高瞻一班專題研究報告

高瞻一班專題研究報告

作品名稱：杜康再世─澱粉質原料生產生質酒精

關 鍵 詞：生質酒精、酵母菌、酒精發酵

作者：

黃仲瑋。高二 4 班。

周宏建。高二 4 班。

賴紀維。高二 4 班。

指導老師：

王姍佩

摘要

本實驗是使用新鮮作物(甘藷與玉米)及加工製品(甘藷粉與玉米粉)等澱粉質原料來進行 酒精發酵，並透過蒸餾法，以產生生質酒精。

首先將澱粉質原料液化，再使用α -澱粉酶進行糖化，接著使用酵母菌進行酒精發酵2天，

最後再用蒸餾法蒸餾發酵液並依溫度分段取其產物，而我們為了確定其產物是否為酒精，故 配置了Lucas試劑來判定產物為幾級醇，再使用過錳酸鉀的氧化還原反應，判定產物是否為酒 精。

由實驗結果得知於同濃度下，新鮮甘藷生成的酒精較新鮮玉米多，而玉米粉之酒精生成 量卻較甘藷粉來的多。由於有礙於實驗器材的不足，故我們無法將產出之生質酒精純化，導 致其生成物內含雜質，因而產生共沸現象，使產出之生質酒精沸點高於正常值。

壹、 研究動機

近年來，在工業與科技的快速發展下，人們積極地開發建設、使用大量的化石燃料，也 砍伐了大片森林，不僅破壞地球的生態環境，更排放了過量的溫室氣體，加強了溫室效應，

造成全球暖化、氣候變遷等問題，對地球環境和人類社會都產生了極大的影響，此外，也使 得化石燃料即將耗盡，因此尋找可再生的綠色能源成為了目前各國極為迫切的研究課題，而 根據國際能源機構調查顯示，台灣人口僅佔世界的千分之三，但所排放的二氧化碳卻達全世 界的百分之一，正因如此我們決定以最近極為熱門的生質能源做為研究主題。

我們在高一學基礎生物時，剛好教到了酵母菌在缺氧的環境下，會行酒精發酵作用，老 師對此也有許多的補充介紹、對我們有許多的啟發，所以我們決定利用酵母菌的酒精發酵作 用來提煉生質酒精。

在我們查詢許多相關資料後得知，製造生質酒精的原料大致區分為３類，分別是糖質、

澱粉質、纖維質等原料，而目前用來製造生質酒精的原料，以玉米和甘蔗為大宗，分別是澱 粉質和糖質作物。後來又查詢到農委會已於２００６年公告甘藷為台灣生質酒精料源之能源 作物，而且其生長期短、適應性廣，安定性高、可機械化採收，更富含澱粉質，是台灣自產 酒精原料作物中成本較為低廉的。因此，我們決定以生活中垂手可得的澱粉質作物（玉米與 甘藷）作為實驗的原料，也藉此比較同為甘藷澱粉和玉米澱粉製成的加工製品（玉米粉與甘 藷粉），其經由發酵作用後所生成之酒精量與其差異性。

另外我們時常從大眾傳播媒體得知相關的報導，許多國家正積極開發生質能源，因而引 發我們進一步去深入了解，我們應以人類種族及各生物種族存亡的問題為優先，不要再讓利 慾薰陶了我們的心，大家應共同為維護地球的環境而努力，本文將從如何用澱粉質原料產生 生質酒精及其酒精生成量等方面去探討、去延伸。

貳、 研究目的

一、比較新鮮作物（甘藷、玉米）與加工製品（甘藷粉、玉米粉），在同濃度下發酵生成之酒 精生成量。

二、比較新鮮作物（甘藷、玉米），在不同濃度下發酵生成之酒精生成量。

參、 研究背景

一、酵母菌的簡介

酵母菌為圓形或橢圓形單細胞且具有細胞核的單細胞生物。在分類學上，酵母菌 屬於真菌界；它不具有葉綠素，不能行光合作用，必須自周遭環境中攝取有機物質來 進行其生理代謝。在自然界，他們常分布於富含糖質的環境中，例如花蜜、果汁、水 果表面上均可發現他們的蹤跡；這是因為酵母菌對高濃度醣類具有耐性，喜好利用醣 類進行代謝以獲取能量來生長與繁殖之故。

酵母菌的直徑比細菌大十倍，因酵母種類不同而不同差異，且即使同一種酵母菌 也會因培養條件或發育時期不同而有異。一般直徑約在５μ ｍ，可利用光學顯微鏡，

４０Ｘ及１００Ｘ的接物鏡下觀察。其依型態不同可分為：cerevisiae 型：球形與卵形(如 啤酒酵母 Saccharomyces cerevisiae)、elipsoideus 型：橢圓形(如葡萄酒酵母 Saccharomyces elipsoideus)、pastorianus 型：香腸型、apiculatus 型：檸檬型、trigonopsis 型：三角形。

酵母菌的增殖法：主要為出芽生殖 (budding)，但也有少數的酵母菌是以細胞均等 分裂為二的方式繁殖，偶而也會發生有性生殖，行子囊孢子來增殖。

目前人類應用最廣且了解最清楚的酵母菌，是「啤酒酵母」(Saccharomyces

cerevisiae)，也有人將之稱為「麵包酵母」，這是因為此菌種被廣泛地應用於釀酒及烘培 發酵麵製品之故。它有兩套代謝醣類的本領：「有氧代謝」與「無氧代謝」。當在有氧 的環境下，酵母菌可利用氧氣進行呼吸作用，將糖轉化成大量能量及二氧化碳，供細 胞大量快、快速地進行細胞的生長與繁殖。而在無氧的環境下，則利用發酵作用將醣 類轉化成酒精與二氧化碳，同時可釋放出較少的能量以進行基本的代謝作用。

酵母菌種類繁多，作為本實驗的酒精發酵菌種為 Saccharomyces cerevisiae BCRC 21679，或稱為清酒酵母，兼性厭氧菌。其優點是可產生高濃度的酒精，易培養，發酵 能力強及產生酸的能力低，影響生長的條件為溫度、通氧量、pH 值及培養基組成等。

圖一、本實驗之酵母菌株 ( Saccharomyces cerevisiae BCRC 21679)

二、菌種活化方式

(一) 凍管復活到試管，０.５mL 菌液＋９.５mL broth，３０℃，培養２天。

(二) 將培養完的菌液塗抹於 YM agar 斜面培養基上，３０℃，培養２天。

(三) 從斜面培養基取出菌種接種至１０mL YM broth，３０℃，培養２天。

(四) 培養完成後再取１mL 的菌液到含有 100mL YM broth 的三角錐形瓶中，以 50rpm 震盪 搖瓶，30℃，培養２天。

(五) 經過序列稀釋後，塗抹於 YM agar 上培養之後計算其菌數，酒精發酵所接種的酵母量 約為 10^６～10^７ CFU／mL。

肆、 研究設備及器材

一、 實驗設備

(一)、 電子秤 (十)、石蠟膜(避免蒸餾過程中氣體外洩) (二)、 小刀 (十一)、溫度計

(三)、 加熱器 (十二)、燒瓶 (四)、 微量滴管 (十三)、燒杯 (五)、 無菌操作台(進行酵母菌的接種) (十四)、試管 (六)、 震盪混合儀 (十五)、鐵架 (七)、 低溫震盪培養箱 (十六)、橡皮塞 (八)、 李必氏冷凝器 (十七)、橡皮管 (九)、 酒精燈

二、 實驗材料

(一)、 新鮮甘薯 (六)、α -澱粉酶 (α - amylase)

(二)、 新鮮玉米 (七)、酵母菌株 ( Saccharomyces cerevisiae BCRC 21679) (三)、 地瓜粉 (八)、過錳酸鉀 (為確認實驗所蒸餾出的物質為酒精) (四)、 玉米粉 (九)、無水氯化鋅 (為配置 Lucas 試劑)

(五)、 濃硫酸 (十)、濃鹽酸 (為配置 Lucas 試劑)

伍、研究方法及過程

一、研究方法及過程

(一) 酒精發酵實驗 1. 實驗材料

(1) 澱粉質原料─甘藷粉、玉米粉、新鮮甘藷 (地瓜)、新鮮玉米 (2) α -澱粉酶 (α - amylase )

(3) 酵母菌株 ( Saccharomyces cerevisiae BCRC 21679 ) 2. 方法與步驟

(1)液化：取甘薯粉 20 克，加熱水至 100mL，配置成 20%澱粉水溶液，加熱化成澱 粉液，冷卻至 50℃以下。

(2)糖化：將(1)之澱粉液加入α -澱粉酶 ( 20～200U/mL )，放入水浴槽(50℃；100rpm) 中，反應 4 到 6 小時，形成糖溶液。

(3)接菌發酵：將(2)的澱粉糖化液當作基質，分別接種 30℃培養兩天菌體量約 10⁶ ～10⁷ CUF/mL 的酵母菌株 ( Saccharomyces cerevisiae BCRC 21679)，再放入

30℃的震盪培養箱中密閉靜置發酵。

(4)酒精分離：利用酒精蒸餾，將酒精發酵完成酒醪置入蒸餾裝置，進行蒸餾。

澱粉作物

新鮮作物 加工製品

玉米

甘薯 玉米粉 甘薯粉

液化

糊化

糖化

接菌發酵

生質酒精

α -澱粉酶 ( 20- 200U/mL )

3. 實驗流程

(二) 酒精的蒸餾測試 1. 實驗步驟

(1) 架設蒸餾裝置，把發酵液與沸石置於蒸餾瓶中，開始加熱。

(2) 注意溫度變化，發酵液會因加熱而開始沸騰。

(3) 分別擷取 90～93℃、93～96℃、96～99℃三段溫度之蒸餾液。

圖二、酒精蒸餾實驗裝置

甘藷粉：熱水 (1：5) 玉米粉：熱水 (1：5)

加入α - amylase 20～200 U/mL (100 U/mL)

水浴槽(50℃；6 小時；100rpm)

加入Saccharomyces cerevisiae BCRC 21679 10

⁶

⁷

2. 實驗裝置

圖三、酒精蒸餾

(三) 酒精的測試

目的：為確認實驗所蒸餾出的物質為酒精 1. Lucas 試劑

(1)實驗原理

其反應速率與醇的結構有關，醇的活性次序是：三級醇 > 二級醇 > 一級醇 三級醇與 Lucas 試劑很快發生反應，生成的氯代烷令溶液立即混濁(０

^～

一級醇在常溫下不發生作用 (2) Lucas 試劑的配製

於冰浴下，將 13.6 克 (0.1mole)的無水氯化鋅溶於 10.5 克 (0.1 mole )濃鹽酸 (3)實驗步驟

a. 取 0.2mL 的蒸餾液置於試管中，於室溫下加入 0.2mL 的 Lucas 試劑 b. 以橡膠塞封閉管口，並用力搖晃，之後讓試管內的混合物靜置 c. 紀錄溶液變為混濁的時間

d. 確認測試物應屬於幾級醇 2. 過錳酸鉀測試

(1) 實驗原理

酒精在酸性環境上與過錳酸鉀反應（氧化還原反應），會造成原本紫紅色的過錳

酸鉀形成粉紅色的錳離子。乙醇與過錳酸鉀反應反應式：

MnO4-

(aq)+ CH3CH2OH(aq) + H⁺(aq) → CO2(g)+ Mn²⁺(aq) + H2O(l)

KMnO4+ H⁺+ C

2

5

(2)實驗步驟

a. 取紫紅色的過錳酸鉀溶液 5mL 加入試管中，滴入數滴濃硫酸，使溶液維持酸 性環境。

b. 再將蒸餾液 5mL 加入試管之中，觀察試管中的顏色變化。

陸、研究結果

一、40 克新鮮甘藷

收集蒸餾液的溫度範圍 90～93℃ 93～96℃ 96～99℃

蒸餾液毫升數 5 .1mL 17 .3mL 0 mL Lucas 測試結果 一級醇 一級醇

過錳酸鉀測試結果 無色 無色

二、20 克新鮮甘藷 (註：見圖四)

收集蒸餾液的溫度範圍 90～93℃ 93～96℃ 96～99℃

蒸餾物毫升數 4.3mL 22.9 mL 0 mL Lucas 測試結果 一級醇 一級醇

過錳酸鉀測試結果 無色 無色

三、20 克甘藷粉 (註：見圖五)

收集蒸餾液的溫度範圍 90～93℃ 93～96℃ 96～99℃

蒸餾物毫升數 1.5 mL 4.2mL 0 mL Lucas 測試結果 一級醇 一級醇

過錳酸鉀測試結果 無色 無色

四、40 克新鮮玉米 (註：見圖六、討論一)

收集蒸餾液的溫度範圍 90～96℃ 96～99℃ 100℃以上 蒸餾物毫升數 0mL 16.7 mL 18.5 mL

Lucas 測試結果 一級醇

過錳酸鉀測試結果 粉紅色 褐色

五、20 克新鮮玉米 (註：討論一)

收集蒸餾液的溫度範圍 90～93℃ 93～96℃ 96～99℃

蒸餾物毫升數 2.2mL 7.9mL 0mL Lucas 測試結果 一級醇 一級醇

過錳酸鉀測試結果 粉紅色 粉紅色

六、20 克玉米粉 (註：見圖七)

收集蒸餾液的溫度範圍 90～93℃ 93～96℃ 96～99℃

蒸餾物毫升數 2.4 mL 5.6 mL 0mL Lucas 測試結果 一級醇 一級醇

過錳酸鉀測試結果 粉紅色 粉紅色

圖四、新鮮甘藷使用過錳酸鉀測試結果 圖五、甘藷粉使用過錳酸鉀測試結果

圖六、新鮮玉米使用過錳酸鉀測試結果 圖七、玉米粉使用過錳酸鉀測試結果

柒、討論

一、本實驗澱粉質原料使用了新鮮的玉米來發酵，並測量其是否產生生質酒精，分別取了 20 克及 40 克的新鮮的玉米來測量，實驗結果測量出玉米的酒精產量差異較新鮮甘藷大 的原因，推測可能如下：

(一) 在無菌操作台接菌發酵時，可能滅菌不徹底，導致污染，使得玉米的培養瓶發霉，造 成所產出的生質酒精產量不穩。

(二) 玉米主要是由皮層，胚乳和胚三部份組成，胚乳所含的主要成分是澱粉，也是玉米的 主要部分，它佔整個籽粒重量的 73%～85%左右。本實驗由新鮮玉米取下玉米粒時，

用刀子切下的玉米粒胚乳部份可能未完全取下，因而產生了差異。

(三) 玉米受到溫差的影響會造成水分的移動，高水分的玉米即可能為造成發霉的來源，而 酒精的產量因而不穩。

(四) 玉米在磨碎之後，玉米失去表皮的保護，更容易受到黴菌的污染。

二、本實驗在進行蒸餾酒精時，蒸餾所產生的酒精沸點高於一般酒精之 78℃，其原因可能 是由於「共沸」的原因，因此，本次的實驗中，做出來酒精的沸點並非 78 度，而是高 於它的一個範圍。

當兩種不同的溶劑混合在一起，造成混合溶液的沸點比任何一種都來的低或高，這就 是”共沸”現象，而該混合物就稱為共沸混合物。因此有共沸現象的混合溶劑，則無 法能夠利用蒸餾的方式，將溶劑完全的分離，故本實驗的水、酒精和其他的物質無法 完全地分離。

所謂共沸混合物就是其沸點不同於它含有的每種成分各自的沸點。一般不是比兩種成 份的沸點都低（稱為最低共沸點），就是比兩種成份的沸點都高（稱為最高共沸點）。 從最低共沸點到最高共沸點之間的溫度範圍，都可以觀察到溶液有沸騰的現象，是故 共沸混合物的沸點不是一個定值，而是一個範圍。

三、市面上所加工過的玉米粉和甘薯粉，與天然的甘藷和玉米所產生的生質酒精量之差異，

我們推測其原因可能與醣類的含量有相關性。

經實驗及調查後，證實酒精的生產量和醣類含量的多寡成正相關。本實驗的結果為玉 米粉所產生之酒精量較甘薯粉多(玉米粉醣類的含量是 90％；地瓜粉則是 80％)。而在 新鮮玉米和新鮮甘薯的比較中，玉米的醣類佔了全部的 18.7％；甘藷的醣類佔了 25.8

％，實驗結果是甘薯的酒精產量大於玉米，故我們的推測得以成立。

捌、結論

近年來能源及資源逐漸枯竭與生態環境保護的考量下，生質能源的開發勢在必行。我 們所研究的生質酒精，能符合永續經營的理念，也能跟上世界的潮流。本實驗所得的結果 如下：

一、測得新鮮甘藷的酒精產量較新鮮玉米高。

二、測得玉米粉的酒精產量較甘薯粉高。

因為甘藷的澱粉含量比玉米高，故甘薯用來生產生質酒精的效率較高，因此較建議使 用甘藷，其主要成分包括水份 6.78％、灰份 1.96％、粗纖維 2.24％、粗蛋白 9.38％、碳水 化合物 79.64％（包括澱粉 25.59％）。另外因玉米粉的精製化程度較甘藷粉高，故玉米粉 的酒精產量較高。

玖、未來展望

現今由於全球暖化、能源危機等問題，各國都致力於研究開發替代的再生能源、並大 力地推行「減碳運動」，而台灣在此方面往往是起步比他國慢，甚至還未達到立法的階段，

因此我們希望能透過這個實驗拋磚引玉，能夠使之成為一個種子、一個理念，在周遭的人 身邊逐漸蔓延茁壯、喚起大家的環保意識，雖然此次的實驗結果並未很成功，但在未來我 們也會持續地關注此議題，並從生活中做起、養成節約能源的好習慣，對台灣、對地球盡 一份心力，以期能創造出更美好的明天。

拾、參考資料

一、周英隆。談農業生質能源與減碳效果。農政與農情，194。民 97 年 8 月，取自：

http://www.coa.gov.tw/view.php?catid=18007

二、李宇承、余政達。地區生質能源潛力評估。資源與環境學術研討會論文集。民 97，取自：

http://www.erm.dahan.edu.tw/re_and_en_paper/2008/9.pdf

三、張四立。我國酒精汽油之最適價差及補貼經費規模之初探。石油市場雙週報，民 96 年 7 月 25 日，取自「台灣綜合研究院」：http://www.tri.org.tw/oil/file/article07-960725.pdf

四、趙大衛（民 96）。基礎生物。台南市：翰林。

五、徐遐生（民 97）。全球暖化與能源危機。科學人特別企劃，82，4-28。

六、宋泉旭。農業生質能源之發展新契機。台肥季刊，49。民 97 年 6 月，取自：

http://www.taifer.com.tw/search/049002/17.html

七、Neil A. Campbell。生物學，773-775。台北市：偉明。

拾壹、附錄

圖八、由新鮮玉米取下之玉米粒

圖九、由新鮮甘藷取下之甘藷

圖十、研磨取下之玉米粒

圖十一、量取甘藷粉

圖十二、澱粉液加入α -澱粉酶，水浴進行糖化

圖十三、接菌發酵

圖十四、以澱粉質原料培養之發酵液

圖十五、使用過錳酸鉀測試結果

圖十六、酒精蒸餾實驗裝置