马铃薯生料发酵制备乙醇的研究

酵的影响。结果表明，以生淀粉酶为糖化剂的发酵液中乙醇体积分数远远高于商品复合酶的乙醇体积分数，辐照处
理可显著提高马铃薯生料转化乙醇的能力。
关键词：马铃薯；生料发酵；乙醇；辐照
中图分类号：TQ223.12+2
文献标志码：A
doi：10.3969/jissn.1671- 9646(X).2010.06.002
解生淀粉能力的差异，进而影响乙醇发酵效率。 不同酶制剂对生料发酵的影响见图 1。
乙醇体积分数 /%
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
72Байду номын сангаас
96
120
发酵时间 t/h
- 生淀粉酶； - 复合酶
图 1 不同酶制剂对生料发酵的影响
从图 1 看出，采用菌株所产生淀粉酶为糖化剂与 酵母菌进行同步糖化发酵，发酵结束后，发酵液中乙 醇体积分数远远高于使用复合酶发酵所产乙醇的体积 分数。这是因为菌株所产生淀粉酶具有较高的糖化马 铃薯生淀粉能力，而复合酶中普通糖化酶糖化生淀粉 的能力较差，这说明不同来源的酶对不同类型底物的 作用具有特异性。 2.2 生淀粉酶用量对发酵的影响
取 100 mL 发 酵 液 于 500 mL 蒸 馏 瓶 中 ， 加 100 mL 蒸馏水，用容量瓶接 100 mL 馏出液，用乙醇 密度计测量此溶液的乙醇体积分数及温度，查表校正 后得到发酵液的乙醇体积分数。
2 结果与分析
2.1 不同酶制剂对发酵的影响 酶制剂因来源和反应底物类型的不同，表现出水
* 为通讯作者：熊兴耀，男，教授，研究方向：园艺学。E- mail：xiongxingyao@126.com。
2010 年第 6 期
苏小军，等：马铃薯生料发酵制备乙醇的研究
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1 材料与方法
1.1 试验材料 1.1.1 菌种
活性干酵母，湖北安琪酵母股份有限公司产品。 1.1.2 原料
马铃薯粉，过 40 目筛，经测定淀粉含量为 56%。 1.1.3 酶制剂
世界上以马铃薯为原料生产乙醇的研究和应用已 有较早的历史，并在一些国家形成了较大的规模。在 德国以生物法生成乙醇中，马铃薯约占其总原料的 35%；美国则大量利用马铃薯加工后的废弃物为原料 生产乙醇。从工艺上来讲，当前以马铃薯为原料糖化 发酵生产乙醇已十分成熟，薯块、碎块及马铃薯废弃 物 等 均 可 被 转 化 成 乙 醇 [5- 8]。 马 铃 薯 的 降 解 糖 化 须 经 过高温高压蒸煮工序，而该工序需消耗大量的能
酵母自身没有淀粉酶系统，不能直接利用淀粉。 生淀粉酶可以将生淀粉水解成可发酵的糖，以供酵母发 酵成乙醇。由于生料发酵采用边糖化边发酵工艺，因此 加酶量的多少直接影响发酵的效果。通过添加适量的生 淀粉酶，可使糖化和发酵的速度同步，若酶用量太少， 导致淀粉糖化速度慢或糖化不完全，不利于发酵；若酶 用量太多，则糖化速度大于发酵速度，过剩的葡萄糖会 助长杂菌的生长，从而降低发酵率。另外，反应液中葡 萄糖的浓度过高，酶的活性会显著降低。生淀粉酶用 量对发酵的影响见图 2。
农产品加工·学刊
第 6 期(总第 211 期) 2010 年 6 月
农产品加工·学刊 Academic Periodical of Farm Products Processing
文章编号：1671- 9646 ( 2010 ) 06- 0008- 04
2010 年第 6 期
No.6 Jun.
马铃薯生料发酵制备乙醇的研究
（1） 不同剂量辐照对发酵的影响。分别称取经 50，100，200 和 400 kGy 剂量辐照处理过的马铃薯粉 50 g，加入生淀粉酶 （200 U/g） 或复合酶 （糖化酶 200 U/g，淀粉酶 20 U/g，果胶酶 10 U/g，纤维素酶 15 U/g），加入酵母菌 （2.5×107 个 /mL 发酵液），按 质 量 比 1 ∶2.5 的 比 例 与 30 ℃ 自 来 水 均 匀 混 和 于 500 mL 的三角瓶中，添加质量分数 0.4%的(NH4)2SO4， 调 pH 值至 4.0，塞上发酵栓，在转速 120 r/min，温度 30 ℃下，振荡发酵，96 h 后测定发酵液中乙醇体积分 数。
（1） 不同酶制剂对发酵的影响。称取 50 g 过 40目 筛的马铃薯粉，加入生淀粉酶 （200 U/g） 或复合酶 （糖化酶 200 U/g，淀粉酶 20 U/g，果胶酶 10 U/g，纤 维素酶 15 U/g），加入酵母菌 （2.5×107 个 /mL 发酵 液），按质量比 1∶2.5 的比例与 30 ℃的自来水均匀 混和于 500 mL 的三角瓶中，添加质量分数 0.4%的 (NH4)2SO4， 调 pH 值 至 4.0， 塞 上 发 酵 栓 ， 在 转 速 120 r/min，温度 30 ℃下，振荡发酵 72，96，120 h 后，取样测定乙醇体积分数。
本文比较了商品复合酶和生淀粉酶对马铃薯生料 直接发酵转化乙醇的影响；采用 60Co- γ 射线对马铃 薯进行辐照处理，并以其为原料通过同步糖化发酵工 艺转化乙醇，考察辐照处理对乙醇发酵的影响，旨在 探索一种马铃薯生料发酵新技术，并为辐照技术在马 铃薯生料发酵上的应用奠定理论基础。
收稿日期：2010- 03- 09 基金项目：国家科技支撑项目 （2007BAD41B03）。 作者简介：苏小军 （1975- ），男，湖南人，博士，研究方向：生物能源。
我国是世界上最大的马铃薯生产国，种植面积达 533×104 hm2，产量超过 8 000×104 t。尽管产量位居 世界第一，但我国的马铃薯加工业很薄弱，严重制约 了 整 个 产 业 的 发 展 [1- 4]。 以 马 铃 薯 为 原 料 生 产 乙 醇 尤 其是燃料乙醇，可为我国马铃薯的深加工开辟一条新 途径。马铃薯在我国虽然是粮食作物，但不是主要粮 食作物，在保证“不与人争粮，不与粮争地”，不危 及国家粮食安全的前提下，发展马铃薯乙醇产业，可 为解决我国马铃薯加工产业问题提供新思路，对马铃 薯产业的可持续发展具有重要意义。
（2） 生淀粉酶用量对发酵的影响。称取 50 g 过 40 目筛的马铃薯粉，分别加入50，100，150，200 和 250 U/g 的生淀粉酶，加入酵母菌 （2.5×107 个 /mL 发酵液），按质量比 1∶2.5 的比例与 30 ℃的自来水 均匀混和于 500 mL 的三角瓶中，添加质量分数 0.4% 的(NH4)2SO4，调 pH 值至 4.0，塞上发酵栓，在转速 120 r/min，温度 30 ℃下，振荡发酵，96 h 后取样测 定乙醇体积分数。 1.2.2 生料经辐照处理后发酵转化乙醇
与发酵速度基本协调。 2.3 不同剂量辐照对发酵的影响
辐照处理可增加淀粉对酶作用的敏感性，提高水 解效率，有利于进一步进行乙醇发酵。
辐照处理对乙醇发酵的影响见图 3。
乙醇体积分数 /%
14 12 10
8 6 4 2 0
50
100
（2） 乙醇发酵进程。分别称取经 200，400 kGy 剂 量辐照处理过的马铃薯粉 50 g，加入复合酶 （糖化酶 200 U/g，淀粉酶 20 U/g，果胶酶 10 U/g，纤维素酶
15 U/g） 和 酵 母 菌 （2.5 ×107 个 /mL 发 酵 液）， 按 质量比 1∶2.5 的比例与 30 ℃的自来水均匀混和于 500 mL 的三角瓶中，添加质量分数 0.4%的(NH4)2SO4， 调 pH 值 至 4.0， 塞 上 发 酵 栓 ， 在 转 速 120 r/min， 温度 30 ℃下，振荡发酵，每隔 12 h 取样测定发酵 液中乙醇体积分数。 1.2.3 乙醇体积分数测定
2. College of Horticulture and Landscape，Hu'nan Agricultural University，Changsha，Hu'nan 410128，China； 3. College of Food Science and Technology，Hu'nan Agricultural University，Changsha，Hu'nan 410128，China） Abstract： Comparison of the effect on ethanol production from raw potato flour between commercial enzymes and raw- starch- hydrolysing amylase were studied. Ethanol production from raw potato flour treated with gamma irradiation was also discussed. The results showed that raw- starch- hydrolysing amylase was more efficient for ethanol production from raw potato flour than commercial enzymes. It was found that the gamma irradiation caused a significant increase in produce of ethanol. Key words：potato；non- cook fermentation；ethanol；irradiation
从图 2 可知，发酵液乙醇体积分数随着生淀粉酶 添加量的增加而升高。在生淀粉酶添加量达到 150 U/g 时，乙醇体积分数接近最大，表明此时糖化
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乙醇体积分数 /%
9
8
7
6
5
4
◆
3
2
1
0
50
◆
◆
◆
◆
100
150
200
250
酶用量 /U·g-1
图 2 生淀粉酶用量对发酵的影响
苏小军 1，* 熊兴耀 1， 2，谭兴和 3，蔡 柳 1，高 艳 1，李文佳 3
（1. 湖南省作物种质创新与资源利用重点实验室，湖南 长沙 410128； 2. 湖南农业大学 园艺园林学院，湖南 长沙 410128；3. 湖南农业大学 食品科学技术学院，湖南 长沙 410128）
摘要：比较了商品复合酶和生淀粉酶对马铃薯生料直接发酵转化乙醇的影响，60Co- γ 射线辐照处理马铃薯对乙醇发
量[9- 10]。采用生料发酵技术，可省去这一工序，同时 也可避免高温条件下可发酵性糖的损失，具有降低能 耗，简化操作工序，降低生产成本等优点[10- 13]。
生料发酵技术的关键是将生淀粉水解糖化[14]。由 于减少了蒸煮工序，淀粉颗粒仍处于被包裹状态，因 此增加了生淀粉水解的难度。到目前为止，研究报道 了许多微生物能够直接水解生淀粉，但在高水平工业 化生产和实际应用过程中因其活力低和不稳定等原因 而受到限制[15- 17]。高能射线辐照可直接或间接作用于 淀粉分子，使其结构遭到破坏，物理和化学性质发生 改变，水解效率得到显著提高，目前已在甘薯、玉米 等领域得到了应用研究[18- 20]。
糖化酶 （酶活力 1 000 00 U/mL），湖南鸿鹰祥酶 制剂公司提供；α- 淀粉酶 （酶活力 20 000 U/mL） 湖南鸿鹰祥 酶 制 剂 公 司 提 供 ； 纤 维 素 酶 （酶 活 力 20 000 U/mL）、果胶酶 （酶活力 30 000 U/mL），江苏 无锡杰能科生物工程有限公司提供；生淀粉酶，湖南 省作物种质创新与资源利用重点实验室选育出的菌株 黑曲霉 AF- 1 通过固态发酵生产。 1.2 试验方法 1.2.1 生料直接发酵转化乙醇
Study on the Preparation of Ethanol by Non- cook Fermentation from Potato
Su Xiaojun1，Xiong Xingyao1， 2，Tan Xinghe3，Cai Liu1，Gao Yan1，Li Wenjia3 （1. Key Laboratory for Crop Germplasm Innovation and Utilization of Hunan Province，Changsha，Hu'nan 410128，China；