而達到絮凝，用量過多則因懸浮物表面分子飽和而失去吸附作用。所以，本實驗優化得到聚合AlCl3最佳的添加比例為0.04%。同樣地得到單寧酸最佳的添加比例為0.06%，DMC最佳的添加比例為0.06%。此優化實驗降低了陽離子聚丙烯酰胺和聚合AlCl3的使用量，一定程度下降低了工藝成本，改善了乙醇副產品DDGS色澤。

圖4 添加不同比例絮凝劑制DDGS測定L*值和△E*Hunter值

3 結語

近年來，市場對生物乙醇等形式的生物燃料的需求一直在增加，但燃料乙醇的生產受糧價波動大，通過增加副產物的價值可以提升燃料乙醇工廠整體運行的經濟性，增強燃料乙醇工廠抵御糧價波動的能力。在傳統玉米燃料乙醇工藝中增加絮凝劑工藝，得到陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)、聚合AlCl3、單寧酸和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)，這4種絮凝劑是改善DDGS色澤的較優絮凝劑，其最佳添加量分別為0.04%、0.04%、0.05%和0.05%，且添加DMC制得DDGSL*值最大為67.12，比傳統制得DDGSL*值提高了4.43%，促進DDGS色澤與品質的提升。絮凝劑的添加在一定程度上為研究DDGS品質的發展奠定基礎，有利于提高燃料乙醇行業的整體能源經濟性。