李平　余雙強(qiáng)　曾舟華

摘要：研究了溫和條件下超聲波、超聲波結(jié)合稀酸和超聲波結(jié)合稀堿等預(yù)處理甘薯渣發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝。結(jié)果表明，超聲波結(jié)合稀堿預(yù)處理的方法最好，且獲得了最佳的工藝條件為固液質(zhì)量比１∶１５、超聲波功率２５０Ｗ、超聲波處理時間３０ｍｉｎ，預(yù)處理用１０ｇ／Ｌ的ＮａＯＨ，纖維素酶用量３５ＩＵ／ｇ底物，生料酵母菌接種量０．７５％。在該條件下乙醇產(chǎn)率達(dá)到２２．４％，與傳統(tǒng)工藝相比，產(chǎn)率提高了１９％。

關(guān)鍵詞：甘薯渣；超聲波；稀堿；預(yù)處理；發(fā)酵；乙醇

中圖分類號：ＴＳ２６１．４ 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０12）24－5748-04

隨著人類社會的發(fā)展進(jìn)步，全球范圍內(nèi)能源緊張和環(huán)境污染問題日益受到重視。從長遠(yuǎn)看，被廣泛應(yīng)用的化石燃料（包括石油、煤和天然氣）正逐步走向枯竭，發(fā)展非糧益農(nóng)的替代能源是當(dāng)前全球面臨的重大科研課題。甘蔗渣含有蔗糖，美國和巴西合作用甘蔗渣做乙醇［１－３］，獲得成功。甘薯渣也含有淀粉，中國民間已有成熟的甘薯渣造酒工藝。中國大部分地區(qū)，尤其紅土壤地區(qū)的山坡地適合種甘薯。在缺糧年代甘薯曾是農(nóng)民的半年糧，種植面積很廣。在豐衣足食的當(dāng)代，尤其經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)，甘薯被少量用作糧食，主要用來喂豬，經(jīng)濟(jì)效益不高。農(nóng)民改種芝麻、黃豆、棉花等農(nóng)作物，導(dǎo)致適合種甘薯的大量山坡地拋荒。甘薯葉、藤、根都是喂豬的好飼料，甘薯種植面積縮小是導(dǎo)致豬飼料漲價的原因之一。在鄂東地區(qū)開展上述課題研究，有助于武漢市生態(tài)示范型城市圈的建設(shè)，對于建立具有中國特色的生態(tài)能源生產(chǎn)基地有著重大的戰(zhàn)略意義［４］。

甘薯渣含淀粉、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、粗蛋白、粗脂肪和灰分等。降解纖維素效果最好的是纖維素酶。纖維素酶是一類能夠?qū)⒗w維素降解為葡萄糖的多組分酶系的總稱，它們協(xié)同作用，將纖維素降解為寡糖和纖維二糖，最終水解為葡萄糖［５，６］。當(dāng)采用纖維素酶水解甘薯渣制造乙醇［７－１０］時，纖維素酶必須接觸吸附到纖維素底物才能使反應(yīng)進(jìn)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。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(hù)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水解。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［１１－１３］。

生料釀酒是微生物利用生淀粉直接進(jìn)行生長、繁殖及代謝的過程［１４，１５］。生料釀酒工藝與傳統(tǒng)發(fā)酵酒精工藝比較，具有節(jié)約能源、操作簡便和出酒率高等特點(diǎn)［１６］。利用甘薯渣中大量的淀粉生產(chǎn)酒精、優(yōu)化發(fā)酵工藝參數(shù)，不僅可以提高甘薯深加工產(chǎn)品的附加值，延長產(chǎn)業(yè)鏈，而且可以緩解環(huán)境污染問題。通過超聲波和超聲波結(jié)合酸堿預(yù)處理木質(zhì)纖維素［１７－１９］后，再在生料酵母的作用下發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。為此，對甘薯渣超聲波預(yù)處理和超聲波結(jié)合酸堿預(yù)處理生料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝進(jìn)行了研究。

１ 材料與方法

１．１ 材料

甘薯渣來源于湖北省武穴市荷葉村，當(dāng)年產(chǎn)；生料釀酒酵母由江西省南昌市星火高新技術(shù)研究所生產(chǎn)；纖維素酶產(chǎn)生菌由經(jīng)濟(jì)林木種質(zhì)改良與資源綜合利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗室選育得到；氫氧化鈉由廣州化學(xué)試劑廠生產(chǎn)；硫酸由常州市科豐化學(xué)試劑廠生產(chǎn)。

１．２ 方法

研究做了４種情況的對比試驗。

傳統(tǒng)方法（空白對照試驗）［２０］：將干甘薯渣粉碎，過０．４０ｍｍ篩，?。担埃绺适碓郏尤牍桃嘿|(zhì)量比１∶１５的去離子水，混合均勻。加３５ＩＵ／ｇ的纖維素酶，按０．７５％的接種量接入生料釀酒酵母。在無菌條件下放入恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)，于３０℃發(fā)酵７ｄ。

超聲波結(jié)合稀酸預(yù)處理甘薯渣發(fā)酵制備乙醇工藝：將干甘薯渣粉碎，過０．４０ｍｍ篩，?。担埃绺适碓?，加入固液質(zhì)量比１∶１５的去離子水，混合均勻。再分別在５００ｍＬ燒杯中加入１５０ｍＬ的不同體積分?jǐn)?shù)的稀硫酸，超聲波功率為２５０Ｗ，處理時間為３０ｍｉｎ。處理后濾干，用去離子水洗滌殘渣至中性，加３５ＩＵ／ｇ的纖維素酶，按０．７５％的接種量接入生料釀酒酵母，加入冷水，在５００ｍＬ三角瓶中混合均勻。無菌條件下放入恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)，３０℃發(fā)酵７ｄ。

２ 結(jié)果與分析

２．１ 固液質(zhì)量比對乙醇產(chǎn)率的影響

２．２ 超聲波處理時間對乙醇產(chǎn)率的影響

２．３ 超聲波功率對乙醇產(chǎn)率的影響

２．４ 酵母菌接種量對乙醇產(chǎn)率的影響

２．６ 超聲波結(jié)合稀堿預(yù)處理中ＮａＯＨ濃度對乙醇產(chǎn)率的影響

２．７ ４種工藝的比較結(jié)果

試驗結(jié)果表明，最佳的因素水平組合為超聲波功率２５０Ｗ，固液質(zhì)量比１∶１５，超聲波處理時間３０ｍｉｎ。在此條件下對預(yù)處理后甘薯渣發(fā)酵制乙醇，乙醇產(chǎn)率為２０．５％，比未經(jīng)任何預(yù)處理的乙醇產(chǎn)率提高９％以上，這表明用超聲波預(yù)處理發(fā)酵制乙醇的效果不是很好，在超聲波處理最佳因素水平下結(jié)合稀酸預(yù)處理，當(dāng)稀硫酸的體積分?jǐn)?shù)為０．５％時，效果最好。超聲波結(jié)合稀酸預(yù)處理時乙醇的產(chǎn)率為２０．８％，要高于單獨(dú)的超聲波預(yù)處理，比未經(jīng)任何預(yù)處理的乙醇產(chǎn)率提高了１０．６％。超聲波結(jié)合稀堿預(yù)處理，與未進(jìn)行超聲波處理的稀堿預(yù)處理相比較，超聲波能有效增加ＮａＯＨ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。當(dāng)ＮａＯＨ的濃度為１０ｇ／Ｌ時效果最好，所得的乙醇產(chǎn)率最高。預(yù)處理后的結(jié)果表明，超聲波結(jié)合稀堿預(yù)處理可有效提高ＮａＯＨ對薯渣的處理效果。超聲波結(jié)合稀堿預(yù)處理的乙醇產(chǎn)率為２２．４％，與傳統(tǒng)工藝相比，乙醇產(chǎn)率提高了１９％。由以上試驗結(jié)果可知，利用超聲波對薯渣進(jìn)行預(yù)處理，乙醇產(chǎn)率提高了９％；超聲波結(jié)合稀酸預(yù)處理，乙醇產(chǎn)率提高了１０．６％；超聲波結(jié)合稀堿預(yù)處理，乙醇產(chǎn)率提高了１９％。橫向比較，超聲波結(jié)合稀堿預(yù)處理的效果最好。

３ 結(jié)論

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