沙枣生料发酵工艺生产乙醇的研究

张家伟，冯德伟，覃红梅，韩宏明，谢晓航

（广西轻工业科学技术研究院有限公司，广西南宁 530031）

能源是社会和经济发展的重要物质基础，目前我国已成为了世界能源生产和消费大国。随着经济总量的迅速增长和人民生活水平的不断提高，我国能源需求将持续增长。国家发展和改革委员会于2007 年发布的《可再生能源中长期发展规划》指出“增加能源供应、保障能源安全、保护生态环境、促进经济和社会的可持续发展，是我国经济和社会发展的一项重大战略任务”，明确地指出“生物液体燃料是重要的石油替代产品，主要包括燃料乙醇和生物柴油”。2017 年9 月，经国务院同意，国家发展改革委、国家能源局等十五部门联合印发《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》，到2020 年，在全国范围推广使用车用乙醇汽油，届时燃料乙醇消费量预计将达到1300万吨/年[1]，对生产原料的需求也将会急剧攀升。目前我国生产燃料乙醇的原料主要是玉米、稻谷、小麦等粮食原料以及木薯、甘薯、糖蜜等非粮原料[2]。随着社会对燃料乙醇需求的大量增加，生产原料必将出现供不应求的现象。因此，持续对乙醇生产原料多元化的探索势在必行。

沙枣（Elaeagnus angustifoliaLinn），别名七里香、银柳、香柳、刺柳、桂香柳、红豆等。沙枣树是一种经济型树种，集多种功能于一身，其花、果、枝、叶均具有开发利用价值，已在食品、造纸、药物、饲草、木材等多方面得到广泛的应用。同时，沙枣树又具备了抗风沙、耐干旱、耐高温、耐盐渍、耐瘠薄、易繁殖、适应性强的特性，是改造干旱、盐渍地、沙地、荒地等造林用优选树种之一[3]。在我国东北、华北、西北等地区，已大量种植用于防风固林，自然资源极其丰富。其中成熟沙枣果实总糖含量高达60%左右[4]，非常适合用于发酵生产乙醇，并且由于成熟沙枣果实只含糖不含淀粉，因此无需经过液化、糖化等工序，非常适合采用生料发酵工艺，可节省大量的能源消耗。随着我国全面推广使用车用乙醇汽油的时间到来，继玉米、木薯、稻谷、小麦、糖蜜等原料后，沙枣可成为燃料乙醇的一种新的有效生产原料。

本研究从实际生产的角度出发，以沙枣为原料进行生料发酵工艺的研究，探讨沙枣生料发酵的影响因素，为生产提供参考，以确定沙枣原料发酵生产乙醇的发酵工艺条件，也为乙醇生产原料的多元化提供一种新的思路。

1 材料与方法

1.1 材料

菌株：活性干酵母（安琪酵母股份有限公司生产）。

原辅料：沙枣果，产于新疆，经测定总糖含量为60.23%。

试剂及耗材：糖蜜，经测定锤度为84.5°Bx，总糖含量为48.72 %；抑菌剂，克菌灵（广西南宁万宇科技有限公司生产，用量10 g/m3醪液）；酶制剂，果胶酶，酶活力5 万U/g（南宁庞博生物工程有限公司生产）；营养盐，硫酸铵。

1.2 实验方法

1.2.1 乙醇发酵实验

取160 g 沙枣粉（经粉碎机粉碎过Φ1.8 筛网），活性干酵母0.08 g（按原料的万分之五计，经活化后加入），硫酸铵2 g，克菌灵0.008 g，加入1000 mL 三角瓶中，按不同粉水比加入水，充分混合均匀，用纱布扎好瓶口，放入32 ℃恒温培养箱内进行发酵。发酵前期间歇摇瓶，观察发酵情况，并记录CO2失重数据。

1.2.2 总糖与残糖的测定方法

总糖和残糖的含量采用DNS法测定[5]。

1.2.3 成熟醪酒精含量的测定方法

取100 mL 成熟醪液于1000 mL 蒸馏瓶中，加入100 mL 自来水。然后蒸馏出100 mL 淡酒液，利用精密酒度计和温度计测量此溶液的乙醇浓度及温度，查表进行酒精度校正[6]。

1.2.4 挥发酸的测定

吸取蒸馏出来的淡酒液50 mL 放入250 mL 三角瓶中，加入0.1%酚酞指示剂2 滴，用0.1 mol/L 浓度的NaOH 溶液滴定至溶液变粉红色，10 s 不褪色即为终点，记录耗用的NaOH 溶液毫升数(V)，计算出挥发酸的含量[6]。

挥发酸含量（g/100 mL）=0.012 V

2 结果与分析

2.1 不同粉水比对发酵结果的影响

不同的发酵浓度在实际生产中具有非常重要的意义，粉水比过低，成熟醪液的酒精浓度偏低，造成设备利用率低；蒸馏的蒸汽单耗偏高，而粉水比过高，醪液浓度高，流动性差，不利于物料的管道输送，同时，醪液浓度高，发酵速度慢，成熟醪残糖偏高，物料的利用率下降，造成综合经济效益差。

表1 不同粉水比对发酵结果的影响

从表1 可以看出，成熟醪的酒精度随着粉水比的提高而提高，而当粉水比达到1∶2.5 时，由于粉水比过高，物料已经是半固态的状态，流动性极差，在实际生产中已经无法进行管道式的输送，因此，粉水比应该控制在1∶2.8以下比较合适。

2.2 抑菌措施对发酵结果的影响

由于生料发酵工艺没有对原料进行蒸煮处理，原料中带有很多杂菌，因此生料发酵工艺对杂菌控制要求较高，发酵成功与否，与控制杂菌的措施密切相关。

从表2 可以看出，空白组的挥发酸的升酸差最大，酒精度最低，残糖最高，而使用克菌灵组挥发酸的升酸差最小，酒精度最高，残糖最低。说明杂菌的控制措施对生料发酵至关重要，对发酵结果影响很大。因此，在生料发酵工艺中，必须采取有效的杂菌控制措施，才能保证发酵顺利高效进行。

表2 不同抑菌措施对发酵结果的影响

表3 生料发酵与熟料发酵对发酵结果的影响

2.3 生料发酵与熟料发酵对发酵结果的影响

在有效抑菌措施保证的基础上，展开了生料发酵与熟料发酵（即将拌匀的物料在水浴升温至90 ℃，并维持1 h）的对比，考查两种发酵方式对发酵结果的影响。

从表3 可以看出，发酵前期熟料发酵工艺的CO2失重速度比生料发酵工艺快，但发酵结束后，CO2失重、酒精度、挥发酸和残糖等指标没有明显的区别，同时在发酵和蒸馏过程中观察到，生料发酵形成的气泡上升的高度比熟料发酵的要稍微高。这种现象与沙枣果肉中果胶含量高达1.2%左右有关系[7]，造成醪液黏度较高的结果。果胶是一种高分子有机物，耐热性比较差，熟料发酵时，当将醪液加热至90 ℃时，果胶结构被破坏，醪液黏度下降。从发酵结果看，生料发酵与熟料发酵没有明显区别，但生料发酵工艺与熟料发酵工艺对比，在实际生产中可节省大约25 %的煤耗和电耗以及5 %左右水耗[8]，节能效果明显，具有很好的推广应用意义。

2.4 果胶酶对发酵结果的影响

果胶酶是一种多酶复合物，它通常包括原果胶酶、果胶甲酯水解酶、果胶酸酶，果胶酶在乙醇发酵中可起降低原料黏度的作用，果胶酶水解果胶主要生成β-半乳糖醛酸。通过添加不同剂量的果胶酶，测定其对发酵结果的影响。

从表4 可以看出，不同的果胶酶添加量对乙醇的发酵结果没有明显的影响，而在发酵和蒸馏过程中观察到，随着果胶酶添加量的增加，产生气泡的量有所下降，说明果胶酶对降低原料的黏度有一定作用，但对最终产乙醇结果没有影响，因此，在实际生产中，为了降低生产成本，无需添加果胶酶。如发酵过程产生气泡量大，添加少量消泡剂即可解决。

表4 添加不同剂量果胶酶对发酵结果的影响

2.5 沙枣与糖质原料混合发酵的影响

由于沙枣本身的特点，单纯使用沙枣进行乙醇发酵时，粉水比不能过高，造成发酵成熟醪酒精度偏低，在实际生产中，吨乙醇的蒸馏耗汽量会比较高，不利于控制生产成本。因此，采用沙枣与其他糖质原料混合发酵的方法，能有效提高成熟醪的酒精度，降低蒸汽单耗。

表5 不同沙枣+糖蜜比例混合发酵的结果

从表5 可以看出，通过添加糖蜜进行混合发酵，成熟醪液的酒精度有了较大的提高，在实际生产中，酒精度每提高1 %vol，可节省蒸汽15 %～20 %[9]，节能效果明显。在实际生产当中，也可以根据原料的存量等情况，在保证混合液流动性的前提下，调整两种原料及水的比例，以达到最佳的发酵结果，从而节省蒸汽耗量，降低生产成本。

3 结论及建议

3.1 从节能角度出发，沙枣适合采用生料发酵工艺生产乙醇，与熟料发酵、是否添加果胶酶等因素，其发酵结果没有明显区别。

3.2 采用生料发酵工艺需要采取有效的杂菌抑制措施，否则易感染杂菌导致醪液酸败，造成物料的损失。

3.3 建议沙枣原料与糖蜜等糖质原料进行混合发酵，可有效提高成熟醪酒精度，从而降低蒸馏蒸汽消耗量，降低生产成本。