郝秋娟，馬同鎖，于子簫，李 娜，郝東旭

（1.河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050061；2.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621010；3.河北經(jīng)濟(jì)管理學(xué)校，河北石家莊 050071）

雪花梨廢棄物轉(zhuǎn)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(jīng)貿(mào)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050061；2.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621010；3.河北經(jīng)濟(jì)管理學(xué)校，河北石家莊 050071）

為掌握雪花梨廢棄物發(fā)酵工藝條件，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)雪花梨廢棄物帶渣發(fā)酵工藝進(jìn)行了研究和優(yōu)化。結(jié)果表明，雪花梨廢棄物最佳發(fā)酵工藝條件為（NH4）2SO4添加量1.5 g/L，發(fā)酵溫度28℃，初始pH值5.5，接種量為8%，酒精度達(dá)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(guó)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(jī)酸等，營(yíng)養(yǎng)豐富，也特別容易腐爛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年產(chǎn)生的果蔬廢棄物高達(dá)1.0×104t，其中大部分被隨意丟棄到環(huán)境中，造成了環(huán)境污染[2]。目前，我國(guó)對(duì)果蔬廢棄物的處理方式主要有好氧堆肥法生產(chǎn)肥料[3-7]和厭氧消化法生產(chǎn)沼氣[8-14]，除此之外，還有部分學(xué)者進(jìn)行了果蔬廢棄物轉(zhuǎn)化為生物乙醇的研究[15-17]，但是關(guān)于雪花梨廢棄物轉(zhuǎn)化乙醇的研究尚未見報(bào)道。若實(shí)現(xiàn)雪花梨廢棄物轉(zhuǎn)化乙醇，將更經(jīng)濟(jì)合理地處理和利用梨廢棄物，同時(shí)緩解能源危機(jī)。經(jīng)過乙醇發(fā)酵的廢料還可以生產(chǎn)有機(jī)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(yàn)以雪花梨廢棄物為原料，采用單因素試驗(yàn)確定了（NH4）2SO4添加量、發(fā)酵初始pH值、發(fā)酵溫度、接種量等因素，進(jìn)而采用正交試驗(yàn)確定了雪花梨廢棄物轉(zhuǎn)化乙醇的最佳工藝，為以雪花梨廢棄物為原料采用液體發(fā)酵制備燃料乙醇提供了理論依據(jù)，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(jīng)貿(mào)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室保存。

1.2 儀器與設(shè)備

25D型生化培養(yǎng)箱，金壇市天竟實(shí)驗(yàn)儀器廠產(chǎn)品；LYT-330型折光儀，上海淋譽(yù)公司產(chǎn)品；SARTORIUS型賽多利斯分析天平，北京賽多利思儀器系統(tǒng)有限公司產(chǎn)品；LDZX-50FBS型立式壓力蒸汽滅菌器，上海申安醫(yī)療器械廠產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)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(jī)搗碎，蒸煮滅菌。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

將250 g經(jīng)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(fā)酵溫度、初始pH值、接種量進(jìn)行發(fā)酵，每隔12 h分別測(cè)定其失質(zhì)量情況，發(fā)酵結(jié)束測(cè)定酒精含量，以確定最佳發(fā)酵工藝條件。

1.3.3 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果，以酒精產(chǎn)率作為考查指標(biāo)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)L9（34）正交試驗(yàn)，以確定最佳發(fā)酵工藝條件。

發(fā)酵工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 發(fā)酵工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

1.3.4 檢測(cè)分析方法

酒精度采用比重計(jì)法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 硫酸銨添加量的確定

將250 g經(jīng)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(fā)酵，發(fā)酵終了測(cè)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(fā)酵條件下，酒精度隨硫酸銨添加量的增大，出現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)，并且硫酸銨添加量為1.5 g/L時(shí)，酒精產(chǎn)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(fā)酵溫度的確定

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

發(fā)酵溫度對(duì)CO2失質(zhì)量數(shù)的影響見圖2，發(fā)酵溫度對(duì)酒精度的影響見圖3。

圖2 發(fā)酵溫度對(duì)CO2失質(zhì)量數(shù)的影響

圖3 發(fā)酵溫度對(duì)酒精度的影響

由圖2可知，在不同發(fā)酵溫度下，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，CO2失質(zhì)量數(shù)越來(lái)越多。發(fā)酵24 h時(shí)，31℃條件下失質(zhì)量數(shù)最多，為2.2 g，25℃失質(zhì)量數(shù)最少，為0.8 g；隨著發(fā)酵進(jìn)行至發(fā)酵結(jié)束時(shí)，失質(zhì)量總量為28℃失質(zhì)量數(shù)＞31℃失質(zhì)量數(shù)＞25℃失質(zhì)量數(shù)＞34℃失質(zhì)量數(shù)。由圖3可知，在28℃條件下發(fā)酵酒精產(chǎn)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(chǎn)率最低，為5.6%（V/V）。綜合考慮，發(fā)酵溫度為28℃時(shí)，CO2失質(zhì)量最大，酒精度最高。故選擇最佳發(fā)酵溫度為28℃。

2.3 發(fā)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(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，進(jìn)而影響微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖和代謝方向。為了考查pH值對(duì)發(fā)酵的影響，分別控制發(fā)酵初始pH值5.0，5.5（自然），6.0，6.5，其他條件不變測(cè)定發(fā)酵過程失質(zhì)量情況和發(fā)酵終了酒精度，以確定最佳發(fā)酵初始pH值。

pH值對(duì)CO2失質(zhì)量數(shù)的影響見圖4，初始pH值對(duì)酒精度的影響見圖5。

圖4 pH值對(duì)CO2失質(zhì)量數(shù)的影響

由圖4可知，在不同發(fā)酵pH值條件下，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，CO2失質(zhì)量數(shù)越來(lái)越多。隨著pH值升高，CO2失質(zhì)量數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。發(fā)酵24 h時(shí)，pH值5.5條件下CO2失質(zhì)量數(shù)最多，為2.0 g；pH值6.5條件下失質(zhì)量數(shù)最少，為0.8 g，故在pH值5.5時(shí)發(fā)酵最快。發(fā)酵結(jié)束時(shí)，失質(zhì)量總量為pH值5.5失質(zhì)量數(shù)＞pH值5.0失質(zhì)量數(shù)＞pH值6.0失質(zhì)量數(shù)＞pH值6.5失質(zhì)量數(shù)。由圖5可知，發(fā)酵結(jié)束時(shí)，pH值5.5條件下酒精產(chǎn)率最高，為6.1%（V/V）；pH值6.5條件下酒精產(chǎn)率最低，為5.7%（V/V）。綜合考慮，發(fā)酵pH值為5.5時(shí)，CO2失質(zhì)量最大，酒精度最高。故選擇最佳發(fā)酵初始pH值為5.5。

2.4 酵母接種量的確定

接種量過低，會(huì)導(dǎo)致遲滯期過長(zhǎng)，進(jìn)而影響發(fā)酵周期，影響設(shè)備利用率和發(fā)酵效率；接種量過高，會(huì)影響目的產(chǎn)物收率。為了考查接種量對(duì)發(fā)酵的影響，分別控制接種量2%，4%，6%，8%，10%，其他條件不變，測(cè)定發(fā)酵過程失質(zhì)量數(shù)及發(fā)酵終了酒精度，以確定最佳接種量。

接種量對(duì)CO2失質(zhì)量數(shù)的影響見圖6，接種量對(duì)酒精度的影響見圖7。

圖5 初始pH值對(duì)酒精度的影響

圖6 接種量對(duì)CO2失質(zhì)量數(shù)的影響

圖7 接種量對(duì)酒精度的影響

由圖6可知，在不同發(fā)酵pH值條件下，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，CO2失質(zhì)量數(shù)越來(lái)越大，并且隨著接種量增大，CO2失質(zhì)量數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，發(fā)酵24 h時(shí)，接種量為6%～10%時(shí)，CO2失質(zhì)量數(shù)無(wú)明顯差異；接種量為2%～4%時(shí)，CO2失質(zhì)量數(shù)略低。發(fā)酵結(jié)束時(shí)，接種量為6%時(shí)失質(zhì)量數(shù)最大，為7.8 g。

由圖7可知，發(fā)酵結(jié)束時(shí)，接種量為6%時(shí)酒精產(chǎn)率最高，為5.9%（V/V）；接種量為10%時(shí)酒精產(chǎn)率最低，為5.4%（V/V）。綜合考慮，接種量為6%時(shí)，CO2失質(zhì)量數(shù)最大，酒精度最高，故選擇最佳接種量為6%。

2.5 正交試驗(yàn)

為了考查各單因素之間的交互作用，根據(jù)發(fā)酵單因素試驗(yàn)的結(jié)果，進(jìn)一步設(shè)計(jì)L9（34）正交試驗(yàn)，以確定最佳發(fā)酵工藝。

發(fā)酵工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果與分析見表2。

表2 發(fā)酵工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表2可知，在發(fā)酵工藝優(yōu)化的正交試驗(yàn)中，對(duì)酒精度影響大小順序依次是A＞C＞B，即發(fā)酵溫度＞接種量＞初始pH值，最佳發(fā)酵工藝條件組合為A2B2C3，即發(fā)酵溫度28℃，初始pH值5.5，接種量為8%。經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)，最佳發(fā)酵工藝條件下酒精含量達(dá)6.3%（V/V）。

3 結(jié)論

雪花梨廢棄物轉(zhuǎn)化燃料乙醇發(fā)酵最佳條件為（NH4）2SO4添加量1.5 g/L，發(fā)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(dá)6.3%（V/V）。利用雪花梨廢棄物轉(zhuǎn)化燃料乙醇發(fā)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(xué)?？茖W(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（QN2015092）；河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（14236802D-2）；河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（201500043）。

郝秋娟（1976— ），女，碩士，講師，研究方向?yàn)閼?yīng)用微生物方向的教學(xué)和研究。