酒曲應(yīng)用于菊芋發(fā)酵的初步研究

馮 迪，隆小華，辛本榮，劉兆普

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇省海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210095)

酒曲應(yīng)用于菊芋發(fā)酵的初步研究

馮 迪，隆小華，辛本榮，劉兆普*

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇省海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210095)

菊芋是一種極具潛力的乙醇發(fā)酵原料，與淀粉質(zhì)原料相比，菊芋低溫條件下即可實(shí)現(xiàn)糊化，在節(jié)能方面具有優(yōu)勢(shì)。本文選取了安琪甜酒曲、安琪釀酒曲和欣馬酒業(yè)酒曲進(jìn)行一步法發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，論證不同種類(lèi)及品種的酒曲應(yīng)用于菊芋發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的可行性。結(jié)果表明:在原料含糖量不高且未經(jīng)任何條件優(yōu)化的情況下，安琪釀酒曲的酒度高于其他兩種酒曲，酒度可達(dá)5.5度;發(fā)酵過(guò)程中，安琪釀酒曲的CO2失重量始終高于安琪甜酒曲和欣馬酒曲;使用安琪釀酒曲進(jìn)行發(fā)酵，第1d到第3d乙醇含量逐漸升高，在第3d時(shí)達(dá)到最大值;隨著發(fā)酵時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，安琪釀酒曲發(fā)酵液pH為6.35，發(fā)酵1d后pH降至4.82，3d后pH降至4.48，pH趨勢(shì)穩(wěn)定。從本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可推論，與其他兩種酒曲相比，安琪釀酒曲更為適用于菊芋發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。

菊芋，酒曲，乙醇，發(fā)酵

菊芋是一種多年生草本植物，俗稱洋姜、鬼子姜，屬菊科向日葵屬。菊芋的主要成分是多聚果糖，除此之外還含有淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素、半纖維素、果膠質(zhì)等成分［1］。這些成分在酶的作用下可被分解成易于被酵母利用而生成乙醇的物質(zhì)。另外，菊芋具有耐寒、耐旱、耐鹽堿、抗風(fēng)沙、適應(yīng)性廣、繁殖性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在全國(guó)各地均有分布［2］。基于以上兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，菊芋成為可代替糧食作物生產(chǎn)燃料乙醇用的很有潛力的能源植物［3］。傳統(tǒng)的制曲是多種微生物進(jìn)入曲料競(jìng)爭(zhēng)生存，能適應(yīng)制曲環(huán)境的保存下來(lái)并生長(zhǎng)繁殖，積累了豐富的代謝產(chǎn)物和種類(lèi)繁多的酶系的過(guò)程［4］。因此與單菌種發(fā)酵相比，酒曲能夠提供更豐富穩(wěn)定的發(fā)酵菌種與酶系，更加有利于乙醇生產(chǎn)的工業(yè)化。自20世紀(jì)30年代以來(lái)，菊芋一步法生產(chǎn)乙醇的工藝主要是利用具有產(chǎn)菊粉酶的酵母，直接發(fā)酵生產(chǎn)酒精，該法的最終發(fā)酵醪酒精含量較低，同時(shí)菊粉的轉(zhuǎn)化率也較低［5－8］。利用酒曲混菌一步法發(fā)酵菊芋生產(chǎn)乙醇的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。鑒于酒曲擁有更豐富穩(wěn)定的發(fā)酵菌種與酶系，并且菊芋糊化溫度較淀粉質(zhì)原料低的特性［9］，本文研究了不同種類(lèi)及品種的酒曲應(yīng)用于菊芋一步法發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的可行性，以達(dá)到直接利用優(yōu)良的傳統(tǒng)酒曲發(fā)酵新原料菊芋生產(chǎn)乙醇的目的。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

菊芋 2009年10月份采摘于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)海洋863江蘇大豐實(shí)驗(yàn)基地;安琪米酒曲、安琪釀酒曲安琪酵母股份有限公司;欣馬酒曲 山東東營(yíng)欣馬酒業(yè)有限公司;乙醇 上海中試化工總公司，分析純;正丙醇 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;3，5－二硝基水楊酸(DNS) NaOH 200mL 2N、酒石酸甲鈉130g、結(jié)晶酚5g、亞硫酸鈉5g;葡萄糖 中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)上海化學(xué)試劑公司。

Agilent 7890A GC配有氫火焰離子檢測(cè)器(FID)和 AgilentChemstation 美 國(guó) Agilent公 司;SpectraMax M5酶標(biāo)儀 美國(guó)molecular devices公司;161A－2電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海實(shí)驗(yàn)廠;SHZ－88－1臺(tái)式水浴恒溫振蕩器 中國(guó)江蘇太倉(cāng)市光明實(shí)驗(yàn)分析儀器廠;DHZ－D恒溫冷凍振蕩培養(yǎng)箱 太倉(cāng)市實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠;滅菌鍋 北京發(fā)恩科貿(mào)有限公司。

1.2 測(cè)定方法

1.2.1 還原糖 采用3，5－二硝基水楊酸比色法［10］。1.2.2 總糖測(cè)定 采用蒽酮比色法［10］。

1.2.3 酒度測(cè)定 色譜條件:色譜柱:HP－FFAP(30m×0.320mm×0.25μm);升溫程序:升溫至200℃;載氣(N2)流速 1.5mL/min，壓力 2.4kPa，進(jìn)樣量 0.2μL;分流比 1∶50。

1.2.4 pH測(cè)定 采用pH試紙進(jìn)行測(cè)定。

1.3 工藝流程

菊芋→100℃殺酶5min→切片烘干→粉碎→過(guò)40目篩→菊芋粉→調(diào)漿→糊化→加入酒曲→發(fā)酵

1.4 操作要點(diǎn)

1.4.1 菊芋粉 準(zhǔn)確稱量10g菊芋粉，每組三個(gè)平行。1.4.2 調(diào)漿 按料液比1∶8加水調(diào)漿。

1.4.3 糊化 糊化溫度為50℃，糊化時(shí)間30min。

1.4.4 加入酒曲 按說(shuō)明分別加入足量酒曲，使其能夠充分發(fā)酵，從而選出適合菊芋發(fā)酵的酒曲。酒曲加入前按1∶10比例在30℃進(jìn)行活化，接入量均為1mL。

2 結(jié)果與分析

2.1 菊芋粉的成分分析

由表1可知，菊芋全粉成分主要包括糖類(lèi)化合物、粗纖維、全氮、灰分，其中總糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25.72%，還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.35%。因此，直接利用菊芋粉發(fā)酵生產(chǎn)乙醇是可行的，此外，菊芋全粉中還含有一定量的蛋白質(zhì)和灰分，不需添加氮源和無(wú)機(jī)鹽，可以降低乙醇發(fā)酵的成本。

表1 菊芋粉的主要組成成分

2.2 酒曲分析及發(fā)酵結(jié)果分析

在發(fā)酵過(guò)程中，欣馬酒曲重復(fù)間發(fā)酵液差異顯著，安琪甜酒曲和安琪釀酒曲重復(fù)間差異不顯著。結(jié)合表2分析得出，欣馬酒曲微生物比較復(fù)雜，發(fā)酵過(guò)程不易控制，而安琪甜酒曲和安琪釀酒曲微生物相對(duì)單純，發(fā)酵過(guò)程易于控制。

另外，由表2看出，安琪釀酒曲的酒度高于其他兩種酒曲。在原料含糖量不高且未經(jīng)任何條件優(yōu)化的情況下，酒度可達(dá)5.5度。所以，從發(fā)酵結(jié)果來(lái)看，與其他兩種酒曲相比安琪釀酒曲更適于菊芋發(fā)酵。

表2 安琪甜酒曲、安琪釀酒曲、欣馬酒曲的分析及發(fā)酵結(jié)果分析

2.3 三種酒曲的發(fā)酵曲線

如圖1所示，從三條曲線的整體趨勢(shì)可以看出，發(fā)酵過(guò)程中，安琪釀酒曲的CO2失重量始終高于安琪甜酒曲和欣馬酒曲。由化學(xué)式C6H12O6+H2O=2C2H5OH+2CO2+H2O可知，失重質(zhì)量(CO2生成量)越多，則乙醇生成量越多。因此，安琪釀酒曲發(fā)酵的乙醇含量始終高于安琪甜酒曲和欣馬酒曲，這也正與表1得出結(jié)論相一致。

圖1 三種酒曲的發(fā)酵曲線

從三條曲線的變化趨勢(shì)可以看出，隨著時(shí)間的推移，安琪釀酒曲在第1d CO2失重量為6.5g，發(fā)酵第3d時(shí)，CO2失重量不再發(fā)生變化;而安琪甜酒曲和欣馬酒曲在發(fā)酵第1d時(shí)CO2失重量分別為0.5g和1g，CO2失重量在7d內(nèi)都有變化。因此，安琪釀酒曲的發(fā)酵活動(dòng)主要集中在發(fā)酵前3d，產(chǎn)乙醇的速度和效率均明顯高于安琪甜酒曲和欣馬酒曲，有利于防止雜菌繁殖和縮短乙醇生產(chǎn)周期，具備優(yōu)良曲種的特性。

2.4 安琪釀酒曲發(fā)酵乙醇含量變化

從圖2可以看出，使用安琪釀酒曲進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵前3d乙醇含量逐漸升高，在第3d時(shí)達(dá)到最大值，發(fā)酵3d以后乙醇含量不再升高，與發(fā)酵第3d乙醇含量相比較，乙醇含量明顯減少，隨著發(fā)酵時(shí)間的推移，乙醇含量變化趨勢(shì)不再發(fā)生明顯改變。表明，安琪釀酒曲的發(fā)酵主要在前3d，且在條件沒(méi)有優(yōu)化的情況下，發(fā)酵3d酒精度超過(guò)5度。

圖2 安琪釀酒曲發(fā)酵過(guò)程中乙醇含量變化

2.5 安琪釀酒曲發(fā)酵還原糖含量的變化

從圖3可以看出，與未發(fā)酵相比，使用安琪釀酒曲進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵第1d時(shí)，還原糖含量顯著降低，減幅為37%。在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中還原糖含量并不是持續(xù)下降，而是基本維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍。這是因?yàn)椋茬麽劸魄懈购徒湍竻f(xié)同作用，在發(fā)酵過(guò)程中糖化作用與發(fā)酵同步協(xié)調(diào)進(jìn)行，繼續(xù)將菊芋中大分子糖分解成還原糖以供發(fā)酵使用。因此，以菊芋為原料，利用安琪釀酒酵母一步法發(fā)酵乙醇具有可行性。

圖3 安琪釀酒曲發(fā)酵過(guò)程中還原糖含量變化

2.6 安琪釀酒曲發(fā)酵pH變化

由圖4可知，安琪釀酒曲發(fā)酵液初始pH為6.35，發(fā)酵1d后pH降至4.82，3d后pH降至4.48，隨著發(fā)酵時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，pH趨勢(shì)穩(wěn)定。由于安琪釀酒曲的主要菌種為根霉和酵母，發(fā)酵過(guò)程中pH始終維持在這兩種菌種的最適pH范圍內(nèi)，因此，與其他兩種酒曲相比，安琪釀酒曲更為適用于菊芋發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。

圖4 pH隨發(fā)酵時(shí)間的變化曲線

3 結(jié)論

3.1 通過(guò)利用傳統(tǒng)酒曲一步法發(fā)酵新原料菊芋生產(chǎn)乙醇的研究發(fā)現(xiàn)，安琪釀酒曲、安琪甜酒曲和欣馬酒曲均可發(fā)酵菊芋生成乙醇，其中以安琪釀酒曲最為適用。

3.2 安琪釀酒曲中的主要微生物為根霉和酵母，在發(fā)酵過(guò)程中，發(fā)酵pH始終在其最適pH范圍。兩類(lèi)微生物協(xié)同作用，使糖化與發(fā)酵同步進(jìn)行。

3.3 由于原料采摘時(shí)未完全成熟，菊芋還原糖含量為6.35%和總糖含量為25.72%時(shí)，利用安琪釀酒曲一步法發(fā)酵菊芋生產(chǎn)乙醇所得酒度為5.5(%，vol)。

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A preliminary study fermentation of Jerusalem artichoke with koji

FENG Di，LONG Xiao－h(huán)ua，XIN Ben－rong，LIU Zhao－pu*
(Key Laboratory of Oceanology Jiangsu Province，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China)

Jerusalem artichoke is a kind of alternative ethanol fermentation of raw materials.Compared with starch materials，the temperature of paste for Jerusalem artichoke is lower，which has the advantage in saving energy.Anqi liquor－making koji，Anqi Liqueur Koji and Xinma Liquor Industry Koji were used to study by one－step fermentation experiment and demonstrate the feasibility of producing ethanol fermentation of Jerusalem artichoke.The results were as follows:In the low raw sugar concentration and general treated conditions，the alcohol content of Anqi liquormaking koji was higher than the other two koji，up to 5.5 degrees.Fermentation process，the weight loss of carbon dioxide of Anqi liquor－making koji was always higher than the other two koji.Use Anqi liquor－making koji to ferment，the ethanol concentration increased with the experimental time lasting during three days.With the further extension of the fermentation time，pH value of its broth was 6.35.pH value fell to 4.82 after 1 day fermentation and 4.48 after 3 days later，then pH value of the trend was stable.It can be concluded that compared with the other two koji，Anqi liquor－making koji was more suitable for bioethanol production using Jerusalem artichoke.

Jerusalem artichoke;koji;ethanol;fermentation

TS201.3

A

1002－0306(2011)06－0220－03

2010－06－09 *通訊聯(lián)系人

馮迪(1983－)，女，碩士研究生，研究方向:微生物發(fā)酵。

國(guó)家“948”項(xiàng)目(2009－Z9);公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(200903001－05);南京農(nóng)業(yè)大學(xué)青年創(chuàng)新基金(KJ08010)。