木薯乙醇浓醪发酵工艺进展*

刘海军，张 钧，王继艳，马中义，徐友海，肖天雄，王龙辉，胡世洋，岳 军，惠继星

(1.中国石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中国石油吉林石化公司 仓储中心，吉林 吉林 132021；3.天津大学 化工学院，天津 300072)

木薯是热带作物，与马铃薯和红薯并称为世界三大薯类作物。木薯根为块状，呈柱形或纺锤形，块根表面是一层棕色或淡黄色的表皮，块根质地松脆，淀粉较纯，不仅可以作为食物及动物饲料，还广泛应用于工业中作为原料使用。木薯光合作用能力强、耐干旱、耐酸性土壤，适宜在贫瘠的土地种植，被誉为“淀粉之王”，鲜木薯块根中淀粉质量分数为30%～35%，木薯干(2.5～2.8 t鲜木薯可晒制1 t木薯干)中淀粉质量分数可达72%～77%，以木薯为原料生产乙醇比玉米、小麦、甘蔗等更经济，是一种具有很大发展潜力的粮食替代资源。近年来，随着人们对木薯原料生产乙醇的重视，国内外学者都纷纷致力于木薯乙醇工艺的研究，木薯乙醇浓醪发酵技术也成为研究热点。

1 木薯乙醇浓醪发酵工艺特点

传统木薯乙醇生产工艺是高能耗、高水耗的过程。为了有效降低能耗和水耗，提高发酵罐的生产能力，可以通过浓醪发酵提高发酵醪中乙醇浓度来实现，即采用高浓度(固形物质量浓度>270 g/L)的醪液进行发酵，浓醪发酵是乙醇生产技术的重要进展，不仅可以节约拌料水、降低蒸汽能耗、提高设备利用率，还可以降低废醪液处理量，从而降低生产成本，目前已经成为国内外乙醇行业的研究热点[1]。

2 木薯乙醇浓醪发酵工艺难点

木薯乙醇浓醪发酵具有较高的初始糖浓度和乙醇浓度，会对酵母产生抑制作用，同时木薯乙醇原料中泥沙等杂质含量高，醪液粘度大，物料输送困难，不利于连续性生产。因此，与其它淀粉质原料相比，实现木薯乙醇浓醪发酵的技术难点更多。影响木薯浓醪发酵的因素是多方面的，目前国内外一些科研机构及乙醇生产企业从木薯原料的除砂、优良酿酒酵母的选育、降低物料粘度、优化培养基成分、温度、pH等发酵关键性因素等方面着手，以改进木薯乙醇浓醪发酵的生产工艺。

2.1 除砂

木薯在收获和干燥过程中，经常会掺夹泥土、沙石、粗纤维、金属等杂质，为了将木薯原料(木薯干和鲜木薯)中的淀粉充分释放出来，提高转化率，以保证木薯乙醇生产过程的正常进行及提高生产效益，这些杂质必须要在生产前清除，否则将严重影响生产的正常进行，如石块和金属杂质会造成粉碎机筛板的磨损或损坏，导致生产中断；泥沙会加速机械设备运转部位的磨损以及影响正常的发酵过程。木薯原料的除砂过程通常先进行筛选，再进行磁选。筛选常选用震动筛去除原料中的较大杂质和泥沙；磁选是利用永磁马蹄铁除去原料中的铁屑、铁钉、螺母等磁性杂质。生产中，需要定期对原料除砂设备进行清理，防止杂质积聚过多，影响除杂效果。

2.2 降低醪液粘度

木薯浓醪发酵随着粉浆固形物浓度的提高，醪液的粘度迅速增加，物料流动性变差，给醪液的搅拌、输送、加热与冷却带来了很大困难，因此，降低高浓度物料的粘度是实现木薯浓醪发酵的关键一步，其中料水比、原料颗粒度和液化酶用量是影响料液粘度的重要因素。(1)随着料水比的增加，在调浆和加热糊化过程中高含量的淀粉吸水越多，物料的流动性越差，粘度越大。隋祎等[2]考察了料水比对木薯乙醇浓醪发酵的醪液粘度的影响，结果表明，在糊化过程中料水质量比为2.35，比2.87时的醪液粘度明显增加。(2)木薯原料淀粉颗粒越小，淀粉吸水的膨胀能力越强，有利于彻底糊化，但同时增加了醪液的粘度，且增加了原料的粉碎能耗，因此并非木薯原料的颗粒越小越好，当粉碎粒度达到2.4×10-3cm时，颗粒度对粘度的影响不再明显。目前有些企业采用木薯原料粗细相结合的方式，以提高醪液流动性[3]。(3)液化酶的用量直接影响醪液的粘度。陆婷婷等[4]对木薯浓醪发酵的粘度进行了研究，实验结果表明，液化酶的用量为10 U/g(一个AGU单位是指在25 ℃、pH=4.3、反应时间30 min条件下，每分钟水解1微克分子麦芽糖所需的酶量)木薯粉时，醪液具有较好的流动性。伍时华等[5]对液化条件进行优化，确定了最佳液化酶加入量为10 U/g木薯粉，液化温度和时间分别为105 ℃和2 h，此条件下醪液粘度低，木薯淀粉液化效果充分。隋祎等[2]对糊化过程中不同加酶量下醪液粘度的变化进行了研究，表明当温度较高时(85、90、95 ℃)，在同一温度下，高温淀粉酶用量(8～14 U/g)越低，醪液粘度越低。另外，为了改善醪液流动性，容元平等[6]采用预处理过的糖蜜水解液对木薯粉调浆进行浓醪发酵，醪液流速增大约50%，最终发酵液成熟醪液中乙醇体积分数为15.5%，实现了较好的浓醪发酵效果。

为了避免醪液粘度越来越大，在糖化前对糖化酶进行预处理有助于高固含物的糊化及增加液固比[7]。纤维素酶、半纤维素酶、木聚糖酶和阿拉伯糖酶等细胞壁降解酶及果胶降解酶可以降低醪液粘度。Jones等[8]研究了浓醪发酵过程中蛋白酶对粘度的影响，纤维素酶或β-葡聚糖酶用于水解β-葡聚糖，可大大降低醪液粘度，由2 460 BU可降至420 BU。

2.3 选育优良酿酒酵母菌种

由于木薯乙醇浓醪发酵过程中的底物糖浓度和产物乙醇浓度高，使得发酵体系中具有较高的渗透压，易对酿酒酵母产生毒害作用[5]，使得木薯乙醇浓醪发酵对酵母菌株的要求极为苛刻，因此，选育生产能力强、耐高渗透压、副产物少的优良酵母菌种是实现木薯乙醇浓醪发酵的关键。

木薯乙醇浓醪发酵过程中高的乙醇浓度会对酵母菌株产生毒性，影响其生长、发育和生产能力，因此提高酵母对乙醇的耐受性是十分必要的。易弋等[9]通过筛选得到两株最佳乙醇耐受型酿酒酵母菌株，其乙醇耐受能力远远高于出发菌株，均可在w(乙醇)=9%的培养基中生长，是一株非常有潜力的应用于浓醪发酵的酵母菌株。利用固定化酵母进行木薯乙醇浓醪发酵是当代的一种高新技术，可大大增加反应速度，提高生产能力，具有较高的工业应用价值。伍彦华等[10]对固定化酵母进行选育，得到4株浓醪发酵生产乙醇的酵母菌株，以木薯为原料，考察其浓醪发酵性能。结果表明，其中自絮凝酵母FJY具有较高的耐渗透压、产乙醇能力，且糖转化率高、残糖低、甘油产量少，最终w(乙醇)=15.7%。木薯乙醇浓醪发酵时，温度是影响酵母生产能力的敏感因素，低温时酵母的产酒率随温度的升高而增加，但当温度过高时，酵母的产酒率下降，因此可以通过筛选耐高温酵母提高酵母生产能力，陆雁等[11]筛选到一株产酒率高、温度耐受性好的耐高温酵母，并对高温浓醪发酵工艺进行了研究，得到的最佳生产工艺条件为料水质量比为1∶2，液化糖化后冷却至37 ℃，pH=4.0，接种量为5%，发酵64 h后，最高φ(乙醇)=15.54%，w(残总糖)=2.73%。

2.4 优化发酵工艺条件

通过优化木薯浓醪发酵过程中的关键工艺条件，可以显著提高酵母的活性和生产能力，也是实现木薯浓醪发酵的重要手段。培养基中营养物质的添加量在浓醪发酵过程中起着至关重要的作用。申乃坤等[12]对木薯浓醪发酵生产乙醇的培养条件和培养主要因子进行了优化和筛选，得到了影响木薯浓醪发酵的重要工艺参数，分别为糖化酶用量、肌醇浓度和料水比，并优化得到的最佳工艺条件为糖化酶用量为92.4 U/g淀粉，肌醇的添加量为0.065%，料水质量比为1∶2.97，发酵48 h后，φ(乙醇)=15.02%，经优化后，φ(乙醇)提高了25%。易弋等[13]优化了木薯浓醪发酵的液化工艺条件，确定的最佳液化条件为料水质量比为1∶2.3，液化酶用量为10 U/g，液化温度和时间分别为105 ℃和2 h，达到较好液化效果，最终φ(乙醇)=16.9%。可同化氮素在发酵过程中起着重要作用，是培养基中的重要营养成分，添加游离氨基氮不仅可以提高发酵液中乙醇的最终浓度，还增加菌体数量。Fan Qiang Wang等[14]对培养基中Mg2+、甘氨酸、酵母膏、生物素、乙醛和蛋白胨含量进行了优化，使用非线性步进式回归分析建立了一个预测性数学模型，其中Mg2+和蛋白胨的浓度是关键影响因素，培养基中50 mmol Mg2+和质量分数为1.5%的蛋白胨可使发酵48 h后最终φ(乙醇)从14.2%增加至17%。Petra Bafrncova等[15]在浓醪乙醇发酵培养基中添加了过量的可同化氮素，使得φ(乙醇)最终提高了17%，缩短发酵时间至28 h，乙醇产率提高了50%以上。

木薯浓醪发酵时，酿酒酵母对温度的变化较为敏感，当处于低温状态时，酿酒酵母的发酵能力与温度的变化成正比，当温度较高时，酿酒酵母呈现钝化状态，乙醇的生成速率减慢。另外，发酵体系中丰富营养物质的供应也是浓醪发酵的关键，若营养物质缺乏，将导致乙醇浓度降低。因此，适宜的发酵温度与充足的营养物质有利于浓醪发酵的顺利进行。易弋等[16]在优化的木薯粉液化糖化工艺的基础上，分析了培养基成分以及温度、pH等条件对木薯浓醪发酵的影响。实验结果表明，发酵培养基中w(尿素)=0.25%，ρ(MgSO4·7H2O)=0.45 g/L，ρ(KH2PO4)=1.5 g/L，ρ(CaCl2)=0.20 g/L，发酵最适温度为33 ℃，初始pH值为4.5，酵母菌接种量按体积分数为10%，发酵时间 48 h。最终发酵成熟醪乙醇体积分数为17.2%，淀粉利用率达91%。

在浓醪发酵中通常缺少适宜酵母生长的生理环境，可以通过改进过程工程设计及操作以提高乙醇的产率。如增加新厂发酵罐串联系统的数量，或者增加发酵罐中的挡板可以显著减少整体发酵液的返混以及减轻乙醇的抑制效应。这些方法均有良好的经济性及可持续发展性。Bai等[17]研究了由连续搅拌反应器和3个串联管式反应器组成的发酵系统，结果表明该系统应用于浓醪发酵可达到较好效果。

Bao Yingling等[18]使用统计方法学优化了木薯浓醪同步糖化发酵过程中的水解和发酵条件，其中质量浓度、颗粒度、初始pH和发酵温度是影响发酵效果的重要因素，通过优化在质量分数为40%、颗粒度为3.9×10-2μm、初始pH为5.5及发酵温度为27 ℃条件下，最终w(乙醇)从8.21%增加至15.03%，与模型预测值相吻合。

3 结束语

木薯浓醪发酵是一种具有巨大应用价值的乙醇发酵技术，对提高效益、节约能源有积极的促进作用。目前，木薯浓醪发酵技术有了一定的研究进展，但仍存在很多技术障碍，限制木薯浓醪发酵的因素是多方面的，除了木薯原料的除杂、高浓度物料的输送、耐高糖、高酒分优良酵母菌种的选育等困难，还有木薯浓醪发酵产生的发酵废醪如何分离，高浓度有机废水如何处理等问题，同样是今后面临的技术挑战。因此木薯乙醇浓醪发酵工艺的研究需要更多的科学研究投入和支持，以便为未来的规模化生产提供成熟的技术支撑。

[ 参 考 文 献 ]

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