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结合我国燃料乙醇的发展方针政策,针对块根类作物在发酵中存在的高粘度传质问题,本文研究了降粘酶在非粮能源作物新鲜木薯高浓度乙醇发酵中的作用,为木薯原料更好地应用于规模化燃料乙醇生产提供理论依据。
通过正交试验,单因素实验和酶量的交互实验,确定了最佳降粘酶为和本公司纤维素酶,经过降粘粘度由1.7×104mPa.s降到8.8×102mPa.s;得到降粘酶作用效果最优的高温条件是110℃,20min,节约了能源和提高了安全系数。将降粘酶应用到木薯发酵醪中,降粘效果显著。在添加降粘酶后,木薯醪液中的水分增加了15%,可能是由于降粘酶破坏了木薯组织的本身结构,从而释放出了大量的结合水,结合水向自由水转化,增加了发酵醪液的流动性,为粘度的降低做出了贡献。通过高效液相蒸发光散射检测器(HPLC-ELSD)分析其降粘机制,发现在木薯醪液经过降粘酶处理后,在纤维二糖和葡萄糖标准峰处出现了一些新的色谱峰,说明这些物质可能是造成木薯醪液粘度变化的物质基础。同时随着醪液粘度的下降,醪液中可溶性物质开始增多,这些可溶性物质的增加可能导致醪液粘度的下降。通过扫描电镜分析,未经过降粘酶处理的木薯液化后组织结构比较完整,排列有序;而经过降粘酶处理的木薯样本,其组织结构表面变得粗糙,并且有大量的碎片结构和孔洞。降粘酶处理后粘度的下降是由于降粘酶对木薯组织的降解及其结合水释放共同作用的结果。
采用实验室优化后的降粘酶作用于液化后木薯发酵醪,2h后粘度由9×103mPa.s降到4×102mPa.s。在发酵过程中降粘酶的添加使发酵底物粘度在2~4h内降低至200mPa.s,由半固体变为流体,极大的增加了发酵底物的流动性,显著降低了搅拌需消耗的能量。
结合降粘酶的前处理进一步开展了新鲜木薯高浓度乙醇发酵的研究。结果表明优化后的最佳条件为:新鲜木薯发酵初始糖浓度为24%,降粘酶用量为1g/kg,最佳氮源为尿素,氮元素添加量为总发酵醪液0.06%。发酵时间24h,乙醇质量比为115.57g/kg,发酵效率达到91.92%,发酵强度为4.81g/kg/h。在5L发酵罐中,发酵效率达到90.16%,发酵强度4.78g/kg/h。