徐雨濛，李庆文，盛燕，曾舟华

摘要：对超声波辅助Lewis酸预处理甘薯渣发酵制乙醇的工艺进行了研究。结果表明，在超声波辅助条件下，Lewis酸CuCl2对甘薯渣中木质纤维素的水解有一定的催化效果。采用Lewis酸CuCl2预处理甘薯渣发酵制乙醇的最佳工艺条件为固液比等于1∶15（m∶m，下同）、超声波预处理功率为250 W、时间30 min，金属氯化物Lewis酸CuCl2溶液质量分数为1.0%，纤维素酶用量为35 IU/g底物， 热带假丝酵母与酿酒酵母的接种比为1∶1， 酵母菌接种量为0.75%。在该条件下乙醇产率达到21.4%， 与常规工艺相比， 产率提高13.8%。

关键词：甘薯渣;超声波;Lewis酸;发酵;乙醇

中图分类号：S531        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2014）23-5820-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.23.050

随着工业化程度的提高和世界人口的增加，能源的消耗也在逐步增加，而主要能源石油是有限的，因此开发石油替代能源引起科学家们广泛的兴趣[1]。乙醇是一种可以通过糖发酵获得的可再生资源。车用乙醇汽油作为机动车未来的主要动力燃料，已成为国际上普遍公认可降低环境污染和取代化石燃料的主要能源。在美国，乙醇已经被广泛地作为特殊的石油替代品。截至2009年，美国、巴西和欧盟的生物燃料产量分别占世界总产量的45%、29%和15%[2，3]。

目前，工业化生产的燃料乙醇绝大多数是以粮食作物为原料。但是由于中国人多地少，粮食安全仍是头等大事，在中国不可能大量使用玉米、小麦等粮食作物生产生物乙醇。适合中国国情的燃料乙醇生产只能通过甜高粱、木薯和甘薯等[4]以木质纤维素为原料进行。它们又被称为第二代生物燃料乙醇，是决定未来大规模替代石油的关键。甘薯渣含淀粉、纤维素、半纤维素、木质素、粗脂肪等，其主要成分为纤维素，因此成为生产第二代生物燃料乙醇的重要原料来源。降解纤维素效果最好的是纤维素酶[5]。当采用纤维素酶水解甘薯渣制造乙醇[6-8]时，纤维素酶必须接触吸附到纤维素底物才能使反应进行，因此，纤维素对纤维素酶的可及性是决定水解速度的关键因素。木质纤维素将纤维素包裹其中，影响纤维素的水解[9]。纤维素的结晶结构以及表面状态、多组分结构、木质素对纤维素的保护作用以及纤维素被半纤维素覆盖等结构与化学成分的因素致使甘薯渣难以降解。因此，必须经过预处理，使纤维素、半纤维素、木质素分离开，切断它们的氢键，破坏晶体结构，降低聚合度[10-12]。可用纤维素酶将甘薯渣中的纤维素和半纤维素分解成葡萄糖、木糖等五碳糖和六碳糖，也可考虑以发酵的方式进行。由于普通乙醇酵母无法利用五碳以上的糖发酵制备乙醇，而热带假丝酵母可以用来发酵生产乙醇。在具体生产过程中可以同时使用热带假丝酵母和乙醇酵母，使它们共同作用，同时将五碳糖和六碳糖发酵生产乙醇[13-15]。

本研究通过超声波和超声波辅助金属氯化物Lewis酸预处理甘薯渣，使其中的木质纤维素[16-18]分解后，再在热带假丝酵母和乙醇酵母的共同作用下将其发酵生产乙醇，利用甘薯渣中大量的纤维素生产乙醇并优化其发酵工艺参数，以期提高甘薯深加工产品的附加值，延长产业链，缓解化石能源燃烧产生的环境污染问题。

1  材料与方法

1.1  试验材料、试剂

甘薯渣来源于黄梅县明发薯业有限公司制取淀粉后的甘薯残渣，熟料酿酒酵母由湖北省武穴市二里半酒粬厂生产;纤维素酶产生菌由山东泰安信得利生物工程有限公司生产;热带假丝酵母由广州工业微生物检测中心提供;硫酸、CuCl2由天津市福晨化学试剂厂生产;乙醇由广东省广州化学试剂厂生产。

1.2  试验仪器

恒温水浴锅、简易蒸馏装置、KQ-500DB型超声波发生器、槽式超声清洗仪、恒温培养箱、HP4890D型气相色谱仪。

1.3  试验方法

1.3.1  常规方法  将甘薯渣洗净后研碎、筛分（ 过0.40 mm筛孔）备用， 取100 g甘薯渣粉于1 000烧瓶中， 加入适量蒸馏水， 搅拌均匀，在100 ℃恒温水浴锅中加热30 min之后，冷却至30 ℃左右。按0.75%的接种量（质量比，下同）接入一定比例的熟料酿酒酵母和热带假丝酵母，加35 IU/g的纤维素酶。在无菌条件下， 放入无菌恒温培养箱内，30 ℃下发酵7 d，设空白对照[19]。

1.3.2  超声波预处理方法  超声波预处理薯渣发酵制乙醇工艺[20-22]：前面的步骤与常规方法相同，冷却至30 ℃左右，再利用超声功率为40 kHz的KQ-500DB型超声波清洗器，在额定功率下处理规定时间。按0.75%的接种量接入一定比例的熟料酿酒酵母和热带假丝酵母，加35 IU/g的纤维素酶。在无菌条件下， 放入无菌恒温培养箱内，30 ℃下发酵7 d。

1.3.3  Lewis酸预处方法  Lewis酸CuCl2预处理薯渣发酵制乙醇工艺：前面的步骤与常规方法相同，冷却至30 ℃左右，分别在100 mL烧杯中加入150 mL的不同浓度的CuCl2溶液，处理30 min。处理后滤干，蒸馏水洗涤残渣至中性，按0.75%的接种量接入一定比例的熟料酿酒酵母和热带假丝酵母，加35 IU/g的纤维素酶。在无菌条件下， 放入无菌恒温培养箱内，30 ℃下发酵7 d。

1.3.4  超声波Lewis酸预处方法  超声波Lewis酸CuCl2预处理薯渣发酵制乙醇工艺与“1.3.3”的方法相同，但在加入不同浓度的CuCl2溶液后，以超声功率250 W，处理30 min。

1.4  乙醇提取及分析

反应残渣中含有其他杂质，需要将乙醇提取出来，采用简单蒸馏法提取乙醇。提取后的乙醇浓度利用HP4890D型气相色谱仪测定（填料Porapak-Q， 粒度80～100目， 长2 m， 外径3 mm， 内径2 mm。气化室、色谱柱及热导检测器的温度分别为170、130、170 ℃）。

1.5  单因素试验

根据李平等[23]的试验结果，利用超声波结合稀酸或碱预处理甘薯渣然后发酵制备乙醇的工艺中，最佳因素水平组合为固液比为1∶15（质量比，下同），纤维素酶用量为35 IU/g 底物， 热带假丝酵母与酿酒酵母的接种比为1∶1， 酵母菌接种量0.75%。在此基础上，进一步对超声波结合Lewis酸预处理甘薯渣后发酵制乙醇工艺进行研究。

2  结果与分析

2.1  预处理时间对薯渣发酵制乙醇产率的影响

由表1可知，预处理时间为0时，未经任何处理的常规方法发酵制乙醇的产率为0.188 g/g;Lewis酸CuCl2、超声波和超声波结合Lewis酸CuCl2预处理甘薯渣后发酵制乙醇的产率，都随预处理时间的增加而增加，当预处理时间为30 min时，再继续增大预处理时间，乙醇的产率变化不大，所以最佳的超声波加热甘薯渣的时间为30 min。上述3种预处理方法都能使乙醇产率提高，超声波结合Lewis酸CuCl2预处理甘薯渣后发酵制乙醇的产率最高，达0.214 g/g。

2.2  超声波预处理功率对薯渣发酵制乙醇产率的影响

从表2中可以看出，超声波和超声波结合Lewis酸CuCl2预处理甘薯渣后发酵制乙醇的产率，都随超声波加热功率的增加而增加，当加热功率为250 W时，再继续增大加热功率，乙醇的产率变化不大，所以最佳的超声波加热甘薯渣的功率为250 W。上述2种预处理方法都能使乙醇产率提高，超声波结合Lewis酸CuCl2预处理甘薯渣后发酵制乙醇的产率较高。

2.3  Lewis酸CuCl2浓度对薯渣发酵制乙醇产率的影响

从表3可以看出，未经超声波处理和超声波处理的乙醇产率都随CuCl2浓度的增大而增大，当CuCl2浓度为1.0%时，乙醇产率最高，CuCl2浓度再继续增大时，乙醇的产率没有变化，故最佳的CuCl2浓度为1.0%。

3  结论

结果表明，Lewis酸CuCl2预处理后的乙醇产率高于未经处理的薯渣发酵制乙醇的产率，超声波预处理后的乙醇产率高于Lewis酸CuCl2预处理后的薯渣发酵制乙醇的产率， 超声波结合Lewis酸预处理后的薯渣发酵制乙醇的产率最高。用最佳水平比较，未经任何处理的乙醇产率为0.188 g/g，Lewis酸CuCl2预处理后的乙醇产率0.197 g/g ，超声波预处理后的乙醇产率为0.203 g/g，超声波结合Lewis酸预处理后的乙醇产率为0.214 g/g。与未经任何处理的乙醇产率比较，Lewis酸CuCl2预处理后的乙醇产率提高4.8%，超声波预处理后的乙醇产率提高7.9%，超声波结合Lewis酸预处理后的乙醇产率提高13.8%。超声波结合Lewis酸CuCl2处理与未加超声波的Lewis酸CuCl2处理相比较，超声波能有效增加CuCl2与半纤维素的反应性，也能增加其与木质素的反应性。

将干甘薯渣通过粉碎（过0.40 mm的筛孔），加水蒸煮，超声波结合Lewis酸CuCl2预处理后， 经纤维素酶转化， 利用混合菌发酵生产乙醇，获得最佳的工艺条件为固液比为1∶15、超声波预处理功率为250 W、时间为30 min，Lewis酸CuCl2为1.0%，纤维素酶用量为35 IU/g底物， 热带假丝酵母与酿酒酵母的接种比1∶1， 酵母菌接种量为0.75%。在该条件下乙醇产率达到21.4%（重量）， 与常规工艺相比， 产率提高13.8%，有工业推广价值。

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