木薯酒精浓醪发酵液化糖化工艺的研究
2023-04-18
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维普资讯 http://www.cqvip.com 安徽农业科学,Journal ofAnhui A .Sci.2008,36(25):11091—11092,11101 责任编辑张杨林责任校对卢瑶 木薯酒精浓醪发酵液化糖化工艺的研究 易弋 ,蒋常德1,2,伍时华 ,黎娅 ,黄翠姬 (1.广西工学院,广西柳州545o06;2.广西大学,广西南宁530o04) 摘要[目的]优化木薯粉浓醪酒精发酵中液化糖化的工艺条件。[方法]以木薯粉为原料进行浓醪酒精发酵,在单因素试验的基础上, 运用正交试验对液化糖化工艺中的各种参数进行了研究。[结果]正交试验表明,各因素的影响主次为:糖化酶量>糖化时间>糖化pH 值>糖化温度。根据各因素的水平 值大小,确定了木薯粉浓醪酒精发酵中最佳液化工艺条件,即:料水比为1:2.3,液化温度105℃, 液化酶用量为10 U/g木薯粉,液化时间为2 h;最佳糖化工艺条件为:糖化DH值4.5,60℃时加入糖化酶150 U/g木薯粉后,直接将醪液 冷却至33 c进行发酵,即糖化与发酵同时进行。在该条件下进行木薯粉浓醪酒精发酵,酒精终浓度可达16.9%( )。[结论]该研究 为后续发酵条件的优化以及1130 L的放大试验打下了基础。 关键词木薯;浓醪酒精发酵;液化;糖化 中图分类号TS262.2 文献标识码A 文章编号0517—66t】(2oo8)25一l1091—02 stIIJ由,0Il Liquefaction and Saedmrit'matin d|oI蛔in Hi 一gravity Alcohol Fermentatin on QIo姗va Meal Ⅵ矾et al (Gtmi ̄iUniversity ofTechnology,Liuzhou,Guangxi 545(E6) Abstract l ObjcteiveJ 1he ̄tudy aimed to optimize the tchenological conditions of liquefaction and sacchafiifcation during the high-gravity alcohol fer— rnentatin on tohe cassava hea1.【MethodJ 1he删va meal was taken as the law materila forhigh-glavity alcohol femaentatin.Based O1o1 single factor ex. periments, various paran ̄tors in tchenological conditions ofliquefaction and sacchariifcation were studied via oahogom ̄experiments.【Result J 1he or— thogonal experiments showed that the effects of various factors in orderwere the dosage ofliquefaction e/lzyn ̄>sacchariifcation time>scchariaifeatin opH >saccharification temperature.Accordingthe K value ofeachfactor the optimum conditious fnr liuefqaction in the ighh-gravity alcoholfermentation on the c ̄Lgsava fI1eal were confirmed as follows:the cassava—water ratio WaS 1:2.3.the dosage ofliquefaction enzyme was 10 U/g and the liquefactin processoed at 105℃for 2 h. Ihe optimum conditions for sacchariicfation were as follows:the ̄accharfication pH WaS 4.5.the enzyme was added at 60℃wih tdosage of 150 U/g cassava meal,and then the fermentation broth WaS cooled to 33 oC forfermentation without delay,namely the saeehafifieation and fer— mentation were conducted simultaneously.Under these conditions,the final alcohol coilcentatlion reached 16.9%(V/V).1 Conclsiuon 1 S study laid he ftoundation for the optimization of he stubsequent fermentation conditions and tI1e l(】0 L ̄'tle-up test Key words Cas蝴;Ugh—gravity alcohol fermentation;Liquefaction;Saccharificatin o目前,酒精作为一种绿色燃料,一种可再生能源得到了 世界各国的广泛关注。利用发酵法生产酒精历史悠久,且应 用广泛。为了有效地提高产酒精发酵罐的生产能力,提高发 酵酒精浓度,进行浓醪发酵是首选方案¨J。浓醪发酵是指醪 液中含有27%或更高的可溶性固形物。随着固形物浓度的 1.2方法 1.2.1木薯酒精生产工艺流程。木薯粉一液化一糖化一接 种一发酵一蒸馏一成品酒精。 称取一定量的木薯粉于500 ml三角瓶中,按不同料水比 与温水混合均匀,加入一定比例的液化酶,高温下液化至碘 检显酱红色。液化后的醪液降温至糖化温度,调节pH值,并 提高,醪液的粘度迅速增加,给醪液的搅拌、输送、加热与冷 却带来了极大的困难_2I4J。因此,进行浓醪发酵关键的一步 就是改进与优化液化糖化工艺,以降低其粘度,减少高温蒸 煮的能耗,提高发酵效率。笔者以木薯粉为原料进行浓醪酒 精发酵,采用双酶法进行糖化液化。在前期的工作中已对液 化和糖化条件进行了单因素的研究l I6j,在该基础上,笔者 加入一定量糖化酶进行糖化,糖化后降温至33 qc,调节pH 值为4.5,加入0.25%尿素(W/V),接人种子培养液(10%接 种量)发酵6o h,发酵结束后测定酒精度、残还原糖、残总糖、 酸度以及挥发酸。 1.2.2液化条件的优化。称取120 g木薯粉于500 ml三角 采用正交试验,进一步对木薯粉浓醪酒精发酵中液化糖化的 工艺条件进行优化,旨在为相关研究提供参考依据。 1材料与方法 瓶内,按一定比例加入6o℃的自来水与液化酶,60 C预热30 min,不同温度下液化一定时间,用碘液检验其颜色,再加入 糖化酶150 U/g木薯粉,于印℃,pH值4.5条件下糖化3o min,通过测定培养基中的还原糖含量来检测液化效果。根 据液化条件的单因素试验结果,选择料水比、液化酶量、液化 时间、液化温度为讨论因素,设计一个4因素3水平的正交 试验,对液化条件进一步优化。 1.1材料木薯粉(市售,含淀粉75.58%);酒精高产酿酒 酵母(Saccharomyces cerev ̄hte)GGFS16由实验室选育并保存; 液化酶(20 000 U/m1),酶活力单位定义为70℃、pH值6.0条 件下,1 n'ifn液化1 mg可溶性淀粉成糊精所需要的酶量;糖化 酶(100000 U/nl1),酶活力单位定义为40℃、pH值4.6的条件 下,1 h分解可溶性淀粉产生1 mg葡萄糖的酶量。 1.2.3糖化工艺的优化。将液化后所得的醪液冷却到设定 的糖化温度,调节pH值,加入糖化酶,保温糖化。糖化一定 时间后,降温到33℃,调DH值4.5,加入0.25%的尿素 种子培养基:料水比为1:4的木薯粉液化糖化醪过滤 液,加入0.25%的尿素(W/ ),调节DH值至4.5,l15℃灭菌 20min。 ( / ),按10%接种量接入酵母菌,发酵60 h,以发酵结束后 的酒精浓度来考察最佳糖化条件。根据糖化条件的单因素 试验结果,以糖化酶量、糖化温度、糖化pH值、糖化时间为讨 基金项目 广西科学研究与技术开发项目(桂科攻0782003.2)资助; 广西柳州市科学研究与技术开发计划项目(20 ̄021102) 论因素,设计一个4因素4水平的正交试验优化糖化工艺。 1.2.4木薯浓醪酒精发酵。根据正交试验所确定的最优条 件进行液化糖化,糖化结束后向醪液中加入O.25%尿素(IV/ 作者简介收稿日期资助。 易弋(1979一),男,四川成都人,博士,讲师,从事微生物发 酵与分子生物学方面的研究。 2008-06.23 ),用浓度2 mol/L的硫酸调节pH值至4.5,冷却至33℃时 维普资讯 http://www.cqvip.com
11092 安徽农业科学 2008年 按10%接种量接人种子液,发酵60 h,发酵结束后测定酒精 2结果与分析 度(%, )、残还原糖(g/1130 m1)、残总糖(g/100 m1)、酸度以 2.1液化条件的优化结果 由于木薯粉醪液中引起热粘度 及挥发酸(m1)。 升高的原因主要是淀粉的糊化,添加适量的液化酶,切断淀 1.2.5测定方法。残还原糖、残总糖测定采用裴林试剂法l’ ; 粉的葡萄糖长链,释放出一部分糊化过程中固定的水分子, 酸度与挥发酸的测定采用酸碱滴定法_7J,酸度定义为滴定10 可降低粘度。由表1可知,在木薯粉的液化工艺中,各因素 frd醪液所消耗浓度0.1mol/LNaOH的体积;酒精含量测定:取 的影响主次为:液化酶量>液化温度>液化时间>料水比。 100 ml发酵液于500 rnl蒸馏瓶中,加入100 ml蒸馏水,蒸馏出 木薯浓醪酒精发酵中液化最佳工艺条件为:料水比1:2.3,液 1130 ml溶液,用酒精比重计测定溶液中的酒精浓度,同时用温 化温度105 oC,液化酶用量为10U/g木薯粉,液化时间为2h。 度计测定溶液温度,换算成加℃时的酒精浓度。 这与笔者前期通过单因素试验得到的最佳液化条件相一致。 表1 液化正交试验设计及结果 "lille 1 The血 and results 0f】jI 曲 mhoga ̄test 注:优化方案为 D2。 Nae:The叩6 zed scheme is A2 lh. 2.2糖化条件的优化结果由表2可知,木薯粉浓醪酒精发 加入糖化酶后直接将醪液冷却至发酵温度进行发酵,而缺少 酵糖化工艺中,各因素的影响主次为:糖化酶量>糖化时间 了独立糖化的过程。在单因素试验中笔者发现液化结束后 >糖化pH值>糖化温度。木薯浓醪酒精发酵中糖化最佳工 醪液中含有一定量的葡萄糖(70 g/L左右)[ ,而且在冷却过 艺条件为:糖化pH值4.5,糖化酶用量150 U/g木薯粉,糖化 程中还会有一部分淀粉被转化为葡萄糖,这些葡萄糖足够满 温度60℃,糖化时间为0min。优化后的糖化时间为0min,即 足酵母前期的生长。此外,当发酵开始后,糖化也同时在进 表2 糖化正交试验设计及结果 "Elil ̄e 2 The and results 0f明ocb嗣向丘c瞰i舳lorm0窖咖 test 注:优化方案为^2 D1。 Note:The optimizedmhemeis 日3 DI (下转第11101页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 36卷25期 李亚成等我国农地产权制度变迁中农户与村组织的博弈研究 11101 (一6)一厂(1一 ):一dx+ (1一 ) 则: =率选择变革策略。当农户在村干部采取不变策略同时农户 采取变革策略而收益c较大时,村干部会由于看到农户的收 (h+f)/(h+d—b+厂) 益因为变革而得到了提高,与自己收益差距减小而千方百计 阻挠变革,所以村干部采取变革策略的概率越小。当农户在 村干部变革同时自己变革而获得收益。越大时,村干部会给 予农户强大阻力,同时,由于自己变革会获得损失,因此采取 变革策略的概率越小。当农户在村干部变革同时自己不变 而收益e越大时,村干部看到农户“不劳而获”的收益很大, 这就是农户采取变革策略的概率,它取决于h、f、d、b 的值。当h值越大(即村干部在农户不变的情况下,当采取 不变策略时收益越大)时,农户由于看到村干部的额外收益, 会有更大概率采取变革策略。当村干部在农户采取不变策 略的同时自己采取变革策略而收益越小(即损失一厂越大,厂 值越大)时,村干部就会有较大概率采取不变策略,农户看到 自己会更倾向于不变革,采取变革策略的概率越小。 4结论 了村干部所获得的额外收益,采取变革策略的概率越大。当 村干部在农户变革的同时自己变革而收益越小(即一b越 小,b越大,村干部损失越大)时,农户由于受到村干部的强 大阻挠,采取变革策略的概率越小。当村干部在农户采取变 革策略的同时自己采取不变策略而收益越小(即d越大,一 d越1b)时,由于受到村干部的阻挠较强,农户采取变革策略 的概率就越小。 同理,可以通过下面式子得到混合策略纳什均衡时,村 (1)农地产权制度变迁不能以意识形态为准绳,产权制 度只能由竞争决定,只要是能促进经济发展的,就应该鼓励, 反之则应该反对。 (2)农地产权制度绩效与农民的偏好呈正相关。如果农 地所有权主体偏好与农民偏好比较一致,则农地制度绩效比 较高;反之,则会阻碍农业发展。 (3)村组织作为当前农地产权制度的既得利益者,其倾 干部的混合策略: +(1一Y)C=ye+(1一Y)g 向于维持现有的农地制度,而农户的谈判能力不足。因此, 中央政府需要采取措施来促进农地制度改革。 参考文献 [1]林毅夫.关于制度变迁的经济学理论:诱致性变迁与强制性变迁 [c]//N产权利与制度变迁.上海:上海人民出版社,1996. [2]许月明.中国农地制度变迁绩效评述[J].经济问题,20(13(7):32—35. [3]谢识予.经济博 仑[M].上海:复旦大学出版社,2OO2:89. 则: Y=(g—c)/(口一c+g—e) 这就是村干部采取变革策略的概率,它取决于。、c、g、e 的值。当农户在村干部不变同时自己不变而收益g越大时, 村干部会由于自己与农户的收益差距越来越小而有较大概 (上接第11092页) 加入糖化酶150 U/g木薯粉后,直接将醪液冷却至33℃进 行发酵,即糖化与发酵同时进行。在该条件下进行木薯粉 行,即同步糖化,葡萄糖一经产生就可被酵母利用,可保持 较低的水平,不会因葡萄糖浓度过高而抑制酵母生长,从而 有利于防止染菌 ,而且试验也证明了这种同步糖化的 工艺并不会影响最终的酒精浓度。这与刘振等_】l_利用木 薯干同步糖化工艺进行酒精发酵的研究结果相一致。在工 厂的实际生产中,一般将糖化时间控制在20~30 min,如果 能将同步糖化的工艺应用于生产当中将大大缩短发酵周 浓醪酒精发酵,浓度可达16.9%( 试验奠定了基础。 参考文献 ),比单因素试验提高 了0.5个百分点,为后续发酵条件的优化以及100 L的放大 期,提高设备利用率。 2.3木薯浓醪酒精发酵结果试验结果表明,木薯浓醪酒 精发酵后,残还原糖0.15 g/100 ml;残总糖0.475 g/100 ml; [1]李传林.应用浓醪发酵技术,推动酒精工业节能及清洁生产[J].酿酒 科技,加晒(5):107—108. [2]李志军,王敏,李家飚.安琪耐高温酿酒高活性干酵母在酒精浓醪发酵 中的应用[J].酿酒科技,2oo4(1):91—92. [3]肖冬光,许葵,李瑞青.酒精浓醪发酵生产工艺的优化[J].酿酒科技, 20o4(6):40—42. 酸度4.22;挥发酸0.31 ml;淀粉利用率91.28%;酒精度 16.90%。在优化后的液化糖化条件下进行木薯粉浓醪酒 精发酵,最终的酒精浓度比单因素试验提高了0.5个百分 [4]黄宇彤,孙智谋,杜连祥.对高浓度玉米原料糊化液化粘度的研究[J]. 食品与发酵工业,2001(6):21—23. [5]伍时华,蒋常德,易弋,等.木薯酒精浓醪发酵中液化条件的优化[J]. 食品科学,20O7,28(10):385—387. [6]易弋,蒋常德,伍时华,等.木薯酒精浓醪发酵糖化条件的研究[J].广 西工学院学报,20O8,19(1):58—62. 点,淀粉利用率比单因素试验提高了0.6个百分点,残总糖 的含量比单因素试验下降了约50%[6j。 3结论 [7]王福荣.酿酒分析与检测[M].北京:化学工业出版社,2005:230—270. [8]贾树彪,李盛贤.新编酒精工艺学[M].北京:化学工业出版社,2O04:1— 3o. [9]INGLEDEW W M,CASEY G P.R,vla production 0f}li c∞cef ms of ethanol 嚷unn-tMified iMustrial yeastlJj.In Bioteehnology and Renewable Energy,1986,8:246—257. 在单因素试验的基础上,运用正交试验,确定了木薯粉 浓醪酒精发酵中最佳液化工艺条件为:料水比1:2.3,液化 温度105℃,液化酶加量为l0 IJ/g木薯粉,液化时间为2 h; 最佳糖化工艺条件为:糖化pH值4.5,醪液冷却至60 qC时 [10]THOMAS K C,INCAEDEWW M.Production 0f21%( Microbiology。1992,10:61—68. )ahanol by fer. mentatin veory high gavity(VHG)wheat masheslJ J.Journal of Industrial [11]文1J振,王金鹏,张立峰.木薯干原料同步糖化发酵生产乙醇[J].过程工 程学报,2O05,5(3):353—356.