甜高粱蔗糖积累规律及其茎秆汁酒发酵试验研究

甜高粱蔗糖积累规律及其茎秆汁酒发酵试验研究

0利用甜高炉特性生产燃料酒精目前，原油是世界能源使用的主要部分，占世界能源使用总额的37%。同时，由于这种不可替代的化石燃料，一些能够重建、可持续、高效、低成本、便捷、安全的能源开发和使用尤为重要。近年来，已经出现从可再生的资源中生产酒精用于替代石油燃料的研究。酒精可以从各种含糖的物质原料中获取，甜高粱是生产酒精原料中较为有前景的原料之一。甜高粱（Sorghumbiocolor(L.)Moench）是一种C4作物，具有很高的光合作用速率，同时与高粱的其他种属相比，甜高粱具有较高的生物学产量和糖产量。就生物学特性而言，甜高粱生物学产量较高，一般茎秆产量为45000～75000kg/hm2，还可产3000～6000kg/hm2的籽粒；抗逆性强，一般甜高粱具有很强的抗旱和耐涝性，同时还具有较强的抗盐碱能力；适应范围广，只要10℃以上的积温达到1500°～2500℃，选择合适的品种，在一般耕地、草原或轻盐碱地均可种植。作为能源作物而言，甜高粱的茎秆富汁多糖、籽粒富含淀粉、秆渣富含纤维素和半纤维素，均为发酵制取燃料酒精的合适原料。因此，结合其生物学特性，将其作为一种能源作物用于生成燃料酒精，应具有良好的推广和应用前景。目前，在甜高粱优良品种的选育、栽培和茎秆汁液发酵制取燃料酒精等方面取得了一定的研究成果，但生产成本较高是限制甜高粱制取燃料酒精发展的主要障碍，而降低生产成本的主要瓶颈是甜高粱原料可供给的时间较短、酒精生产企业年实际的生产时间较短以及设备闲置时间较长。因而，本研究从甜高粱的种植期入手，研究同一地区不同种植期甜高粱茎秆糖分累积的规律，以选择在该地区甜高粱的较好种植时间，以便延长甜高粱茎秆的可供给时间；同时，应用不同的发酵工艺方式分别对甜高粱茎秆汁液进行酒精发酵研究，以确定合适的甜高粱茎秆汁液发酵生产燃料酒精的方式。1材料和方法1.1阳农业品种—供试品种供试品种为“沈农甜杂2号”甜高粱，由沈阳农业大学选育，1987年通过辽宁省科委鉴定，为生产酒精的再生能源甜高粱品种；1991年通过国家饲料牧草新品种审定。1.2病毒南阳酵母（Saccharomycescerevisiae），上海交通大学生物质工程研究中心保藏。1.3固定化材料固定化材料选用海藻酸钠(AR)、氯化钙(AR)以及戊二醛(BR)等。1.4不同处理的播种量选择试验结果试验于2005年在上海交通大学农业与生物学院试验农场进行。土质为黄棕壤，土壤有机质含量为24.821g/kg，含全氮1.798g/kg，碱解氮65.1mg/kg，速效磷17.0mg/kg，速效钾142.1mg/kg,pH值为7.7。试验分两个处理,处理Ⅰ的播种时间为2005年5月2日，小区面积为64.03m2；处理Ⅱ的播种时间为2005年6月7日，小区面积为42.69m2。每个处理各设3个重复。种植规格：垄宽为30cm，垄沟宽为30cm；每垄种1行，行距为60cm，穴距为30cm；种植密度为44000棵/hm2ㄢ种植方式：条播和移栽。施肥方法：农家肥加少量复合肥，用量为12000～15000kg/hm2，拔节期前追施尿素450～600kg/hm2ㄢ田间管理程序：播种后灌1次水，种植后5～7天松土除草；种植后15天移栽补苗，3～4周后间苗；拔节前期进行除草大培垄，并灌水1次；中期喷施浓度为0.02%～0.04%的乐果防治蚜虫。1.5酒精发酵对比试验取不同种植期的甜高粱中总糖含量较高、收获时间较晚的茎秆汁液用于酒精发酵。同时，酒精发酵工艺选取固定化酵母和游离态酵母两种方式，分别在5L机械搅拌式的生物反应器中进行酒精发酵对比试验。发酵过程中，定时测定发酵液中酒精含量和总糖含量，对比发酵过程中原料的酒精转化率和发酵时间，以确定较佳的发酵工艺流程。1.6分析1.6.1甲基红指示剂溶液制备总糖测定采用3,5-二硝基水杨酸法（DNS）。取2mL甜高粱茎秆汁液于100mL容量瓶，加蒸馏水50mL后，加5mL亚铁氰化钾；然后加入5mL乙酸锌，定容至100mL，离心后从中取50mL溶液于100mL容量瓶，加1MHCl5mL，置于70℃恒温水浴加热15min；冷却后，加2滴甲基红指示剂，并用20%的NaOH中合至中性定容至100mL，取1～25mL比色管并加入2mLDNS试剂，置于100℃沸水浴中，2min后冷却定容至25mL；用分光光度计在540nm处比色，测定其吸光度，并查标准曲线计算其浓度。1.6.2以乙酸钠为原料，，定容、离心取2mL甜高粱茎秆汁液于100mL容量瓶，加蒸馏水50mL后，加5mL亚铁氰化钾；然后，加入5mL乙酸锌，定容至100mL，离心；取1mL清液至25mL比色管，并加入2mLDNS试剂，置于100℃沸水浴中，2min后冷却定容至25mL，用分光光度计在540nm处比色，测定其吸光度，并查标准曲线计算其浓度。1.6.3瓶中添加0.0.5%自由密封的蒸馏取100mL发酵成熟醪液到500mL蒸馏瓶中，加100mL蒸馏水混合均匀进行蒸馏；取馏出液100mL，用酒精比重计测定蒸出液的酒精酒度，同时校正至20℃时的酒度。2结果与分析2.1不同种植期甜高炉茎糖和总糖含量的变化甜高粱茎秆汁液富含糖分，可用于发酵制取燃料酒精，或者直接用于制糖。因而，作为能源作物和糖料作物，甜高粱茎秆糖分的高低是衡量甜高粱茎秆利用价值的重要指标。由于不同种植期的甜高粱在生长环境的水、热、光照等条件上具有差异，势必导致甜高粱茎秆糖分的积累产生一定的差异。甜高粱在苗期至抽穗期主要植株处于营养生长阶段，其糖分属于无积累阶段。因而，从抽穗期开始研究甜高粱茎秆的糖分含量具有重要的意义。不同种植期甜高粱抽穗期后天数与茎秆总糖含量关系如图1所示。由图1可知，在上海地区5月初种植的“沈农甜杂2号”甜高粱和6月初种植的甜高粱其茎秆中总糖的含量都经历先升、后降、再升、再降的过程，呈现“M”变化趋势。这可能是由于甜高粱在抽穗期后植株主要处于糖分积累快速增长阶段，这一时期光照充足，温度较高，致使植株代谢活动增强、叶片光合作用效率高，除少量光合作用产物用于灌浆外，大部分用于茎的糖分积累，因而茎秆中的总糖含量处于上升趋势。此后，甜高粱籽粒形成并逐渐加快生长，导致甜高粱茎秆糖分积累缓慢，总糖含量呈下降趋势，而后出现茎秆糖分升降的波动。从总糖波动变化的时间上看，6月初种植的甜高粱要比5月初种植的甜高粱晚一周左右。这说明，在试验范围内，推迟甜高粱的播种期25～30天左右，能延长甜高粱糖分在茎秆中保持时间10～14天。两个播种期的甜高粱都是在抽穗期后21天左右出现了第一次总糖积累的峰值，且后一播种期的甜高粱的总糖积累量要高于前一播种期。这说明，在上海地区6月份以后的气候较为适合“沈农甜杂2号”甜高粱的茎秆生长期糖分积累。从茎秆糖含量的平均水平上来看，6月初种植的甜高粱的茎秆总糖含量的平均水平为127.37mg/mL，而5月初种植的甜高粱则为68.14mg/mL,6月初种植的甜高粱的茎秆总糖含量的平均水平比5月份初种植的甜高粱高出46.5%。还原糖含量的平均水平分别为34.4mg/mL和31.05mg/mL，两者差异不大。多水分、低温度和少光照条件将会降低甜高粱茎秆糖分的含量。不同种植期甜高粱抽穗后天数与茎秆还原糖含量的关系如图2所示。甜高粱茎秆汁液中的还原糖主要是葡萄糖和果糖。由图2可以看出：两个种植期的甜高粱在抽穗后茎秆中还原糖含量波动变幅不大。结合图1还可看出，还原糖和总糖含量呈现一种互补的趋势，即在总糖含量有大幅增加时，还原糖含量出现下降趋势；总糖含量大幅减小时，还原糖含量出现上升趋势。这说明，甜高粱光合作用最初在茎秆中的产物是葡萄糖。在植物生理中，葡萄糖和果糖是合成蔗糖的物质基础。糖是甜高粱作为能源作物和糖料作物的物质基础，结合上面分析的糖分变化规律，在上海地区种植“沈农甜杂2号”甜高粱作为能源作物和糖料作物，其播种期应考虑选择在5月末或6月初。因而，通过调节甜高粱的播种期可以延长其收获期和糖分在茎秆中的保持期，对充分利用糖厂和酒精厂的加工设备、降低燃料酒精成本具有一定的意义。2.2固定化酵母发酵工艺在本研究中供试的甜高粱为5月初种植，采收于2005年12月4日，其茎秆经压汁后，向汁液添加0.2%的(NH4)2SO4,0.125%的K2HPO4和0.05%的MgSO4等无机营养盐，并灭菌。用1MHCl和1MNaOH调节pH值至4.5后，用于固定化酵母酒精发酵和游离态酒精发酵试验。发酵条件：温度为（31±0.1）℃，转速为（150±5)r/min。发酵结果如图3和图4所示。由图3可以看出，固定化酵母发酵甜高粱茎秆汁液制取酒精的整个发酵时间为7h，而游离态酵母酒精发酵的总发酵时间为22h。对于同一糖度水平的甜高粱茎秆汁液而言，运用固定化技术发酵制取酒精相对于传统的游离态发酵技术可以缩短发酵时间至原来的1/3左右；同时，在固定化酵母酒精发酵过程中，平均总糖转化速度为11.29g/h·L，最大的糖转化速率为15.54g/h·L。而对于游离态酵母酒精发酵，其平均的总糖转化速率为3.70g/h·L，其中最大的糖转化速率为10.36g/h·L。两者之间的最大糖转化速率相差不多，而平均转化速率固定化酵母酒精发酵比游离态酵母酒精发酵高出67.22%，说明固定化技术发酵制取酒精技术具有较高的启动速率，而且整个发酵过程中发酵速率比较稳定，并保持较高的发酵速率。由图4可以看出，在发酵过程中，固定化酵母和游离态酵母发酵甜高粱茎秆汁液最终所获得酒精浓度分别为4.3%（v/v）和4.2%（v/v）。固定化酵母酒精发酵的平均酒精生成速率为4.88g/h·L，最大酒精生成速率为6.40g/h·L；而对于游离态酵母酒精发酵，其最大的酒精生成速率仅为1.53g/h·L，而最大的酒精生成速率为3.40g/h·L。通过比较两种发酵方式的酒精得率可以看出，固定化技术的酒精得率为85.34%，而游离态酵母发酵的酒精得率为81.02%。通过对图3和图4的分析表明，固定化酵母发酵制取酒精技术在发酵时间、发酵速率以及酒精得率等方面的指标均明显优于游离态的酒精发酵。其主要原因是在酒精发酵过程中存在着发酵底物和发酵产物对酵母代谢的抑制；而在固定化酵母细胞发酵制取酒精的系统中，酵母细胞的密度较大，且具有较高的微生物活性，同时该系统的发酵过程还是一个传质与代谢同时存在的过程，因而传质的存在减弱了底物抑制和产物抑制的作用，而固定化系统中较高的酵母细胞密度和较高的微生物活性提高了发酵反应的速率。因而，固定化酵母技术用于甜高粱茎秆汁液发酵制取酒精较传统的游离态酵母发酵制取酒精具有较高的发酵速率和发酵稳定性；同时，固定化酵母粒子容易制备，且成本较低，还可以在连续酒精发酵过程中反复使用，节约了培养酵母的能耗和原料。因此，在应用甜高粱茎秆汁液发酵制取燃料乙醇的工艺中，应用固定化酵母技术是一种较为合适的工艺类型。它可以通过缩短发酵周期来减少因甜高粱贮存而需要消耗的能量，同时还可以在酒精生产过程中提高生产设备的利用率水平，以提高经济效益。3不同酵母发酵甜高炉秸秆制备的对比试验1)通过比较不同播种期的甜高粱在其糖分积累期的糖分积累规律以及糖分变化规律可以得出，其总糖含量自抽穗期以后呈“M”型变化规律。6月初种植的甜高粱其茎秆汁液的总糖含量的平均水平比5月初种植的甜高粱高46.50%，而还原糖含量的平均水平分别