徐雨濛，李慶文，盛燕，曾舟華

摘要：對超聲波輔助Lewis酸預(yù)處理甘薯渣發(fā)酵制乙醇的工藝進行了研究。結(jié)果表明，在超聲波輔助條件下，Lewis酸CuCl2對甘薯渣中木質(zhì)纖維素的水解有一定的催化效果。采用Lewis酸CuCl2預(yù)處理甘薯渣發(fā)酵制乙醇的最佳工藝條件為固液比等于1∶15（m∶m，下同）、超聲波預(yù)處理功率為250 W、時間30 min，金屬氯化物L(fēng)ewis酸CuCl2溶液質(zhì)量分數(shù)為1.0%，纖維素酶用量為35 IU/g底物， 熱帶假絲酵母與釀酒酵母的接種比為1∶1， 酵母菌接種量為0.75%。在該條件下乙醇產(chǎn)率達到21.4%， 與常規(guī)工藝相比， 產(chǎn)率提高13.8%。

關(guān)鍵詞：甘薯渣;超聲波;Lewis酸;發(fā)酵;乙醇

中圖分類號：S531 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2014）23-5820-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.23.050

隨著工業(yè)化程度的提高和世界人口的增加，能源的消耗也在逐步增加，而主要能源石油是有限的，因此開發(fā)石油替代能源引起科學(xué)家們廣泛的興趣[1]。乙醇是一種可以通過糖發(fā)酵獲得的可再生資源。車用乙醇汽油作為機動車未來的主要動力燃料，已成為國際上普遍公認可降低環(huán)境污染和取代化石燃料的主要能源。在美國，乙醇已經(jīng)被廣泛地作為特殊的石油替代品。截至2009年，美國、巴西和歐盟的生物燃料產(chǎn)量分別占世界總產(chǎn)量的45%、29%和15%[2，3]。

目前，工業(yè)化生產(chǎn)的燃料乙醇絕大多數(shù)是以糧食作物為原料。但是由于中國人多地少，糧食安全仍是頭等大事，在中國不可能大量使用玉米、小麥等糧食作物生產(chǎn)生物乙醇。適合中國國情的燃料乙醇生產(chǎn)只能通過甜高粱、木薯和甘薯等[4]以木質(zhì)纖維素為原料進行。它們又被稱為第二代生物燃料乙醇，是決定未來大規(guī)模替代石油的關(guān)鍵。甘薯渣含淀粉、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、粗脂肪等，其主要成分為纖維素，因此成為生產(chǎn)第二代生物燃料乙醇的重要原料來源。降解纖維素效果最好的是纖維素酶[5]。當(dāng)采用纖維素酶水解甘薯渣制造乙醇[6-8]時，纖維素酶必須接觸吸附到纖維素底物才能使反應(yīng)進行，因此，纖維素對纖維素酶的可及性是決定水解速度的關(guān)鍵因素。木質(zhì)纖維素將纖維素包裹其中，影響纖維素的水解[9]。纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)以及表面狀態(tài)、多組分結(jié)構(gòu)、木質(zhì)素對纖維素的保護作用以及纖維素被半纖維素覆蓋等結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分的因素致使甘薯渣難以降解。因此，必須經(jīng)過預(yù)處理，使纖維素、半纖維素、木質(zhì)素分離開，切斷它們的氫鍵，破壞晶體結(jié)構(gòu)，降低聚合度[10-12]?？捎美w維素酶將甘薯渣中的纖維素和半纖維素分解成葡萄糖、木糖等五碳糖和六碳糖，也可考慮以發(fā)酵的方式進行。由于普通乙醇酵母無法利用五碳以上的糖發(fā)酵制備乙醇，而熱帶假絲酵母可以用來發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。在具體生產(chǎn)過程中可以同時使用熱帶假絲酵母和乙醇酵母，使它們共同作用，同時將五碳糖和六碳糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇[13-15]。

本研究通過超聲波和超聲波輔助金屬氯化物L(fēng)ewis酸預(yù)處理甘薯渣，使其中的木質(zhì)纖維素[16-18]分解后，再在熱帶假絲酵母和乙醇酵母的共同作用下將其發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，利用甘薯渣中大量的纖維素生產(chǎn)乙醇并優(yōu)化其發(fā)酵工藝參數(shù)，以期提高甘薯深加工產(chǎn)品的附加值，延長產(chǎn)業(yè)鏈，緩解化石能源燃燒產(chǎn)生的環(huán)境污染問題。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗材料、試劑

甘薯渣來源于黃梅縣明發(fā)薯業(yè)有限公司制取淀粉后的甘薯殘渣，熟料釀酒酵母由湖北省武穴市二里半酒粬廠生產(chǎn);纖維素酶產(chǎn)生菌由山東泰安信得利生物工程有限公司生產(chǎn);熱帶假絲酵母由廣州工業(yè)微生物檢測中心提供;硫酸、CuCl2由天津市福晨化學(xué)試劑廠生產(chǎn);乙醇由廣東省廣州化學(xué)試劑廠生產(chǎn)。

1.2 ?試驗儀器

恒溫水浴鍋、簡易蒸餾裝置、KQ-500DB型超聲波發(fā)生器、槽式超聲清洗儀、恒溫培養(yǎng)箱、HP4890D型氣相色譜儀。

1.3 ?試驗方法

1.3.1 ?常規(guī)方法 ?將甘薯渣洗凈后研碎、篩分（ 過0.40 mm篩孔）備用， 取100 g甘薯渣粉于1 000燒瓶中， 加入適量蒸餾水， 攪拌均勻，在100 ℃恒溫水浴鍋中加熱30 min之后，冷卻至30 ℃左右。按0.75%的接種量（質(zhì)量比，下同）接入一定比例的熟料釀酒酵母和熱帶假絲酵母，加35 IU/g的纖維素酶。在無菌條件下， 放入無菌恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)，30 ℃下發(fā)酵7 d，設(shè)空白對照[19]。

1.3.2 ?超聲波預(yù)處理方法 ?超聲波預(yù)處理薯渣發(fā)酵制乙醇工藝[20-22]：前面的步驟與常規(guī)方法相同，冷卻至30 ℃左右，再利用超聲功率為40 kHz的KQ-500DB型超聲波清洗器，在額定功率下處理規(guī)定時間。按0.75%的接種量接入一定比例的熟料釀酒酵母和熱帶假絲酵母，加35 IU/g的纖維素酶。在無菌條件下， 放入無菌恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)，30 ℃下發(fā)酵7 d。

1.3.3 ?Lewis酸預(yù)處方法 ?Lewis酸CuCl2預(yù)處理薯渣發(fā)酵制乙醇工藝：前面的步驟與常規(guī)方法相同，冷卻至30 ℃左右，分別在100 mL燒杯中加入150 mL的不同濃度的CuCl2溶液，處理30 min。處理后濾干，蒸餾水洗滌殘渣至中性，按0.75%的接種量接入一定比例的熟料釀酒酵母和熱帶假絲酵母，加35 IU/g的纖維素酶。在無菌條件下， 放入無菌恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)，30 ℃下發(fā)酵7 d。

1.3.4 ?超聲波Lewis酸預(yù)處方法 ?超聲波Lewis酸CuCl2預(yù)處理薯渣發(fā)酵制乙醇工藝與“1.3.3”的方法相同，但在加入不同濃度的CuCl2溶液后，以超聲功率250 W，處理30 min。

1.4 ?乙醇提取及分析

反應(yīng)殘渣中含有其他雜質(zhì)，需要將乙醇提取出來，采用簡單蒸餾法提取乙醇。提取后的乙醇濃度利用HP4890D型氣相色譜儀測定（填料Porapak-Q， 粒度80～100目， 長2 m， 外徑3 mm， 內(nèi)徑2 mm。氣化室、色譜柱及熱導(dǎo)檢測器的溫度分別為170、130、170 ℃）。

1.5 ?單因素試驗

根據(jù)李平等[23]的試驗結(jié)果，利用超聲波結(jié)合稀酸或堿預(yù)處理甘薯渣然后發(fā)酵制備乙醇的工藝中，最佳因素水平組合為固液比為1∶15（質(zhì)量比，下同），纖維素酶用量為35 IU/g 底物， 熱帶假絲酵母與釀酒酵母的接種比為1∶1， 酵母菌接種量0.75%。在此基礎(chǔ)上，進一步對超聲波結(jié)合Lewis酸預(yù)處理甘薯渣后發(fā)酵制乙醇工藝進行研究。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?預(yù)處理時間對薯渣發(fā)酵制乙醇產(chǎn)率的影響

由表1可知，預(yù)處理時間為0時，未經(jīng)任何處理的常規(guī)方法發(fā)酵制乙醇的產(chǎn)率為0.188 g/g;Lewis酸CuCl2、超聲波和超聲波結(jié)合Lewis酸CuCl2預(yù)處理甘薯渣后發(fā)酵制乙醇的產(chǎn)率，都隨預(yù)處理時間的增加而增加，當(dāng)預(yù)處理時間為30 min時，再繼續(xù)增大預(yù)處理時間，乙醇的產(chǎn)率變化不大，所以最佳的超聲波加熱甘薯渣的時間為30 min。上述3種預(yù)處理方法都能使乙醇產(chǎn)率提高，超聲波結(jié)合Lewis酸CuCl2預(yù)處理甘薯渣后發(fā)酵制乙醇的產(chǎn)率最高，達0.214 g/g。

2.2 ?超聲波預(yù)處理功率對薯渣發(fā)酵制乙醇產(chǎn)率的影響

從表2中可以看出，超聲波和超聲波結(jié)合Lewis酸CuCl2預(yù)處理甘薯渣后發(fā)酵制乙醇的產(chǎn)率，都隨超聲波加熱功率的增加而增加，當(dāng)加熱功率為250 W時，再繼續(xù)增大加熱功率，乙醇的產(chǎn)率變化不大，所以最佳的超聲波加熱甘薯渣的功率為250 W。上述2種預(yù)處理方法都能使乙醇產(chǎn)率提高，超聲波結(jié)合Lewis酸CuCl2預(yù)處理甘薯渣后發(fā)酵制乙醇的產(chǎn)率較高。

2.3 ?Lewis酸CuCl2濃度對薯渣發(fā)酵制乙醇產(chǎn)率的影響

從表3可以看出，未經(jīng)超聲波處理和超聲波處理的乙醇產(chǎn)率都隨CuCl2濃度的增大而增大，當(dāng)CuCl2濃度為1.0%時，乙醇產(chǎn)率最高，CuCl2濃度再繼續(xù)增大時，乙醇的產(chǎn)率沒有變化，故最佳的CuCl2濃度為1.0%。

3 ?結(jié)論

結(jié)果表明，Lewis酸CuCl2預(yù)處理后的乙醇產(chǎn)率高于未經(jīng)處理的薯渣發(fā)酵制乙醇的產(chǎn)率，超聲波預(yù)處理后的乙醇產(chǎn)率高于Lewis酸CuCl2預(yù)處理后的薯渣發(fā)酵制乙醇的產(chǎn)率， 超聲波結(jié)合Lewis酸預(yù)處理后的薯渣發(fā)酵制乙醇的產(chǎn)率最高。用最佳水平比較，未經(jīng)任何處理的乙醇產(chǎn)率為0.188 g/g，Lewis酸CuCl2預(yù)處理后的乙醇產(chǎn)率0.197 g/g ，超聲波預(yù)處理后的乙醇產(chǎn)率為0.203 g/g，超聲波結(jié)合Lewis酸預(yù)處理后的乙醇產(chǎn)率為0.214 g/g。與未經(jīng)任何處理的乙醇產(chǎn)率比較，Lewis酸CuCl2預(yù)處理后的乙醇產(chǎn)率提高4.8%，超聲波預(yù)處理后的乙醇產(chǎn)率提高7.9%，超聲波結(jié)合Lewis酸預(yù)處理后的乙醇產(chǎn)率提高13.8%。超聲波結(jié)合Lewis酸CuCl2處理與未加超聲波的Lewis酸CuCl2處理相比較，超聲波能有效增加CuCl2與半纖維素的反應(yīng)性，也能增加其與木質(zhì)素的反應(yīng)性。

將干甘薯渣通過粉碎（過0.40 mm的篩孔），加水蒸煮，超聲波結(jié)合Lewis酸CuCl2預(yù)處理后， 經(jīng)纖維素酶轉(zhuǎn)化， 利用混合菌發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，獲得最佳的工藝條件為固液比為1∶15、超聲波預(yù)處理功率為250 W、時間為30 min，Lewis酸CuCl2為1.0%，纖維素酶用量為35 IU/g底物， 熱帶假絲酵母與釀酒酵母的接種比1∶1， 酵母菌接種量為0.75%。在該條件下乙醇產(chǎn)率達到21.4%（重量）， 與常規(guī)工藝相比， 產(chǎn)率提高13.8%，有工業(yè)推廣價值。

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