甜高粱汁发酵乙醇的培养基优化

安徽农业科学, Joumal of Anhui Agri.Sci.2010,38(24):12973-12974,12990责任编辑李占东贵任校对卢甜高粱汁发酵乙醇的培养基优化张先舟,马玉青,张伟”(河北农业大学食品科技学院河北保定010∞0摘要[目的]优化甜高粱汁发酵乙醇的培养蓁。[方法]以Co-158酵母繭为试验菌株,通过单因素试验和正交试验研究不同氮源和无机盐对酒精发酵的彩响。[结果]适宜的发酵墙养基为:硫酸铵6g/L,硫酸镁6g/L,氯化钙10gL,磷酸二氫钾0.3gL;在此条件下,酒精体积分数可达9.0%。[结论]为采用甜高粱汁为原料发酵法生产酒精提供参考。关键词甜高梁汁;发酵;酒精;培养基中图分类号S514文献标识码A文章编号0517-6611(2010)24-12973-0The Medium Optimization of Sweet Sorghu Juice Fermentation AcoholZHANG Xian-zhou et al( College of Food Science and Technology, Agricultural University of Hebei, Baoding, Hebei 071000Abstract [Objective] The aim was to study the mediunof sweet sorghum juice fermentation alcohol. [Method ] The fermentationmedia of Co-158 yeas were optimized for better alcohol production by sweet sorghu. The effects of different nitrogen source and inorganic salton alcohol fermentation were studied by single factor test and orthogonal test. Result] The optimal fermentation medium was: (NH )2S0 6g/L, MgS0, 6 g/L, CaCI, 10 g/L, KH, P0, 0. 3 g/L Under the optimal conditions the alcohol volume percentage could reach 9. 0%.[Conclusion]The study provided reference for alcohol production with sweet sorghum as materiKey words Sweet sorghum juice; Fermentation; Alcohol; Medium目前,全球环境恶化和能源危机日益严峻酒精作为一7.8%上升到8.6%,所以硫酸铵浓度与酒精浓度之间呈正相种可利用的绿色能源正逐渐成为各国能源发展的战略方关关系;当硫酸铵浓度从6.0~10.0g/L时,酒精浓度从向。随着乙醇汽油的推广,我国对燃料酒精的需求迅速增86%下降到85%。在硫酸铵浓度小于6g/L时,所提供氮加。传统的以玉米小麦等为原料的发酵方法对粮食的需求源不能完全满足酵母菌生长及发酵的需求,发酵到一定阶段量很大,导致成本高的缺点日益凸现已不能满足市场的需后,由于氮源耗尽导致发酵速度缓慢和酒精终浓度较低;而要。尤其我国是个人口大国粮食安全是关系到人民生活和当硫酸铵浓度达到6g/L时,硫酸铵浓度能够满足酵母菌的社会稳定的重大问题。因此,在“十一五”计划中大力提倡用生长和发酵从而在缩短发酵时间的同时使酒精终浓度达到非粮原料生产燃料酒精。采用甜高粱汁为原料发酵法生产最高值;当硫酸铵浓度大于6gL时,过量的氮源使酵母菌生酒精具有节约能源、生产成本低、无污染等优点,具有广阔的长过快消耗了过多的还原糖导致酒精产量下降。培养基优化为甜高梁发酵生产酒精提供理论依据市场潜力和经济价值。为此笔者研究了甜高粱发酵乙醇的衰1正交试验因囊与水平Table 1 Factors and levels of the orthogonal test g/L1材料与方法因素 Factor1.1材料供试菌种为河北农业大学食品科技学院生物工水平“硫酸做(A)硫酸(B)氯化钙(C)磷酸三氢钾(D)程实验室保藏的Co-158酵母菌。甜高粱由河北农业大学生(NH), SO命学院提供,茎秆汁液总糖含量为18%(以葡萄糖计)。12方法1.21氮源的选择。选取硫酸铵和尿素作为氮源,其添加量分别为03、1,53.0、6.0、10.0g/L,在30℃下静置发酵,衰2硫酸铵对酒精发酵的影响至发酵终点测定其酒精含量Table 2 The efects of(NH,), SO, on alcohol fermentation硫酸铵浓度∥/L酒精浓度∥%发酵时间/h1.22无机盐的选择。在甜髙粱汁中分别添加硫酸镁、氯oncentration of (NH,)2 s0, Alcohol concentration Fermentation time化钙磷酸二氢钾0.3、1.53.06.0、10.0g/L,在30℃下静0t发酵,至发酵终点测定其酒精含量123正交试验设计。根据以上试验结果,选择各因素下1.5较合适的3个水平,并以酒精含量(%,u/)为指标,设计43.08.4666622因素3水平(L(3)正交试验对氮源和无机盐进行优化10.0(表1)2结果与分析2.12尿素对酒精发酵的影响。由表3可知,尿素浓度从02.1氮源的选择~6.0gL时,随着尿素浓度的增加酒精浓度也逐渐上升21I硫酸铵对酒精发酵的影响。由表2可知,当硫酸铵从78中国煤化工浓度之间呈正相关浓度从0-6.0玑L时,发酵酒精终浓度也逐渐上升,从关系CNMHG足酵母菌生长的需要,从∝A,了发酵时间。由此可基金项目河北省科技厅项目(03220165D4)。知硫酸铵和尿素浓度在小于6.0g/L时,发酵酒精终浓度都作者简介张先舟(1981-),男,河北正定人,硕士,助教,从事微生物学方面的研究。通讯作者。与硫酸铵和尿素浓度呈正相关关系。当硫酸铵和尿素浓度收稿日期20100702达到60g/L时,酒精终浓度都达到最高,且发酵时间均为12974安徽农业科学010年32h,但硫酸铵的最高酒精终浓度86%大于尿素的85%氢钾浓度的增加酒精浓度也逐渐上升磷酸二氢钾浓度与衰3尿寰对酒精发酵的影响酒精浓度之间呈正相关关系,而当磷酸二氢钾浓度大于15Table 3 The elects of urea on alcohol fermentationg/L时,酒精浓度不变发酵时间也不变,为32h,这说明过量酒精浓度∥%发酵时间∥h的磷酸二氢钾对酵母无毒害作用。衰6磷酸二氫钾对酒精发酵的影响Table 6 The effects of KH, PO, on alcohol ferment磷酸二氢钾浓度/g/L酒精浓度∥%发酵时间∥hConcentration of KhAlcohol concentration Fermentation time2.2无机盐的选择3.08.52.2.1硫酸镁对酒精发酵的影响。由表4可知,硫酸镁浓622228.5度小于6.0gL时随着硫酸镁浓度的增加酒精浓度也逐渐上升,从78%上升到8.6%,硫酸镁浓度与酒精浓度之间呈23正交试验结果由表7可知各影响因素主次顺序为A正相关关系。当硫酸镁浓度小于6.0g几L时,由于镁离子缺>B>C=D,即硫酸铵对试验的影响最大硫酸镁次之氯化乏,最终酒精浓度较低;而当硫酸镁浓度从6.0-10.0g/L钙和磷酸二氢钾最小;最佳培养基配方为A2B2C3D2,即硫酸时酒精浓度反而有所下降,从8.6%下降到8.3%。当硫酸铵60g/L,硫酸镁6.0gL,氯化钙10.0g/L,磷酸二氢钾镁浓度低于60g/L时,发酵时间为36h;当硫酸镁浓度达到1.5gLo或高于6.0g/L时,发酵时间缩短到32h。衰7正交试验结果褒4硫酸镁对酒精发酵的影响Table 7 The results of the orthogonal experimentTable 4 The effects试验号因素 Factor酒精含量硫酸镁浓度∥g/L酒精浓度∥%发酵时间∥hConcentration of Mgo, Alcohol concentration Fermentation time0666626222氯化钙对酒精发酵的影响。由表5可知,当氯化钙8.4浓度小于6.0g/时,随着氯化钙浓度的增加酒精浓度也逐渐上升,从7,8%上升到84%,氯化钙浓度与酒精浓度之间48.7678.7008.4678.73星正相关系。当氯化钙浓度小于6081L时由于钙离子803027026026为6.0e/L时酒精浓度最高,为8.4%,发酵时间也缩短到方差分析可知硫酸铵对酒精产量的影响极显著(P<32h。而当氯化钙浓度从60-10.0g/L时,酒精浓度反而001);而硫酸镁氯化钙、磷酸二氢钾3种因素对酒精产量有所下降,从8.4%下降到8.2%。的影响显著(P<0.05)表5氯化钙对酒精发酵的影响2.4适宜培养基配方的验证将理论适宜培养基配方Table 5 The effects of CaCl, on alcohol fermentationA2B2C3D2和正交试验中产酒精最高的养基配方A2B2C3氯化钙浓度/gL酒精浓度∥%发酵时间∥h进行比较。结果表明理论适宜培养基配方AB2C3D2的酒Concentration of caCl2 Alooholconcentration Fermentation time精产量为8.8%,而正交试验中产酒精最高的培养基配方A2B2C3D1的酒精产量为9.0%。由此可知,该试验的适宜培7.936养基配方为A2B2CD1,即硫酸铵60g/L硫酸镁60gL,氯化钙10.0g/L,磷酸二氢钾0.3g/L。中国煤化工的正交优化试验确定了采CNMHG和无机盐的适宜添加2.2.3磷酸二氢钾对酒精发酵的影响。由表6可知,只要量为硫酸铵6.0g/L硫酸镁60g/L氯化钙10.0gL,磷酸二维持较低浓度的磷酸二氢钾就基本可以满足酵母生长和发氢钾03g/L。酵的需要。当磷酸二氢钾浓度小于1.5g/L时,随着磷酸二下转第12990页12990安徽农业科学2010年>L20W300>CK;16:00,CK>I2W300>L20W300>120W600不同秸秆覆盖处理对畦灌水流的推进均产生明显阻滞灌水>LW600。可见,秸秆越短、覆盖量越大,早晨低温时对表时间尤其是第1次灌水用时延长,灌水量增加,使土壤中尤层土壤的保温效果越好;不论秸秆长短,覆盖量越大,下午高其是作物耕作层中的水分含量增加,可以较长时间保持土壤围药思的为越(用3m分6①、第图次.甲水的用期理小第℃)>L2W300(7.43℃)>20W600(6.98℃)>LW600次灌水用时明显缩短。因此,从理论上讲,若在土壤含水率(625℃),不同秸秆覆盖畦灌处理均能降低表层土壤温差,降到某一值时再进行第2次灌水,与CK相比,则总的灌溉量使土温相对稳定,有利于小麦根系的生长。不一定增加。2.4秸秆覆燕畦灌对冬小麦生长发育的影响根据田间目(2)笔者试验表明第1次灌水用时为L2W300>I20W300测,与CK相比各秸秆覆盖处理下的冬小麦出苗提早1-2>L2W600>20W60>CK,而此次灌水较长时间后表层土壤d,而且出苗整齐。秸秆覆盖使表层土壤温度相对稳定,更适的含水率为L0W600>12W600>L20W300>12W00>CK,合小麦种子的发芽出土这种向上的顶土力量远大于秸秆对说明灌水用时过长,造成水分的深层渗漏损失增多而对提其的压力表现为出苗早、出苗齐。小麦进入返青期后,开始高表层土壤水分含量的作用不大;从对灌水与土壤湿度的影产生新的分蘗,植株高度增加。由表1可知,各秸秆覆盖畦响看秸秆覆盖量的作用大于秸秆长度。冬小麦进入返青期灌处理下的小麦分蘖数与CK间无显著性差异,但从数值上后的表层土壤土温变化幅度表现为cK>I20w3o0>L2W300看均高于CK,说明秸秆覆盖畦灌处理在一定程度上能促进>L20W600>L2W600,在保墒调温效果方面,20cm的秸秆小麦分蘗但不显著。不同处理间对返青后小麦的株高亦无长度优于2cm的秸秆长度。显著性差异。秸秆覆盖畦灌处理可使冬小麦的产量明显增(3)秸秆覆盖畦藩处理对土壤的保墒、调温效果明显,能加,其中L20W600、D20W300和12W6003者达极显著水平使土壤维持一个相对较高的温度,在一定程度上促进作物根(P<0.01),L2W300达显著水平(P<0.05)。4种秸秆覆盖系的生长与分蘗,显著提高作物的产量,这些与他人的研究畦灌处理的产量尤以L0W600为高但4种处理间无显著性结果一致差异。综合考虑认为,120W600组合为陕西杨凌冬小麦秸秆覆衰1不同处理对小麦分数株高和产量的影响盖保墒灌溉栽培的最佳选择。Table 1 FMects of dierent treatments on the tiller number,sm参考文献height and yield of whea[1]于舜章陈雨海周勋波等.冬小麦期覆盖秸秆对夏玉米土壤水分动分蘗数∥个产量∥kghm2[2]于晓吴普特汪有科等不同秸秆覆盖量对冬小麦生理及土壤温Tiller numbeYield湿状况的影响[]灌溉排水学报00,26(4):41-44L2W30.0823.85aA6980.25aAB[3]伊德用萨张展羽,郭相平等不同水分条件下秸秆覆盖对冬小麦生9.15aA23.38aA7081.50aA长的影响[J].灌概排水学报008,28(1):125-127.969aA24.46aA7138.05aA[4]王维,郑路曦结等农田秸秆覆盖技术研究进展[J]安徽农业L0W6024.23aA7249.20aA科学,209,37(18):8343-8467.622362-6085.95bB[5]袁彦云张保军徐福利等基于渠灌类型区保墙灌溉的冬小麦产量及生理特性的表现[门]安徽农业科学2006,34(7):1405-1406,1408.注同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05),不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)。[6] QIAO H B, ZHANG H, CHENG D F.of Fos/ MODISND醴Note Different small letters in the same column mean extremely significantoning winter wheatdifference(P <0. 05): Dierent capital letters mean significantProvince[J]. Agricultural Science Technology, 2008, 9(3): 124-126,difference(P<0.01)[7]MEN Z H, LISX ERects o concentration of No-3-N on root vigor andrhizosphere ph o winter wheat seedling[ J]. Agricultural Science&Tech-3结论与讨论2008,9(5):24-26,30.(1)研究表明秸秆覆盖后土壤内的水分蒸发量减少、【8]xEYx,CoTC,HUYJ,ta. Efects of sulfur fertilizer applicationmethods on grain protein content during filling stage of winter wheat[J].水分利用效率提高灌溉用水量减少。笔者试验则表明Agricultural Science Technology 2009, 10(1): 127-129.(上接第12974页)[3] GNANSOUNOU E, DAURIAT A, WYMAN C E Refining sweet sorghum to参考文献hanol and sugar-economic trand-offs in the conte of North China[J]resource Technology, 2005, 96: 9&5-1002.[1]ZHAN X, WANG DM R, et al. Ethanol and lactic acid pr[4]张君,刘德华世界燃料酒精工业发展现状与展望[J酿酒科技,204uction as affectedmo-type and location[ J ]. Industrial Crops5):8-121.nd Products . 20B. 18[5]耿云萍大力开发绿色节能清洁酒精工业与乙醇汽油、乙醇柴油[2]HELENA L C, RALPH PO Biomass and renewable fuels[J]. Fuel Biopo-21,71:187-195.中国煤化工CNMHG