甜菜固态发酵生产酒精的条件优化

表 3 正交试验因素与水平
张 杰等：甜菜固态发酵生产酒精的条件优化
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表 4 酒精含量正交试验结果
试验号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 K1 K2 K3 k1 k2 k3 R
A 1 1 1 2 2 2 3 3 3 9.783 11.66 11.62 3.261 3.887 3.873 0.626
甜菜的根茎清洗干净，分成上中下 3 个部分，分别 进行水分与含糖量测定。测定结果如表 1 所示。甜菜 中水分含量很大，占 70%左右，块根中含糖量较其他部 位多，占 12%左右，而且甜菜块根中含糖差异甚大，主 要糖分是蔗糖，占 8%左右，还原糖的含量比较低，仅占 3%左右。由于块根各部分的含糖量比较均匀，所以采 用把整个块根粉碎后作为底物，这样可以省去分离工 序，避免分离困难的问题。
菌种 2 4.344 4.2616 4.252 4.321 3.21 4.077 2.527 2.981 2.981 2.527 2.821 2.938
菌种 3 4.168 3.48 3.827 3.82 3.62 3.783 2.921 2.9 1.921 2.013 2.003 2.3516
菌种 4 4.3032 4.0968 3.492 3.769 3.691 3.8704 3.192 3.521
残糖含量 1
1 0.5
0
0
4 4.5 5 5.5 6
pH
图 3 pH 值对发酵结果的影响
在图 3 中可以看到，在发酵过程中当初始 pH 值发 生变化时，残糖含量及其酒精含量也会发生变化。随 着 pH 值的逐渐增大，残糖含量随着降低，而酒精含量 也相应的增多。当 pH 值在 5~5.5 之间时，产生的酒精
依据表 4 的试验结果进行直观分析，按极差 R 大 小决定因子主次顺序为，RD>RC>RA>RB，即 D 因素对酒 精含量影响最大，在 3 个水平中第 3 个水平(15 ml)最好 (D3)，C 因素位于第 2，在 3 个水平中第 2 个水平(5.0)最 好(C2)，A 因素位于第 3，在 3 个水平中第 2 个水平(48 h) 最好(A2)，B 因素位于第 4，在 3 个水平中第 1 个水平 (30℃)最好(B1)，比较各列 K 值，得到的最佳组合为 D3C2A2B1。即实验 4：接种量 15 ml，pH5.0，发酵时间 48 h，发酵温度 30 ℃。
将未灭菌的甜菜和灭菌后的甜菜进行酒精发酵对 比试验，均使用同样的发酵条件，停止试验后测得未灭
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中国农学通报
菌的甜菜中残糖含量比较高，剩余的残糖含量为 4%左 右，高于灭菌的甜菜中残糖含量，说明未灭菌的甜菜发 酵不完全。未灭菌的甜菜与灭菌后的甜菜发酵酒精的 试验结果表明，未灭菌的甜菜酒精含量大大低于灭菌 后的酒精产量。见图 1 与图 2。主要原因在于没有灭 菌的发酵培养基里杂菌比较多，既抑制了酵母菌的生
菌种可以看出菌种13081在发酵之后残糖含量低而酒精浓度最高所以后续实验都采用菌种1308133灭菌与否对甜菜固态发酵酒精的影响将未灭菌的甜菜和灭菌后的甜菜进行酒精发酵对比试验均使用同样的发酵条件停止试验后测得未灭32不同菌种发酵时的差异共采用四种酿酒酵母菌种进行发酵比较发酵条件为温度30ph为自然ph接种量为15ml发酵进行发酵培养采用效果最好的菌种进行后续的发酵试验
中国农学通报 2009,25(05):72-75 Chinese Agricultural Science Bulletin
甜菜固态发酵生产酒精的条件优化
张 杰 1，姜 月 1，程大友 2，史淑芝 2
（1东北林业大学生命科学学院，哈尔滨 150040；2哈尔滨工业大学甜菜糖业研究所，哈尔滨 150040）
将 发 酵 完 全 的 甜 菜 发 酵 料 的 汁 液 挤 出 ，并 用 300 ml 水冲洗干净，保证所有的酒精已经溢出，倒入 500 ml 的 蒸 馏 瓶 中 ，补 加 蒸 馏 水 ，缓 慢 蒸 馏 ，蒸 出 100 ml 馏分后停止。取溶液，用 SQ-206 型气相色谱仪 在汽化室温度 200 ℃、色谱柱温度 160 ℃的条件下测 定[6]。 3 结果与分析 3.1 甜菜块根中水分与含糖量的测定
alcohol concentration and the lowest residual sugar content.
Key words: solid-state fermentation, residual sugar content, alcohol concentration
通过利用可再生资源——糖原料生产的酒精来 减少和替代石油这种不可再生资源，是缓解甚至是解 决目前世界所面临的能源危机的一种切实可行的方 法 。 [1] 然而传统发酵方式生产的酒精由于各种原因， 成本一直维持在比较高的水平，导致了利用酒精替代 石油进展缓慢。而固态发酵技术由于其简便的发酵程 序，低廉的发酵工具，能够达到节约能源，清洁生产的 目的，所以被广大的企业所看中。根据国内外报道可 知，燃料酒精的初级原料一般都采用玉米，甜高粱等粮 食作物[2]。但是自近年以来，粮食危机已经是世界范 围内的危机，所以采用经济作物生产酒精取代粮食作 物已经是迫在眉睫的事情。中国的甜菜种植面积大， 产量高，含糖量适中，研究表明用其作为原料生产酒精 是可行并且适宜的。该文以甜菜作为原料采用固态发
长，又消耗了培养集中的营养成分，剩余的代谢物不利 于酵母菌生长[7]。 3.4 不同的初始 pH 值对发酵结果的影响
调整初始 pH 值，研究其对发酵结果的影响。如图 3 为当初始 pH 为 4.0，4.5，5.0，5.5，6.0 时甜菜固态发酵 对酒精的产率及其残糖量的影响。
残糖含量/%
未灭菌残糖含量
采用苯酚-浓硫酸法测定，参见参考文献[3]。 2.2 还原糖的测定
采用 DNS 法测定，参见参考文献[4]。 2.3 蔗糖含量测定
采用高效液相色谱法测定蔗糖含量，参见参考文 献[5]。 2.4 水分测定
取一定量的甜菜在 60 ℃的烘箱中烘烤至恒重，利
用烘烤前后的差值进行计算甜菜中的水分含量。 2.5 酒精浓度的测定
购买于中国工业微生物菌种保藏中心的南阳混合
酿酒酵母 1308-1，南阳混合酿酒酵母 1308-3，南阳混合
基金项目：国家科技部专项基金（NCSTE-2006-JKZX-022）；农业部寒地作物生理生态重点开放实验室基金“利用甜菜发酵酒精的研究”。 第一作者简介：张杰，女，1972 年出生，黑龙江哈尔滨人，博士后，副教授，主要从事微生物发酵方面研究工作。通信地址：150040 东北林业大学微生 物学科，Tel：0451-88530878，E-mail：jiangyue831224@。 收稿日期：2008-11-10，修回日期：2008-12-24。
已灭菌残糖含量
7
6
5
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
Hale Waihona Puke 实验序列图 1 灭菌与否对残糖含量的影响
酒精含量/ml
5 4.5
4 3.5
3 2.5
2 1.5
1 0.5
0
灭菌后的酒精含量 未灭菌的酒精含量
1
2
3
4
图 2 灭菌与否对酒精含量的影响
5 实验序列
6
4
3.5 5
3
4 2.5
残糖含量/%
酒精含量/ml
3
2
1.5 酒精含量 2
表 1 甜菜各部分水分及其含糖量的测定结果
表 2 相同条件下不同菌种发酵后残糖含量和酒精含量的差异
菌种 1
3.368
3.28
残糖含量/%
3.324
3.33
3.279
平均值
3.3162
3.968
4.11
酒精浓度/ml
4.59
5.012
5.022
平均值
4.4504
注：菌种 1 是 1308-1；菌种 2 是 1308-3；菌种 3 是 1403-1；菌种 4 是 1403-4。
B 1 2 3 1 2 3 1 2 3 11.274 11.22 10.569 3.758 3.740 3.523 0.235
因素 C 1 2 3 2 3 1 3 1 2
2.21 1.966 2.202 2.6242
3.2 不同菌种发酵时的差异 共采用四种酿酒酵母菌种进行发酵比较，发酵条
件为温度 30 ℃，pH 为自然 pH，接种量为 15 ml，发酵时 间为 48 h 进行发酵培养，采用效果最好的菌种进行后 续的发酵试验。结果如下：
从表2可以看出，菌种1308-1在发酵之后，残糖含量最 低，而酒精浓度最高，所以后续实验都采用菌种1308-1。 3.3 灭菌与否对甜菜固态发酵酒精的影响
Abstract: In this work, sugar beet was fermented in solid-state for the production of alcohol, and the fermentation conditions was optimized. The result showed that Saccharomyces cerevisiae (Nanyang 1308-1) had the highest fermentation efficiency in alcohol production. The optimal fermentation conditions for this strain
was the use of sterilized culture medium with pH controlled between 5.0 and 5.5, an inoculated volume of 15
ml, and a fermentation time of 48 h. Under these conditions, the fermentation products contained the highest
Optimization of Alcohol Production from Sugar Beet Fermented in Solid-state Zhang Jie1, Jiang Yue1, Cheng Dayou2, Shi Shuzhi2
(1College of Life Sciences, Northeast Forestry University, Harbin 150040; 2Institute of Sugar Beet, Harbin Institute of Technology, Harbin 150040)
酵的方法生产酒精，详细探究了温度，发酵时间，pH 等 对其发酵的影响，并确定了最佳的发酵条件。为以后
的工业应用提供了依据。 1 材料
实 验 采 用 的 甜 菜 块 根 为 黑 龙 江 省 甜 菜（Beta vulgaris L.）主栽二倍体（diploid plant species）纯系品种 甜研 7 号（Ty 7），由哈尔滨工业大学甜菜糖业研究所 提供。于当年 9 月打叶，取其块根晾晒 1~2 天后，用上 海灿坤实业有限公司生产的型号为 LBJ-620B 型食物 搅拌机绞碎，制成甜菜糊备用。此试验于 2008 年 4 月 ~10 月在东北林业大学微生物实验室进行。 1.1 菌种
摘 要：对甜菜发酵生产酒精的条件进行了研究，采用了固态发酵的方法，对发酵条件进行优化，实验结 果表明编号为 1308-1 的南阳混合酿酒酵母菌菌种发酵效果最好。发酵的最佳条件是先对发酵的培养基 灭菌，发酵液 pH 控制在 5~5.5 之间，接种量为 15 ml，发酵时间为 48 h，在此条件下，残糖含量最低，酒精 浓度最高。 关键词：固态发酵；残糖含量；酒精浓度 中图分类号：S3 文献标识码：A
张 杰等：甜菜固态发酵生产酒精的条件优化
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酿酒酵母 1403-1，南阳混合酿酒酵母 1403-4。 1.2 培养基
液体种子培养基：200 g 马铃薯，1000 ml 水，20 g 葡萄糖，3 g 无水硫酸镁，1.5 g 磷酸二氢钾，自然 pH， 121 ℃，灭菌 15 min。
固态发酵培养基：称取已水分平衡的甜菜糊样品 80 g。加入 20 ml 水分，高温灭菌，在无菌条件下加入 15 ml 液体种子及其他的营养元素。 2 方法 2.1 总糖含量与残总糖含量的测定
量最多，残糖含量剩余的最少，意味着发酵结束。因为 甜菜的自然 pH 在 5~5.7 之间，从节约成本方面考虑， 可以采用自然 pH 进行发酵，效果也是良好[8]。 3.5 正交试验
该实验采用的菌种为南阳酿酒酵母菌菌种 1308-1 号，根据以上试验结果，选择各因素下较合适的 3 个水 平，并以酒精含量为主因子，设计四因素三水平 L9(34) 正交试验（表 3），对发酵条件实行优化实验。