芭蕉芋原料酒精固態(tài)發(fā)酵工藝條件的初探.pdf

文章編號:1002 - 8110(2003)02 - 0071 - 03 收稿日期:2002 - 12 - 12 作者簡介:吳天祥(1965 - ) ,男,貴州貴陽人,副教授,在讀博 士研究生,主要從事食品發(fā)酵工程專業(yè)的教學和科研工作。 芭蕉芋原料酒精固態(tài)發(fā)酵工藝條件的初探 吳天祥1,丁重陽1,楊海龍1,曹建平1,章克昌1 ,2 (1 1 江南大學工業(yè)生物技術教育部重點實驗室,江蘇 無錫214036;21 江南大學生物工程學院生物資源實驗室,江蘇 無錫214036) 摘 要:以芭蕉芋為原料,采用我們最新設計的半固態(tài)漿狀發(fā)酵(Semi - Solid State Pulp Fermentation ,SSPF)新工 藝,對原料預處理、 加水比、 調(diào)漿、 糖化、 酒母培養(yǎng)等工藝條件進行優(yōu)化研究。實驗表明:芭蕉芋原料在加水比 1310的條件下進行拌料(水溫60 ) , 調(diào)漿20min ,糖化,調(diào)節(jié)漿料pH值410 ,添加酒母于2830 漿狀發(fā)酵 72h ,酒精濃度達817 %(v/ v) ,淀粉利用率為74113 %。 關鍵詞:芭蕉芋;固態(tài)酒精發(fā)酵;酒精;新工藝 中圖分類號:TS26212;TS26114 文獻標識碼:A 發(fā)酵法生產(chǎn)的酒精可作為未來液體燃料的替代品1。 研究開發(fā)發(fā)酵酒精生產(chǎn)新資源,研究實施更加高效、 節(jié)能、 節(jié) 糧和無污染的酒精生產(chǎn)新工藝和資源的綜合利用,大幅度地 降低發(fā)酵酒精生產(chǎn)成本,將是我國發(fā)酵工程界和酒精工業(yè)二 十一世紀前十年的主要發(fā)展方向2。固態(tài)發(fā)酵(Solid state fermentation ,SSF)是中國白酒(大曲酒)的經(jīng)典生產(chǎn)模式,主要 工藝特點是利用大曲中微生物及酶固態(tài)發(fā)酵釀酒,甑桶固態(tài) 蒸餾,分質(zhì)摘酒。過去因其淀粉轉化率低,而酒精工業(yè)沒有 采用該工藝。近年來,由于能源緊張和環(huán)保問題,世界上才 開始重視固態(tài)發(fā)酵技術,因為SSF工藝在一定程度上降低蒸 煮和蒸餾的能耗,并為酒糟的二次利用提供條件。本文在前 期玉米酒精濃醪發(fā)酵和酒精固態(tài)發(fā)酵技術研究的基礎 上3 ,4,以芭蕉芋(Canna edulis ker)為原料5,研究了芭蕉芋 原料酒精半固態(tài)漿狀發(fā)酵(SSPF)新工藝。 1 材料與方法 111 材料 11111 菌種 ZH730 - 02酵母斜面菌種,由本試驗室提供。 11112 酶制劑 果膠酶(活力1 ,200u/ g) ,由本實驗室提供; 纖維素酶(活力10 ,000u/ mL) ,由無錫星達生物工程有限 公司提供; -淀粉酶(活力20 ,000u/ mL) ,由無錫星達生物工程有 限公司提供; 糖化酶(活力100 ,000u/ mL) ,由無錫星達生物工程有限 公司提供。 11113 原料 芭蕉芋塊莖(干片 ) , 購于貴州省黔西南興義市; 玉米粉 (40 目 ) , 由本試驗室提供。 112 方法 11211 酵母液體培養(yǎng)基 組成:葡萄糖6 %;酵母浸膏015 %;蛋白胨015 %; 培養(yǎng)基殺菌條件:01098Mpa ,20min; pH:自然 11212 芭蕉芋酒精固態(tài)發(fā)酵(SSPF)實驗 1121211 工藝流程 采用低溫蒸煮工藝,工藝流程如下: 纖維素酶、 果膠酶-淀粉酶 糖化酶 芭蕉芋粉 拌料 升溫酶處理 蒸煮 冷卻 糖化 冷卻 發(fā)酵 蒸餾 1121212 工藝過程 原料粉碎:本實驗采用芭蕉芋塊莖粉碎,篩分為30目。 拌料:加水1310 ,拌料用水采用60 酒糟濾液。 工藝過程:低溫蒸煮工藝前進行雙酶處理時需要調(diào)節(jié)漿 料的pH值。首先用6mol HCl溶液調(diào)節(jié)漿料的pH值為415 , 當料溫為45 時,先后加入果膠酶(6u/ g原料)和纖維素酶 (0 18u/ g原料 ) , 保溫進行酶處理30min。然后用20 %NaOH溶 液調(diào)節(jié)料液pH為515610 ,待料溫升至8590 時添加耐 高溫-淀粉酶 (2u/ g原料 ) , 低溫蒸煮35min進行液化。液 化結束后,當料溫冷卻至65 時,用HCl調(diào)節(jié)pH為410 ,然后 添加糖化酶(180u/ g原料 ) , 保溫糖化30min;將料液冷卻至 32,添加酒母進行邊糖化邊發(fā)酵過程。 11213 分析方法 1121311 酒精的蒸餾 稱取10010g芭蕉芋固態(tài)發(fā)酵料,置于500mL圓底燒瓶 中,加200mL水進行蒸餾,用100mL容量瓶收集餾出液,并定 容至100mL ,待測。 1121312 酒精含量測定:比重瓶法6。 1121313 還原糖測定 稱取10g發(fā)酵料,置于150mL三角瓶中,加入80mL蒸餾 水,于50 恒溫水浴中保溫20min ,過濾,濾液收集在100mL 容量瓶中,定容至100mL ;用DNS法測定7。 1121314 總糖測定 稱取10g發(fā)酵料,置于250mL三角瓶中,加入5mL 6mol HCl溶液和30mL水,沸水浴中加熱110h ,冷卻后,滴加1滴酚 第30卷 第2期 2 0 0 3年3月 釀 酒 LIQUOR MAKING Vol130 ,No12 Mar1, 2003 酞指示劑,用20 %NaOH溶液滴定至微紅色,過濾,定容至 250mL ,用DNS法測定。 1121315 酸度測定 NaOH中和滴定法8。 1121316 酵母細胞數(shù)測定 血球計數(shù)板法11。 2 結果與討論 211 芭蕉芋原料類型的選擇 實驗中,分別選擇芭蕉芋淀粉、 生芭蕉芋塊莖、 干芭蕉芋 塊莖粉為原料進行酒精固態(tài)發(fā)酵,實驗條件見表1 ,結果見表 2;發(fā)酵過程中CO2失重變化見圖1。 表1 芭蕉芋酒精固態(tài)發(fā)酵(SSPF)實驗條件 1 #2 #3 # 4 # (對照) 淀粉含量%26616462 加水比11121513151215 拌料溫度 45454545 果膠酶 (u/ g 原料)10101010 纖維素酶 (u/ g 原料)115115115115 -淀粉酶 (u/ g 原料)2222 糖化酶 (u/ g 原料)180180180180 添加劑(g/ kg)118118118118 發(fā)酵初始pH318318318318 表2 芭蕉芋原料不同類型發(fā)酵結果 1 #2 #3 #4 # 酒精度%(v/ v)3166138171218 還原糖( %)014611014020119701195 殘總糖( %)515331218122149111511 酸度7197613761565161 發(fā)酵結束pH3125310631783182 淀粉利用率( %)42151551057411389109 圖1 CO2失重曲線 通過圖1和表2表明:1 #生芭蕉芋經(jīng)粉碎制漿后需要 用HCl溶液調(diào)節(jié)漿料的pH值方可進行酶化工序;發(fā)酵過程 pH呈下降趨勢 (3 183125) ,發(fā)酵72h殘總糖為51533 % ,酸 度為7197 ,且淀粉利用率偏低42151 %;因此,實驗說明直接 采用生芭蕉芋制漿進行發(fā)酵的工藝模式不可行。 2 #是利用已加工為成品的芭蕉芋淀粉來進行發(fā)酵實 驗,結果為發(fā)酵72h ,發(fā)酵醪中還原糖含量高達101402 % ,殘 總糖達121812 % ,酒精含量較低613 % ,淀粉利用率僅為 55105 %;初步分析認為成品芭蕉芋淀粉的糖苷構成可能有 別于玉米淀粉,須進一步研究。 3 #干芭蕉芋根莖粉是生芭蕉芋根莖經(jīng)切片,曬干、 粉碎 所得,其淀粉含量為64 %;實驗結果表明,酒精含量比其它兩 組高,達到817 %(v/ v) ,發(fā)酵醪中還原糖、 總糖含量適中,而 且淀粉利用率達74113 % ,這種原料形式較易工業(yè)化生產(chǎn)。 4 #樣是用于對照的玉米,其淀粉利用率為89109 %。通 過比較說明,采用芭蕉芋根莖粉作為芭蕉芋酒精固態(tài)發(fā)酵的 原料,從工藝路線和技術指標上分析是可行的。 212 惰性固體載體在酒精固態(tài)發(fā)酵中的作用 惰性固體載體在酒精發(fā)酵過程中能有效地提高酒精轉 化率9,各種類型的載體10由于能促進酵母代謝所產(chǎn)生的 CO2的排除和流動,增強酵母的代謝能力,因而被應用到淀 粉質(zhì)原料的酒精發(fā)酵過程中。由于芭蕉芋淀粉含量與玉米 相當,但酵母的利用程度卻存在較大的區(qū)別,所以本實驗通 過一種惰性載體培養(yǎng)的載體酵母來促進芭蕉芋酒精固態(tài)發(fā) 酵的轉化率。 21211 惰性固體載體的制備 2121111 本實驗利用工業(yè)廢物為原料,經(jīng)過漂洗、 干燥、 粉碎 制成013mm左右的細粉,于121殺菌30min ,取出并轉入 60 烘烤箱中烘烤30h ,備用。 2121112 將固體載體以10 %(w/ v)的比例添加到已準備好 的酵母液體培養(yǎng)基中與酵母于30 條件下培養(yǎng)15h;待酵母 生長旺盛時進行酵母細胞計數(shù)和酒精發(fā)酵實驗。 21212 載體-酵母對酒精固態(tài)發(fā)酵的影響 共進行2組(一組為1 #、2 #、3 # ;二組為4 #、5 #、 6 # ) 芭蕉芋酒精固態(tài)發(fā)酵實驗,結果見圖2。 圖2 載體酵母對發(fā)酵的影響 圖2表明通過惰性固體載體培養(yǎng)的酵母所進行的發(fā)酵 實驗,芭蕉芋酒精轉化率得到提高。 213 加水比的確定 實驗選擇的加水比分別為1410;1315;1310;1215;1 20進行酒精發(fā)酵實驗。結果表明,隨著加水比的降低,經(jīng)液 化料液的粘度呈增大趨勢;當加水比為1210時,造成芭蕉 芋吸水膨脹,攪拌困難不適宜發(fā)酵和工業(yè)化生產(chǎn);當加水比1 310時,可進行正常的酒精發(fā)酵。 214 拌料水溫對發(fā)酵的影響 實驗選擇的水溫分別為自然溫度,45,60,90;其中 90 高溫拌料采用無蒸煮工藝,其他采用低溫蒸煮工藝,結 果見表3。 27 釀 酒 2003 表3 拌料水溫對酒精發(fā)酵的影響 拌料水溫()自然溫度456090 淀粉利用率( %)69125701407411365118 從表3可知,拌料水溫為60 的低溫蒸煮工藝,其發(fā)酵 實驗淀粉利用率最高達74113 % ,而采用90 高溫拌料進行 的無蒸煮發(fā)酵實驗,淀粉利用率僅為65118 % ,效果不理想。 因此采用60 的酒糟濾液拌料可降低拌料工序的能耗,工藝 是可行的。 215 pH值對酒精發(fā)酵的影響 本實驗芭蕉芋酒精固態(tài)發(fā)酵工藝重點強調(diào)邊糖化邊發(fā) 酵過程,而糖化醪中糖化酶的最適pH為410 ,同時為防止雜 菌感染,必須嚴格控制好發(fā)酵初始的pH值,實驗結果見圖3。 216 添加劑對SSPF發(fā)酵的影響 實驗選擇一種添加劑作為芭蕉芋半固態(tài)漿狀發(fā)酵過程 中補充的氮源,采用不同的流加量,其發(fā)酵結果見表4。 表4 添加劑對酒精發(fā)酵的影響 添加劑添加量 (g/ kg) 酒精度 ( %(v/ v) 淀粉利用率 ( %) 0413239135 015718670125 110718270140 115810170185 118817074113 210719170175 圖3 pH對酒精發(fā)酵的影響 實驗表明,添加劑的添加量為118g/ kg時,芭蕉芋淀粉利 用率達74113 %。 實驗表明,發(fā)酵初始pH為318為最佳。 3 結論 311 通過實驗確定了芭蕉芋半固態(tài)漿狀發(fā)酵(SSPF)工藝路 線和工藝條件:加水比1310 ,60 酒糟濾液拌料,采用低溫 蒸煮工藝,控制發(fā)酵漿料的初始pH為318 ,發(fā)酵周期72h ,酒 精含量817 %(v/ v) ,淀粉利用率為74113 %。 312 酒精半固態(tài)漿狀發(fā)酵(SSPF)工藝是降低酒精工業(yè)能耗 的一項有潛力的措施之一4,同時也為解決蒸餾所得固態(tài)酒 糟二次利用提供了優(yōu)于液態(tài)蒸餾12 ,13所得液態(tài)酒糟的處理 方案和經(jīng)濟技術可行的工藝。固態(tài)蒸餾及固態(tài)酒糟利用的 研究將在后期報道。 參考文獻 1章克昌 1 酒精與蒸餾酒工藝學M1 北京:中國輕工業(yè)出版社, 19981 2章克昌 121世紀我國燃料酒精發(fā)展的展望J 1 無錫輕工大學學 報,1998 ,17(增刊) :50 - 511 3王曉霞 1 瓜干原料酒精濃醪發(fā)酵技術的研究D1 無錫輕工大學 生物工程學院碩士研究生論文,19991 4章克昌 1 等 1 酒精固態(tài)發(fā)酵J 1 無錫輕工大學學報,1999 ,18(6) : 130 - 1331 5陳家瑩 1 淀粉新秀-芭蕉芋淀粉J 1 淀粉與淀粉糖,1989 ,3:31 - 31 ,301 6王福榮 1 等 1 工業(yè)發(fā)酵分析M1 北京:中國輕工業(yè)出版社,1980 , 25 - 271 7張龍翔,等 1 生化實驗方法和技術M1 高等教育出版社,19871 8王福榮 1 白酒生產(chǎn)分析檢驗M1 北京:輕工業(yè)出版社,1985 ,28 - 301 9G. 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