利用柑桔加工廢棄物制取糖蜜及乙醇

沈艷麗， 吳厚玖

(1．西南大學 柑桔研究所，重慶 400712;2．重慶警察學院，重慶 401331)

利用柑桔加工廢棄物制取糖蜜及乙醇

沈艷麗1，2， 吳厚玖1

(1．西南大學 柑桔研究所，重慶 400712;2．重慶警察學院，重慶 401331)

柑桔加工廢棄物約占果實質量的50%，含大量糖分，適宜制備糖蜜和發酵生產乙醇．研究了用廢棄物制取糖蜜及生產乙醇的工藝和條件．結果表明，柑桔皮渣制取糖蜜時，生石灰的適宜添加量為0.3%，制得的可溶性固形物為40%的糖蜜，總糖含量為34%．對pH值、糖度、接菌量和溫度等影響發酵的主要因素做單因素研究基礎上開展了正交試驗，得到柑桔糖蜜發酵的較佳工藝條件為:發酵液的初始pH 5.0，初始含糖量25%，接種量3×107個/mL，溫度保持在30℃，靜置發酵．由此獲得含量為10.6%的乙醇產品，為探索用柑桔糖蜜生產燃料乙醇提供了參考．

柑桔加工皮渣;糖蜜;發酵條件;乙醇

柑桔是世界第一大水果類經濟作物．根據聯合國糧農組織統計，1999年以來，世界柑桔年產量已超過1億t［1］，其中40%用于加工．柑桔加工后要排出50%左右的皮渣［2］．近年來，我國橙汁消費量成倍增長，2010年甜橙加工量可達100萬t;預計到2020年將到600萬t［2］．我國目前柑桔加工皮渣利用率很低，除少量用作中藥材，大部分棄為污染物．

柑桔皮渣綜合利用已引起我國有關部門重視，科研院校開展了相關研究，如研究提取香精油、黃酮、果膠、膳食纖維、檸堿、發酵飼料等［3－5］．進入 21世紀以來，我國饒志明［6］，美國 Wilkins［7］和 Widmer等［8－9］研究了用柑桔加工皮渣生產燃料乙醇．本文在研究用柑桔加工皮渣和果肉渣制取糖蜜方法基礎上，重點研究了用柑桔糖蜜生產乙醇的工藝條件，為利用柑桔糖蜜制備燃料乙醇的工業化生產提供試驗依據．

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

北碚447錦橙皮渣0.5 t，含糖量11.8%;果肉渣0.2 t，含糖量5.3%，均取自西南大學柑桔研究所．釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)［10］菌株，取自西南大學資源與環境學院．

化學試劑主要包括濃鹽酸、瓊脂(生化試劑)、異丙醇、濃硫酸、甲基橙(指示劑級)、咔唑(指示劑級)、乙醇、氫氧化鈉、溴化鉀、溴酸鉀，均為國產分析純．

1.2 儀器與設備

FMC391型榨汁機，美國FMC公司，GT6G7型螺旋榨汁機，浙江輕工機械廠;152/R-RE(10 L)型真空旋轉蒸發器，瑞士BUCHI公司;LRH-250-G型電熱恒溫培養箱，上海躍進醫療器械廠;MKOM04型生物顯微鏡，日本Nicon公司;折光糖度計，杭州創新儀器責任有限公司．

1.3 實驗方法

1.3.1 成分分析方法

還原糖、總糖、殘糖:直接滴定法 GB/T 5009.7—2003．

香精油:SCOTT 法［11］．

酒精含量測定:蒸餾法．

發酵速度測定:CO2失重法［12］．

1.3.2 糖蜜制取工藝

糖蜜制備工藝流程見圖1．

圖1 柑桔皮渣制糖蜜的工藝流程Fig．1 Procedure of molasses making from citrus residues

1.3.3 糖蜜制備

取經FMC榨汁機壓榨后的447錦橙皮渣150 kg(含糖量11.8%)與0.450 kg的生石灰混合，充分混勻，靜置硬化20 min，用壓榨機壓榨，得皮渣液41 kg(含總糖量11.8%)，再用螺旋榨汁機壓濾除去殘存皮渣及其沉淀物，靜置12 h得清液，用虹吸法去除上浮皮精油．取經FMC榨汁機壓榨后并精濾排出的447錦橙果肉渣30 kg(含總糖量5.3%)，加等量清水充分混合，用螺旋榨汁機壓濾，濾除水洗后的果肉殘渣，得水洗果肉渣液 40 kg(含總糖量3.7%)，皮渣液與果肉渣液按體積比1∶1混合，用旋轉蒸發器濃縮，得總糖含量40%的糖蜜［13－14］．

1.3.4 柑桔糖蜜發酵制乙醇工藝

柑桔糖蜜發酵工藝流程如圖2．

圖2 柑桔糖蜜發酵工藝流程Fig．2 Procedure of citrus molasses fermentation

1.3.5 糖蜜發酵

三角瓶中裝入少于2/3體積的含糖量25%柑桔糖蜜培養基，調整pH值至5.0，添加3種營養鹽值:(NH4)2SO41.5 g/L，MgSO40.5 g/L，KH2PO40.5 g/L．121℃高壓滅菌30 min后冷卻至室溫備用．按照接種量3×107個/mL接入釀酒酵母菌，30℃靜置發酵或搖床發酵．理論上耗糖90%并轉化為酒精和CO2時，耗糖量應是所排放的 CO2量的2.16倍［12］．通過排放的CO2量計算各自的發酵速度，用直接滴定法測定殘糖含量．結合單因素分析和多因素正交試驗，確定主發酵工藝條件，并進行驗證．

1.4 數據處理

按DPS設計5個因素，其中，4個為三水平、1個為兩水平作正交試驗，設計分析和計算，見式(1)．

2 結果與分析

2.1 糖蜜制取及糖蜜成分確定

2.1.1 影響糖蜜制取的因素

影響制取糖蜜最重要的因素是生石灰的用量．兩者的關系見表1．

表1 生石灰的用量與出汁率的關系Tab．1 Relationship of lime usage and juice rate from citrus residues

壓榨柑桔皮渣時，如不加生石灰或添加量不夠，果渣稀軟，出汁率很低．從表1可看出，生石灰用量為0.3%時榨出液的pH值為6.0．壓榨液pH值過大或過小對糖蜜的質量和發酵都不利［15］．生石灰用量0.3% ～1.0%時，出汁率為23% ～24%，幾乎沒有明顯增加．因此確定生石灰用量為0.3%．

2.1.2 皮渣壓榨液及糖蜜成分分析

分別分析了447錦橙皮渣壓榨液和糖蜜的總糖、還原糖及香精油，結果見表2．

表2 柑桔皮渣糖液和糖蜜的成分分析Tab．2 Composition of citrus pulp wash and citrus molasses %

447錦橙壓榨液總糖含量9.28%，與甘蔗糖廠的廢渣糖蜜相似，但因為香精油含量為0.756%，太高，不適于直接發酵．發酵醪液中香精油或苧烯含量超過0.24%或15%，會抑制酵母菌S.cerevisae發酵［13，16］．壓榨液經過濾、靜置除去表面油層后，再蒸發除油、濃縮，可使糖含量提高，香精油含量降低．表2數據表明，若將糖蜜濃縮至可溶性固形物30%(見表2濃縮糖蜜 A)，香精油含量比原先降低88.1%，達到0.09%．若濃縮至可溶性固形物40%(見表 2濃縮糖蜜 B)，香精油的含量降低至0.05%．降低香精油含量，可明顯消減對釀酒酵母的抑制［16］，更有利于發酵;且濃縮后體積和質量減少，也便于儲存和運輸．

2.2 柑桔糖蜜發酵參數的設定及發酵條件的優化

2.2.1 pH值對柑桔糖蜜發酵的影響

糖蜜含糖量均為 25%時，添加(NH4)2SO4、MgSO4、KH2SO4，濃度分別為 1.5，0.5，0.5 g/L［17］．接種量為3×107/mL，溫度30℃，分別在不同的pH值(3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0)培養發酵 72 h，測定它們的CO2失重量(見圖3)．

圖3 pH值對柑桔糖蜜發酵CO2失重的影響Fig．3 Effect of pH Value on fermentation dynamic curve

由圖3可以看出，pH值為5.0時CO2失重量最大，為8.8 g;pH值升高到5.5，6.0時，發酵失重量下降并不明顯;降低pH值對發酵的影響比較大，pH 3.0時，CO2失重量僅3.3 g．檢測不同pH值發酵液的乙醇含量分別為:2.9%，5.8%，6.4%，7.5%，7.6%，7.2%，7.0%，因此確定柑桔糖蜜發酵的適宜pH值為5.0，此時乙醇的產率最高．

2.2.2 糖蜜含糖量對發酵的影響

糖蜜含糖量分別設為10%，15%，20%，25%，30%5種，添加質量濃度分別為1.5，0.5，0.5 g/L的(NH4)2SO4，MgSO4和KH2PO43種鹽．釀酒酵母菌的接種量為3×107/mL，pH 5.0，在30℃發酵72 h后，測定各糖度下的CO2失重量．結果見圖4．

圖4 糖蜜含糖量對發酵效果的影響Fig．4 Effect of sugar content of molasses on fermentation dynamic curve

從圖4可以看到，含糖量10%時，發酵24 h已經結束，發酵液CO2失重量為5.05 g;含糖量15%，20%時，發酵36 h基本結束，發酵液CO2失重量分別為7.2 g和7.8 g;含糖量30%時，發酵72 h CO2失重量11.3 g，發酵仍未結束，殘糖含量為2.0%;含糖量25%時，發酵48 h就接近結束，到72 h基本結束，CO2失重量為11.5 g，發酵液殘糖含量為1.84%，總糖利用率達92%，發酵時間比較短，故選擇適宜的含糖量為25%．

2.2.3 溫度對糖蜜發酵的影響

設定發酵溫度分別為 20，24，27，30，33，36 ℃．含糖量25%，添加質量濃度分別為1.5，0.5，0.5 g/L的(NH4)2SO4，MgSO4，KH2SO43種鹽．接種量為 3×107/mL，pH 5.0，發酵72 h后測定各試樣的CO2失重量．結果見圖5．

圖5 溫度對糖蜜發酵的影響Fig．5 Effect of temperature on molasses fermentation dynamic curve

從圖5可以看到，前48 h發酵速度較快，溫度高于30℃時，72 h發酵基本結束，其中以30℃時的CO2失重量最大．高于30℃的試樣，48 h后CO2失重量不再變化．20℃和24℃的樣品需要做72 h后的延續試驗，它們需要192，148 h才能完成發酵，比30℃發酵的樣品增加了5，3 d發酵時間．但最終CO2的失重量仍然低于30℃時的樣品．因此選定30℃為適宜的發酵溫度．

2.2.4 接種量的影響

釀酒酵母菌的接種量分別設定為1×107，2×107，3 ×107，4 ×107/mL 4 個處理，添加(NH4)2SO4、MgSO4、KH2SO43 種鹽:質量濃度分別為 1.5，0.5，0.5 g/L．發酵溫度30℃，pH 5.0，發酵72 h后測定不同接種量時的CO2失重量．結果見圖6．

圖6 接種量對糖蜜發酵酒精產量的影響Fig．6 Effect of inoculation amount on molasses fermentation

從圖6可知，接種量為3×107/mL時CO2失重量最高，達到10 g．雖然接種量為4×107/mL時，前48 h發酵的CO2失重量均高于3×107/mL的樣品，但隨后的失重量趨于降低．其他兩種樣品的CO2失重量一直比較低，因此選定適宜的接種量為3×107/mL．

2.2.5 主發酵工藝條件的正交試驗

糖轉化為乙醇屬于無氧發酵，但良好的酵母是正常生產的重要保證．生產中仍必須定期供給少量氧氣以保證酵母正常代謝．本文模擬生產條件，設置靜置發酵和搖瓶微通氧發酵兩種條件作為比較，搖床轉速為100 r/min．

為優化工藝條件，在單因素實驗基礎上，以糖蜜含糖量(B)、初始pH值(C)、溫度(D)和接種量(E)以及通氧發酵狀況(A)等因素，設計正交試驗，其中糖蜜含糖量、pH值、溫度、接種量為3水平，通氧狀況為2水平，因素水平數據如表3，4 h CO2失重量小于0.2 g時認為發酵結束．以乙醇含量、殘糖含量作為評判指標，分析發酵醪液中乙醇含量．

表3 因素水平數據表Tab．3 Factor levels data sheet

以酒精度、殘糖含量為試驗指標，正交試驗結果見表4．根據殘糖含量判斷各因素的主次順序為糖蜜含糖量、轉速、接種量、pH值、溫度．糖蜜含糖量和靜置或微通氧發酵對產生乙醇含量影響大．根據各水平下的平均值確定最優水平組合，以乙醇含量為試驗指標確定的最優組合是B3 A1 E3 C2 D2;殘糖越低發酵效率越高，因此以殘糖含量為試驗指標確定的最優組合是B1 A2 E2 C2 D2．

計算總糖的利用率確定糖度的適宜值．糖度25%時，可發酵性糖平均利用率為95.6%，而30%時可發酵性糖平均利用率為90.67%．糖度為20%，可發酵糖的平均利用率雖然高，但乙醇含量很低，僅 6.868%(體積比)．搖床發酵平均殘糖1.077%，靜置發酵平均殘糖1.802%，即搖床發酵比靜置發酵平均殘糖含量低0.725%，表示可發酵性糖的利用率比較高，這是因為搖動使抑制發酵的CO2可及時排出，但同時也使乙醇隨之揮發損失，從而使發酵醪中乙醇含量低于靜置發酵．綜合考慮乙醇含量和糖的利用率，以選擇初始含糖量25%的靜置發酵為宜．并由此考慮選擇單因素和正交試驗的接種量3×107/mL為佳．

經以上分析，可認為柑桔糖蜜發酵的優化工藝條件為:柑桔糖蜜發酵初始pH 5.0，初始糖度25%，接種量3×107/mL接入糖蜜發酵液中，溫度為30℃，采用靜置發酵72 h(發酵前24 h需每隔4 h攪動20 min以促使 CO2溢出)．乙醇含量可達到10.6%．

據文獻［18］報道，柑桔皮渣生產燃料乙醇的成本為0.325美元/L，比玉米生產燃料乙醇的成本0.264美元/L高，但比植物纖維生產燃料乙醇的成本0.357～0.428美元/L低．目前世界每年約有1 500萬t柑桔皮渣可利用，可生產15萬t乙醇．

3 結論

研究表明，將柑桔加工皮渣與相當于皮渣質量0.3%的生石灰充分混合，靜置硬化30 min后，經壓榨、過濾，清液靜置12 h，去除浮層精油，與果肉渣水洗糖液混合，經真空濃縮，得到可溶性固形物含量高于40%的糖蜜．糖蜜的還原糖、總糖、香精油含量分別為15%，34%，0.05%．總糖含量與甘蔗糖蜜接近，稀釋后適宜發酵生產乙醇．

通過單因素和正交試驗確定柑桔糖蜜發酵的優化工藝條件為:在含糖量25%柑桔糖蜜中分別添加1.5 g/L(NH4)2SO4，0.5 g/L KH2PO4和 0.5 g/L MgSO4，調整初始 pH值為5.0，按3×107/mL的接種量接入釀酒酵母，30℃發酵72 h，前24 h每4 h攪拌一次，然后以靜置發酵效果好，得到含量10.6%的乙醇，進一步濃縮可獲得用作燃料規格的乙醇．

表4 主發酵條件正交試驗結果直觀分析結果Tab．4 Results analysis of of dominant fermentation conditions through senses orthogonal experiment

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(責任編輯:檀彩蓮)

Production of Molasses and Alcohol Using Citrus Processing Residues

SHEN Yan-li1，2， WU Hou-jiu1
(1．Citrus Reserch Institute，Southwest University，Chongqing 400712，China;2．Chongqing Police College，Chongqing 401331，China)

The by-products of citrus fruits processing can be up to 50%of the fruit，which containing a lot of sugar that could be used to prepare molasses and be further fermented into alcohol．The conditions of producing malasses and alcohol were optimized．The amount of quicklime to extract syrup for preparing molasses from citrus processed residues was 0.3%．Molasses with 40%total soluble solid(TSS)was prepared in this study that contained 34%total sugar．The main factors affecting fermentation of the molasses including pH，sugar level，inoculums size of yeast and temperature were studied by means of single factor test，and then an orthogonal test was conducted to optimize the conditions．Optimal fermentation conditions to produce ethanol from molasses were as follows，initial pH 5.0，initial sugar level 25%，inoculums size 3×107/mL，fermentation temperature 30℃ and standing fermentation．Under the optimal fermentation conditions，a level 10.6%of alcohol was obtained．The results indicated that it's feasible to produce fuel alcohol by using molasses extracting from citrus residues．

citrus processing residues;molasses;fermentation conditions;alcohol

TS242.9;TS245.9;TS262.2

A

1671-1513(2012)04-0031-06

2012-03-30

國家“十一五”科技支撐計劃項目(2007BAD47B05);“十一五”行業科技項目(nyhyzx07-023)．

沈艷麗，女，助理研究員，碩士，主要從事農副產品加工方面的研究;

吳厚玖，男，研究員，主要從事農副產品加工方面的研究．通訊作者．