全 文 ：用野生火棘果发酵生产酒精
贺新生,竹文坤,苏燕辉
(西南科技大学生命科学与工程学院,四川绵阳,621010)
摘 要:以野生火棘果实为原料,酿酒酵母为菌种,采用三角瓶酒精发酵法发酵生产酒精,通过单因素试验,初步确
定了发酵初始糖浓度为 15%,玉米粉添加量为 3%,尿素添加量为 0.1%,发酵初始 pH值 4.5,温度 30℃~35℃,摇床转
速180r/min~200r/min,发酵时间3d~4d,酒精产量可以达到9%以上。
关键词:火棘;果实特性;营养成分;酒精发酵;工艺试验
中图分类号:TS262.2 文献标识码:A 文章编号:1671-6892(2008)01-0050-0004
AlcoholicFermentationwithWildFruitofPyracanthaangustifolia
HEXin-ShengZHUWen-KunSUYan-Hui
(SouthwestUniversityofScience&Technology,Mianyang,Sichuan621010)
Abstract:UsingthewildfruitofPyracanthaangustifoliaSchneidasmaterialandSaccharomycescerevisiaeasproduct
strain,alcoholwasfermentedintrianglebotle.Throughone-factorexperiment,theauthordeterminedthattheinitialsugar
concentration15%,theaccessionquantityofcornflour3%,urea0.1%,primepH4.5,rotationrate180r/min-200r/min,
fermentationtemperature30~35℃,fermentationtime3~4days,andtheyieldofalcoholachievedmorethan9%.
Keywords:Pyracanthaangustifolia;fruitcharacteristic;nourishmentcomposition;alcoholicfermentation;technicsexperi-
ment.
收稿日期:2007-09-11
作者简介:贺新生(1965-),男,教授,主要从事微生物发酵淘汰开发方面研究。
在石油资源日益枯竭,环境保护意识加强的形
势下,人们更看重从资源、能源和经济一体化协调考
虑的社会可持续发展的模式。在这一形势下,人们开
始关注生物能源,如燃料酒精、生物柴油、生物质气
化及液化燃料,生物制氢等能源物质的生产研究。
酒精是一种无色透明、可燃性液体。生产方式有
发酵酒精和合成酒精[1],发酵酒精占绝对优势,世界
酒精的93%为发酵法生产的。原料有:谷物、糖蜜、果
汁、葡萄酒、乳清、纤维素和其它原料。其中60%为甘
蔗或甜菜(糖汁或糖蜜)原料,33%为以玉米为主的谷
物原料。尽管我国粮食基本实现自给,但仍然没有解
决粮食的安全问题,酒精是战略物资,而粮食是更重
要的战略物资。我国的燃料酒精的生产必须采用非
粮原料或部分使用非粮原料。
野生植物火棘的果实中含有 10%~24%的可发
酵性糖,因此是一种很好的酒精发酵原料。火棘
(PyracanthaangustifoliaSchneid),又名火把果、救军
粮、红子,多年生常绿灌木,为蔷薇科火棘属植物[2]。
火棘属(PyracanthaRoem.)有10种,分布于亚洲东部
至欧洲南部;我国7种,常见4种,他们分别是:火棘
(P.forbuneanaLi),全缘火棘(P.atalantioidesStapt.)、
细圆齿火棘(P.crenulataRoem.)、窄叶火棘(P.angus-
tifoliaSchneid.)。主要分布于西南地区,以四川、贵
州、陕西、云南、湖南、湖北等省产量较大[3]。火棘对土
壤适应性强,耐干旱、瘠薄,长于丘陵山地、阳坡灌
丛、沟渠、道旁[4~6]。
通过选育,火棘产量每株可产鲜果 10kg~15kg,
亩产干果2000kg。火棘的栽种利用退耕地(荒山、荒
坡),亩产干果 2000kg左右,按每斤 0.3元~0.5元的
价格,一亩地至少可收入1200元以上。火棘是长绿
四 川 食 品 与 发 酵
SichuanFoodandFermentation
第44卷(第1期) Vol.44,No.1
灌木,根系发达,耐干旱、瘠薄,易管理,易适应环境,
投入少;普通作物(玉米、小麦)在退耕地里种植远比
不上种植火棘收入高。我国有广袤的国土,在全国退
耕还林地区大规模生产火棘果实从中提取糖和淀
粉,以此为原料,利用发酵技术生产酒精燃料,为酒
精燃料提供了丰富的原料。本文通过单因素试验对
火棘果发酵酒精过程做了一些探索性的研究。
1材料与方法
1.1试验主要材料
供试材料:火棘果实成熟期在8月中旬至12月
上旬,在本地采摘橙红色到红色果实(九成熟)。采摘
后除去细枝叶等杂质。样品采摘后,装入塑料袋,封
口,立即送实验室,放入 5℃冰箱内供测试;供发酵
试验部分晾晒至8~9成干,然后粉碎装袋供试。
菌种:酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae),菌
株编号:3324。购于中国科学研究院成都分院生物研
究所。
葡萄糖为分析纯;玉米粉为市售;尿素为分析
纯。
1.2方法
1.2.1菌种活化
取出保存的酿酒酵母菌种,用PDA培养基进行
活化。在25℃恒温培养箱中静止培养3d~4d,待斜面
上长出白色菌苔,即得到所需菌种。
1.2.2酒精发酵
1.2.2.1种子培养基确定
以10%葡萄糖液添加1%的玉米浆和0.2%的尿
素作为种子培养基1;以含有 10%葡萄糖的火棘果
液添加1%的玉米浆和0.2%的尿素作为种子培养基
2。三角瓶装量为50mL,分别接入新鲜的活化菌种四
环,35℃、180r/min~200r/min恒温震荡器培养至对数
生长中后期,测定发酵液中细胞数。
1.2.2.2发酵时间确定试验
在含糖量为 5%的火棘果液中添加添加 2%的
玉米浆和 0.2%的尿素作为培养基,三角瓶装量为
50mL,接种量为 4环,35℃、180r/min~200r/min恒温
震荡培养,测定不同时间段发酵液中残糖含量。
1.2.2.3发酵初始糖浓度确定试验
在含糖量为 5%的火棘液中添加 2%玉米浆,
0.2%尿素,分别添加0%、5%、10%、15%、20%的葡萄
糖,三角瓶装量为 50mL,接种量为 4环,35℃、180r/
min~200r/min恒温震荡培养 3d,测定发酵后液中残
糖含量和酒精度。
1.2.2.4玉米粉添加量确定试验
氮源是构成菌体物质和一些代谢产物的必须营
养物质,是酵母细胞合成代谢的重要原料。在初始糖
浓度15%、尿素含量0.2%的火棘液中分别添加1%、
2%、3%、4%、5%的玉米粉,三角瓶装量为 50mL,接
种量为4环,35℃、180r/min~200r/min恒温震荡培养
3d,测定发酵后液中残糖含量和酒精度。
1.2.2.5尿素添加量确定试验
在初始糖浓度 15%,玉米粉含量 2%的火棘液
中,分别添加 0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的尿
素,三角瓶装量为50mL,接种量为4环,35℃、180
r/min~200r/min恒温震荡培养 3d,测定发酵后液中
残糖含量和酒精度。
1.2.2.6 pH值确定试验
在含糖量为 5%的火棘液中添加 10%的葡萄
糖,2%的玉米粉,0.1%的尿素,三角瓶装量为 50mL,
调节pH值分别为3.0、3.5、4.0、4.5、5.0,接种量为 4
环,35℃、180r/min~200r/min恒温震荡培养3d,测定
发酵后液中残糖含量和酒精度。
1.2.2.7温度确定试验
在含糖量为 5%的火棘液中添加 10%的葡萄
糖,2%的玉米粉,0.1%的尿素,三角瓶装量为 50mL,
发酵温度分别控制为25℃、30℃、35℃、40℃、45℃,接
种量为 4环,180r/min~200r/min恒温震荡培养 3d,
测定发酵后液中残糖含量和酒精度。
1.2.3测定方法
1.2.3.1火棘果实的物理性状测定
用电子天平称取500g鲜果,计算单果、果肉、种
子重量;用千分卡尺测量果径;采用称重法[7]测定果
实比重。测定重复3次,取平均值。水分采用直接干
燥法测定[8]。
1.2.3.2指标测定
采用血球计数板法测定酵母细胞数[9]。糖的测定
采用斐林试剂热滴定定糖法[10]。酒精含量测定采用
部分蒸馏方法,取 200mL发酵成熟液,蒸馏收集
100mL蒸馏液,于分析天平中称量,然后与标准对比
得到酒精含量[10]。
1.2.3.3生产燃料酒精的技术路线
收集火棘果→晾晒→干火棘果→去除树叶、杂质→粉碎
洗(淀粉和糖)→灭菌→接种→发酵→蒸馏→酒精。
2结果与分析
2.1火棘果实特性
火棘果实为梨果,成熟后显红色、橙红色或橙黄
贺新生等:用野生火棘果发酵生产酒精第44卷(总第142期) 51
色,表面光滑,种子5粒;火棘果实为扁圆形,果肉粉
质;火棘单果重量和果肉重量都较轻,分别为0.19
和0.18;火棘果肉占的比例很高为 93.1%;果实比重
也很低,为0.85。见下表1。
表1火棘果实的物理性状/g(%)
2.2不同因素对发酵的影响
2.2.1种子培养基及种子培养条件的确定
结果如图1,在相同接种量和培养条件下,酵母
菌种在野生火棘果液即种子培养基2中生长情况要
好于在种子培养基1中的生长情况,特别是在后期
更明显。因此确定种子培养基2作为酒精发酵的种
子培养基,种子培养温度为 35℃,摇床转速 180r/
min~200r/min,种龄3d~4d,接种量4环。
图1 不同培养基条件下酵母的生长曲线比较
2.2.2发酵时间对发酵的影响
结果如表2,开始发酵速度较快,发酵液中的糖
份以较快的速度减少,48h后酵母活性降低,发酵速
度开始减缓,残糖含量变化不大,综合考虑试验的具
体情况以及设备的周转和能耗,确定发酵最佳时间
为3d。
表2 不同发酵时间对残糖的影响
2.2.3初始糖浓度对发酵的影响
结果如表3,随着初始糖浓度的增加,酒精度随
之增加。对试验数据进行方差分析,F检验:残糖含
量的 F=272.50﹥F0.01=5.99,差异极显著,酒精度的
F=259.33﹥F0.01=5.99,差异极显著。但初始糖浓度超
过20%酒精度增加不明显,残糖含量也由下降趋势
转为上升趋势,在此基础上初步确定发酵液的初始
含糖量在15%左右比较合适。
表3不同初始糖浓度对发酵的影响
2.2.4 不同玉米粉的添加量对发酵的影响
发酵试验结果如表4。由表中可以看出,随着玉
米粉浓度的提高,酒精浓度也有一定的提高。对试验
数据进行方差分析,F检验:残糖含量 F=26.67﹥
F0.01=5.99,差异极显著,酒精度 F=66.67﹥F0.01=5.99,
差异极显著。玉米粉的添加量从1%~3%时,酒精产
量增加较快,玉米粉添加量从 3%~5%时,酒精产量
虽然有所增加,但是增加的幅度很小。综合考虑发酵
结果和经济性,控制玉米粉添加量为3%。
表4不同玉米粉添加量对发酵的影响
2.2.5不同尿素添加量对发酵的影响
表5尿素添加量不同情况下对发酵的影响
试验结果表 5表明残糖含量先减少后增加,尿
素含量在0.1%~0.2%是到最低点。对试验数据进行
方差分析,F检验:残糖含量F=17.50﹥F0.01=5.99,差
异极显著,酒精度 F=9.75﹥F0.01=5.99,差异极显著。
对发酵后酒精度而言,则表现出先增加后减少的趋
势,尿素含量在0.1%~0.2%酒精度含量较高,但在这
范围内增加量很小。考虑经济性,控制尿素添加量在
0.1%比较合适。
2.2.6不同pH值对发酵的影响
不同pH的酒精发酵实验结果如表6。结果表明
pH值为4.5时残糖含量最低,超过4.5后反而增加。
对试验数据进行方差分析,F检验:残糖含量F=3.75
纵
0.54
纵
0.77
果径/cm单果
重量
0.19
重量
0.18
占果重
91.3
含水率
84.9
单果内种子数
5
果肉
占果重
6.90
千粒重
2.6
种子 果实
比重
0.85
初始糖含量/% 15 15 15 15 15 15 15
发酵时间/h 0 12 24 36 48 60 72
残总糖/% 15.26 10.38 6.92 3.75 2.04 1.43 1.22
初始总糖含量/%
5
10
15
20
25
1.47
2.65
1.50
2.13
2.78
1.50
2.58
1.45
2.05
2.69
1.54
2.70
1.51
2.27
2.79
残糖含量/% 平均值
1.50
2.64
1.49
2.15
2.75
7.15
8.74
9.27
10.69
11.07
7.13
8.67
9.23
10.75
11.05
7.00
8.78
9.34
10.64
11.10
平均值
7.09
8.73
9.28
10.69
11.07
酒精度/V/V,%
玉米粉添加量/%
1
2
3
4
5
1.39
1.07
1.04
0.98
0.94
1.26
1.06
0.97
0.92
0.91
1.35
1.10
1.05
0.96
0.88
残糖含量/% 平均值
1.33
1.08
1.02
0.95
0.9
8.74
9.18
9.27
9.28
9.31
8.63
9.15
9.23
9.26
9.28
8.67
9.03
9.21
9.30
9.34
平均值
8.68
9.12
9.24
9.28
9.31
酒精度/V/V,%
尿素添加量/%
0.05
0.1
0.2
0.3
0.4
1.31
1.03
1.08
1.23
1.37
1.27
0.95
0.92
1.25
1.33
1.35
1.16
1.04
1.19
1.29
残糖含量/% 平均值
1.31
1.05
1.01
1.22
1.33
8.47
9.30
9.28
9.03
8.82
8.35
9.26
9.34
9.11
8.93
8.41
9.22
9.19
9.20
8.84
平均值
8.41
9.26
9.27
9.11
8.86
酒精度/V/V,%
52 四川食品与发酵 2008年第1期
﹥F0.05=3.48,差异显著,酒精度F=195﹥F0.01=5.99,差
异极显著。不同pH下,发酵后的酒精产量是不同
的,在 pH值为 4.5时酒精产量最高,这是因为此时
酵母的生长和代谢最旺盛,有利于酒精的发酵作用,
随着pH值的进一步升高,酒精度反而降低。所以确
定发酵最适初始pH值为4.5。
表6不同pH值对发酵的影响
2.2.7不同温度对发酵的影响
结果见表7。温度是影响发酵的一个关键因素,
温度过低,在规定时间内发酵不彻底,温度过高侧抑
制酵母作用的发挥或使酵母的副产物增多,导致酒
精度不高,因而在进行发酵时,发酵温度的控制是非
常重要的。对试验数据进行方差分析,F检验:残糖
含量F=25﹥F0.05=3.48,差异显著,酒精度 F=370﹥
F0.01=5.99,差异极显著。从表7可以看出,温度过高
或过低,残糖含量都较高,当温度为 35℃时残糖含
量最低,酒精度含量也最高。初步确定最适合的发酵
温度为35℃。
表7不同发酵温度对发酵的影响
3小结与讨论
用火棘果发酵酒精中添加3%的玉米粉和0.1%
的尿素作为N源有利于提高酵母的发酵能力,从而
缩短发酵周期,并使成熟发酵液中的残糖降到较低
水平。糖的含量与发酵后酒精度的高低有很大关系,
控制适当的初始糖含量对于发酵过程中酒精度的提
高有很大作用,在本试验中控制初始糖含量在15%
左右比较合适。发酵初始pH值为4.5时发酵效果较
好。发酵温度控制在30℃~35℃。
从试验具体结果看,说明利用火棘果为原料发
酵生产酒精是可行的。我国已成功地开发了利用玉
米、陈化粮生产绿色能源燃料酒精,但利用火棘果为
原料发酵生产燃料酒精是国内还是一片空白,利用
这一原料不仅可以创收,还可以绿化荒山,保护环
境。无论从长远还是眼前,无论是从原料的经济性还
是我国的能源现状,在工艺进一步成熟的情况下值
得大力推广。
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[10]章克昌.酒精与蒸馏酒工艺学[M]北京:中国轻工业出版
社,1995
pH
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
1.54
1.38
1.29
1.16
1.40
1.52
1.32
1.28
1.13
1.47
1.45
1.36
1.24
1.15
1.39
残糖含量/% 平均值
1.50
1.35
1.27
1.15
1.42
8.33
9.05
9.15
9.32
8.86
8.41
9.12
9.14
9.27
8.85
8.34
8.93
9.10
9.30
8.82
平均值
8.36
9.03
9.13
9.30
8.84
酒精度/V/V,%
温度T/℃
25
30
35
40
45
1.41
1.25
1.12
1.37
1.46
1.43
1.22
1.15
1.30
1.41
1.34
1.16
1.08
1.32
1.39
残糖含量/% 平均值
1.39
1.21
1.12
1.33
1.42
8.61
9.28
9.34
8.83
8.65
8.64
9.33
9.38
8.84
8.69
8.58
9.27
9.30
8.76
8.61
平均值
8.61
9.29
9.34
8.81
8.65
酒精度/V/V,%
贺新生等:用野生火棘果发酵生产酒精第44卷(总第142期) 53
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采用活性炭脱色法将红曲的色素脱去,对脱色后的样
品进行抑菌实验,发现脱色后的样品仍有抑菌性。又经高
效液相色谱法检测该脱色液,确认脱色后有抑菌作用的样
品中不含桔霉素。这个实验证实了红曲中除了色素和桔霉
素之外,还有其他的抑菌物质。通过糖和氨基酸定性实验,
以及葡聚糖凝胶柱色谱分离确认该抑菌物中含有小肽和
糖类物质,并且通过薄层层析确定了该抑菌物属于结合性
糖肽。
红曲中的一种糖肽类抑菌物质
行 业 动 态