全 文 ：第 26 卷 第 6 期
2008年 11 月
北京工商大学学报(自然科学版)
Journal of Bei jing Technology and Business University(Natural S cience Edit ion)
Vol.26 No.6
Nov.2008
　　文章编号:1671-1513(2008)06-0001-04
运动发酵单胞菌利用早籼米生产乙醇的研究
张　慧 , 　王成涛 , 　曹雁平 , 　王　璨
(北京工商大学 化学与环境工程学院 , 北京　100048)
摘　要:以运动发酵单胞菌 ATCC29121为菌种 ,以早籼米糖化液为原料发酵生产乙醇.通过单因
素试验和正交设计试验 ,研究了发酵温度 、pH 值 、初糖质量浓度 、接种量 、发酵时间等因素对该菌乙
醇产率及生物量的影响.优化后的发酵条件:发酵温度为 30 ℃,pH 值为 5.5 ,初糖质量浓度为 100
g/L ,接种量为 10%,发酵 48 h.在此条件下乙醇产率达 0.4 g 乙醇/g 葡萄糖 , 葡萄糖的转化率是
80.1%.
关键词:运动发酵单胞菌;早籼米;发酵;乙醇;转化率
中图分类号:TQ223.12+2;TS210.1　　　　　文献标识码:A
收稿日期:2008-05-28
基金项目:国家重点基础研究计划资助项目(973项目)(2007CB707802).
作者简介:张　慧(1981—),女,江苏徐州人 ,硕士研究生 ,研究方向为食品生物技术;
王成涛(1969—),男,山东巨野人 ,副教授 ,博士 ,主要从事食品生物技术方面的研究.通讯作者.
　　随着石油 、煤炭等不可再生资源的大量消耗 ,能
源危机和环境污染已经成为影响人类可持续发展的
最大障碍[ 1] .利用生物质可再生资源转化生产燃料
酒精是当前的研究热点[ 2] .目前 ,工业发酵酒精大
多使用酵母菌.运动发酵单胞菌(Zymomonas mo-
bi lis)是一种能够用于酒精生产的优良菌种 ,具有独
特的 ED糖酵解途径 ,并拥有高效的将丙酮酸转化
成酒精的丙酮酸脱羧酶(PDC)和酒精脱氢酶(ADH)
酶系[ 3] .它还具有菌体生成少 , 发酵周期短 , 酒精
产率高(可将98%的葡萄糖发酵转化为乙醇),不需
供氧等特点 , 有可能成为替代酵母菌完成工业酒精
发酵的菌种[ 4] .
国内外工业上大多采用玉米发酵生产乙醇 ,而
利用早籼米作为乙醇发酵原料的研究报道较少.早
籼米含硫化物低 ,精细加工性能低 ,糯性和食用品质
较差 ,但其淀粉含量远远高于玉米淀粉含量 ,蛋白质
含量适中 ,是一种发酵工业微生物的良好碳源[ 5-7] .
本研究以 Zymomonas mobil is ATCC29121 为模式
菌 ,研究其早籼米糖化处理和发酵条件 ,为在工业上
由运动发酵单胞菌化生产乙醇提供理论依据和技术
参数.
1　实验部分
1.1　实验材料
运 动 发 酵 单 胞 菌 (Zymomonas mobil is)
ATCC29121 ,美国标准生物品收藏中心;早籼米 , 湖
南产;α-淀粉酶(3 000 ～ 5 000 U/g),北京双旋微生
物培养基制品厂;糖化酶(100 000 U/g),北京东华
强盛生物技术有限公司.
1.2　培养基
斜面培养基(g/ L):葡萄糖 10 ,酵母浸膏 15 ,蛋
白胨 10 ,琼脂 20 , KH2PO4 1 ,(NH4)2SO4 1 , MgSO4
1 ,NaCl 1.
种子培养基(g/L):葡萄糖 50 , 酵母浸膏 2 ,
KH2PO4 1 ,(NH4)2SO4 1 ,MgSO4 0.5.
1.3　早籼米的处理
早籼米经粉碎后过 60 目筛.将 40 g 籼米粉加
到 200 mL CaCl2溶液(0.01 mol/L)中 ,搅拌均匀 ,配
成籼米粉浆 , 用 5%Na2CO3 调节 pH 值为 6.2 ～
6.3 ,于沸水浴中糊化 30 min[ 8] .向糊化后米浆醪内
加入 α-淀粉酶150 000U/100 g ,液化温度控制在65
±1 ℃,时间为 3 h左右 ,使 DE值达 12%～ 15%,碘
1
液检验呈棕红色.用浓盐酸调节液化液 pH 值至
4.5 ,充分搅拌后加入糖化酶 100 ～ 120 U/g 干物质 ,
糖化温度控制在 60±1 ℃,时间为 28 ～ 32 h , DE 值
达95%～ 98%,碘液检验无色[ 9] .将糖化液降温至
70 ℃,7 000 r/min离心处理 15 min ,上清液即为早
籼米糖化液.
1.4　发酵条件
1)温度
在 250 mL 三角瓶中加入 100 mL 发酵培养基 ,
接种量为 10%,pH 值为 5.5 ,初糖质量浓度为 100
g/L ,不同组别发酵温度分别控制为 20 , 25 , 28 ,30 ,
32 ,35 ,40 ℃,发酵 48 h后分别测定乙醇产量.
2)发酵 pH 值
在 250 mL 三角瓶中加入 100 mL 发酵培养基 ,
接种量为 10%, 温度为 30 ℃, 初糖质量浓度为
100 g/ L ,不同组别发酵 pH值分别控制为 3.5 ,4.5 ,
5.0 ,5.5 , 6.0 ,6.5 , 7.5 ,发酵 48 h 后分别测定乙醇
产量.
3)接种量
在 250 mL 三角瓶中加入 100 mL 发酵培养基 ,
pH 值为 5.5 , 温度为 30 ℃, 初糖质量浓度为 100
g/L ,不同组别接种量分别控制为 6%, 8%, 10%,
12%,14%,16%,发酵 48 h后分别测定乙醇产量.
4)初糖浓度
在 250 mL 三角瓶中加入 100 mL 发酵培养基 ,
接种量为 10%,pH 值为 5.5 ,温度为 30 ℃,不同组
别初糖质量浓度分别控制为 80 , 100 , 120 , 140 , 160
g/L ,发酵 48 h 后分别测定乙醇产量.
5)检测方法与条件
还原糖含量测定 ,兰-爱农法[ 10] ;总糖的测定 ,
酸水解法[ 10] ;DE 值=还原糖/总糖.
菌数测定方法 ,活菌计数法[ 11] .
碘液检测:碘 1 g 加碘化钾 2 g ,用蒸馏水定容
到 300 mL.
乙醇含量的测定:高效液相色谱法[ 12] .检测柱
型号为 IC-pak ,流动相为 0.002 mol/L 硫酸 ,流速为
0.6 mL/min ,柱温为 40 ℃,在此条件下乙醇保留时
间为 28 min.
2　结果与讨论
2.1　温度对乙醇发酵的影响
经测定 ,在不同温度下乙醇的含量 ,如图 1 ,在
20 ～ 30 ℃期间 ,适当升高培养温度有利于乙醇产量
的提高.同样发酵时间 ,随着发酵温度升高 ,乙醇产
量会逐渐增加 ,但是当温度升到 35 ℃时 ,乙醇产量
减少.因此 ,合适的发酵温度为 30 ～ 35 ℃,过高或
过低温度均不利于该菌的乙醇发酵.
图 1　温度对发酵产物的影响
2.2　pH值对发酵产物的影响
pH 值对乙醇产量有较大的影响 ,过高或过低的
pH值均不利于运动发酵单胞菌发酵.分别测定不
同 pH 值下的乙醇含量 ,得图 2.由图 2可知 ,pH 值
为 5.5时 ,乙醇生成量达到最高值 40.8 g/L ,因此 ,
pH 值应控制在 5.5左右 ,以利于乙醇的生成.
图 2　pH 值对发酵产物的影响
2.3　接种量对发酵产物的影响
接种量的大小也是影响发酵的一个重要因素.
若接种量过小 ,不易建立起发酵初期菌种优势 ,易引
起杂菌污染;若接种量过大则衰老菌体增多 ,易引起
菌种早衰[ 13] .图 3是接种量对最终乙醇含量的影
响情况 ,图 3表明 ,该菌株的最适接种量以 10%～
12%为宜.
图 3　接种量对发酵产物的影响
2 北京工商大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　 　2008 年 11月
2.4　初糖浓度对发酵产物的影响
葡萄糖浓度影响运动发酵单胞菌的生长和葡糖
糖转化率.葡萄糖浓度过低 ,乙醇产率低 ,浪费时间
和资源;浓度过高时 ,一定程度上抑制运动发酵单胞
菌的生长和发酵[ 14] .不同初糖质量浓度下的乙醇
含量如图 4 ,由图 4可知 ,随着初糖质量浓度的升
高 ,乙醇产量逐渐增加 ,但当初糖质量浓度升到 100
g/L 以上时 ,乙醇产量增加趋于平缓 ,残糖量增加很
快 ,因此适宜的初糖质量浓度为 100 g/L.
图 4　初糖浓度对发酵产物的影响
2.5　时间对发酵产物的影响
分别测定不同时间下乙醇含量 ,得图 5.由图 5
可知 ,发酵 48 h 时后 ,乙醇产量趋于平缓 ,为最大限
度节约时间 , 提高效率 , 可确定适宜发酵时间为
48 h.
图 5　时间对发酵产物的影响
2.6　优化发酵条件的确定
根据各单因素所确定的条件 ,选择对乙醇产生
影响较大的发酵温度(A)、pH 值(B)、发酵时间
(C)、接种量(D)4个因素 ,以乙醇产量为主要考察
目标 ,按照正交设计完成试验 ,其结果见表 1.由表
1中极值 R ,可排出各因素的影响主次顺序为 B >
C>D >A , 即发酵时间和 pH 值对测定指标影响
较大 ,发酵温度和接种量对乙醇产量影响最小.因
此选择的因素水平为 A 2B 2C2D2 ,即发酵温度为 30
℃,pH 值为 5.5 ,发酵时间为 48 h ,接种量为 10%.
根据所确定的优化条件进行发酵验证试验(3 次平
行试验),乙醇产量平均为 40.77 g/L ,明显优于单
因素试验结果.
表 1　正交设计试验与极差分析
实验号 因素
A B C D
乙醇产量/
(g·L -1)
1 1 1 1 1 14.2
2 1 2 2 2 35.0
3 1 3 3 3 36.1
4 2 1 2 3 19.7
5 2 2 3 1 38.9
6 2 3 1 2 36.4
7 3 1 3 2 25.6
8 3 2 1 3 30.8
9 3 3 2 1 32.0
K 1 28.4 23.4 27.1 28.4
K 2 31.7 34.9 33.5 32.3
K 3 29.5 34.8 28.9 28.9
R 3.3 11.5 6.4 3.9
3　结　论
研究了多种环境因素对 Zymomonas mobilis
ATCC29121乙醇发酵的影响 ,通过单因素和正交设
计试验优化出早籼米糖化液发酵生成乙醇的较佳条
件:初糖质量浓度为 100 g/L ,发酵温度为 30 ℃, pH
值为 5.5 ,发酵时间为 48 h ,接种量为 10%,在此条
件下乙醇产量达到 40.8 g/ L , 葡萄糖转化率为
80.1%.
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STUDY ON FERMENTATION OF ETHANOL USING
SACCHARIFEROUS SOLUTION OF EARLY-INDICA
RICE BY ZYMOMONAS MOBILIS
ZHANG Hui , 　WANG Cheng-tao , 　CAO Yan-ping , 　WANG Can
(College of Chemical and Env ironmental Engineering , Beijing Technology and
Business Universi ty , Beijing 100048 , China)
Abstract:Saccharification liquid of Early-indica Rice w as used as raw material to produce ethanol w ith
the strain of Zymomonas mobilis ATCC29121.Fermentation conditions such as temperature , PH ,
initial content of sugar , time and inoculation amount w ere optimized by sing le facto r and o rthogonal
experiment.The results showed that the maximum ethanol yield could reach 0.4 g ethanol/g glucose ,
and the conversion rate of glucose could reach to 80.1%, when temperature w as 30 ℃, PH was 5.5 ,
initial content of sugar w as 100 g/L , inoculation amount w as 10% and fermentation time reached 48
hours.
Key words:Zymomonas mobilis;early-indica rice;fermentation;ethanol;conversion rate
(责任编辑:叶红波)
4 北京工商大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　 　2008 年 11月