微波预处理木薯发酵酒精的研究

刘汉灵，杨 勇，王孝英，易跃武

微波预处理木薯发酵酒精的研究

刘汉灵1,2，杨 勇1,*，王孝英1，易跃武1

(1. 广西大学化学化工学院，广西 南宁 530004；2. 广西南宁庞博生物工程有限公司，广西 南宁 530004)

利用微波预处理木薯代替传统酒精发酵生产中的蒸煮液化工艺，并对微波预处理后的木薯进行无蒸煮发酵工艺的研究。通过正交试验，得出微波处理后的木薯最佳发酵条件为：料水质量比1:2.8，糖化酶添加量180U/g，活性干酵母添加量为原料质量的0.3%，氮源用量为原料质量的0.3%，30℃发酵72h，发酵醪液的酒精体积分数达到12.7%。通过与传统蒸煮液化工艺进行能耗对比，至少节省30.8%的能耗。

酒精；木薯；微波；预处理；节能

酒精有广泛的用途和作用，在日常生活中，常用浓度较高的食用酒精来配置多种白酒、果酒等酒精饮料。用淀粉质原料发酵酒精的传统工艺，必须通过高温高压蒸煮的淀粉液化阶段，此阶段占总能耗30%～40%，节能的酒精发酵技术已成为当前研究的热点[1-5]。

微波技术具有节省能源和时间、简化操作程序、提高加热速率等优点。微波技术已成功用于植物纤维素原料的预处理[6-7]，用微波预处理稻草进行发酵酒精也取得了不错的效果[8]。微波加热不同于传统的加热方式，微波进入物料内部转化为热能的同时，对淀粉晶体也有一定程度的破坏，从而有利于酶的作用[9-10]。在一般情况下，淀粉物质的含水量越大，介电损耗也越大，有利于提高微波的加热效率[11-12]。对含水量不同的木薯淀粉进行微波处理后，能形成大小不同的爆裂孔，当微波处理时淀粉的水分含量达到35%，处理后的淀粉除形成爆裂孔外，还会发生一定程度的糊化[13]。

本实验用微波代替传统的高温高压蒸煮对木薯进行处理，用处理后的原料直接进行发酵实验，为节能发酵工艺的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

木薯干粉(淀粉含量68.4%；水分含量13.2%) 市售；酿酒活性干酵母 湖北安琪酵母股份有限公司；糖化酶(105U/g) 南宁庞博生物工程有限公司。

1.2 仪器与设备

格兰仕家用微波炉 佛山市顺德格兰仕微波炉电器有限公司；酒精浓度计 河北省武强县同辉仪表厂；电子分析天平 江苏常熟双杰测试仪器厂；单相电能表德力西集团仪器仪表有限公司；生化培养箱 上海博泰试验设备有限公司；干燥箱 上海精宏试验设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

取50.0g木薯干粉于500mL的烧杯中，按料水质量比1:0.6加水，搅拌均匀后，置于微波炉内，800W加热60s，取出冷却后置于45℃的恒温干燥箱中干燥，待样品干燥好后，用高速万能粉碎机粉碎，粉碎样品过100目筛后用于扫描电镜(SEM)分析。

1.3.2 原木薯粉发酵酒精实验

称取50.0g木薯干粉于500mL三角瓶中，按发酵料水比1:3.0加入水、糖化酶、酵母和尿素，塞上发酵栓，30℃静置发酵72h，蒸馏测量酒精的体积分数。

1.3.3 传统蒸煮发酵酒精实验

称取50.0g木薯干粉，按料水比1:3.0与水均匀混合于500mL的三角瓶中，加入液化酶，于沸水浴中液化1h，冷却至60℃后，加入糖化酶，60℃糖化1h，待糖化醪液冷却至30℃，加入酵母和尿素，塞上发酵栓，于30℃静置发酵72h，蒸馏测量酒精的体积分数。

1.3.4 微波预处理木薯发酵酒精实验

称取一定质量的木薯干粉于500mL的烧杯中，按料水比1:0.6加水，搅拌均匀后置于微波炉内，800W加热60s，转移至三角瓶中，按发酵料水比补加水，加入糖化酶、尿素和酵母，塞上发酵栓，30℃静置发酵72h，蒸馏测量酒精的体积分数。

1.3.5 微波预处理木薯粉同步糖化发酵的单因素试验

30℃发酵72h，分别考察不同发酵料水比、糖化酶用量、酵母添加量、氮源添加量对发酵的影响。

1.3.6 微波预处理木薯粉同步糖化发酵条件的正交优化

在单因素的基础上，选择发酵料水比、糖化酶用量、酵母添加量、尿素添加量4个因素，设计四因素三水平的正交试验，见表1。

表1 正交试验因素及水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments

1.3.7 分析方法[14]

水分的测定：105℃烘至恒质量；淀粉测定：稀酸水解法；酒精体积分数的测定：取100mL成熟发酵液于500mL蒸馏瓶中，加100mL去离子水，然后蒸馏出100mL溶液，利用酒精浓度计测定此溶液的酒精度，同时测定温度，换算成20℃时的酒精体积分数。

2 结果与分析

图1 木薯粉处理前后的电镜图Fig.1 SEM of untreated and pretreated cassava powder

2.1 微波处理前后木薯的电镜扫描图如图1所示，原木薯粉主要以球形和半球形颗粒状淀粉形式存在，当以1:0.6的料水比加入水后，混合均匀，木薯粉在800W微波功率下加热60s，颗粒状淀粉消失，木薯粉形成了无定形的物质，以糊化态形式存在。

2.2 不同发酵工艺的实验结果由表2可知，原木薯粉发酵效果差，发酵后酒精体积分数仅为6.3%，当木薯经微波预处理后，直接进行发酵，发酵效果达到了传统蒸煮工艺水平。这是因为淀粉颗粒是一种规则的层状结构的晶体，具有抵抗外力作用的外膜，使得生物酶不易对其发生作用，据测定α-淀粉酶水解糊化淀粉与水解原淀粉颗粒的速率之比为1:20000[1]。在发酵过程中，酵母不能直接利用淀粉，

表2 不同发酵工艺的实验结果Table 2 Alcohol yield from ifferent fermentation processes

当糖化酶将大分子链的淀粉水解为还原糖时，酵母才能消耗可发酵性还原糖产生酒精，由于糖化酶水解原木薯粉的速度缓慢，为酵母提供的糖分少，导致发酵后的酒精体积分数低。当木薯粉经微波处理后，木薯粉变成了无定形的糊化态，木薯中淀粉颗粒由原来规则的层状晶体结构变成了不规则舒张的网状结构，极大地促进了酶解作用，使得发酵能顺利进行，发酵效果达到了传统蒸煮发酵工艺水平。

2.3 单因素试验

2.3.1 料水比的影响

表3 不同料水比对发酵的影响Table 3 Effect of ratio of material to water on fermentation

在同步糖化的发酵过程中，糖化酶的酶解会贯穿整个发酵过程，发酵料水质量比直接影响到酶及酵母的代谢活动，对发酵结果有很大的影响。由表3可知，随着发酵时水与料质量比的增大，淀粉的利用率增加，发酵醪液中的酒精含量减小，而醪液中酒精含量的减小，会使得后续蒸馏的能耗加大。综合考虑醪液的酒精体积分数和原料淀粉的利用率，水与料的质量比在3.0:1左右较为适合。

2.3.2 糖化酶添加量的影响

表4 糖化酶添加量对发酵的影响Table 4 Effect of amount of glucoamylase addition on fermentation

糖化酶的用量对发酵有很大的影响，糖化酶添加太多，糖化速度过大，过剩的还原糖会利于杂菌的生长，而糖化酶添加过少，糖化速度较慢，又不利于发酵。由表4可知，糖化酶添加量在180U/g时，乙醇的体积分数最高，表明此时糖化与发酵的速度基本一致。

2.3.3 活性干酵母添加量的影响

表5 活性干酵母添加量对发酵的影响Table 5 Effect of active dry yeast added on fermentation

活性干酵母的添加量对发酵的影响也非常重要，添加量过少，发酵不充分，添加量过大，糖化和发酵不能同时进行，酵母的活性降低。由表5可知，活性干酵母的添加量为原料质量的0.3%时，酒精体积分数最大，故选择活性干酵母添加量为0.3%。

2.3.4 氮源(尿素)添加量的影响

表6 氮源添加量对发酵的影响Table 6 Effect of the amount of nitrogen addition on fermentation

由表6可知，添加一定量的氮源对发酵有一定的促进作用，添加量为原料质量的0.2%～0.3%时，发酵效果最好，再增大氮源添加量，酵母的代谢活动可能受到一定程度的抑制，使得醪液酒精体积分数反而减小。

2.4 微波预处理木薯粉同步糖化发酵条件的正交优化

以发酵醪液的酒精度做为评价指标，正交优化试验结果见表7。

表7 正交试验结果Table 7 Results of orthogonal experiments

由表7可知，RA＞RB＞RD＞RC，发酵的最佳条件为：A1B3C2D3，即料水比为1:2.8，糖化酶量180U/g，酵母接种量为原料质量的0.3%，尿素添加量为原料质量的0.3%，对优化条件进行验证试验，醪液中的酒精体积分数为12.7%。

2.5 微波预处理木薯发酵酒精与传统工艺的能耗对比

2.5.1 微波单次处理木薯质量对发酵酒精体积分数与能耗的影响

表8 微波单次处理木薯质量对发酵与能耗的影响Table 8 Effect of single microwave pretreatment of cassava on fermentation and energy consumption

微波预处理木薯在优化后的工艺条件下进行发酵，由表8可知，当单次处理木薯质量在100g以下时，发酵醪液的酒精体积分数基本一致。而单次处理所需的能耗与单次处理的原料质量无关，电表转数均在3 1～32r。从能耗与物料发酵后醪液的酒精体积分数综合考虑，单次处理质量选择100g进行能耗计算，则处理1kg需耗能为775～800kJ。

2.5.2 传统蒸煮液化能量消耗计算[15]

木薯的比热计算如下：

式中：c木薯为木薯比热/(kcal/(kg·℃))；c0为木薯绝干比热/(0.37 kcal/(kg·℃))；W为木薯水分含量/%；c水为水的比热/(kcal/(kg·℃))。

传统蒸煮液化法生产酒精时料水比为1:3，对于1kg的木薯粉，则需加水3kg，蒸煮液化温度100℃，加热液化时的起始温度为20℃，则Δt=80℃，液化升温所需要的能量为：

而微波处理1kg木薯干粉消耗的能量为800kJ。相比料水比为1:3.0的传统液化工艺，微波预处理工艺节省能耗30.8%。

由于传统工艺液化过程需要维持在100℃一定时间，这部分能耗还未计算，所以利用微波预处理木薯发酵至少节省30.8%的能耗。

3 结论与讨论

3.1 通过SEM分析，微波预处理后的木薯粉变为了无定形的糊化态。对预处理木薯粉进行无蒸煮同步糖化发酵，发酵效果达到了传统蒸煮工艺水平。通过正交试验确定微波处理木薯粉无蒸煮同步糖化发酵的最佳工艺条件为：发酵料水比1:2.8，糖化酶用量180U/g，酵母接种量为原料质量的0.3%，氮源添加量为原料质量的0.3%，在优化后的工艺条件下发酵，酒精体积分数达到12.7%。

3.2 利用微波技术对木薯进行处理代替传统的蒸煮液化工艺，从能耗上来计算，节省能耗达到30%以上。

3.3 利用微波技术对木薯进行处理后进行无蒸煮发酵酒精，简化了发酵工艺，缩短了处理时间，节约了大量蒸汽和冷却用水，从而减少了厂房和蒸煮设备的投资，大大降低了酒精的生产成本，具有一定的应用前景。

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Microwave Pretreatment as an Alternative to Thermal Liquidation Followed by Fermentation for Alcohol Production from Cassava

LIU Han-ling1,2，YANG Yong1,*，WANG Xiao-ying1，YI Yue-wu1
(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China；2. Guangxi Nanning Pangbo Biological Engineering Co. Ltd., Nanning 530004, China)

In this paper, microwave pretreatment of cassava substituted the traditional cooking and liquefaction process during alcohol fermentation and the optimization of uncooking fermentation process by using microwave pretreated cassava was studied. The optimal fermentation conditions by using microwave pretreated cassava were obtained through orthogonal experiments and the results were as follows: the ratio of cassava and water was 1:2.8, the quantity of glucoamylase added at 180 U/g, the addition of active dry yeast was 0.3%, and the amount of nitrogen was 0.3%. Under the optimal conditions, the ethanol content in fermentation mash was 12.7% after fermentation at 30 ℃ for 72 h. The energy consumption of microwave pretreatment process can be saved at 30.8% compared with traditional cooking and liquefaction process.

alcohol；cassava；microwave；pretreatment；energy save

TS205.9

A

1002-6630(2011)03-0161-04

2010-05-25

刘汉灵(1963—)，男，副教授，博士，研究方向为生物化工。E-mail：zjb@gxpangbo.com

*通信作者：杨勇(1982—)，男，硕士研究生，研究方向为生物化工。E-mail：yong1234444@yahoo.com.cn