循環噴淋發酵制備醋酸工藝的優化

摘要：采用醋酸菌（Acetobacter sp.）發酵生產醋酸，考察了靜置發酵、搖床發酵和循環噴淋發酵3種發酵方式對發酵速度和醋酸產量的影響，設計單因素試驗和正交試驗優化循環噴淋發酵的工藝條件。結果表明，與靜置發酵和搖床發酵相比，循環噴淋發酵可以有效縮短發酵時間，提高醋酸產量。優化的循環噴淋發酵條件為玉米芯作菌床載體、發酵時間24 h、發酵溫度32 ℃、發酵液流速2.7 L/min、接種量75 g/L、乙醇體積分數8%，醋酸產量可達1.93 g/100 mL。

關鍵詞：醋酸；發酵條件；循環噴淋發酵；優化

中圖分類號：TS264.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）15-3650-04

食醋作為一種常見的富含營養的酸性調味品不僅具有調味效果，而且具有抑菌、美容、保健等多種功效[1]，醋酸生產一般采用醋酸菌液態發酵法[2]，近年來興起了一種新型的速釀法制醋工藝——循環噴淋工藝[3]，此工藝中的菌床載體不僅可提高發酵效率，而且能夠重復使用降低生產成本[4]。本研究分別采用不同的發酵工藝制備醋酸，并考察循環噴淋工藝中菌床載體、液體培養基中乙醇體積分數、醋酸菌接種量、發酵溫度和發酵液流速等因素對醋酸產量的影響，優化發酵工藝條件，以期為工業生產上提高醋酸生產效率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

醋酸菌（Acetobacter sp.）菌種AS1.41購自廣東省微生物菌種保藏中心；試驗所用試劑均為國產分析純（AR）。

1.2 試驗方法

1.2.1 液體培養基的制備[5] 酵母粉10 g/L、硫酸鎂2 g/L、磷酸二氫鉀1 g/L溶解于無菌水中，pH自然，滅菌后加入發酵液體積2%的無水乙醇。

1.2.2 不同方式對醋酸發酵的影響 分別采用靜置發酵、搖床發酵和循環噴淋發酵（無菌床）3種方式制備醋酸，培養條件為液體培養基裝液量4 L、醋酸菌接種量50 g/L、發酵溫度30 ℃。其中循環噴淋發酵液的循環流速為2.2 L/min。每種發酵方式設置3次重復，每隔12 h采用酸堿滴定法測定發酵液中醋酸的含量，醋酸產量以每100 mL發酵液中醋酸的含量計[6，7]。

1.2.3 單因素試驗優化循環發酵工藝 循環噴淋發酵裝置見圖1，罐高與直徑之比為15∶13，設置單因素試驗考察乙醇體積分數、醋酸菌接種量、發酵溫度和發酵液流速對醋酸產量的影響。①菌床載體。分別將100 g無菌的玉米芯、刨花、稻殼、蘆葦稈碎料置于發酵罐的菌床上，發酵溫度32 ℃、接種量35 g/L、乙醇體積分數8%、發酵液循環噴淋流速2.2 L/min，每隔12 h測定醋酸產量[8]。②乙醇體積分數。菌床載體為玉米芯、發酵溫度32 ℃、接種量35 g/L、發酵液循環噴淋流速2.2 L/min、發酵時間24 h，發酵液中乙醇體積分數分別為2%、4%、6%、8%、10%。③接種量。菌床載體為玉米芯、發酵溫度32 ℃、乙醇體積分數8%、發酵液循環噴淋流速2.2 L/min、發酵時間24 h，接種量分別為15、35、55、75、95 g/L；④發酵溫度。菌床載體為玉米芯、接種量35 g/L、乙醇體積分數8%、發酵液循環噴淋流速2.2 L/min、發酵時間24 h，發酵溫度分別為24、28、32、36、40 ℃；⑤發酵液流速。菌床載體為玉米芯、發酵溫度32 ℃、乙醇體積分數8%、接種量35 g/L、發酵時間24 h，發酵液流速分別為0.9、2.7、4.5、6.3、8.1 L/min。

1.2.4 正交試驗 在單因素試驗的基礎上，采用L9（34）正交試驗考察發酵溫度、發酵液中乙醇體積分數、接種量和發酵液流速對醋酸產量的影響，優化發酵工藝條件，因素與水平如表1所示。

2 結果與分析

2.1 發酵方式對醋酸產量的影響

不同發酵方式下醋酸產量隨發酵時間的變化見圖2。由圖2可知，發酵初期，由于發酵液中醋酸菌含量較低，因此發酵產醋酸的速度比較慢；到發酵中期，由于發酵液中醋酸菌大量繁殖且溶氧充足，發酵乙醇產醋酸的速度加快，醋酸產量迅速提高；到發酵后期，由于發酵液中的乙醇被消耗完全，醋酸產量不再升高。采用靜置發酵方式，發酵體系中的溶氧量會隨著發酵的進行逐漸被消耗，不能及時得到補充，因此醋酸產量上升較慢，發酵48 h后醋酸產量最高，之后隨發酵時間的延長醋酸產量基本保持不變。采用搖床發酵方式，發酵體系中的溶氧量能得到一定的補充，因此醋酸產量隨發酵時間的延長上升速度較快，發酵36 h后醋酸產量即達到最大值，但醋酸屬于易揮發物質，反應體系的振動導致發酵生成的醋酸較易揮發，從而醋酸產量又不斷降低。而循環噴淋發酵因發酵液與罐體內氧氣充分接觸使得發酵體系中的溶氧量充足，發酵速率隨發酵時間的延長迅速升高，發酵24 h醋酸產量即達到最大（1.159 g/100 mL），但之后由于發酵液和空氣充分接觸，產生的醋酸不斷揮發，醋酸含量又迅速下降。綜合考慮，循環噴淋發酵可以提高醋酸菌發酵產醋酸的速度，大大縮短發酵時間，但發酵時間過長易造成產生的醋酸揮發損失，因此操作時應注意嚴格控制發酵時間。

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 菌床載體對循環噴淋發酵醋酸產量的影響 菌床載體對循環噴淋發酵工藝中醋酸產量的影響結果見圖3。由圖3可以看出，以玉米芯為發酵載體，發酵24 h就達到最大醋酸產量（1.679 g/100 mL），產酸速率明顯高于刨花、稻殼和蘆葦稈載體，最大醋酸產量顯著高于稻殼和蘆葦稈，且發酵后期醋酸產量的下降趨勢也較為平緩，因此后續試驗選擇玉米芯作為菌床載體。

2.2.2 發酵溫度對醋酸產量的影響 發酵溫度對醋酸產量的影響結果見圖4。由圖4可知，醋酸產量隨著發酵溫度的升高呈先升高后降低的趨勢，發酵溫度為36 ℃時醋酸產量最高，為1.600 g/100 mL。溫度過低會導致醋酸菌的活性降低，從而醋酸產量較低，但溫度過高抑制醋酸菌生長[8]，同時會導致發酵罐里乙醇氧化時放出的熱量不能及時排出，不利于反應向正方向進行，從而降低了醋酸產量。因此選擇32～36 ℃為適宜的發酵溫度范圍。

2.2.3 發酵液中乙醇體積分數對醋酸產量的影響 發酵液中乙醇的體積分數對醋酸產量的影響結果見圖5。由圖5可知，醋酸產量隨乙醇體積分數的升高呈先升高后下降的變化趨勢，乙醇體積分數為8%時醋酸菌發酵最旺盛，醋酸產量達1.695 g/100 mL。乙醇體積分數過低，可被醋酸菌消耗的能源少，且反應底物的濃度過低，不利于醋酸的生成，而乙醇體積分數過高時高滲透壓對醋酸菌的生長有抑制作用[9]，初步確定6%～8%為適宜的乙醇體積分數范圍。

2.2.4 接種量對醋酸產量的影響 接種量對醋酸產量的影響結果見圖6。由圖6可知，醋酸產量隨著菌種接種量的增加先呈升高趨勢，接種量為55 g/L時醋酸產量可達1.72 g/100 mL，之后再增加接種量，醋酸產量基本保持不變，接種量過小，發酵體系中的醋酸菌繁殖較慢，發酵產醋酸的速度慢，且易導致發酵液發酵不充分，當發酵體系中的醋酸菌達到一定濃度時，在短時間內就可將乙醇消耗完全，再增加接種量，醋酸產量不再升高。因此試驗初步確定35～75 g/L為適宜的接種量范圍。

2.2.5 發酵液流速對醋酸產量的影響 發酵液流速對醋酸產量的影響結果見圖7。由圖7可知，醋酸產量隨發酵液流速的加快呈上升趨勢，但總的上升幅度不大。發酵液流速低，噴淋出的液體與氧氣接觸面積有限，醋酸發酵效率低，當發酵液流速達到一定值后，反應體系中的溶氧量已經滿足反應所需的耗氧量，再加快發酵液流速，醋酸產量不再升高[10]。因此綜合考慮，選擇2.7～6.3 L/min為適宜的發酵液流速范圍。

2.3 正交試驗結果

以玉米芯為菌床載體、發酵時間24 h，考察發酵液流速、發酵溫度、接種量、乙醇體積分數對醋酸產量的影響，正交試驗結果見表2。由表2可知，各因素對醋酸產量影響的主次順序為發酵液流速、發酵溫度、接種量、乙醇體積分數。最佳工藝條件組合為A2B3C1D2。即發酵溫度32 ℃、發酵液流速2.7 L/min、接種量75 g/L、乙醇體積分數8%，此條件下醋酸產量為1.93 g/100 mL，高于其他試驗組合的醋酸產量。

3 小結與討論

比較搖床發酵、靜置發酵與循環噴淋發酵3種發酵方式，循環噴淋發酵的發酵效率高、醋酸產量大、發酵周期短，但在生產過程中應注意嚴格控制發酵時間，以避免發酵時間過長導致生成的醋酸損失。在單因素試驗的基礎上進行正交試驗，得到優化的循環噴淋發酵生產醋酸的工藝條件為以玉米芯作菌床載體、發酵溫度32 ℃、發酵液流速2.7 L/min、接種量75 g/L、乙醇體積分數8%，此條件下醋酸產量為1.93 g/100 mL。

參考文獻

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