芭蕉芋原料酒精固态发酵工艺条件的初探.pdf

文章编号:1002 - 8110(2003)02 - 0071 - 03 收稿日期:2002 - 12 - 12 作者简介:吴天祥(1965 - ) ,男,贵州贵阳人,副教授,在读博 士研究生,主要从事食品发酵工程专业的教学和科研工作。 芭蕉芋原料酒精固态发酵工艺条件的初探 吴天祥1,丁重阳1,杨海龙1,曹建平1,章克昌1 ,2 (1 1 江南大学工业生物技术教育部重点实验室,江苏 无锡214036;21 江南大学生物工程学院生物资源实验室,江苏 无锡214036) 摘 要:以芭蕉芋为原料,采用我们最新设计的半固态浆状发酵(Semi - Solid State Pulp Fermentation ,SSPF)新工 艺,对原料预处理、 加水比、 调浆、 糖化、 酒母培养等工艺条件进行优化研究。实验表明:芭蕉芋原料在加水比 1310的条件下进行拌料(水温60 ) , 调浆20min ,糖化,调节浆料pH值410 ,添加酒母于2830 浆状发酵 72h ,酒精浓度达817 %(v/ v) ,淀粉利用率为74113 %。 关键词:芭蕉芋;固态酒精发酵;酒精;新工艺 中图分类号:TS26212;TS26114 文献标识码:A 发酵法生产的酒精可作为未来液体燃料的替代品1。 研究开发发酵酒精生产新资源,研究实施更加高效、 节能、 节 粮和无污染的酒精生产新工艺和资源的综合利用,大幅度地 降低发酵酒精生产成本,将是我国发酵工程界和酒精工业二 十一世纪前十年的主要发展方向2。固态发酵(Solid state fermentation ,SSF)是中国白酒(大曲酒)的经典生产模式,主要 工艺特点是利用大曲中微生物及酶固态发酵酿酒,甑桶固态 蒸馏,分质摘酒。过去因其淀粉转化率低,而酒精工业没有 采用该工艺。近年来,由于能源紧张和环保问题,世界上才 开始重视固态发酵技术,因为SSF工艺在一定程度上降低蒸 煮和蒸馏的能耗,并为酒糟的二次利用提供条件。本文在前 期玉米酒精浓醪发酵和酒精固态发酵技术研究的基础 上3 ,4,以芭蕉芋(Canna edulis ker)为原料5,研究了芭蕉芋 原料酒精半固态浆状发酵(SSPF)新工艺。 1 材料与方法 111 材料 11111 菌种 ZH730 - 02酵母斜面菌种,由本试验室提供。 11112 酶制剂 果胶酶(活力1 ,200u/ g) ,由本实验室提供; 纤维素酶(活力10 ,000u/ mL) ,由无锡星达生物工程有限 公司提供; -淀粉酶(活力20 ,000u/ mL) ,由无锡星达生物工程有 限公司提供; 糖化酶(活力100 ,000u/ mL) ,由无锡星达生物工程有限 公司提供。 11113 原料 芭蕉芋块茎(干片 ) , 购于贵州省黔西南兴义市; 玉米粉 (40 目 ) , 由本试验室提供。 112 方法 11211 酵母液体培养基 组成:葡萄糖6 %;酵母浸膏015 %;蛋白胨015 %; 培养基杀菌条件:01098Mpa ,20min; pH:自然 11212 芭蕉芋酒精固态发酵(SSPF)实验 1121211 工艺流程 采用低温蒸煮工艺,工艺流程如下: 纤维素酶、 果胶酶-淀粉酶 糖化酶 芭蕉芋粉 拌料 升温酶处理 蒸煮 冷却 糖化 冷却 发酵 蒸馏 1121212 工艺过程 原料粉碎:本实验采用芭蕉芋块茎粉碎,筛分为30目。 拌料:加水1310 ,拌料用水采用60 酒糟滤液。 工艺过程:低温蒸煮工艺前进行双酶处理时需要调节浆 料的pH值。首先用6mol HCl溶液调节浆料的pH值为415 , 当料温为45 时,先后加入果胶酶(6u/ g原料)和纤维素酶 (0 18u/ g原料 ) , 保温进行酶处理30min。然后用20 %NaOH溶 液调节料液pH为515610 ,待料温升至8590 时添加耐 高温-淀粉酶 (2u/ g原料 ) , 低温蒸煮35min进行液化。液 化结束后,当料温冷却至65 时,用HCl调节pH为410 ,然后 添加糖化酶(180u/ g原料 ) , 保温糖化30min;将料液冷却至 32,添加酒母进行边糖化边发酵过程。 11213 分析方法 1121311 酒精的蒸馏 称取10010g芭蕉芋固态发酵料,置于500mL圆底烧瓶 中,加200mL水进行蒸馏,用100mL容量瓶收集馏出液,并定 容至100mL ,待测。 1121312 酒精含量测定:比重瓶法6。 1121313 还原糖测定 称取10g发酵料,置于150mL三角瓶中,加入80mL蒸馏 水,于50 恒温水浴中保温20min ,过滤,滤液收集在100mL 容量瓶中,定容至100mL ;用DNS法测定7。 1121314 总糖测定 称取10g发酵料,置于250mL三角瓶中,加入5mL 6mol HCl溶液和30mL水,沸水浴中加热110h ,冷却后,滴加1滴酚 第30卷 第2期 2 0 0 3年3月 酿 酒 LIQUOR MAKING Vol130 ,No12 Mar1, 2003 酞指示剂,用20 %NaOH溶液滴定至微红色,过滤,定容至 250mL ,用DNS法测定。 1121315 酸度测定 NaOH中和滴定法8。 1121316 酵母细胞数测定 血球计数板法11。 2 结果与讨论 211 芭蕉芋原料类型的选择 实验中,分别选择芭蕉芋淀粉、 生芭蕉芋块茎、 干芭蕉芋 块茎粉为原料进行酒精固态发酵,实验条件见表1 ,结果见表 2;发酵过程中CO2失重变化见图1。 表1 芭蕉芋酒精固态发酵(SSPF)实验条件 1 #2 #3 # 4 # (对照) 淀粉含量%26616462 加水比11121513151215 拌料温度 45454545 果胶酶 (u/ g 原料)10101010 纤维素酶 (u/ g 原料)115115115115 -淀粉酶 (u/ g 原料)2222 糖化酶 (u/ g 原料)180180180180 添加剂(g/ kg)118118118118 发酵初始pH318318318318 表2 芭蕉芋原料不同类型发酵结果 1 #2 #3 #4 # 酒精度%(v/ v)3166138171218 还原糖( %)014611014020119701195 残总糖( %)515331218122149111511 酸度7197613761565161 发酵结束pH3125310631783182 淀粉利用率( %)42151551057411389109 图1 CO2失重曲线 通过图1和表2表明:1 #生芭蕉芋经粉碎制浆后需要 用HCl溶液调节浆料的pH值方可进行酶化工序;发酵过程 pH呈下降趋势 (3 183125) ,发酵72h残总糖为51533 % ,酸 度为7197 ,且淀粉利用率偏低42151 %;因此,实验说明直接 采用生芭蕉芋制浆进行发酵的工艺模式不可行。 2 #是利用已加工为成品的芭蕉芋淀粉来进行发酵实 验,结果为发酵72h ,发酵醪中还原糖含量高达101402 % ,残 总糖达121812 % ,酒精含量较低613 % ,淀粉利用率仅为 55105 %;初步分析认为成品芭蕉芋淀粉的糖苷构成可能有 别于玉米淀粉,须进一步研究。 3 #干芭蕉芋根茎粉是生芭蕉芋根茎经切片,晒干、 粉碎 所得,其淀粉含量为64 %;实验结果表明,酒精含量比其它两 组高,达到817 %(v/ v) ,发酵醪中还原糖、 总糖含量适中,而 且淀粉利用率达74113 % ,这种原料形式较易工业化生产。 4 #样是用于对照的玉米,其淀粉利用率为89109 %。通 过比较说明,采用芭蕉芋根茎粉作为芭蕉芋酒精固态发酵的 原料,从工艺路线和技术指标上分析是可行的。 212 惰性固体载体在酒精固态发酵中的作用 惰性固体载体在酒精发酵过程中能有效地提高酒精转 化率9,各种类型的载体10由于能促进酵母代谢所产生的 CO2的排除和流动,增强酵母的代谢能力,因而被应用到淀 粉质原料的酒精发酵过程中。由于芭蕉芋淀粉含量与玉米 相当,但酵母的利用程度却存在较大的区别,所以本实验通 过一种惰性载体培养的载体酵母来促进芭蕉芋酒精固态发 酵的转化率。 21211 惰性固体载体的制备 2121111 本实验利用工业废物为原料,经过漂洗、 干燥、 粉碎 制成013mm左右的细粉,于121杀菌30min ,取出并转入 60 烘烤箱中烘烤30h ,备用。 2121112 将固体载体以10 %(w/ v)的比例添加到已准备好 的酵母液体培养基中与酵母于30 条件下培养15h;待酵母 生长旺盛时进行酵母细胞计数和酒精发酵实验。 21212 载体-酵母对酒精固态发酵的影响 共进行2组(一组为1 #、2 #、3 # ;二组为4 #、5 #、 6 # ) 芭蕉芋酒精固态发酵实验,结果见图2。 图2 载体酵母对发酵的影响 图2表明通过惰性固体载体培养的酵母所进行的发酵 实验,芭蕉芋酒精转化率得到提高。 213 加水比的确定 实验选择的加水比分别为1410;1315;1310;1215;1 20进行酒精发酵实验。结果表明,随着加水比的降低,经液 化料液的粘度呈增大趋势;当加水比为1210时,造成芭蕉 芋吸水膨胀,搅拌困难不适宜发酵和工业化生产;当加水比1 310时,可进行正常的酒精发酵。 214 拌料水温对发酵的影响 实验选择的水温分别为自然温度,45,60,90;其中 90 高温拌料采用无蒸煮工艺,其他采用低温蒸煮工艺,结 果见表3。 27 酿 酒 2003 表3 拌料水温对酒精发酵的影响 拌料水温()自然温度456090 淀粉利用率( %)69125701407411365118 从表3可知,拌料水温为60 的低温蒸煮工艺,其发酵 实验淀粉利用率最高达74113 % ,而采用90 高温拌料进行 的无蒸煮发酵实验,淀粉利用率仅为65118 % ,效果不理想。 因此采用60 的酒糟滤液拌料可降低拌料工序的能耗,工艺 是可行的。 215 pH值对酒精发酵的影响 本实验芭蕉芋酒精固态发酵工艺重点强调边糖化边发 酵过程,而糖化醪中糖化酶的最适pH为410 ,同时为防止杂 菌感染,必须严格控制好发酵初始的pH值,实验结果见图3。 216 添加剂对SSPF发酵的影响 实验选择一种添加剂作为芭蕉芋半固态浆状发酵过程 中补充的氮源,采用不同的流加量,其发酵结果见表4。 表4 添加剂对酒精发酵的影响 添加剂添加量 (g/ kg) 酒精度 ( %(v/ v) 淀粉利用率 ( %) 0413239135 015718670125 110718270140 115810170185 118817074113 210719170175 图3 pH对酒精发酵的影响 实验表明,添加剂的添加量为118g/ kg时,芭蕉芋淀粉利 用率达74113 %。 实验表明,发酵初始pH为318为最佳。 3 结论 311 通过实验确定了芭蕉芋半固态浆状发酵(SSPF)工艺路 线和工艺条件:加水比1310 ,60 酒糟滤液拌料,采用低温 蒸煮工艺,控制发酵浆料的初始pH为318 ,发酵周期72h ,酒 精含量817 %(v/ v) ,淀粉利用率为74113 %。 312 酒精半固态浆状发酵(SSPF)工艺是降低酒精工业能耗 的一项有潜力的措施之一4,同时也为解决蒸馏所得固态酒 糟二次利用提供了优于液态蒸馏12 ,13所得液态酒糟的处理 方案和经济技术可行的工艺。固态蒸馏及固态酒糟利用的 研究将在后期报道。 参考文献 1章克昌 1 酒精与蒸馏酒工艺学M1 北京:中国轻工业出版社, 19981 2章克昌 121世纪我国燃料酒精发展的展望J 1 无锡轻工大学学 报,1998 ,17(增刊) :50 - 511 3王晓霞 1 瓜干原料酒精浓醪发酵技术的研究D1 无锡轻工大学 生物工程学院硕士研究生论文,19991 4章克昌 1 等 1 酒精固态发酵J 1 无锡轻工大学学报,1999 ,18(6) : 130 - 1331 5陈家莹 1 淀粉新秀-芭蕉芋淀粉J 1 淀粉与淀粉糖,1989 ,3:31 - 31 ,301 6王福荣 1 等 1 工业发酵分析M1 北京:中国轻工业出版社,1980 , 25 - 271 7张龙翔,等 1 生化实验方法和技术M1 高等教育出版社,19871 8王福荣 1 白酒生产分析检验M1 北京:轻工业出版社,1985 ,28 - 301 9G. 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