超声波结合稀碱预处理甘薯渣的乙醇发酵制备

李平　余双强　曾舟华

摘要：研究了温和条件下超声波、超声波结合稀酸和超声波结合稀碱等预处理甘薯渣发酵生产乙醇的工艺。结果表明，超声波结合稀碱预处理的方法最好，且获得了最佳的工艺条件为固液质量比１∶１５、超声波功率２５０Ｗ、超声波处理时间３０ｍｉｎ，预处理用１０ｇ／Ｌ的ＮａＯＨ，纤维素酶用量３５ＩＵ／ｇ底物，生料酵母菌接种量０．７５％。在该条件下乙醇产率达到２２．４％，与传统工艺相比，产率提高了１９％。

关键词：甘薯渣；超声波；稀碱；预处理；发酵；乙醇

中图分类号：ＴＳ２６１．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：0439－８114（２０12）24－5748-04

随着人类社会的发展进步，全球范围内能源紧张和环境污染问题日益受到重视。从长远看，被广泛应用的化石燃料（包括石油、煤和天然气）正逐步走向枯竭，发展非粮益农的替代能源是当前全球面临的重大科研课题。甘蔗渣含有蔗糖，美国和巴西合作用甘蔗渣做乙醇［１－３］，获得成功。甘薯渣也含有淀粉，中国民间已有成熟的甘薯渣造酒工艺。中国大部分地区，尤其红土壤地区的山坡地适合种甘薯。在缺粮年代甘薯曾是农民的半年粮，种植面积很广。在丰衣足食的当代，尤其经济较发达地区，甘薯被少量用作粮食，主要用来喂猪，经济效益不高。农民改种芝麻、黄豆、棉花等农作物，导致适合种甘薯的大量山坡地抛荒。甘薯叶、藤、根都是喂猪的好饲料，甘薯种植面积缩小是导致猪饲料涨价的原因之一。在鄂东地区开展上述课题研究，有助于武汉市生态示范型城市圈的建设，对于建立具有中国特色的生态能源生产基地有着重大的战略意义［４］。

甘薯渣含淀粉、纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白、粗脂肪和灰分等。降解纤维素效果最好的是纤维素酶。纤维素酶是一类能够将纤维素降解为葡萄糖的多组分酶系的总称，它们协同作用，将纤维素降解为寡糖和纤维二糖，最终水解为葡萄糖［５，６］。当采用纤维素酶水解甘薯渣制造乙醇［７－１０］时，纤维素酶必须接触吸附到纤维素底物才能使反应进行，因此，纤维素对纤维素酶的可及性是决定水解速度的关键因素。纤维素的结晶结构以及表面状态、多组分结构、木质素对纤维素的保护作用以及纤维素被半纤维素覆盖等结构与化学成分的因素致使甘薯渣难以水解。因此，必须经过预处理使纤维素、半纤维素、木质素分离开，切断它们的氢键，破坏晶体结构，降低聚合度［１１－１３］。

生料酿酒是微生物利用生淀粉直接进行生长、繁殖及代谢的过程［１４，１５］。生料酿酒工艺与传统发酵酒精工艺比较，具有节约能源、操作简便和出酒率高等特点［１６］。利用甘薯渣中大量的淀粉生产酒精、优化发酵工艺参数，不仅可以提高甘薯深加工产品的附加值，延长产业链，而且可以缓解环境污染问题。通过超声波和超声波结合酸碱预处理木质纤维素［１７－１９］后，再在生料酵母的作用下发酵生产乙醇。为此，对甘薯渣超声波预处理和超声波结合酸碱预处理生料发酵生产乙醇的工艺进行了研究。

１ 材料与方法

１．１ 材料

甘薯渣来源于湖北省武穴市荷叶村，当年产；生料酿酒酵母由江西省南昌市星火高新技术研究所生产；纤维素酶产生菌由经济林木种质改良与资源综合利用湖北省重点实验室选育得到；氢氧化钠由广州化学试剂厂生产；硫酸由常州市科丰化学试剂厂生产。

１．２ 方法

研究做了４种情况的对比试验。

传统方法（空白对照试验）［２０］：将干甘薯渣粉碎，过０．４０ｍｍ筛，取５０ｇ甘薯渣粉，加入固液质量比１∶１５的去离子水，混合均匀。加３５ＩＵ／ｇ的纤维素酶，按０．７５％的接种量接入生料酿酒酵母。在无菌条件下放入恒温培养箱内，于３０℃发酵７ｄ。

超声波结合稀酸预处理甘薯渣发酵制备乙醇工艺：将干甘薯渣粉碎，过０．４０ｍｍ筛，取５０ｇ甘薯渣粉，加入固液质量比１∶１５的去离子水，混合均匀。再分别在５００ｍＬ烧杯中加入１５０ｍＬ的不同体积分数的稀硫酸，超声波功率为２５０Ｗ，处理时间为３０ｍｉｎ。处理后滤干，用去离子水洗涤残渣至中性，加３５ＩＵ／ｇ的纤维素酶，按０．７５％的接种量接入生料酿酒酵母，加入冷水，在５００ｍＬ三角瓶中混合均匀。无菌条件下放入恒温培养箱内，３０℃发酵７ｄ。

２ 结果与分析

２．１ 固液质量比对乙醇产率的影响

２．２ 超声波处理时间对乙醇产率的影响

２．３ 超声波功率对乙醇产率的影响

２．４ 酵母菌接种量对乙醇产率的影响

２．６ 超声波结合稀碱预处理中ＮａＯＨ浓度对乙醇产率的影响

２．７ ４种工艺的比较结果

试验结果表明，最佳的因素水平组合为超声波功率２５０Ｗ，固液质量比１∶１５，超声波处理时间３０ｍｉｎ。在此条件下对预处理后甘薯渣发酵制乙醇，乙醇产率为２０．５％，比未经任何预处理的乙醇产率提高９％以上，这表明用超声波预处理发酵制乙醇的效果不是很好，在超声波处理最佳因素水平下结合稀酸预处理，当稀硫酸的体积分数为０．５％时，效果最好。超声波结合稀酸预处理时乙醇的产率为２０．８％，要高于单独的超声波预处理，比未经任何预处理的乙醇产率提高了１０．６％。超声波结合稀碱预处理，与未进行超声波处理的稀碱预处理相比较，超声波能有效增加ＮａＯＨ与半纤维素的反应性，也能增加其与木质素的反应性。当ＮａＯＨ的浓度为１０ｇ／Ｌ时效果最好，所得的乙醇产率最高。预处理后的结果表明，超声波结合稀碱预处理可有效提高ＮａＯＨ对薯渣的处理效果。超声波结合稀碱预处理的乙醇产率为２２．４％，与传统工艺相比，乙醇产率提高了１９％。由以上试验结果可知，利用超声波对薯渣进行预处理，乙醇产率提高了９％；超声波结合稀酸预处理，乙醇产率提高了１０．６％；超声波结合稀碱预处理，乙醇产率提高了１９％。横向比较，超声波结合稀碱预处理的效果最好。

３ 结论

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