菊芋制備生物乙醇的研究進(jìn)展

安農業(yè)科學(xué), Journal of Anhui Agri.Sci.2010,38(26):14819-14820責任編張楊林任校對況玲玲菊芋制備生物乙醇的研究進(jìn)展張美德2(.中國科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所山東青島261012中國科學(xué)院研究生院,北京1009摘要從發(fā)酵工藝、栽培、收獲等方面概逑了國內外菊芋竽制備生物乙醇方面的研究進(jìn)展,在分析菊芋制備生物乙醇的優(yōu)勢的同時(shí),提出了菊芋制備生物乙醇產(chǎn)業(yè)化中尚待解決的一些問(wèn)題。關(guān)鍵詞菊芋;生物乙醇;進(jìn)展中圖分類(lèi)號S682.11文獻標識碼A文章編號0517-6611(2010)26-14819-02Research Progress of Bioethanol from Jerusalem ArtichokeZHANG Mei-de Qingdao Institute of Bioenergy and Process, Chinese Academy of Sciences, Qingdao, Shandong 266101)Abstract Research progress of bioethanol from jerusalem artichoke on aspects of fermentation, culture and harvest were reviewed. Advantageswell as problems in ethanol production from jerusalem artichoke were also analyzed.ey words Jerusalem artichoke: Bioethanol; Progress生物乙醇是指以生物質(zhì)為原料,經(jīng)過(guò)發(fā)酵、蒸餾工藝制分的損失。成的燃料乙醇。它可以單獨或與汽油混配制成乙醇汽油作研究表明發(fā)酵時(shí)的pH值酵母類(lèi)型會(huì )影響乙醇的為汽車(chē)燃料。生物乙醇的開(kāi)發(fā)能減輕人類(lèi)對石油等化石燃 Guiraud等發(fā)現在pH值35的條件下,具有菊粉酶活性f料的依賴(lài)降低溫室氣體的排放,從而更好地保護環(huán)境。巴母在半連續過(guò)程培養7d后能達到較高水平的發(fā)酵效果。而西和美國分別以甘蔗和玉米為原料成功開(kāi)發(fā)了生物乙醇。在非酸性條件時(shí),會(huì )產(chǎn)生沉淀,從而降低發(fā)酵效率。Sam近年來(lái)我國也相繼對甜高粱、木薯、甘薯、菊芋等植物開(kāi)展 belan等研究表明當用具有菊粉酶活性的酵母( kluyteromy.了生物乙醇開(kāi)發(fā)方面的研究。由于菊芋高效多產(chǎn)且適應性 ces fragilis)與無(wú)菊粉酶活性的釀酒酵母( Saccharomyces cervi-強能忍受干旱、鹽堿貧瘠等惡劣環(huán)境符合“不與人爭糧、ie)或運動(dòng)發(fā)酵單胞菌( Zymomonas mobilis)混合使用時(shí),能不與糧爭地”的生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)原則,因而引起了廣泛的獲得比使用單個(gè)微生物高2%-12%的乙醇產(chǎn)量。關(guān)注。筆者綜述了菊芋制備生物乙醇的研究進(jìn)展旨在為更1.2載培品種對菊芋乙醇生產(chǎn)的影響栽培品種也會(huì )影響好地開(kāi)發(fā)生物能源提供參考菊芋乙醇的產(chǎn)率。 Baldini等對6個(gè)菊芋品種的塊莖和莖1菊芋制備生物乙醇研究概況稈中菊粉和糖含量進(jìn)行了評估,發(fā)現品種間差異較大。菊芋( Helianthus tuberosus L.)別名洋姜鬼子姜是菊科 Stolzenburg對17個(gè)菊芋裁培品種的塊莖產(chǎn)量和乙醇產(chǎn)率進(jìn)向日葵屬多年生植物。原產(chǎn)北美17世紀移植于歐洲,目前行了研究,發(fā)現塊莖產(chǎn)量越高,乙醇產(chǎn)率也越高。如BS86遍及加拿大美國英國、法國德國、意大利荷蘭、日本、印17塊莖產(chǎn)量和乙醇產(chǎn)率分別為122hm2和5589/hm2,度等國我閡從南至北均有栽培。菊芋塊莖中富含豐富的菊而 Henriette的塊莖產(chǎn)量和乙醇產(chǎn)率分別為5.6uhm2和粉轉化為果糖后可用來(lái)生產(chǎn)乙醇。國外從20世紀20年代2630Lhm219開(kāi)始就已經(jīng)研究利用菊芋生產(chǎn)乙醇。 Kosaric等使用一種凝1.3收獲季節及儲藏溫度對菊芋乙醇生產(chǎn)的影響收獲時(shí)聚性莫氏假單胞桿菌發(fā)酵菊芋汁液生產(chǎn)乙醇在批量生產(chǎn)中間對菊芋乙醇生產(chǎn)也是至關(guān)重要的。 Saengthongpinit等對不每升汁液含有245g糖可以獲得乙醉約100gL,相當于理同收獲時(shí)間以及儲藏溫度下菊芋塊莖中菊粉的變化情況進(jìn)論產(chǎn)量的9%,每公頃每年生產(chǎn)的塊莖可以轉化成4500L行了研究,發(fā)現較晚收獲的塊莖中菊粉含量減少而果糖和乙醇和碳氫燃料2】。目前已經(jīng)在發(fā)酵工藝栽培收獲等蔗糖含量增加。相關(guān)研究表明10月份收獲的塊莖具方面開(kāi)展了菊芋制備生物乙醇的研究有較差的發(fā)酵效果;而過(guò)冬后收獲或低溫儲藏的塊莖具有很1.1發(fā)酵工藝對菊芋乙醇生產(chǎn)的影響在發(fā)酵生產(chǎn)生物好的發(fā)酵效果。這是因為過(guò)早收獲時(shí),由于綠原酸或類(lèi)似的乙醇前,生物質(zhì)材料需要經(jīng)過(guò)一系列的預處理,如材料破發(fā)酵抑制物的存在,會(huì )影響發(fā)酵效果。而過(guò)冬后收獲或低碎、果肉果漿分離等。進(jìn)一步的處理則包括木質(zhì)素去除溫儲藏時(shí),塊莖中的菊粉會(huì )降解成大量可發(fā)酵的糖分,從而及將細胞或半細胞成分水解消化成可發(fā)酵成分。根據發(fā)酵具有理想的發(fā)酵效果。所需的步驟,可以把菊芋發(fā)酵生產(chǎn)乙醇工藝分為單獨水解發(fā)酵法(SHF)和同時(shí)糖化發(fā)酵法(SF)“。SHF指先通過(guò)1.4莖和塊莖的乙醇生產(chǎn)潛力比較在以往的研究中,主酸或酶水解將菊粉轉化成可發(fā)酵糖分然后轉移到另一容要用塊莖來(lái)生產(chǎn)乙醇。近年來(lái)開(kāi)始有人研究用菊芋的地上部分(莖)來(lái)生產(chǎn)乙醇。根據光合同化物分配模式的變器用細菌或酵母發(fā)酵生產(chǎn)乙醇;而SSF則無(wú)需經(jīng)過(guò)事先水解直接用具有菊粉酶活性的一類(lèi)酵母(如 kluyveromyces ma.化,菊芋的生長(cháng)發(fā)育可分為以下5個(gè)時(shí)期:萌發(fā)和形態(tài)建成brians)即可在一個(gè)容器內進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。和SHF法相期、根狀莖形成期、開(kāi)花期塊莖形成期和衰老期“。在塊莖比,SF法操作簡(jiǎn)單能節約大量的能耗,以及減少可發(fā)酵糖形成期之前葉片光合作用積累的光合產(chǎn)物主要存貯于莖葉中;在塊莖形成期莖葉中存貯的光合產(chǎn)物直接轉移到塊莖作者簡(jiǎn)介張美(1978-),男,江西奉新人,博士研究生,研究方向:中同時(shí)葉片光合作用剛固定的光合產(chǎn)物也直接運輸到塊莖植物生理。14820安撒農業(yè)科學(xué)個(gè)不同成熟期品種進(jìn)行了莖和塊莖的乙醇生產(chǎn)潛力比較。然雜志,0029(1):21-25結果表明,早熟品種莖和塊莖的產(chǎn)量都低于中、晚熟品種[2] KOSARIC N, COSENTINO G P WIECZOREK A, et al. The jerusalem arti.choke as an agricultural crop[ J]. Biomass, 1984,5: 1-36中晚熟品種的莖和塊莖都表現出更高的產(chǎn)糖量,因此有更[3] SWANTON C J, CAVERS P B. Biomass and nutrient allocation patterms in高的乙醇生產(chǎn)潛力。另外,中、晚熟品種莖的乙醇生產(chǎn)潛力jerusalem artichoke(Helianthus tuberosus)[J]. Canadian Joumal of Bota-my,198967:2880-287僅為塊莖乙醇生產(chǎn)潛力的38%時(shí)。[4]KAYS S J, NOTTINGHAM S T Biology and chemistry d2菊芋制備生物乙醇的優(yōu)勢hoke: Helianthus tuberosus L. [M]. Boca Raton Fl: CRO[5]GUIRAUD J P, CAILLAUD J M, GAIZY P Optimization前美國的玉米乙醇、巴西的甘蔗乙醇、法國的甜菜乙duction from jerusalem artichokes[J] Applied Microbiology and Biotech-醇等乙醇開(kāi)發(fā)都比較成功然而也有不足之處。如美國由于種植玉米需要占用大量的耕地,從而引發(fā)了全球糧食危機[6]SZAMBELAN K, NOWAK J, CZARNECKI Z Use of Z,mobisand Saccharummixed with Kluyveromyces fragilis for此外種植玉米需要農藥氮肥等的大量投入,并產(chǎn)生與化石proved ethanolfrom jerusalem artichoke tubers[ J]. BiotechnolLetters,2004,26:845-848.能源相似的溫室氣體排放量“。與玉米、甘蔗甜菜等相(] CHABBERT N, GUIRAUD J P, ARNOUX M, al. Productivity and fer-比,菊芋具有下列優(yōu)點(diǎn):可以在干旱、鹽堿、貧瘠等惡劣環(huán)境an[J. Biomass,1986,6:271?284中生長(cháng),因此不會(huì )占用耕地;肥料殺蟲(chóng)劑灌溉等方面所需[8] BALDINI M. DANUSO F, TURI M, et al. Evaluation of new clones df je=m投入低°。周正等進(jìn)行了菊芋替代玉米發(fā)酵生產(chǎn)乙醇方面artichoke( Helianthus tuberosus L )for inulin and sugar yield fromstalks and tubers[J]. Industrial Crops and Products, 2004, 19: 25? 40.的研究結果表明由菊芋生產(chǎn)燃料乙醇的成本比玉米燃料[9] STOLZENBURG K Topinambur( Helianthus tuberosus L.)- Rohstoff fur乙醇更具優(yōu)勢。如果能提高原料的利用率以及增加副產(chǎn)品die Ethanodgewinnung, Lap Forchheim Germany 2006[ Eb/oL ]. Http!//的利用價(jià)值菊芋燃料乙醇的優(yōu)勢將更明顯m。[10] SAENGTHONGPINTT W, SAJAANANTAKUL TInfluencetime and storage temperature on characteristics of inulin from隨著(zhù)人類(lèi)的大量開(kāi)發(fā)利用石油等化石能源面臨枯竭的artichoke( Helianthus tuberosus L )tuber [J]. Postharvest Bi險而且這些化石能源所釋放的SO2和CO2已經(jīng)嚴重威脅[1] CASERTA G, CERVIGNI T. The use of Jerusalem artichoke stalks for the到人類(lèi)生存的生態(tài)環(huán)境。因此開(kāi)發(fā)新的環(huán)保能源來(lái)取代化石oduction of fructose or ethanol[J ] Bioresource Technology, 1991, 35能源增是避免環(huán)境懸化的有力手取而能源植物以其資源的12)16Aa面fermentation[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2006, 129/132:922-932.產(chǎn)業(yè)“十一五發(fā)展規中菊芋與甜高梁木薯甘薯等一并列cmMD0M以出為我國生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)優(yōu)先發(fā)展的能源植物。菊芋等生物質(zhì)能源adducts,2006,24:314-320的開(kāi)發(fā)將有利于緩解能源短缺的緊張局面。然而,要實(shí)現菊1 PEARCE F Fu郵 ig risks d the biofuel evolution[I]rsa芋能源乙醇生產(chǎn)工業(yè)化,還需要做好以下幾方面的工作:①[15] PIMENTEL D. Ethanol fuels: energy balance, conomic, and environmen-提高產(chǎn)量,降低栽培、收獲、運輸成本。通過(guò)基因改良等方式impacts are negative[J]. Natural Resources Research, 2003, 12: 127培育高產(chǎn)且抗逆性強的菊芋品種,提高菊芋的產(chǎn)量。同時(shí)通16] KLASS D L. Biomass for renewable energy,wi, and chemicals[M].San過(guò)就近加工等方式努力降低菊芋乙醇生產(chǎn)成本。②提高副[7]周正曹海龍朱豫等菊芋替代玉米發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的初步研究[門(mén)產(chǎn)品的利用價(jià)值。如菊芋乙醇生產(chǎn)后產(chǎn)生的漿液可用作動(dòng)西北農業(yè)學(xué)報2008,7(4):27-301,30物飼料。③改進(jìn)乙醇生產(chǎn)工藝,提高乙醇產(chǎn)率降低乙醇[18]葛月紅菊芋栽培技術(shù)[門(mén)內蒙古農業(yè)科技,3008(5):114.生產(chǎn)總成本增強菊芋生物乙醇的市場(chǎng)競爭力。[19]劉彥宋維平,張艷菊粉對豬肉脂肪組織中3-甲基吲哚含量的影響參考文獻[J].華北農學(xué)報006,21(6):128-130[]李軍吳平治李美茹等能源植物的研究進(jìn)展及其發(fā)展趨勢[自(上接第14801頁(yè))4結語(yǔ)3《園林植物遺傳育種學(xué)》實(shí)驗教學(xué)改革效果實(shí)驗教學(xué)是高校培養學(xué)生的重要環(huán)節,如何充分開(kāi)發(fā)經(jīng)過(guò)幾輪的教學(xué)實(shí)踐通過(guò)不斷地改革與探索新的教利用有限的實(shí)驗資源條件對于提高實(shí)驗教學(xué)水平至關(guān)重學(xué)模式克服了傳統教學(xué)模式的弊端充分挖掘了可利用的資要?？傊?創(chuàng )新能力的培養是順應時(shí)代發(fā)展所提出的。每源,節約了教學(xué)成本使學(xué)生的學(xué)習效果得到了提高深受位高校教師只有不斷地更新教學(xué)觀(guān)念,采用創(chuàng )造性的教學(xué)學(xué)生的歡迎。對20072008級園林專(zhuān)業(yè)學(xué)生進(jìn)行了問(wèn)卷調手段和方法,與時(shí)俱進(jìn),才能有效地調動(dòng)學(xué)生學(xué)習的興趣,查評估了實(shí)驗教學(xué)改革的效果,多數學(xué)生認為改革效果從而培養學(xué)生的創(chuàng )新能力。較好”或“非常好”(表3)。學(xué)生親自實(shí)踐每一個(gè)試驗環(huán)參考文獻節激發(fā)了科研興趣,提高了綜合運用知識解決問(wèn)題的能[1]李明銀楊柯郭英等園林專(zhuān)業(yè)實(shí)用型人才培養模式初探[綿陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報,20,2(8):142-146力;模擬科學(xué)研究的環(huán)境培養學(xué)生的自學(xué)統籌、管理與合(2]吳建慧王盧斌在園林植物育種學(xué)”教學(xué)中培養學(xué)生創(chuàng )新能力的探作等綜合能力。討J]中國林業(yè)教育,2005(3):64-65