复合粮食配比与乙醇发酵能力关系的研究*

2023-02-03刘维超刘宏生邹文军罗永昶

粮油仓储科技通讯 2023年5期

刘维超张诚刘宏生邹文军罗永昶

(中央储备粮徐州直属库有限公司 221116)

自改革开放以来,中国经济迎来了全面快速发展,国家对能源的需求与日俱增,但是严峻的能源短缺和气候问题阻碍了发展进程。为了平衡经济发展、能源短缺和环境友好关系等关键问题,中国对自身发展提出了新的要求,“双碳”政策应运而生。在此背景下,以生物乙醇为代表的新型可替代环境友好型生物能源逐步进入大众视野[1,2,3]。我国推动生物乙醇发展至今,由于不同粮食品种、营养成分和可利用碳源等差异在实际工业乙醇发酵过程中,带来乙醇产量波动较大等实际问题,使得以玉米为生产原料的第一代生物燃料乙醇发酵仍处于主导地位[4]。为了解决这类问题,混合物料发酵备受关注[5,6,7]。

不同原料本身的碳元素和氮元素占比各不相同[8],这将会导致发酵醪液呈现不同的碳氮比,势必影响乙醇发酵过程。一般情况下,小麦蛋白质和碳水化合物含量最高,分别为14%～20%和75.2%[9];玉米本身含碳量与小麦相当(75%),但其蛋白质含量较低(约9%～10%)[10];与前二者相比,稻谷有着更低的蛋白质含量(8%～11%)和碳水化物含量(65%)[11];最后,木薯无论在蛋白质含量还是碳水化合物含量的指标上均最低,分别低于5%和30%[12]。为此,在采用单一原料时,原料本身的碳氮比将会是制约发酵的重要指标之一。

本研究将讨论通过不同原料配比探究发酵醪液本身碳氮比与乙醇发酵过程关系,寻找粮食燃料乙醇发酵新思路。

1 材料与方法

1.1 菌种

高温活性酵母粉[13]。

1.2 培养基及培养条件

1.2.1 培养基活化培养基:麦芽汁固体培养基(麦芽250 g/L磨碎过滤加琼脂20 g/L,121℃灭菌20 min,备用)[14]。

种子培养基:酵母膏10 g/L、蛋白胨20 g/L、葡萄糖20 g/L、磷酸二氢钾1.5 g/L、硫酸铵4 g/L、硫酸镁0.5 g/L;115℃灭菌20 min,备用[15]。

粮食醪液制备方法:分别取玉米、稻谷、小麦以及木薯1 kg,置于破壁机打成粉状,加2.5 L水煮沸备用。

复合粮食醪液制备方法:按比例分别取玉米、木薯、稻谷和小麦共1 kg,置于破壁机打成粉状,加2.5 L水煮沸备用。

单一粮食醪液发酵培养基:单一粮食醪液200 mL,抗生素(菌肽宝):22 ppm、蛋白酶15 μ/g、淀粉酶100 μ/g、pH 4.8,发酵温度30℃。

复合粮食醪液发酵培养基:复合粮食醪液200 mL,抗生素(菌肽宝):22 ppm、蛋白酶15 μ/g、淀粉酶100 μ/g、pH 4.8,发酵温度30℃。

1.2.2 培养条件一级种子培养:用接种环挑取麦芽汁固体培养基上单菌落酵母细胞接种于5 mL种子培养基中,30℃,200 rpm培养12 h。

二级种子培养:取1 mL一级种子液接种于100 mL种子培养基中,30℃,200 rpm培养18 h。

游离细胞乙醇发酵:量取20 mL二级种子液转接入单一粮食醪液发酵培养基/复合粮食醪液发酵培养基中后,再置于30℃培养箱中静置发酵48 h。每个实验组进行3次平行实验。

1.3 分析方法

细胞数测定:取2.5 mL混匀样品放入100 mL容量瓶中,定容后静置2 min,然后置于血球计数板上利用显微镜观察细胞个数[16]。

残还原糖糖测定:采用DNS法[17]。

酒度测定:取100 mL发酵液,加热蒸馏,定量到100 mL,用酒度计进行测量[18]。

2 结果与讨论

2.1 不同单一物料对生物乙醇发酵影响

如图1所示,在相同发酵条件下,以不同种类粮食为原料所得的发酵液具有不同的发酵能力。以乙醇产量和残总糖作为评价指标,发现以玉米为原料制备的发酵用醪液最终可得平均酒度12.5 v/v,发酵最终残总糖为2.55 g/100 mL,优于稻谷(酒度:12 v/v;残总糖:2.21 g/100 ml)、木薯(酒度:10.9 v/v;残总糖:1.93 g/100 mL)和小麦(酒度:12.3 v/v;残总糖:2.52 g/100 mL)。

图1 不同单一物料对乙醇发酵影响

图2 不同实验组对乙醇发酵影响

2.2 酿酒酵母复合醪液乙醇发酵能力评估

为了改善酿酒酵母乙醇发酵能力,改善乙醇发酵对部分粮食的依赖性,提高粮食在乙醇发酵领域的整体利用率,分别以四种粮食为原料按照一定比例配置的培养基进行乙醇发酵实验验证。为了简便实验,此实验过程中必须以小麦、玉米、木薯和稻谷四种物料进行复配且复配比例最少为20%,并且以20%为浮动标准。其中对照样本为实验组1(玉米25%、木薯25%、稻谷25%、小麦25%)。

表2 各实验组各物料占比以及C/N

实验组1作为对照实验组,其C/N为8.6,细胞数为2.41亿/mL,终酒度12.4,实验组3和实验组5,物料分别提高了稻谷和玉米的占比,但是其C/N并未因此产生较大变动。不仅如此,这两组实验组的细胞数和酒度均处于同一水平。实验组2由于增加了小麦的占比导致其C/N下降,而且其发酵体系细胞数明显高于其他实验组(3.61亿/mL),但是酒度并未因此获得改善,相反低于平均水平。实验组4由于提高了木薯占比,提高了C/N,发酵体系中细胞数较低,但实验组4酒度(13.1 v/v)产量最高。实验组5的玉米占比最高,其C/N与实验组1相似。虽然实验组5与实验组4 C/N相差较大,细胞数也有着较大的差异,但是此两组实验均获得了最高的酒度。

此外,发酵液的C/N将会影响酵母细胞的生长过程和发酵过程。玉米、木薯、稻谷、小麦的含氮量(以蛋白质含量计)各不相同,分别为8%～9%(以8.5%计)、2%、8%～13%(以10.5%计)和13.24%。对比细胞数发现,虽然实验组1乙醇发酵得到最高乙醇浓度,但是醪液中的细胞数较实验组4明显减少,实验组2明显增多,所以实验组1、2、3、4、5中细胞数的多少主要受制于粮食自身的氮源含量。观察数据发现,实验组1～5细胞数多少与体系中的含氮量正相关。

2.3 粮食乙醇发酵过程中C/N与发酵能力关系

在利用粮食进行乙醇发酵过程中,乙醇发酵能力明显受制于物料种类和物料营养物质的占比。物料体系碳源的占比多少制约乙醇产量上限,氮源的占比主要制约样本体系中细胞数量。

实验组2、实验组3、实验组4、实验组5分别提高了小麦、稻谷、木薯、玉米的占比,使得物料的C/N也出现了相应的变化。由图3可知,体系中的细胞数变化和乙醇产能分别与C/N呈现反比例和正比例关系。在以复合物料为醪液进行乙醇发酵过程中,小麦的占比提高增加了发酵体系中酵母细胞总数,乙醇并未由发酵体系中细胞总数增加而提高,反而是所有实验组中最低。而木薯占比提高则降低了发酵体系中的细胞总量,乙醇产量达到所有实验组最大。除了实验组4以外,实验组5同样有着较高的乙醇产量,但是实验组5有着更高的细胞总数,发酵体系也会更加稳定。