[发明专利]以菊粉类生物质为原料的无酶添加生产高浓度乙醇的方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及燃料乙醇技术领域，具体地说，是一种以菊粉类生物质为原料，以酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae DQ1为发酵菌种，在不添加任何外源菊粉酶的条件下，利用酿酒酵母细胞自身产生的菊粉酶酶解菊粉类生物质中的聚果糖同时发酵水解后的单糖生产高浓度乙醇的方法。

【背景技术】

燃料乙醇是当前世界范围内首选的石化汽油的可再生液体燃料替代品。2010年全世界燃料乙醇产业的生产能力已经接近1亿吨，所使用的原料基本都是玉米和蔗糖等粮食作物。中国2010年燃料乙醇产量约为170万吨，主要使用玉米和小麦等粮食原料。目前燃料乙醇产业的扩张已经严重影响了世界粮食市场的供给和价格。燃料乙醇的原料非粮化已经成为共识和趋势。菊芋是一种可以在干旱地、荒草地、盐碱地等边际性土地上生长的非粮生物质，其块茎由高含量的果聚糖组成；菊芋产量高，价格低，因此在不与人争粮、不与粮争地大前提下，从菊芋块茎中发酵生产乙醇得到了广泛的关注。

利用菊芋发酵生产乙醇主要是利用菊芋中大量存在的菊粉。菊粉是一种贮存性多糖，含量达菊芋块茎的干重的75-80％，是一种由呋喃构型的D-果糖经β(2→1)糖苷键脱水聚合而成的直链果聚糖混合物，其终端以α(1→2)糖苷键连接一分子葡萄糖，一般聚合度在2～60，分子量在342～9738之间。收获季节、气候、土壤以及储藏条件等都会对菊粉的平均分子量和聚合度产生重要影响。

菊粉经菊粉酶水解后转化为主要是果糖，还有少量的葡萄糖，可以作为发酵和生物转化的碳源。菊粉酶是能够水解β-2，1-D-果聚糖果糖苷键的一类水解酶。很多微生物都能产生菊粉酶，如马克斯克鲁维酵母Kluyveromyces marxianus、黑曲霉Aspergillus、葡萄球菌Staphylococcus和Xanthomonas等。菊粉酶有内切型和外切型。内切菊粉酶(Endoinulinase，EC3.2.1.7)随机地断开菊粉链内部的糖苷键，水解产物主要为低聚果糖；外切酶(Exoinulinase，EC3.2.1.80)作用于菊粉链的非还原性末端的糖苷键，逐一水解释放出果糖，以及聚果糖末端的一个葡萄糖分子。

国内外对发酵菊芋生产乙醇进行了大量研究工作，先后报道了各种菊粉生产乙醇的工艺技术，包括先酸解或用黑曲霉等微生物产生的菊粉酶水解菊粉，再利用酿酒酵母发酵生产乙醇(分步糖化发酵法)，或者将菊粉酶和酵母细胞共同加入发酵体系后同步糖化与发酵生产乙醇(同步糖化发酵法)，或者直接利用产菊粉酶酵母发酵生产乙醇(一步法发酵)等。

袁文杰等人(生物工程学报，2008，24(11)，1931-1936)利用Kluyveromyces marxianus YX01具有菊粉酶生产能力的特点，直接发酵菊芋生产乙醇。该菌株最适发酵温度为35℃。在菊粉浓度为235g/L时，发酵终点乙醇浓度达到92.2g/L，为理论值的85.5％。在此基础上，使用近海滩涂种植海水灌溉收获的菊芋为底物，以批式补料方式直接发酵菊芋干粉浓度为280g/L的底物，发酵终点乙醇浓度为84.0g/L，为理论值的80.0％。

吕跃钢等人(食品与发酵工业，2003，29(5)，66-68)将酿酒酵母细胞与菊粉酶共同固定在载体上，以菊芋为原料发酵生产乙醇。温度为30℃，pH值为5.5，发酵液糖浓度为20％，在发酵24h时乙醇转化率达98.5％，发酵醪中乙醇含量达11.98％。

Yuan等人(Journal of Applied Microbiology，2008，105，2076-2083)利用Kluyveromyces marxianus ATCC8544对近海滩涂种植海水和淡水混合灌溉收获的菊芋进行了发酵生产乙醇，最优的酵母生长和菊粉酶生产温度为38℃，而最优的乙醇发酵温度为35℃。用干的菊芋粉分别在三个固体浓度200，225和250g/L下进行发酵，在200g/L可以得到最高的乙醇得率91.5％，相应的乙醇和残留的总糖浓度分别为60.9g/L和22.2g/L。