汽爆木薯固態發酵乙醇及其綜合利用的方法
2023-09-17 04:02:15
專利名稱：汽爆木薯固態發酵乙醇及其綜合利用的方法
技術領域：
本發明屬於木薯資源綜合利用，特別涉及一種汽爆木薯固態發酵乙醇及其綜合利
用的方法。
背景技術：
木薯，別名木番薯、樹薯，是世界三大薯類(馬玲薯、甘薯、木薯)之一。在我國大 多省份普遍栽培，種植面積約有930萬公頃，每年全國總產量約4. 5億噸，木薯的塊根可作 為食物、飼料及工業原料。但是，由於中國木薯的主產區多是貧困、乾旱山區，交通不便，加 工滯後，因而增產容易增值難，通常是人吃1/3，飼料用1/3，爛掉1/3。加工業也多為消化過 剩木薯的作坊加工，產品多為粗製澱粉、粉絲、粉條等初級產品，致使木薯的利用價值不高， 價格較低。新鮮木薯的澱粉含量達到15_20%，可部分替代玉米、小麥等糧食作物成為生產 乙醇的澱粉質原料。 按照傳統的方法，用來發酵生產乙醇的澱粉類原料要經過高溫或低溫蒸煮、糊化、 液化，再進行糖化等步驟，最後才能進行乙醇發酵，其中原料的蒸煮所耗能量佔乙醇生產能 耗的30-40%。 利用木薯澱粉，發酵酒精後剩餘大量的酒精糟，這些木薯酒精糟可作為飼料或生 產飼料的原料利用，但按照傳統的方法得到的酒精糟水分大，營養價值低，利用困難，夏其 偉等在"利用木薯酒精糟生產生物飼料的方法"中也提到了這一點。所以，只有很少部分的 酒精糟直接出售給農戶做粗飼料或肥料，大部分被視為廢物被丟棄。 另外由於木薯塊根、莖葉各部分均含有亞麻苦苷，即氰苷(Linamarin)。當氰苷進 人人畜體內後，可被水解為有劇毒的氫氰酸(HCN)，使組織細胞窒息中毒。據李永報導氫氰 酸對人的致死量是60mg(李永，侯學敏.氫化物的中毒機理檢測及預防[J].山東食品科 技，2002， 12 :26,29)，當空氣中的氫氰酸含量達到0. 3mg/L時可立即引起死亡，因此，木薯
或木薯酒精糟如果得不到資源化的綜合利用，不僅浪費資源，而且還可能嚴重威脅社會安 全。涉及到木薯氰化物含量的國家標準中，《蒸餾酒及製酒的衛生標準》(GB 2757-81)規定 以木薯為原料，氰化物含量《5mg/L ;中華人民共和國農業行業標準《食用木薯澱粉》中規 定氫氰酸含量《10mg/kg ;在DB35/562-2008Z豬禽用飼料安全質量要求中飼料中氰化物的 含量《50mg/kg。由此，木薯資源的綜合利用非常有必要，且利用過程中對氰化物的降解或 去除也非常重要。 為了降低澱粉質原料蒸煮的能耗，專利(200610114729. 7)公開了對葛根汽爆預 處理後發酵燃料乙醇的方法、專利(200810102980.0)汽爆紅薯直接發酵生產燃料乙醇的 方法，雖然葛根、紅薯與木薯都為澱粉質原料，但三者除含澱粉以外，還含有其他的成分，如 葛根澱粉結構結合有異黃酮，而木薯澱粉中結合有氰苷結構，粗纖維、脂類等物質在葛根、 紅薯與木薯中的含量也差異非常的大，由此，三者澱粉的物理、化學性質完全不同，導致整 個物料性質也完全不一樣，因此，同樣的汽爆條件，三者處理後得到的物料性質也完全不 同。
針對這不同的原料，同樣是用汽爆預處理，達到的目的也不完全一樣。葛根的汽爆預處理，不僅要考慮葛根澱粉的糊化、液化，而且要保證活性成分異黃酮的活性；紅薯的汽爆預處理，是針對紅薯澱粉的物理、化學性質，研究汽爆條件對紅薯澱粉的影響；而木薯的汽爆預處理，不僅要根據木薯澱粉的性質，考慮汽爆條件與木薯澱粉糊化、液化的關係，更要保證此汽爆條件下木薯中氰化物的儘量去除，解除木薯產品中氰化物的毒害作用，提高後續資源的利用率。 另外，汽爆過程是複雜的物理、化學相互作用的過程，汽爆處理過程中的汽爆壓力與維壓時間對物料的影響很大，處理後得到的物料組分、結構、物理性能等方面差異顯著。因此，針對木薯原料的特性，，需要研究相應的汽爆預處理條件對木薯澱粉、氰化物的影響，達到綜合利用的目標。
發明內容
本發明的目的是提供一種汽爆木薯固態發酵乙醇及其綜合利用的方法，該方法將汽爆技術應用於木薯預處理，一方面，在汽爆預處理的高溫水蒸汽作用下，木薯原料中的氰苷轉化為可揮發性的氫氰酸被揮發，解除了木薯產品中氰化物的毒害作用，提高了後續資源的利用率；另一方面，採用汽爆預處理後的木薯可直接發酵生產乙醇，大大降低了木薯粉碎和澱粉的蒸煮、液化的能耗；固態發酵，使發酵醪中水分含量大大降低，從而提高發酵醪中乙醇濃度，降低蒸餾能耗，減少後續廢水的處理，並解決了按照傳統的發酵方法得到的木薯酒精糟水分大，營養價值低，利用困難等問題，降低生產成本，有利於木薯的綜合利用。
本發明的技術方案如下 本發明提供的汽爆木薯固態發酵乙醇及其綜合利用的方法，其包括以下步驟l)對木薯進行蒸汽爆破處理；2)對汽爆後的木薯進行糖化和發酵；3)收集發酵產生的乙醇。
本發明的蒸汽爆破處理是在汽爆罐中在0. 3 1. 2MPa的蒸汽壓力下進行1 7min。 在本發明的一個方面中，將汽爆後的木薯按每克幹汽爆木薯加入120 140U的比
例加入糖化酶，在50 6(TC水浴保溫糖化20 60min ;然後，加入硫酸銨、磷酸二氫鉀和活
化後的酵母，在30 35t:條件下發酵40 60h，蒸餾收集發酵產生的乙醇。 所述硫酸銨的加入量為每100克木薯加入0. 05 0. 25g硫酸銨； 所述磷酸二氫鉀的加入量為每100克木薯加入0. 05 0. 25g磷酸二氫鉀； 所述酵母的加入量為；每100克木薯加入0. 05 0. 35g活性乾酵母。 在本發明的另一個方面中，向汽爆後的木薯，加入糖化酶、(NH4)2S04、KH2P04和活化
後的酵母，在30 35t:條件下發酵40 60h，蒸餾收集發酵產生的乙醇。 所述糖化酶的加入量為每克木薯加入100 200U糖化酶；所述(NH4)2S04的加入量為每100克木薯加入0. 05 0. 25g(NH4)2S04 ; 所述KH2P04的加入量為每100克木薯加入0. 10 0. 35g KH2P04 ; 所述酵母的加入量為；每100克木薯加入0. 10 0. 35g活性乾酵母。 本發明的有益效果為 (1)汽爆預處理過程中，在高溫水蒸汽的作用下，木薯原料中的氰苷轉化為可揮發性的氫氰酸被揮發，解除了木薯產品中氰化物的毒害作用，提高後續資源的利用率；
(2)採用低壓蒸汽爆破處理後的木薯可直接發酵生產乙醇，解決了木薯澱粉發酵乙醇前需要消耗大量能量用於木薯粉碎和澱粉的蒸煮、液化的問題； (3)採用蒸汽爆破技術對木薯進行預處理，由於蒸汽爆破的熱機械化學作用，使植
物組織的細胞壁破裂，使木薯澱粉糊化率提高，有利於糖化過程的進行。
(4)本發明將蒸汽爆破處理的木薯固態發酵，使發酵醪中水分含量大大降低，從而
提高發酵醪中乙醇濃度，降低蒸餾能耗，減少後續廢水的處理，降低生產成本，解決了按照
傳統的方法得到的木薯酒精糟水分大，營養價值低，利用困難等問題，有利於木薯的綜合利用。
具體實施例方式
下面通過實施例對本發明的技術方案作進一步說明。 本發明實施例中使用的糖化酶由北京東華強盛生物技術有限公司生產，酵母是由湖北宜昌安琪酵母股份有限公司生產的發酵用活性乾酵母。 本發明實施例中使用的木薯100g幹木薯含澱粉量為54.2g，氰化物含量為105.8mg/kg， 實施例1 :取木薯500g，切成小塊，投入汽爆罐中，在水蒸汽壓力0. 5Mpa下處理5. 5分鐘；在處理後的料中，加入糖化酶(120U/g汽爆乾料)，在6(TC水浴保溫糖化40min後，冷卻至3(TC，紫外滅菌20min。以相對於汽爆木薯的質量百分比計，加入0. 1%硫酸銨、0. 15%磷酸二氫鉀以及0. 10%活化後的酵母、之後在3(TC條件下發酵42h，蒸餾收集乙醇，用酒精計測定蒸餾得到的酒精，酒精度為8. 09% ;發酵渣中氰化物的含量5. 31mg/kg，低於木薯澱粉氰化物含量標準《10mg/kg，以及飼料中氰化物含量《50mg/kg。
實施例2 :取木薯500g，切成小塊，投入汽爆罐中，在水蒸汽壓力0.6Mpa下處理4分鐘；在處理後的料中，加入糖化酶(170U/g汽爆乾料)，在55t:水浴保溫糖化60min後，冷卻至32t:，紫外滅菌15min。以相對於汽爆木薯的質量百分比計，加入0. 15%硫酸銨、0. 05%磷酸二氫鉀以及0. 25%活化後的酵母、之後在32t:條件下發酵54h，蒸餾收集乙醇，用酒精計測定蒸餾得到的酒精，酒精度為9. 10% ;發酵渣中氰化物的含量2. 79mg/kg，低於木薯澱粉氰化物含量標準《10mg/kg，以及飼料中氰化物含量《50mg/kg。
實施例3 :取木薯500g，切成小塊，投入汽爆罐中，在水蒸汽壓力0. 7Mpa下處理3分鐘；在處理後的料中，加入糖化酶(160U/g汽爆乾料)，在5『C水浴保溫糖化40min後，冷卻至35t:，紫外滅菌18min。以相對於汽爆木薯的質量百分比計，加入0. 05%硫酸銨、0. 25%磷酸二氫鉀以及0. 30%活化後的酵母、之後在35t:條件下發酵48h，蒸餾收集乙醇蒸餾收集乙醇，用酒精計測定蒸餾得到的酒精，酒精度為11.25% ;發酵渣中氰化物的含量3. 15mg/kg，低於木薯澱粉氰化物含量標準《10mg/kg，以及飼料中氰化物含量《50mg/kg。
實施例4 :取木薯500g，切成小塊，投入汽爆罐中，在水蒸汽壓力0.8Mpa下處理2. 5分鐘；在處理後的料中，加入糖化酶(150U/g汽爆乾料)，在6(TC水浴保溫糖化50min後，冷卻至34t:左右，紫外滅菌20min。以相對於汽爆木薯的質量百分比計，加入0. 25 %硫酸銨、0. 15%磷酸二氫鉀以及0. 35X活化後的酵母、之後在34t:條件下發酵60h，蒸餾收集乙醇蒸餾收集乙醇，用酒精計測定蒸餾得到的酒精，酒精度為10. 54% ;發酵渣中氰化物的含量3. 05mg/kg，低於木薯澱粉氰化物含量標準《10mg/kg，以及飼料中氰化物含量
5《50mg/kg。 實施例5 :取木薯500g，切成小塊，投入汽爆罐中，在水蒸汽壓力l.OMpa下處理2. 0分鐘；在處理後的料中，加入糖化酶(140U/g汽爆乾料)，在57t:水浴保溫糖化30min後，冷卻至35t:，紫外滅菌15min。以相對於汽爆木薯的質量百分比計，加入0. 1%硫酸銨、
0. 1%磷酸二氫鉀以及0. 20%活化後的酵母、之後在35t:條件下發酵50h，蒸餾收集乙醇蒸餾收集乙醇，用酒精計測定蒸餾得到的酒精，酒精度為11.01% ;發酵渣中氰化物的含量
2. 58mg/kg，低於木薯澱粉氰化物含量標準《10mg/kg，以及飼料中氰化物含量《50mg/kg。
實施例6 :取木薯500g，切成小塊，投入汽爆罐中，在水蒸汽壓力1.2Mpa下處理
1. 0分鐘；在處理後的料中，加入糖化酶(130U/g汽爆乾料)，在58t:水浴保溫糖化20min後，冷卻至35t:，紫外滅菌18min。以相對於汽爆木薯的質量百分比計，加入0. 15%硫酸銨、0. 1%磷酸二氫鉀以及0. 15%活化後的酵母、之後在35t:條件下發酵60h，蒸餾收集乙醇蒸餾收集乙醇，用酒精計測定蒸餾得到的酒精，酒精度為11. 27% ;發酵渣中未檢測到氰化物，低於木薯澱粉氰化物含量標準《10mg/kg，以及飼料中氰化物含量《50mg/kg。 實施例7 :取木薯500g，切成小塊，投入汽爆罐中，在水蒸汽壓力0. 3Mpa下處理7分鐘；在汽爆木薯冷卻到室溫後，紫外滅菌20min ;在處理後的汽爆料中，加入糖化酶(100U/g汽爆乾料)，加入(NH4)2S04、 KH2P04以及活化後的酵母，(NH4)2S04、 KH2P04及活化後的酵母與汽爆木薯的質量百分比分別為O. 10%、0. 10%及0. 10%;之後在3(TC條件下發酵60h，蒸餾收集乙醇，用酒精計測定蒸餾得到的酒精，酒精度為8. 15% ;發酵渣中氰化物的含量6. 05mg/kg，低於木薯澱粉氰化物含量標準《10mg/kg，以及飼料中氰化物含量《50mg/kg。 實施例8 :取木薯500g，切成小塊，投入汽爆罐中，在水蒸汽壓力0. 6Mpa下處理4分鐘；在汽爆木薯冷卻到室溫後，紫外滅菌20min ;在處理好的汽爆料中，加入糖化酶(120U/g汽爆乾料)，加入(NH4)2S04、 KH2P04以及活化後的酵母，(NH4)2S04、 KH2P04及活化後的酵母與汽爆木薯的質量百分比分別為0. 05%、0. 10%及0. 25% ;之後在32t:條件下發酵54h，蒸餾收集乙醇，用酒精計測定蒸餾得到的酒精，酒精度為9. 52% ;發酵渣中氰化物的含量3. 74mg/kg，低於木薯澱粉氰化物含量標準《10mg/kg，以及飼料中氰化物含量《50mg/kg。 實施例9 :取木薯500g，切成小塊，投入汽爆罐中，在水蒸汽壓力0. 7Mpa下處理
3. 5分鐘；在汽爆木薯冷卻到室溫後，紫外滅菌20min ;在處理後的汽爆料中，加入糖化酶(謹/g汽爆乾料)，加入(NH4)2S04、 KH2P04以及活化後的酵母，(NH4)2S04、 KH2P04及活化後的酵母與汽爆木薯的質量百分比分別為0. 15%、0. 05%及0. 35% ;之後在35t:條件下發酵48h，蒸餾收集乙醇，用酒精計測定蒸餾得到的酒精，酒精度為12. 55% ;發酵渣中氰化物的含量2. 19mg/kg，低於木薯澱粉氰化物含量標準《10mg/kg，以及飼料中氰化物含量《50mg/kg。 實施例10 :取木薯500g，切成小塊，投入汽爆罐中，在水蒸汽壓力0.8Mpa下處理
2. 5分鐘；在汽爆木薯冷卻到室溫後，紫外滅菌20min ;在處理後的汽爆料中，加入糖化酶(200U/g汽爆乾料)，加入(NH4)2S04、 KH2P04以及活化後的酵母，(NH4)2S04、 KH2P04及活化後的酵母與汽爆木薯的質量百分比分別為0. 15%、0. 25%及0. 25% ;之後在34t:條件下發酵60h，蒸餾收集乙醇，用酒精計測定蒸餾得到的酒精，酒精度為12. 19% ;發酵渣中氰化物的含量3. 11mg/kg，低於木薯澱粉氰化物含量標準《10mg/kg，以及飼料中氰化物含量《50mg/kg。 實施例11 :取木薯500g，切成小塊，投入汽爆罐中，在水蒸汽壓力l.OMpa下處理3. 0分鐘；在汽爆木薯冷卻到室溫後，紫外滅菌20min ;在處理後的汽爆料中，加入糖化酶(腦/g汽爆乾料)，加入(NH4)2S04、 KH2P04以及活化後的酵母，(NH4)2S04、 KH2P04及活化後的酵母與汽爆木薯的質量百分比分別為0. 25%、0. 10%及0. 20% ;之後在35t:條件下發酵60h，蒸餾收集乙醇，用酒精計測定蒸餾得到的酒精，酒精度為11.99% ;發酵渣中氰化物的含量2. 13mg/kg，低於木薯澱粉氰化物含量標準《10mg/kg，以及飼料中氰化物含量《50mg/kg。 實施例12 :取木薯500g，切成小塊，投入汽爆罐中，在水蒸汽壓力1.2Mpa下處理1. 5分鐘；在汽爆木薯冷卻到室溫後，紫外滅菌20min ;在處理後的汽爆料中，加入糖化酶(150U/g汽爆乾料)，加入(NH4)2S04、KH2P04以及活化後的酵母，(NH4)2S04、 KH2P04及活化後的酵母與汽爆木薯的質量百分比分別為0. 15%、0. 15%及0. 15% ;之後在35t:條件下發酵60h，蒸餾收集乙醇，用酒精計測定蒸餾得到的酒精，酒精度為11.82% ;發酵渣中沒檢測到氰化物，遠遠低於木薯澱粉氰化物含量標準《10mg/kg，以及飼料中氰化物含量《50mg/kg。
權利要求
一種汽爆木薯固態發酵乙醇及其綜合利用的方法，其包括以下步驟1)對木薯進行蒸汽爆破預處理；2)對汽爆後的木薯進行糖化和固態發酵；3)收集發酵產生的乙醇。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中步驟1)在汽爆罐中在蒸汽壓力0. 3 1. 2MPa的 條件下進行1 7min。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中在步驟2)中，在對汽爆後的木薯進行糖化後固態 發酵。
4. 根據權利要求3所述的方法，其中按每克幹汽爆木薯加入120 170U的比例加入糖 化酶，在50 6(TC水浴保溫糖化20 60min ;然後，加入硫酸銨、磷酸二氫鉀和活化後的酵 母，在30 35t:條件下發酵40 60h，其中硫酸銨的加入量為每100克木薯加入0. 05 0. 25g硫酸銨，磷酸二氫鉀的加入量為每100克木薯加入0. 05 0. 25g磷酸二氫鉀，酵母的 加入量為每100克木薯加入0. 05 0. 35g酵母。
5. 根據權利要求1所述的方法，其中在步驟2)中對汽爆後的木薯進行同步糖化固態發酵。
6. 根據權利要求5所述的方法，其中在步驟2)中加入糖化酶、(NH4)2S04、KH2P04和活化 後的酵母。
7. 根據權利要求6所述的方法，其中按每克幹汽爆木薯加入100 200U的比例加入糖 化酶，(NH4)2S04的加入量為每100克木薯加入0. 05 0. 25g(NH4)2S04， KH2P04的加入量為 每100克木薯加入0. 10 0. 35gKH2P04，酵母的加入量為每100克木薯加入0. 10 0. 35g 酵母，並且在30 35°C的條件下發酵40 60h。
8. 根據權利要求1所述的方法，固態發酵渣可作為飼料、肥料或飼料、肥料的原料使用。
全文摘要
本發明公開了一種汽爆木薯固態發酵乙醇及其綜合利用的方法，該方法將汽爆技術應用於木薯預處理，一方面，在汽爆預處理的高溫水蒸汽作用下，木薯原料中的氰苷轉化為可揮發性的氫氰酸被揮發，解除了木薯產品中氰化物的毒害作用，提高了後續資源的利用率；另一方面，採用汽爆預處理後的木薯可直接發酵生產乙醇，大大降低了木薯粉碎和澱粉的蒸煮、液化的能耗；固態發酵，使發酵醪中水分含量大大降低，從而提高發酵醪中乙醇濃度，降低蒸餾能耗，減少後續廢水的處理，並解決了按照傳統的發酵方法得到的木薯酒精糟水分大，營養價值低，利用困難等問題，降低生產成本，有利於木薯的綜合利用。
文檔編號A23K1/00GK101768606SQ20101011371
公開日2010年7月7日 申請日期2010年2月24日 優先權日2010年2月24日
發明者付小果, 陳洪章 申請人:中國科學院過程工程研究所