葛根同步糖化发酵生产燃料乙醇的方法

专利名称：葛根同步糖化发酵生产燃料乙醇的方法
技术领域：
本方法属于葛根资源的利用领域，特别涉及一种用葛根作为原料同步糖化发 酵生产燃料乙醇的方法。
背景技术：
当前我国的燃料乙醇发酵生产主要以玉米、稻谷、小麦等粮食作物为原料，"十 五"期间我国也在北方地区建设了一定规模的以玉米为原料的燃料乙醇示范项目。 但是我国人多地少，耕地资源紧缺，粮食生产压力巨大，单一以粮食(主要是玉 米与战备陈化粮大米)为原料的燃料乙醇发展空间受到极大的限制，难以长久支 撑我国燃料乙醇产业的持续发展，由此可见，我国大力发展燃料乙醇就必须寻找 更丰富的可再生资源——生物资源作为燃料乙醇的生产原料。综合我国的国情和 生物资源状况考虑和分析， 一个可行的方案是有选择地在一些不适宜种植高产粮 食作物的地区，因地制宜，通过发展高产、高淀粉、耐旱、耐贫瘠、代粮的含淀 粉或含糖作物作为燃料乙醇的生产原料。如在我国江西、湖南、贵州等长江以南 的十几个省份大量生长的葛根就具备这样的属性，是一种很有潜力的生产燃料乙 醇的原料。
葛根(RadixPueraria)是葛属植物的地下根，为多年生豆科藤本植物，始载于《神 农本草经》，被列为中品，因富含淀粉和异黄酮成分，被卫生部列为"既是食品又 是药品，，名录。葛属植物(Pueraria),全世界有30余种，分布于中国、日本及东南亚 等国，我国约有9种和2个变种，为葛属植物的分布中心，全国各地都有葛资源的 分布，如野葛(P. Lobata(will)Ohwi)，粉葛(P. Thomsoni Berth)、食用葛(P.edulis P咖p)、峨眉葛(P. Omeiensis Wang)、云南葛(P. peduncularis Crah. ex Benth) 等，其中野葛和粉葛最为常见，资源量最大。初步统计葛类总面积(野生及栽培) 为40万平方公顷左右，年资源总量在150万吨以上。葛根现已成为我国许多地方 重点开发的经济作物，从而得到大面积人工栽培。
葛根的主要组成是淀粉、纤维素、蛋白质和葛根异黄酮，另外还含有少量
的脂肪、果胶、鞣质和生物碱等。文献报道，干葛根中淀粉含量约为50 60%，纤 维素含量9 15%，粗蛋白5 8%，异黄酮含量为3 5%。而新葛根含水分在50 60%，淀粉的含量达到18.5 27.5%。自20世纪50年代以来，对葛根的研究，主要 集中在有效成分的提取及其药用成分药理作用方面。

发明内容
本发明的目的是提供一种葛根同步糖化发酵生产燃料乙醇的方法，该方法建 立了葛根同步糖化发酵生产乙醇的最佳发酵条件，糖化与发酵同步进行，无须单 独糖化过程，糖化产生的葡萄糖随时被酵母利用，可提高发酵醪中乙醇浓度，降 低蒸馏能耗，减少后续废水的处理，降低生产成本，有利于葛根的综合利用；同 时解决了以粮食原料生产乙醇中粮食来源有限，价格昂贵的难题。
本发明的技术方案如下-
本发明提供的葛根同步糖化发酵生产燃料乙醇的方法，其步骤如下
1) 原料的破碎将葛根切成200-250mm小段，然后绞碎成约5~10mm碎段；
2) 拌料、蒸煮及酶处理
将绞碎后的碎葛根加自来水拌匀，所述自来水与碎葛根的质量份配比为l: 1 1: 6;加6mol/L的HC1调节pH为4.0 4.5，升温至45 50°C,按每克碎葛柳口入0 3.5U的比例加入纤维素酶进行酶处理10 25min;再升温至70 9(TC，按每克碎 葛根加入2.0 10.0U的比例加入a-淀粉酶70 9(TC下蒸煮20 50min;
3) 同步糖化发酵
将蒸煮后的葛根物料冷却至30 35'C，在无菌条件下，同时加入糖化酶、 (NH4)2S04 、 KH2P04和活化后的酵母，在30 35°C条件下进行厌氧发酵48 84h，蒸馏收集发酵产生的乙醇；
所述糖化酶的加入量为每克葛根加入20 100U糖化酶；
所述(NH4)2S04的加入量为每100克葛根加入0.05 0.15g(NH4)2SO4; 所述KH2P04的加入量为每100克葛根加入0.05 0.2gKH2PO4; 所述酵母的加入量为；每100克葛根加入0.10 0.30g酵母；
本发明从同步糖化发酵的角度出发，实现了葛根固态同步糖化发酵转化为乙 醇的过程，具有如下的特点和优点-
1. 本发明采用适宜于耐旱、耐贫瘠的不利于粮食作物生长的山坡地、沙荒地 生长的葛根为燃料乙醇的生产原料，为燃料乙醇生产的原料提供了新方向，从而 解决粮食发酵中存在的问题粮食来源有限，且价格昂贵，因此粮食发酵成本高， 竞争力差，另外大量粮食消耗会引起人均粮食占有量下降，影响国家粮食安全等。 同时有利于山区农民增产又增收，开辟了一条致富之路。
2. 本发明通过对发酵条件加水比、(X-淀粉酶加入量、蒸煮时间与温度、糖 化酶加入量、接种量、PH值、纤维素酶加入量、发酵时间以及营养盐的添加等的 研究，得到了优化的发酵工艺路线。
3. 本发明在发酵前添加纤维素酶，降解葛根外表皮的纤维素组分，有利于葛 根淀粉的糊化，提高淀粉利用率。
4. 本发明采用同步糖化固态发酵生产乙醇，在发酵过程中省略了糖化工段， 能耗降低；糖化和发酵同时进行，糖化生产的葡萄糖一经生产就被酵母利用，可 保持较低的水平，有利于防止染菌。
5. 本发明采用同步糖化固态发酵乙醇，只需要添加少量的水，使发酵醪中水 分含量大大降低，在提高发酵醪中乙醇含量的同时，降低了蒸馏的能耗，并且减 少了后续废水的处理过程，降低生产成本的同时为发酵渣的二次利用提供条件， 有利于葛根的综合利用。
具体实施例方式
实施例l:取葛根30g，切成小段，然后绞碎成约0.5-1.0cm的碎段，葛根与 自来水按质量份为3: l的比例加自来水拌料，再加6mol/LHCl调节pH为4.5，当 料温为45'C加入纤维素酶U.5U/g葛根)，保温进行酶处理20min;再升温到90'C 加入淀粉酶蒸煮(5.0U/g葛根)40min，之后冷却至3(TC,在无菌条件下，同时加 入糖化酶(20U/g葛根)、0.25%干酵母、0.1%(NH4)2SO4、 0.1%KH2PO4，之后在 35'C条件下进行发酵，72h后取发酵醪蒸馏得乙醇；测定发酵醪中乙醇含量；得 到0.091g乙醇/g葛根，6.549g乙醇/100g发酵物，淀粉利用率为97.8%。
实施例2:取葛根30g，切成小段，然后绞碎成约0.5-l.Ocm的碎段，葛根与 自来水按质量份为l: l的比例加自来水拌料，加6mol/LHCl调节pH为4.0，当料 温为45C保温处理10min;然后当料温升高到卯'C加入淀粉酶蒸煮(2.0U / g葛 根)40min，之后冷却至30°C ，在无菌条件下，同时加入糖化酶(65U / g葛根)、0.25% 干酵母、0.05%(NH4)2SO4、 0.05%KH2PO4，之后在35。C条件下进行发酵，48h后 取发酵醪蒸馏乙醇，测定发酵醪中乙醇含量。得到0.071g乙醇/g葛根，5.065g乙 醇/100g发酵物，淀粉利用率为67.2%。
实施例3:取葛根30g，切成小段，然后绞碎成约0.5-l.Ocm的碎段，葛根与 自来水按质量份为6: l的比例加自来水拌料，加6mol/LHCl调节pH为4.3，当料 温为48'C加入纤维素酶(1.5U/g葛根)，保温进行酶处理20min;然后当料温升高 到70'C加入淀粉酶蒸煮(5.0U/g葛根)40min，之后冷却至32'C,在无菌条件下， 同时加入糖化酶(20U/g葛根)、0.10%干酵母、0.1%(NH4)2SO4、 0.1%KH2PO4，之 后在35'C条件下进行发酵，60h后取发酵醪蒸馏乙醇，测定发酵醪中乙醇含量。 得到0.076g乙醇/g葛根，6.098g乙醇/100g发酵物，淀粉利用率为83.1%。
实施例4:取葛根30g，切成小段，然后绞碎成约0.5-l.Ocm的碎段，葛根与 自来水按质量份为3: 1的比例加自来水拌料，加6mol/LHCl调节pH为4.5，当料 温为5(TC加入纤维素酶(1.5U/g葛根)，保温进行酶处理10min;然后当料温升高 到85。C加入淀粉酶蒸煮(6.5U/g葛根)30min，之后冷却至35'C，在无菌条件下， 同时加入糖化酶(100U / g葛根)、0.35%干酵母、0.1%(NH4)2SO4、 0.1%KH2PO4， 之后在3(TC条件下进行发酵，72h后取发酵醪蒸馏乙醇，测定发酵醪中乙醇含量。 得到0. 087g乙醇/g葛根，6.032g乙醇/100g发酵物，淀粉利用率为90.5%。
实施例5:取葛根30g，切成小段，然后绞碎成约0.5-l.Ocm的碎段，葛根与 自来水按质量份为3: l的比例加自来水拌料，加6mol/LHCl调节pH为4.5，当料 温为45'C加入纤维素酶(2.5U/g葛根)，保温进行酶处理25min;然后当料温升高 到90。C加入淀粉酶蒸煮(10.0U/g葛根)50min，之后冷却至3(TC，在无菌条件下， 同时加入糖化酶(65U/g葛根)、0.25%干酵母、0.1%(NH4)2SO4、 0.05%KH2PO4，
之后在33"C条件下进行发酵，72h后取发酵醪蒸馏乙醇，测定发酵醪中乙醇含量。 得到0.089g乙醇/g葛根，6.767g乙醇/100g发酵物，淀粉利用率为93.2%。
实施例6:取葛根30g，切成小段，然后绞碎成约0.5-1.0cm的碎段，葛根与 自来水按质量份为4: l的比例加自来水拌料，加6mol/LHCl调节pH为4.5，当料 温为45'C加入纤维素酶(1.5U/g葛根)，保温进行酶处理lOmin;然后当料温升高 到90'C加入淀粉酶蒸煮(5.0U/g葛根)40min，之后冷却至30'C，在无菌条件下， 同时加入糖化酶(65U/g葛根)、0.15%干酵母、0.1%(NH4)2SO4、 0.1%KH2PO4，之 后在35'C条件下进行发酵，72h后取发酵醪蒸馏乙醇，测定发酵醪中乙醇含量。 得到0.085g乙醇/g葛根，6.230g乙醇/100g发酵物，淀粉利用率为94.2% 。
实施例7:取葛根30g，切成小段，然后绞碎成约0.5-1.Ocm的碎段，葛根与自 来水按质量份为5: l的比例加自来水拌料，力H6mol/LHCl调节pH为4.5，当料温 为45'C加入纤维素酶(3.5U/g葛根)，保温进行酶处理10mim然后当料温升高到 90'C加入淀粉酶蒸煮(5.0U/g葛根)40min，之后冷却至3(TC，在无菌条件下，同 时加入糖化酶(100U/g葛根)、0.25°/。干酵母、0.15%(NH4)2SO4、 0.1%KH2PO4，之 后在35t:条件下进行发酵，72h后取发酵醪蒸馏乙醇，测定发酵醪中乙醇含量。 得到0.0卯g乙醇/g葛根，6.468g乙醇/100g发酵物，淀粉利用率为94.2%。
实施例8:取葛根30g，切成小段，然后绞碎成约0.5-1.0cm的碎段，葛根与 自来水按质量份为2: l的比例加自来水拌料，加6mol/LHCl调节pH为4.5，当料 温为45。C加入纤维素酶(1.5U/g葛根)，保温进行酶处理10min;然后当料温升高 到9(TC加入淀粉酶蒸煮(5.0U / g葛根)40min,之后冷却至3(TC ，在无菌条件下， 同时加入糖化酶(65U/g葛根)、0.25%干酵母、0.05%(NH4)2SO4、 0.2%KH2PO4， 之后在35。C条件下进行发酵，72h后取发酵醪蒸馏乙醇，测定发酵醪中乙醇含量。 得到0.061g乙醇/g葛根，4.576g乙醇/100g发酵物，淀粉利用率为93.6%。
权利要求
1、一种葛根同步糖化发酵生产燃料乙醇的方法，其步骤如下1)原料的破碎将葛根破碎成5～10mm碎葛根段；2)拌料、蒸煮及酶处理将绞碎后的碎葛根加自来水拌匀，所加入的自来水与碎葛根的质量份配比为1∶1～6；加浓度为6mol/L的HCl调节pH为4.0～4.5，升温至45～50℃，按每克碎葛根加入0～3.5U的比例加入纤维素酶进行酶处理10～25min；再升温至70～90℃，按每克碎葛根加入2.0～10.0U的比例加入α-淀粉酶70～90℃下蒸煮20～50min；3)同步糖化发酵将蒸煮后的葛根物料冷却至30～35℃，在无菌条件下，同时加入糖化酶、(NH4)2SO4、KH2PO4和酵母，在30～35℃条件下进行厌氧发酵48～84h，蒸馏收集发酵产生的乙醇。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述糖化酶的加入量为每克葛根加入 20 100U糖化酶o
3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述(NH4)2S04的加入量为每100克 葛根加入0.05 0.15g(NH4)2SO4<)
4、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述KH2P04的加入量为每100克葛 根加入0.05 0.2gKH2PO4!>
5、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述酵母的加入量为每100克葛根加 入0.10 0.30g酵母。
全文摘要
本发明涉及的同步糖化发酵生产燃料乙醇的方法是破碎葛根；加水拌料，加HCl调pH，升温至45～50℃，加纤维素酶进行酶处理；再升温至70～90℃，加α-淀粉酶蒸煮；冷却至30～35℃，在无菌条件下，同时加入糖化酶、(NH₄)₂SO₄、KH₂PO₄和活化后的酵母，进行厌氧发酵48～84h后，蒸馏收集发酵产生的乙醇；本发明建立了葛根同步糖化发酵生产乙醇的最佳发酵条件，糖化与发酵同步进行，无须单独糖化过程，糖化产生的葡萄糖随时被酵母利用，可提高发酵醪中乙醇浓度，降低蒸馏能耗，减少后续废水的处理，降低生产成本，有利于葛根的综合利用；解决了以粮食原料生产乙醇中粮食来源有限，价格昂贵的难题。
文档编号C12P7/06GK101191135SQ200610114730
公开日2008年6月4日 申请日期2006年11月22日 优先权日2006年11月22日
发明者付小果, 汪卫东, 陈洪章 申请人:中国科学院过程工程研究所;湖南省强生药业有限公司