石榴皮渣微生物发酵乙醇的工艺

吴晓菊,姜 丽

(新疆轻工职业技术学院 食品与生物技术分院,新疆 乌鲁木齐 830021)

石榴富含营养成分,能够很好地补充人体所需营养元素,具有美容养颜、抗衰老、抵抗细菌和病毒、调整心脏正常的运动频率、软化血管、补血养气等功效，富含根皮碱,对伤寒杆菌、痢疾杆菌等均有抑制作用,还可使肠黏膜收敛,分泌物减少,能有效地治疗腹泻、痢疾等症,有涩肠止泻的特殊功效。

新疆是我国主要的石榴产地之一。由于特殊的地理气候条件,新疆的石榴普遍大而甜,种植区主要分布在南疆喀什、和田、阿克苏等地,其中以叶城县种植石榴的历史最长、面积最大、产量最高。果蔬生产企业因石榴产品加工而产生大量的石榴皮渣,且石榴皮渣不易储存、运输,腐败变质后会产生恶臭,容易造成资源浪费和环境污染,故石榴皮渣的综合利用已成为国家和石榴制品生产企业所关注的一个重要问题[1]。本文研究石榴皮渣发酵生产乙醇的工艺,通过单因素实验和正交试验确定最优工艺参数,旨在为石榴皮渣的深加工提供新途径和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

石榴皮渣,新疆皮山县收购;安琪活性干酵母,安琪酵母有限公司。

1.2 主要仪器与设备

电热恒温培养箱(DNP-9082型),上海精宏实验设备有限公司;手持糖度计(VBR90A-WZ109型),杭州汇尔仪器设备有限公司。

1.3 工艺流程

图1 石榴皮渣发酵生产乙醇的工艺流程

1.4 操作要点

1.4.1 石榴皮渣分选、清洗、预热

挑选无病虫害、无腐烂的石榴皮渣,用水清洗后,微波预热处理5 min[2]。

1.4.2 酵母活化、发酵

用10倍于酵母重量、35 ℃的水活化安琪活性酵母30 min。添加石榴皮渣重量3%的活化后的酵母,充分搅拌后装入发酵罐,每个发酵罐的满装程度为70%,然后在35 ℃条件下密封发酵。

1.4.3 成品分离

发酵结束后得到粗品,再通过过滤和离心分离,得到乙醇成品,计算乙醇含量。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

分别称取1 kg石榴皮渣样品,以乙醇得率为指标,对液固比、接种量、发酵温度和发酵时间进行单因素实验。

2.1.1 不同液固比对乙醇得率的影响

称取1 kg石榴皮渣样品,分别选择5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1的液固比,添加3%的酵母,在35 ℃条件下密封发酵36 h,计算乙醇得率,结果见表1。

表1 不同液固比对乙醇得率的影响

由表1可知,不同的液固比会影响石榴皮渣的乙醇得率。当液固比从5∶1变化到15∶1时,乙醇得率也随之增加,这是因为随着液固比的增加,酵母菌的代谢活力不断增强,乙醇得率也相应提高。当液固比为15∶1时,乙醇得率最高,为0.590 mL/g;当液固比从15∶1变化到30∶1时,由于过高的浓度影响了酵母菌的活力,乙醇得率呈现下降趋势。因此,本实验中的最佳液固比为15∶1。

2.1.2 不同接种量对乙醇得率的影响

称取1 kg石榴皮渣样品,选择15∶1的液固比,分别添加2%、3%、4%、5%、6%的酵母,在35 ℃条件下密封发酵36 h,计算乙醇得率,结果见表2。

表2 不同接种量对乙醇得率的影响

由表2可以看出,乙醇得率并不随酵母添加量的增加而持续增加。当酵母添加量为3%时,乙醇得率最大,为0.586 mL/g,而当酵母添加量继续增加时,乙醇得率反而下降。其原因是由于发酵过程中,较多的酵母菌生长繁殖消耗了过多的能量,从而使酵母菌的总发酵能力下降,最终降低了乙醇得率。因此,本实验中的最佳接种量为3%。

2.1.3 不同发酵温度对乙醇得率的影响

称取1 kg石榴皮渣样品,选择15∶1的液固比,添加3%的酵母,分别在20、25、30、35、40 ℃下发酵36 h,计算乙醇得率,结果见表3。

表3 不同发酵温度对乙醇得率的影响

由表3可知,当发酵温度从20 ℃上升到35 ℃时,乙醇得率呈现持续增加状态,并在35 ℃时达到最大值0.588 mL/g;当发酵温度继续上升到40 ℃时,乙醇得率下降至0.372 mL/g。分析其原因,当温度从20 ℃上升到35 ℃时,酵母菌的活力不断增强；当温度超过40 ℃时,超过了酵母菌的适宜温度,乙醇得率下降,同时较高温度下,酵母菌在生长繁殖过程中消耗了较多的能量,致使乙醇的总得率减少[3]。因此,本实验中的最佳发酵温度为35 ℃。

2.1.4 不同发酵时间对乙醇得率的影响

称取1 kg石榴皮渣样品,选择15∶1的液固比,添加3%的酵母,在35 ℃条件下分别发酵28、32、36、40、44 h,计算乙醇得率,结果见表4。

表4 不同发酵时间对乙醇得率的影响

由表4可知,当发酵时间从28 h增加到36 h时,随着发酵时间的增加,乙醇得率逐渐增加;当发酵时间为36 h时,乙醇得率达到最高值0.590 mL/g；当发酵时间超过36 h时,乙醇得率和品质都有所下降,这是由于发酵时间过长,酵母菌生长繁殖消耗的能量较多,使得乙醇得率出现下降趋势。因此,本实验中的最佳发酵时间为36 h。

2.2 正交试验设计

根据单因素实验结果,选择液固比、接种量、发酵时间和发酵温度等4个因素,各因素选取3个水平(见表5),以乙醇得率为指标,进行L9(34)正交试验,结果见表6。

表5 正交试验因素水平

表6 L9(34)正交试验结果分析

续表6：

序号因素ABCD乙醇得率(mL/g)K20.3281.2431.0511.245K31.0201.1121.0291.072k10.3380.3320.4270.348k20.4430.4140.3500.357k30.3400.3730.3430.274R0.1050.0820.0840.083

从表6可以看出,在石榴皮渣微生物发酵生产乙醇的过程中,液固比、接种量、发酵时间和发酵温度等4因素均会对乙醇得率产生一定程度的影响,正交试验显示它们的影响程度为A(液固比)>C(发酵时间)>D(发酵温度)>B(接种量),最佳工艺为A2B2C1D2,即液固比15∶1、接种量3%、发酵温度35 ℃、发酵时间36 h,在此条件下对石榴皮渣进行发酵,乙醇得率为0.588 mL/g,且乙醇成品品质优良。

3 结论

新疆果蔬生产企业在石榴产品加工过程中产生了大量的石榴皮渣。由于石榴皮渣不易储存、运输,腐败变质后会产生恶臭,容易造成资源浪费和环境污染。研究发现，石榴皮渣作为原料,经微生物发酵后可获得品质良好的乙醇。本文通过单因素实验和正交试验,确定了石榴皮渣微生物发酵生产乙醇的工艺流程和最佳工艺参数,其工艺流程是:石榴皮渣经分选、清洗、预热后,添加酵母,在适宜的条件下进行发酵,经分离可得乙醇成品。最佳工艺参数为:液固比15∶1、酵母菌接种量3%、发酵温度35 ℃、发酵时间36 h,在此条件下对石榴皮渣进行发酵,乙醇得率为0.588 mL/g。