橡实淀粉发酵生产燃料乙醇工艺研究

S9 木本粮油产业化分会场交流论文橡实淀粉发酵生产燃料乙醇工艺研究李安平∗ 谢碧霞 田玉峰 丁颜鹏（ 中南林业科技大学 湖南长沙市 411004 ）摘要：对以橡实淀粉为原料，通过生物发酵生产燃料乙醇的工艺条件进行了研究。

结果表明：各因素对发酵的影响程度大小依次为：固液比﹥糊化时间﹥糖化酶﹥糊化温度﹥α-淀粉酶；最佳的工艺组合为：固液比1：3，蒸煮时间30min，糖化酶180(U/g)，糊化温度100℃，α-淀粉酶10(U/g)下发酵48h。

关键词：橡实淀粉；发酵；乙醇；工艺Study on the fuel ethanol production by fermention of acorn starchLi Anping, Xie Bixia, Tian Yufeng，Ding Yangpeng(Central South University of Forestry and Technology, Changsha, 410004, Hunan,China)燃料乙醇作为一种可再生的洁净能源，能部分替代日益稀少、不可再生的石油化工产品, 然而, 传统的生产酒精的巨额成本成为限制燃料乙醇推广使用的瓶颈，同时以玉米等粮食为原料的生产技术，必然引发粮食价格上涨，出现与民争粮的难题。

因此，寻求廉价易得的乙醇生物质原料成为国内外研究的热点。

橡实是泛指除大量栽培种板栗以外的壳斗科（Fagaceae）植物种仁的总称。

据统计，我国约有橡实林1.33×107～1.67×107 hm2，年产橡实估计在60～70亿kg。

研究表明，橡仁淀粉含量约为30%-70%，其中又以石栎属和栗属淀粉含量较高，可达60%～80%(如包果石栎为71.66%、白穗石栎为77.58%)。

本文主要以橡实种仁中淀粉含量和产量较高的栓皮栎为例进行研究。

由于橡实种仁的淀粉含量高，因此，以橡实淀粉为原料生产生物乙醇具有广阔的前景，对解决当前国际能源危机提供了一条新的途径。

1. 材料与方法1.1 材料栓皮栎、氢氧化钠、碳酸钠、次氯酸钠、盐酸、糖化酶、α-淀粉酶。

1.2 菌种白酒王酵母(湖北宜昌安琪酵母股份有限公司生产)。

1.3 仪器与设备高压灭菌锅、胶体磨、粉碎机、磨浆机、无菌操作台、WD800G型微波炉、TDL-40B式离心机、酒精计、恒温培养箱。

∗作者简介：李安平，男，湖南永州人，教授，博士，主要从事林副产品加工方面的研究。

通信地址：湖南长沙市中南林业科技大学食品学院，邮政编码：410004。

e-mail：lianpinglianping@S9 木本粮油产业化分会场交流论文1.4.1 橡实淀粉制备工艺橡实→干燥→仁壳分离→水洗→浸泡→磨浆→过筛→静置沉降→碱液浸泡→漂白→中 和→静置分层→干燥→粉碎→过筛→橡实淀粉1.4.2 乙醇发酵工艺→精馏→乙醇1.4.3 橡实淀粉乙醇化操作要点（1）调浆：取一定量的橡实淀粉，按液固比1: 3加水调浆混合均匀。

为了防止淀粉结块，先用少量的温水调浆，再用余下的水稀释。

（2）蒸煮：将用水混合均匀的橡实淀粉置于100℃左右的水浴锅中加热蒸煮，时间约30min。

（3）液化：在无菌条件下，按10U/g橡实淀粉加入α-淀粉酶进行液化，液化至黏度明显下降。

（4）糖化：当液化结束，温度降到60℃时，按180U/g橡实淀粉加入糖化酶，糖化至终点(碘反应为黄色)，测定其还原糖含量。

（5）糖化：当料液温度冷却至30℃，按2%的接种量接入活性干酵母（白酒王）。

之后于30℃的培养箱中发酵72h。

准确记录初始重量。

间歇振荡，定时称量，记录CO2失重量，估计发酵状况。

（6）蒸馏：发酵完成后，取发酵醪100mL于蒸馏瓶中，再加入50mL蒸馏水蒸馏，蒸馏温度设定为85℃。

如果要更高浓度的酒精，则需进一步精馏。

1.5 橡实淀粉单宁脱出实验橡实淀粉单宁脱出实验分别采用常规水浸提法、超声波助提法和微波助提法。

常规水浸提法：即将洗净的橡实种仁与水混合磨浆后放入浸泡池浸泡，温度为40～50℃，浸泡约10h后换水继续浸泡，换水3-4次即可。

超声波助提法：即将洗净的橡实种仁与水混合磨浆后放入超声波处理盒内，超声波频率设定为47.6 kHz、功率为454 W，料液温度为45℃，料水比1∶30，超声波处理时间为40 min。

微波助提法：即将洗净的橡实种仁与水混合磨浆后放入微波处理盒内，微波功率设定为800W，料液温度为45℃，料水比为1∶30，微波处理时间为40 min。

1.6 酒精度测定取100 mL待测定液到蒸馏瓶中，加入100 mL水，混匀后蒸馏。

取馏出液100 mL用酒精１．４　实验方法　计测定20℃条件下馏出液中的酒精浓度。

1.7 还原糖的测定取发酵液5mL，5000r/min离心15min，取1mL上清液，进行适当稀释后，采用DNS法测还原糖含量。

1.8 CO2损失量的测定方法在进入恒温水浴锅发酵前，对接种后的发酵瓶称重，在各个发酵时段点（12h、24h、48h）也分别称重，计算CO2损失量，然后根据结果估计发酵状况。

1.9 出酒率的计算出酒率（%）=[酒精体积（ml）×酒精含量(%)]/淀粉含量(g)×100%2. 结果与分析2.1 不同单宁脱除方法对橡实淀粉出酒率的影响橡实种仁中含有一定量的单宁成分，不仅对口感和消化有不良影响，而且易与其中的蛋白质或酶形成具有抑菌作用的复合物，对生物发酵有不良影响，降低出酒率，因此，橡实淀粉发酵前须设法降低单宁含量。

实验分别采用常规水浸提法、超声波助提法、微波助提法等3种方法处理，然后在固液比1：3，蒸煮时间30min，糖化酶180(U/g)，糊化温度100℃，α-淀粉酶10(U/g)的条件下发酵6天，考察3种方法对橡实淀粉发酵出酒率的影响，结果如表1。

表1 不同单宁脱除方法对橡实淀粉出酒率的影响单宁脱除方法发酵前总还原糖(g/L) 发酵后残余还原糖(g/L)出酒率（%）常规水浸提法 11.43±0.15 3.02±0.21 76.33±0.29 超声波助提法 11.64±0.24 4.59±0.23 89.50±0.15微波助提法 12.36±0.18 3.81±0.37 78.71±0.26由表2可知，在橡实淀粉脱除单宁的阶段采用超声波助提法时，得到的淀粉发酵出酒率最高，而常规水浸提法出酒率最低；从残余还原糖量可以看出超声波助提法对淀粉的利用率最高，常规水浸提法淀粉利用率最低；在发酵开始之前测总还原糖量可知，微波助提法的总还原糖量最低，而超声波助提法的总还原糖量最高，这可能是由于微波助提的时间太短的原因。

2.2 糊化温度和糊化时间对橡实淀粉出酒率的影响糊化的作用是使淀粉糊化、液化，同时也有灭菌的效果。

在发酵过程中的蒸煮糊化对发酵的影响是至关重要的。

表4是在不同温度、不同时间蒸煮条件下，糖化发酵的结果。

在固液比为1：3、干酵母添加量为0.1g、糖化酶添加量为180 U/g、α-淀粉酶添加量为10 U/g的条件下考查糊化温度和时间对发酵的影响。

从表可以看到，随着温度的升高，达到要求淀粉利用率的发酵时间缩短，100℃下蒸煮30min，发酵48h，总体发酵就可以完成。

从发酵前总还原糖量和发酵后残余还原糖量变化可知，随着糊化温度的升高，淀粉的利用率升高，出酒率也随之增大。

另外在同一温度下蒸煮的时间越长，发酵所需的时间就越短。

由此，提高糊化温度或延长蒸煮时间，都有利于发酵的进行。

其中，90℃下蒸煮60min与100℃下蒸煮30min最终的发酵结果相差不多，但后者能耗低，而且发酵时间缩短，是最佳的发酵时间和糊化温度。

表4 糊化温度和糊化时间对发酵的影响CO2损失量(g)糊化温度(℃)糊化时间(min)发酵12h发酵24h发酵48h发酵72h发酵前总还原糖(g/100mL)发酵后残余还原糖(g/100mL)出酒率（%）30 6.5 8.5 9.0 9.1 1.725 0.150 25.6260 6.7 8.6 10.3 10.3 1.752 0.131 25.767090 6.8 8.5 11.1 11.4 1.788 0.119 26.2430 6.1 8.8 11.2 11.5 1.774 0.116 26.3260 6.5 9.1 11.5 11.7 1.791 0.113 26.568090 6.8 8.9 11.7 11.8 1.792 0.110 26.7230 7.0 9.5 10.8 11.3 1.810 0.110 26.6560 7.5 10.1 11.1 11.5 1.812 0.098 26.979090 7.2 9.9 11.0 11.6 1.811 0.093 26.9830 7.5 11.0 11.2 11.2 1.806 0.097 27.0460 7.6 11.6 11.7 11.7 1.840 0.056 27.2610090 7.7 11.9 11.9 10.9 1.857 0.055 27.64 2.3 α-淀粉酶添加量对橡实淀粉出酒率的影响添加α-淀粉酶可以使橡实淀粉的粘度下降，有利于糖化酶的作用。

酶的作用效果与酶的添加量和作用时间有关。

在固液比为1：3、干酵母添加量为0.1g、糖化酶添加量为180 U/g、100℃蒸煮30min的条件下试验，结果如表5。

由表可知，最佳的酶添加量为10 U/g，较普通的情况略多，这是由于蒸煮时间较短的缘故。

残余还原糖和总还原糖是随着酶添加量的增大而增大，当酶添加量为10 U/g时总还原糖量适中，残余还原糖适中，但是此时的出酒率最高。

表5 α-淀粉酶添加量的影响CO2损失量(g)α-淀粉酶(U/g) 发酵12h 发酵24h 发酵48h 发酵前总还原糖(g/100mL)发酵后残余还原糖(g/100mL)出酒率（%）5 7.1 9.3 10.4 0.158 1.179 25.5610 7.0 10.4 11.9 0.169 1.182 27.2115 8.6 9.2 11.3 0.170 1.187 25.89 2.4 糖化酶添加量对橡实淀粉出酒率的影响在干酵母添加量为0.1g、100℃蒸煮30min、固液比为1：3、α-淀粉酶添加量为10 U/g 的条件下糖化酶添加量分别以90、120、150、180、210U/g进行试验，结果如表6所示： 从表6看到，醪液的酒精度基本上随着糖化酶添加量的增加而升高，在添加量达到180 U/g时达到最大。

随着糖化酶添加量的增加，淀粉的利用率增大；从残余还原糖可以看出，糖化酶添加的越少，残糖越多，发酵不彻底。

从表6还可以看到，出酒率在糖化酶添加量为180 U/g时达到最大，为最佳的发酵糖化酶添加量。