長江大學(xué)學(xué)報(自科版)農(nóng)學(xué)卷2007年3月第4卷第1期Journal of Yangtze University( Nat Sci Edit) Agri Sci V Mar 2007, Vol 4 No. 1生物轉(zhuǎn)化淀粉產(chǎn)燃料乙醇的研究進展張橋(貴州大學(xué)貴州省生化工程中心貴州賈陽55002江大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院,湖北荊州434025)周禮紅,康冀川(實州大學(xué)州省生化工程中心貴州貴陽550025)摘要]淀粉是可再生的有機資源。利用微生物將淀粉轉(zhuǎn)化為燃料乙醇,已成為現(xiàn)今發(fā)酵工程的研究熱點之。綜述了淀粉發(fā)酵工藝流程中原料預(yù)處理、淀粉水解和發(fā)酵3個主要階段的研究概況及存在的問題[關(guān)鍵詞]淀粉;生物轉(zhuǎn)化;燃料乙醇;工藝流程[中圖分類號]Q815[文獻標識碼]A[文章編號]1673-1409(2007)01-S088-04近年來的能源危機和環(huán)境惡化引起世界各國高度重視,尋找替代石油的燃料已成為全球日益緊迫的課題口。燃料乙醇因清潔便捷和可再生,是最有發(fā)展前景的液體燃料,被納入許多國家的發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃,將其部分或全部代替汽油作汽車燃料己成為世界范圍的一種趨勢得到各國政府的支持和鼓勵。通過適當預(yù)處理,任何類型的生物質(zhì)都可以作為酒精發(fā)酵的底物。美國能源部在1993年和1997年的2次規(guī)劃中都將生物能源( Bioenergy)作為重點發(fā)展方向,并預(yù)測2010年生物能源將占整個能源市場的50%。20世紀70年代始,巴西經(jīng)過30年的努力,乙醇燃料已得到廣泛應(yīng)用,直至2002年,巴西乙醇替代汽油的比率接近50%。歐盟在2000年11月提出了清潔能源“綠皮書”,又于2002年4月啟動了“歐洲聰明能源計劃”,計劃2010年生物能源至少達到12%以上3。我國也在“十五”規(guī)劃中將開發(fā)生物能源擺在了重要位置,并通過試點已初步實現(xiàn)汽油中添加10%燃料乙醇的目標燃料乙醇是一種“生長出來的綠色能源”可以用含淀粉(玉米、小麥、和薯類等)、纖維素(秸稈、林木等)或糖質(zhì)(甘蔗、糖蜜等)等原料經(jīng)發(fā)酵蒸餾而制成。我國淀粉資源豐富,年產(chǎn)玉米至少1.2億t,小麥1.0億t左右,薯類0.35億t,它們都是可再生的有機資源,將其生物轉(zhuǎn)化( Biotransformation)為燃料乙醇,可以緩解日益增長的能源問題。國內(nèi)外已有大量關(guān)于淀粉產(chǎn)酒精的研究報告,并初步建立了相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈。目前,美國以淀粉質(zhì)原料為基質(zhì)生產(chǎn)的最終酒精濃度可達到95g/dL,而我國大部分的酒精廠則在60~80g/dL之間15。然而傳統(tǒng)酒精發(fā)酵工藝存在原料轉(zhuǎn)化率不高、產(chǎn)生的酒糟和廢水對環(huán)境造成一定程度的污染,并給酒精生產(chǎn)企業(yè)帶來較大的酒糟后處理壓力等問題。這給科研工作者今后如何充分利用生物質(zhì)能( Biomass energy)提出了新的課題和研究方向。目前已有一些成果得以應(yīng)用,如雙酶法糖化門等,但有些成果的應(yīng)用卻受料液帶渣所擾,如各種固定化發(fā)酵技術(shù)、差壓精餾技術(shù)等[。筆者從生物學(xué)的角度,以其工藝流程為線綜述了淀粉生產(chǎn)燃料乙醇的研究進展。淀粉原料的預(yù)處理玉米、小麥和薯類是富含淀粉的經(jīng)濟農(nóng)作物,這些原料中除富含淀粉外,還含有蛋白質(zhì)、纖維和果膠類物質(zhì)。Wu等對不同基質(zhì)進行研究后指出,不同組分的含量對酒精轉(zhuǎn)化效率存在明顯的影響,尤其是當直鏈淀粉含量高于35%時,酒精的轉(zhuǎn)化效率非常高,而蛋白質(zhì)和纖維含量的變化對酒精轉(zhuǎn)化效率的影響小?？梢娭辨湹矸酆扛叩脑掀贩N是酒精發(fā)酵工業(yè)中所需要的,以玉米淀粉作原料生產(chǎn)酒精是目前美國和歐洲等國廣泛使用的方法對淀粉原料進行預(yù)處理是為了提高淀粉的酶水解糖化交H中國煤化工法(機械研磨、超CNMHG[收稿日期]2006-09-11[第一作者籬介]張析(1971-),男,斕北用州市人,碩士研究生,長江大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院師,從事微生物分子系統(tǒng)學(xué)研究[通訊作者]康翼川l, E-mail jchuank@ yahoo..co.uk.第4卷第1期張橋等:生物轉(zhuǎn)化淀粉產(chǎn)燃料乙醇的研究進展微粉碎等)。預(yù)處理是否適當,對水解糖化效果和淀粉轉(zhuǎn)化率會產(chǎn)生直接或間接的影響。俄羅斯酒精工業(yè)開發(fā)設(shè)計的一種機械渦流均質(zhì)機似乎對降低體系的粘度和保證均質(zhì)性,提高轉(zhuǎn)化率起到了一定的作用。 Liimatainen等「研究指出,馬鈴薯帶皮和不帶皮的加工處理對酒精產(chǎn)量和質(zhì)量有影響。 Shauck等2比較了玉米的干法脫胚脫皮和濕法研磨粉漿的處理工藝,認為濕法研磨粉漿胚芽分離完全、淀粉損失少、淀粉出酒率高可達到53.9%~54.2%但缺點是設(shè)備投入較大,需要建一個不干燥的淀粉車原料還可以通過化學(xué)、物理化學(xué)等方法處理。但無論采用何種方法,都要達到提高酶的水解率,減少碳水化合物的損失,降低對水解及發(fā)酵過程起抑制作用的副產(chǎn)物的過度產(chǎn)生,以及工藝流程的性價比要高等幾個方面的優(yōu)化結(jié)果。淀粉水解乙醇發(fā)酵微生物如釀酒酵母( Saccharomyces cerevisiae)和運動發(fā)酵單孢菌( Zymomonas mobilis),缺乏淀粉水解酶不能直接轉(zhuǎn)化淀粉為乙醇,必須在發(fā)酵之前將淀粉水解為乙醇發(fā)酵微生物可以利用的糖類。目前對酶法水解和微生物水解研究較多2.1雙酶法直接水解淀粉原料生產(chǎn)酒精一般要經(jīng)過液化( Liquefaction)和糖化( Saccharification)過程,傳統(tǒng)液化方式主要通過高溫蒸煮來完成,這種方式不僅能耗高,而且液化效果也欠佳,在一定程度上影響了原料的轉(zhuǎn)化率。近年來,隨著酶制劑行業(yè)的發(fā)展,加酶液化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于淀粉水解口,并已取得了很好的效果。雙酶法糖化是淀粉發(fā)酵生產(chǎn)酒精的重要前期處理步驟,即中溫蒸煮時加入a淀粉酶糖化時加入糖化酶,蒸煮目的是使顆粒狀態(tài)的淀粉變?yōu)楹癄顟B(tài)的淀粉,而糖化的目的則是要把糊化狀態(tài)的淀粉轉(zhuǎn)化為酵母能夠發(fā)酵的糖類。但雙酶法糖化醪制備十分費時,同時由于糖化酶的逆合作用和糖化酶制劑中所含葡萄糖苷轉(zhuǎn)移酶的作用,不可避免地會產(chǎn)生異麥芽糖和潘糖等非發(fā)酵性糖1,從而影響到淀粉的利用率,而且還要考慮體系溫度、pH作用時間、酶用量和原料成分等因素對水解率的影響當前利用淀粉質(zhì)原料發(fā)酵生產(chǎn)酒精,其高成本主要有2個原因:一是酵母菌不能直接利用淀粉,需要使用酶;再者就是淀粉質(zhì)原料需要蒸煮。雖然采用低溫蒸煮或非蒸煮發(fā)酵使能耗降低50%16,但添加大量酶以獲得可發(fā)酵的糖是必須的。因而面對高運作成本的問題,對于如何通過糖化工藝的改善有效降低酒精的生產(chǎn)成本顯得尤為重要。2.2微生物水解采用商業(yè)糖化酶水解淀粉原料生產(chǎn)酒精時成本較高,而將糖化菌與酒精生產(chǎn)菌混合培養(yǎng)于合適的條件下,同步糖化發(fā)酵淀粉生產(chǎn)酒精,不僅可以省去糖化工序,更重要的是能解除淀粉水解產(chǎn)物對糖化的反饋抑制作用1。能產(chǎn)生葡萄糖淀粉酶的微生物21主要有根霉( Rhizopus sp.)、黑曲霉( Aspergillus niger)、泡盛曲霉( Aspergillus awamori)、扣囊擬內(nèi)孢霉( Endomyco psis fibuligera)、枯草芽孢桿菌( Bacil-lus subtilis)等,但目前主要用的菌種是A. niger和Rh,sp.產(chǎn)生的糖化酶。Rh,sp.是最常見的霉菌,繁殖生長快,條件要求不苛刻,在代謝過程中可產(chǎn)生豐富的葡萄糖淀粉酶,具有較強的生淀粉水解能力。曲霉在代謝過程中能產(chǎn)生多種活性酶如葡萄糖淀粉酶、a淀粉酶蛋白酶等,現(xiàn)在工業(yè)上生產(chǎn)糖化酶的菌種主要是A. niger的變異菌種1,1。有不少研究者對此進行了嘗試早在20世紀50年代,日本學(xué)者 Yamasaki等就報道過淀粉不經(jīng)蒸煮直接進行酒精發(fā)酵,發(fā)現(xiàn)A.nier的淀粉酶活力比米曲霉(A. craze)高淀粉可不經(jīng)蒸煮就能被用來發(fā)酵生產(chǎn)酒精。1986年, HideoTanake等將能產(chǎn)a淀粉酶的好氧微生物泡盛曲霉(Asp. awamori)和運動發(fā)酵單孢菌(Z, mobili)混合固定于海藻酸鈣中,直接發(fā)酵淀粉生產(chǎn)酒精。Yeon等混合培養(yǎng) Schwanniomyces castelli和S. cereussiae,直接發(fā)酵可溶性淀粉產(chǎn)酒精,利用率達94%。但有研中國煤化工醇的耐受性低,在現(xiàn)有的工業(yè)發(fā)酵的前期糖化過程中一般不使用產(chǎn)淀粉酶的CNMHG微生物作用是采用邊糖化邊發(fā)酵的原理,該工藝省去了蒸煮和糖化2個工段:蒸煮和預(yù)先糖化,節(jié)約了大量的能耗。鄧立紅等1和 Tanaka等指出混合培養(yǎng)時的關(guān)鍵是如何協(xié)調(diào)糖化菌和發(fā)酵菌的活性比及培養(yǎng)條件的優(yōu)化,使葡萄糖的生成量既能滿足酒精發(fā)酵的需要,又不過多被糖化菌消耗,從而保證酒90長江大學(xué)學(xué)報(自科版)農(nóng)學(xué)卷2007年3月精的得率與產(chǎn)率。發(fā)酵3.1發(fā)酵菌種菌種是酒精工業(yè)生產(chǎn)的原動力,菌種優(yōu)劣不僅直接影響發(fā)酵率的高低,而且影響酒精的產(chǎn)量和質(zhì)量。因此,菌種選育是實現(xiàn)酒精工業(yè)的關(guān)鍵。葡萄糖通過發(fā)酵近乎定量地轉(zhuǎn)化為酒精都是用酵母作菌種,如釀酒酵母(S. cerevIsiae)、卡爾斯伯酵母(S. carlsbergensis)脆壁克魯維酵母( Kluyveromyces fragilis)和熱帶假絲酵母( Candida tropicalis)等,而很少用細菌2)。雖然酵母用于生產(chǎn)乙醇有很多優(yōu)點,但同時也有很大局限性,如可利用的底物種類少,對酒精的耐受力有限2。因其工業(yè)重要性,不同方面的研究屢見報理想的酒精發(fā)酵微生物應(yīng)該具備快速發(fā)酵、乙醇耐受高、副產(chǎn)品少、滲透壓和溫度耐受力強等特性雖然利用酵母發(fā)酵生產(chǎn)乙醇有些缺點,但比其它已知能生產(chǎn)乙醇的微生物更接近上述的特性,目前引起普遍關(guān)注能生產(chǎn)乙醇的微生物是運動發(fā)酵單孢菌。運動發(fā)酵單孢菌利用葡萄糖生產(chǎn)乙醇的速度比酵母快3~4倍,乙醇產(chǎn)量可以達到理論值的97%而且生長不需要氧氣,能忍耐40%(w/w)葡萄糖溶液,在13%(v/v)乙醇濃度中可以生存2)。盡管這樣,運動發(fā)酵單孢菌利用碳水化合物時因代謝存在的問題,如用于細胞生長的能量和副產(chǎn)物等,并沒有在工業(yè)上取代酵母的生產(chǎn)地位。3.2發(fā)酵工藝與傳統(tǒng)發(fā)酵工藝相比,已經(jīng)發(fā)展了一些實際生產(chǎn)良好的發(fā)酵模式,在工藝上得到進一步的完善和創(chuàng)新,如濃醪發(fā)酵、清液發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵等。下面僅就一個發(fā)酵體系中所用菌株的種類介紹當前發(fā)酵工藝的研究概況。(1)單菌種發(fā)酵相對于游離細胞發(fā)酵而言,固定化酵母細胞發(fā)酵生產(chǎn)酒精是自20世紀60年代發(fā)展起來的酒精發(fā)酵新工藝之一[2:,是當今酒精發(fā)酵工藝的重要研究方向之一[2,26,在應(yīng)用和基礎(chǔ)理論研究等方面得到了較大的突破,其中以包埋法應(yīng)用最為普遍。常用的載體有海藻酸鈉、卡拉膠、多孔玻固定化酵母細胞持續(xù)轉(zhuǎn)化底物和生物催化的再循環(huán)是非常有價值的工藝,能使發(fā)酵罐內(nèi)細胞濃度提高,細胞可連續(xù)使用,使最終發(fā)酵液酒精濃度得以提高。如固定化酵母發(fā)酵葡萄糖生產(chǎn)酒精比同樣濃度的懸浮細胞快282。而傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)中的游離細胞發(fā)酵一一間歇發(fā)酵法,具有許多缺點,如發(fā)酵器內(nèi)細胞濃度低,酵母只能一次性使用,設(shè)備復(fù)雜,勞動強度大0。因此開發(fā)固定化酵母發(fā)酵淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)酒精的技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義另外,某些微生物如 Saccharomyces sp.自身有很強的絮凝能力,可形成顆粒,與傳統(tǒng)的各種載體固定化細胞方法相比具有簡單、無附加費用的突出優(yōu)點,可以降低酒精生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率。酵母細胞自絮凝特性為發(fā)酵產(chǎn)酒精提供了新工藝,使得實現(xiàn)酒精連續(xù)發(fā)酵并聯(lián)產(chǎn)酵母十分方便,且發(fā)酵速率快1而兩步連續(xù)發(fā)酵工藝生產(chǎn)酒精目前進一步受到關(guān)注,為提高酒精得率和基質(zhì)轉(zhuǎn)化效率提供了發(fā)展空間2)復(fù)合菌種發(fā)酵由于乙醇產(chǎn)量受末端產(chǎn)物抑制,低細胞濃度以及底物基質(zhì)抑制, Gauss等提出在同一個反應(yīng)罐中進行糖化和乙醇發(fā)酵的同步糖化發(fā)酵法( Simultaneous Saccharification and Fermentation,SsF)3)。這樣a-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶對淀粉水解和乙醇發(fā)酵過程在同一裝置內(nèi)連續(xù)進行,水解產(chǎn)物葡萄糖由菌體的不斷發(fā)酵而被利用,消除了葡萄糖因基質(zhì)濃度對纖維素酶的反饋抑制作用。在工藝上采用一步發(fā)酵法,簡化了設(shè)備,節(jié)約了總生產(chǎn)時間,提高了生產(chǎn)效率。然而復(fù)合菌種面臨的一個重要的問題是因產(chǎn)淀粉酶微生物消耗大量的淀粉而降低了乙醇產(chǎn)量。而有研究報道,由于對乙醇的耐受性低,在現(xiàn)有的工業(yè)發(fā)酵中一般不使用產(chǎn)淀粉酶的微生物。中國煤化工4小結(jié)CNMHG目前看來,因再生能源燃料和礦物燃料的性價比差別,人們依然傾向于使用礦物燃料。但從長遠發(fā)展第4卷第1張橋等:生物轉(zhuǎn)化淀粉嚴燃料乙醇的研究進展來看,隨著經(jīng)濟步人健康的發(fā)展軌道,再生能源的消耗最終會增長,從而逐步取代礦物燃料。作為可再生的綠色資源—淀粉原料,在較多的農(nóng)作物中含量豐富,如玉米、小麥、大麥、馬鈴薯等,但因地域差別,各自占的比重有所不同。因此應(yīng)該結(jié)合地區(qū)的農(nóng)業(yè)特色,開發(fā)挖掘可以生產(chǎn)燃料乙醇的原料。生物質(zhì)原料生產(chǎn)的酒精要和其它燃料競爭,不論采用何種底物,其生產(chǎn)工序必須簡單,能耗低、得率高、成本低廉。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展,利用基因工程手段構(gòu)建和提高直接發(fā)酵淀粉的酵母菌在理論上是可行的,并且已獲得了一些不同類型的重組菌株,而細胞表面展示技術(shù)在實驗室酒精發(fā)酵中的成功運用又給了我們一個方向,這無疑又為酒精發(fā)酵工業(yè)帶來新的希望,并具有很重要的意義,但仍有很多問題需要解決,如乙醇耐受力、反饋抑制、基因的穩(wěn)定性和發(fā)酵工藝的完善等。而從代謝角度出發(fā)的途徑工程和發(fā)酵系統(tǒng)優(yōu)化無疑將是發(fā)酵工程的一個重要方向,包括從基因到蛋白質(zhì)甚至代謝網(wǎng)絡(luò)中不同水平的層疊與整合是認識系統(tǒng)內(nèi)單一組分特性及對整個細胞功能影響的關(guān)鍵3。總之,目前所獲得的重組菌株距離實際的工業(yè)化生產(chǎn)尚待時日。[參考文獻[1]Alan 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Appl Biochem Biotechnol, 2002,984 899--908(下轉(zhuǎn)第106頁)10長江大學(xué)學(xué)報(自科版)農(nóng)學(xué)卷2007年3月3結(jié)論通過以上分析可得出,第一產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,對農(nóng)村剩余勞動力的轉(zhuǎn)移發(fā)揮了重要作用,但是我國農(nóng)村并不存在完全的剩余勞動力,這與舒爾茨在《改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)》中的觀點一致,而且農(nóng)村勞動力的轉(zhuǎn)移對第產(chǎn)業(yè)的貢獻較小;脈沖響應(yīng)和預(yù)測方差分解均表明第二產(chǎn)業(yè)對農(nóng)村勞動力的轉(zhuǎn)移發(fā)揮了重要作用;農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移為第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供大量廉價勞動力,對第三產(chǎn)業(yè)作出了重要貢獻,同時,第三產(chǎn)業(yè)在加快農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移的過程中也發(fā)揮了巨大作用,為促進農(nóng)村勞動力的轉(zhuǎn)移作出了重要貢獻。綜合以上分析可知,農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移與經(jīng)濟增長尤其是第三產(chǎn)業(yè)存在良好的互動效應(yīng)。因此,應(yīng)該全方位為農(nóng)村勞動力提供更多的轉(zhuǎn)移機會和幫助農(nóng)村勞動力擁有更多的就業(yè)機會。從產(chǎn)業(yè)方面看,要大力發(fā)展勞動密集型的第三產(chǎn)業(yè),拓寬農(nóng)村勞動力的就業(yè)渠道。第三產(chǎn)業(yè)包括零售業(yè)、運輸業(yè)、旅游業(yè)、飲食服務(wù)業(yè)、金融業(yè)、房地產(chǎn)業(yè)等勞動密集型產(chǎn)業(yè),而且其吸納勞動力的能力最強。要加大對第三產(chǎn)業(yè)的資金投入,給予屬于第三產(chǎn)業(yè)的企業(yè)各種優(yōu)惠政策,通過資金、技術(shù)、服務(wù)的支持,引導(dǎo)農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移到第三產(chǎn)業(yè)。從勞動者方面看,要加大對農(nóng)村職業(yè)教育、培訓(xùn)的投入,提高農(nóng)村勞動者的勞動技能。第一,在實行九年義務(wù)教育制的基礎(chǔ)上,加強職業(yè)技術(shù)教育。發(fā)展公辦職業(yè)技術(shù)學(xué)校和鼓勵發(fā)展合法的民辦職業(yè)技術(shù)學(xué)校,同時降低人們接受職業(yè)技術(shù)教育的成本,以吸引更多的人特別是生活水平較低的人進入職業(yè)技術(shù)學(xué)校學(xué)習(xí)。第二,開展農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移就業(yè)培訓(xùn)。應(yīng)建立起政府主導(dǎo)型和市場主導(dǎo)型相結(jié)合的轉(zhuǎn)移就業(yè)培訓(xùn)模式,動員政府、企業(yè)、和農(nóng)村勞動力積極投人到轉(zhuǎn)移就業(yè)培訓(xùn)體系中來。[參考文獻[]農(nóng)業(yè)部產(chǎn)業(yè)政策與法規(guī)司.農(nóng)村政策法規(guī)調(diào)查與研究[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2005.349~351[2]中國人民共和國國家統(tǒng)計局中國統(tǒng)計年鑒[M]北京:中國統(tǒng)計出版社,2005.51~52[3]中國人民共和國國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2005118[4]陸學(xué)藝當代中國社會流動[M門北京:社會科學(xué)文獻出版社,2004.307~34[5]約翰斯頓J,迪納爾多J.計量經(jīng)濟學(xué)方法[M].北京:中國經(jīng)濟出版社,2002.289~303[6]趙麗芬李玉山我國財政貨幣政策作用關(guān)系實證研究一基于VAR模型的檢驗分析[J財經(jīng)研究,2006,(2):42~51.上接第91頁)27]肖美燕徐爾尼陳志文包埋法固定化細胞技術(shù)的研究進展[門]食品科學(xué),200324(4):158~161.28]Verbelen P J, De Schutter D P, Delvaux F,et al. 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