全 文 ：第 ! 卷第 # 期
#$%% 年 & 月
生"物"加"工"过"程
9=QCJ(JTDIOCBEDN\QD)ODHJ((@CMQCJJOQCM
2DE*! -D*#
B`O*#$%%
KDQ"%$*&!7!:e*Q((C*%78# 6&783*#$%%*$#*$$%
收稿日期"#$%$ 6$! 6#&
基金项目"博士点基金新教师项目##$$880&0$
作者简介"吴剑荣#%!87%$&男&福建永安人&副教授&研究方向"工业微生物和生物聚合物材料&@FPBQE"cQCDLIfeQBCMCBC*JKI*HC
乙醇 黄原胶耦联两步发酵
吴剑荣&李朝廷& 郑志永&詹晓北
#江南大学 生物工程学院 工业生物技术教育部重点实验室&无锡 #%0%##$
摘"要"初步探索乙醇 黄原胶耦联两步发酵的可行性和生产工艺&即控制乙醇发酵&发酵液去除固形物后蒸馏回
收酒精&然后利用酒精糟液中剩余营养物质进行黄原胶发酵 摇瓶和小罐试验证实方案是可行的&耦联发酵工艺
优化条件"选择木薯淀粉进行乙醇发酵 7$ =后的酒精糟液&添加 # M:U_.
#
>5
0
&不添加无机-源 在优化条件下&
8 U发酵罐中耦联发酵的黄原胶产量达到 #$ M:U&转化率约为 $g
关键词"耦联两步发酵(乙醇(黄原胶(
中图分类号"d+!#$*7""""文献标志码"Y""""文章编号"%78# 6&783##$%%$$# 6$$$% 6$0
#E-5/26FG5/E-5/:23960HEI2F1E5;0704J0/E5E.2/
RSTQBCODCM&U,9=BDAQCM&V.@-WV=QXDCM&V.Y-1QBD;JQ
#_JXUB;DOBADOXDN,CKI(AOQBE\QDAJH=CDEDMXDNA=J` QCQ(AOXDN@KIHBAQDC&4H=DDEDN\QDAJH=CDEDMX&TQBCMCBC SCQZJO(QAX&RIGQ#%0%##&9=QCB$
*K1E45:E"d=JNJB(Q;QEQAXBCK A=JAJH=CDEDMXDNA=JJA=BCDEFGBCA=BC HDI)EJK ALDF(ABMJNJOPJCABAQDC LJOJ
QCZJ(AQMBAJK*R=JC JA=BCDENJOPJCABAQDC LB((AD))JK B=JBK DNAQPJ& A=J(DEQK HDCAJCALB(OJPDZJK ;X
HJCAOQNIMBAQDC&A=JJA=BCDEQC A=J;ODA= LB(OJHDZJOJK ;XKQ(AQEBAQDC BCK A=JA=QC KQ(AQEJOLQA= PBCXCIF
AOQJCA(LB(I(JK NDOGBCA=BC NJOPJCABAQDC*d=JAJ(AQC NEB(c HIEAIOJBCK 8 U;BAH= NJOPJCADO)ODZJK A=J
NJB(Q;QEQAXDNA=JCDZJEAJH=CDEDMX*d=JD)AQPBEHDCKQAQDC(NDOA=JHDI)EJK NJOPJCABAQDC LJOJB(NDEDL("
A=JA=QC KQ(AQEJODNJA=BCDENJOPJCABAQDC #7$ =$ I(QCMHB((BZB(ABOH= LB(H=D(JC NDOGBCA=BC NJOPJCABF
AQDC&# M:UDN)DAB((QIPKQ=XKODMJC )=D()=BAJLB(BKKJK QCADA=JPJKQIPBCK QCDOMBCQHCQAODMJC (DIOHJ
LB(CDAOJaIQOJK*SCKJOA=JB;DZJHDCKQAQDC&#$ M:UGBCA=BC LB(D;ABQCJK QC 8 UNJOPJCADOLQA= BXQJEK
DN$g*
L0M I24H1"HDI)EJK ALDF(ABMJNJOPJCABAQDC( JA=BCDE( GBCA=BC MIP
""随着世界经济的快速发展及能源的日趋紧张&
对可再生能源#燃料乙醇)生物柴油等$的研究和利
用成为热点 目前&燃料乙醇所用的原料主要是玉
米淀粉)红薯淀粉)木薯淀粉和甜高粱 燃料乙醇
生产过程中产生了大量酒精糟液 发达国家和国
内一些大型企业主要通过全干燥法处理酒精糟液
生产饲料#^^ W$&但是能耗成本较高(中小规模企
业则将其中固形物收集加工成饲料&剩余部分直接
排放&对环境和污水处理产生巨大压力*% 6#+
""黄原胶是一种由黄单胞杆菌产生的水溶性微
生物多糖&具有食用安全性和良好配伍性&是食品
行业的,工业味精- *&+ 黄原胶生产菌对营养条件
要求较低&利用淀粉原料#质量分数0ghg$即可
生产黄原胶&其提取工艺需要大量酒精*0+
""根据黄原胶发酵和乙醇发酵的特点&本研究提
出一种耦联的两步发酵工艺将两个过程联系在一
起&该工艺能缩短乙醇发酵时间&经过蒸馏回收后&
把其中含有少量 9源的酒精糟液直接用于黄原胶
发酵 在实际生产过程中&前段的乙醇发酵可为黄
原胶提取提供溶剂&省去乙醇运输成本%%%该工艺
有利于清洁生产&能降低酒精工厂的生产成本&减
少污染排放&同时生产出附加值较高的黄原胶*+
""笔者初步探索乙醇 黄原胶耦联两步发酵工艺&
选择玉米淀粉)木薯淀粉和红薯淀粉等常见初始原
料用于酒精发酵&对酒精糟液进行处理并用于黄原
胶发酵&优化黄原胶发酵的培养基&并在小罐上验
证其可行性
C?材料与方法
C=C?菌种与材料
""黄原胶发酵菌 =,)7&+&,"4+:#")*2"R1\F
9UV$0$&&由本验室保存(乙醇发酵菌株采用市售安
琪酵母
""木薯淀粉)玉米淀粉和红薯淀粉为市售原料&
!
淀粉酶##$ $$$ S:PU$和糖化酶#%& $$$ S:PU$&
由无锡杰能科公司提供
CN@?培养基
""乙醇发酵培养基"淀粉料水质量比 %i&j8&
#-.
0
$
#
45
0
#j$ M:U&_.
#
>5
0
%j3 M:U& M`45
0
$j3 M:U
""黄原胶发酵种子培养基#M:U$"蔗糖 #$&蛋白胨
&牛肉膏 &&酵母膏 %().8j$ h8j#
""黄原胶发酵培养基 #M:U$"可溶性淀粉 0$&
-.
0
9E#j&酵母膏 $j&_.
#
>5
0
#j&9B95
&
%().
8j$ h8j#
""耦联黄原胶发酵培养基"处理酒精糟液后&补
加可溶性淀粉至 0$ M:U#根据测定的总糖添加$&
_.
#
>5
0
#j$ M:U&9B95
&
% M:U().8j$ h8j#
CNO?乙醇发酵
""按照文献*7+的方法进行乙醇发酵&在 &$ k摇
床静置发酵约 =
CNP?黄原胶发酵
""黄原胶在 &$ k)#$$ O:PQC摇床中发酵 8# =&接
种量 %$g*8+
""通过对前段乙醇发酵液进行预处理&获得可用
于黄原胶发酵的酒精糟液&具体流程如下"离心去
除酵母泥
"
蒸馏&回收乙醇&加水恢复体积
"
测定
残糖和氨氮含量
"
补加可溶性淀粉
"
灭菌&黄原胶
发酵
CNQ?分析方法
""黄原胶测定#干质量法$"取 PU发酵液&去离
子水 % PU稀释&%$ $$$ O:PQC 离心 %$ PQC&上清液
中加入 & 倍体积的乙醇进行沉淀&离心&3$ k烘箱
中烘干至恒质量
""生物量测定"将上述离心获得的菌体沉淀溶于
去离子水中&加入少许稀.9E&离心&弃上清液&菌体
沉淀于 3$ k烘箱中烘干至恒质量
""还原糖测定"苯酚硫酸法*3+
""氨氮测定"次氯酸钠 水杨酸法*!+
CNR?黄原胶性能表征方法
""黏度测定"利用 \ODDcNQJEK 2^F,黏度计进行测
定&选择 4$& 或 4$0 号转子&在室温下测定其黏度
""流态特性指数#,$"根据上述黏度测定数据&以
及符合幂定律公式进行计算*%$+
@?结果与讨论
@NC?,源发酵糟液对黄原胶的影响
""利用玉米淀粉)木薯淀粉和红薯淀粉 & 种 9源
进行乙醇发酵 7$ =&发酵液离心去除酵母和固体杂
质后&用旋转蒸发仪将上清液中的酒精进行蒸馏回
收(然后再用去离子水恢复体积&获得可用于发酵
的)不含乙醇的酒精糟液&对该液体进行分析&结果
如表 % 所示 从表 % 可以看出"利用玉米淀粉和红
薯淀粉发酵约 7$ =后残糖质量浓度约为 0$ M:U&而
利用木薯淀粉的乙醇发酵液残糖含量最低&氨氮的
含量相差不多
表 C?不同,源发酵的酒精糟液中营养物的成分变化
D5K60C?$3E4.0/E./E-0E-./1E.65;0742J0E-5/26
704J0/E5E.2/I.E-H.7040/E1E54:-01??;"S
TC
营养物
"
#残糖$
"
#氨氮$
玉米淀粉 &3j$ l&j0 $j7 l$j%%
木薯淀粉 &#j# l0j$ $j#3 l$j%&
红薯淀粉 0&j% l&j$ $j07 l$j%$
""在恢复体积的酒精糟液中补加可溶性淀粉至
0$ M:U#根据测定的总糖添加$)# M:U_.
#
>5
0
后进
行黄原胶发酵&结果如图 % 所示
""从图 % 可以看出"采用木薯淀粉发酵的培养基
所产黄原胶最高&达到#%3j l%j#$ M:U&其黏度最
高&流态特性指数 ,最低#$j%7$ 这表明该黄原胶
# 生"物"加"工"过"程"" 第 ! 卷"
图 C?,源对耦合黄原胶发酵的产量
和品质的影响
U.;=C?#70:E1271E54:-012/E-0G5/E-5/942H3:E.2/
5/HV356.EM 742J:23960H704J0/E5E.2/
品质较好 由于使用粮食原料玉米和红薯生产燃
料酒精受到限制*%%+ &因此选择木薯淀粉发酵糟液用
于黄原胶耦联发酵
@N@?不同发酵时间所得木薯淀粉糟液对黄原胶发
酵的影响
""酒精发酵时间的长短可影响剩余酒精糟液的
营养成分&也可能对耦联黄原胶发酵有所影响 本
研究比较木薯酒精经不同时间#)7$)7 和 8$ =$
发酵后的残糖和氨氮含量&结果如表 # 所示 从表
# 可以看出"随着时间延长&发酵液中残糖逐渐降
低&氨氮浓度则相差无几
表 @?不同发酵时间对木薯淀粉乙醇糟液成分的影响
D5K60@?,2J92/0/E5/56M1.127E-./1E.65;0742J0E-5/26
704J0/E5E.2/I.E-:5115W5 1E54:-5EH.7040/EE.J0
发酵时间:=
"
#还原糖$:#M!U6%$
"
#氨氮$:#M!U6%$
0%j# l#j7 $j#! l$j$
7$ #3j$ l&j$ $j&$ l$j$0
7 #3j$ l#j $j&3 l$j$
8$ %j3 l#j% $j&# l$j$&
""将上述发酵液进行预处理获得酒精糟液清液&
补加可溶性淀粉到 0$ M:U#根据测定的总糖添加$)
# M:U_.
#
>5
0
后进行黄原胶发酵&结果如图 # 所示
""从图 # 可以看出"利用木薯酒精发酵约 7$ = 的
糟液用于耦联发酵获得的黄原胶产量最高&达到
#%!j l%j0$ M:U&其对应黏度也最大 另外&不同
发酵时间所得黄原胶品质差异较大&利用 7$ = 糟液
发酵所得黄原胶的流态特性指数 , 最小#$j%&$
说明乙醇发酵时间长短不仅会影响黄原胶产量&同
时也影响其酒精糟液的组分&因此必须综合考虑所
图 @?不同发酵时间所得木薯淀粉糟液对黄原
胶发酵的影响
U.;=@?#70:E127E-./1E.65;0742J0E-5/26704J0/E5E.2/
I.E-:5115W5 1E54:-5EH.7040/EE.J02/G5/E-5/
942H3:E.2/
有因素 木薯酒精发酵 7$ =&总糖质量浓度约为
&$ M:U&是黄原胶发酵所需的最适糖浓度 因此选
择相同条件下木薯酒精发酵约 7$ = 的酒精糟液进
行研究
图 O?L"
@
X+
P
质量浓度对耦联黄原胶发酵的影响
U.;=O?#70:E127L"
@
X+
P
:2/:0/E45E.2/2/
:23960HG5/E-5/704J0/E5E.2/
@NO?L"
@
X+
P
质量浓度对耦联黄原胶发酵的影响
""SPB(=BCcBO等*%#+报道了磷酸盐对黄原胶发酵
有较大的影响&因此有必要对耦联黄原胶发酵培养
基中的磷酸盐浓度进行优化 选择木薯淀粉发酵
7$ =的酒精糟液&预处理后测定残糖质量浓度约为
#8 M:U&补加可溶性淀粉到 0$ M:U&选择 _.
#
>5
0
质
量浓度梯度为 $)%)# 和 & M:U进行耦联黄原胶发
酵&结果见图 & 从图 & 可以看出"添加少量磷酸盐
有利于黄原胶发酵&其中以 # M:U_.
#
>5
0
的效果最
佳&黄原胶产量达##$j% l%j&$ M:U&对应黏度# &3$
>`B!(#7$ 转&4$& 转子$ 这也符合微生物多糖发
酵生产的特点&即产量高)黏度大 另外&磷酸盐对
流态特性指数影响较小&因此最终选择添加 # M:U
_.
#
>5
0
用于耦联黄原胶发酵
&"第 # 期 吴剑荣等"乙醇 黄原胶耦联两步发酵
@NP?$"
P
,6质量浓度对耦联黄原胶发酵的影响
""黄原胶发酵可用的无机 -源包括 -B-5
&
)
-.
0
-5
&
和-.
0
9E等&有机-源则包括酵母膏)大豆
胨等 由于酵母可能发生自溶&酒精糟液中含有大
量的有机-源&因此考察无机-源对耦联黄原胶发
酵的影响&结果见图 0 从图 0 可以看出"随着
-.
0
9E浓度的升高&黄原胶产量有所下降&品质和黏
度也随之下降&流态特性指数 , 变大 这可能是无
机-源不利于大分子质量黄原胶的合成&导致其性
能降低&因此最终选择不添加无机-源
图 P?$"
P
,6质量浓度对耦联黄原胶发酵的影响
U.;=P?#70:E127$"
P
,6:2/:0/E45E.2/2/:23960H
G5/E-5/704J0/E5E.2/
图 Q?Y S发酵罐中黄原胶耦联发酵的曲线
U.;=Q?X427.6027:23960HG5/E-5/704J0/E5E.2/
./Y S704J0/E24
@NQ?小型发酵罐中验证乙醇 黄原胶耦联两步发酵
""为了进一步验证上述结果&在 8 U发酵罐进行小
试实验 首先&在摇瓶进行 7$ = 酒精发酵&收集处理
糟液后测得残糖为%&j3 M:U#总体积&j3 U$ 再把糟
液倒入 8 U发酵罐&加入可溶性淀粉)磷酸盐和9B95
&
后进行黄原胶发酵&结果见图 由图 可知"菌体生
长 #$ =后达到平衡期&并维持在 #j M:U左右 黄原
胶产量持续增加&发酵 8# = 的产量达到#$ M:U&转化
率为 $g ).则持续下降到 j%&这可能是由于黄
原胶侧链上的丙酮酸基团使多糖呈酸性 因此&通过
小试也验证了乙醇 黄原胶耦联发酵的可行性
O?结论
""初步研究了乙醇 黄原胶耦联的两步发酵&即将
乙醇发酵液进行酒精回收后&酒精糟液去除酵母和
固形物&添加少量营养物用于黄原胶发酵 通过摇
瓶和小罐试验证实该方案可行&耦联发酵优化条
件"乙醇发酵原料为木薯淀粉&发酵 7$ =(酒精糟液
中添加 # M:U_.
#
>5
0
&不添加 -源 另外&在 8 U
发酵罐中&耦联发酵的黄原胶产量达到 #$ M:U&转化
率约为 $g
""乙醇 黄原胶耦联发酵不仅可以解决黄原胶提
取所需大量溶剂的问题&而且酒精糟液得到合理利
用&有利于降低黄原胶生产成本和提高企业的额外
收入 当然&该方案所生产的黄原胶可能在品质上
不如正常发酵过程生产的产品&但仍可用于石油开
采等对黄原胶品质要求低的领域
参考文献"
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耗的问题和出路*T+*酿酒科技&#$%$##$"%#%F%#0*
* 7 +"赵海&刘艳&戚天胜*一种高浓度酒精发酵的方法" 中国&
#$$7%$$###$!j&*>+*#$$3F$F%0*
* 8 +"秦志刚&詹晓北&贾薇&等*高丙酮酸黄原胶发酵与流变特性
研究*T+*食品与发酵工业&#$$8&&&#%$" &#F&*
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NDOKJAJOPQCBAQDC DN(IMBO(BCK OJEBAJK (I;(ABCHJ(*T+*YCBEXAQHBE
9=JPQ(AOX&%!7#&$" &$F&7*
* ! +"叶旭红&俞剑莹&吴敏华&等*次氯酸钠 水杨酸分光光度法测
定方法的改进*T+*中国环境监测&#$$#&%3#7$" 7F8*
*%$+" Q`A(H=cB>*4QP)EJHDCZJO(QDC DN\ODDcNQJEK b*2*d*OJBKQCM(QCAD
ZQ(HD(QAXNICHAQDC(*T+*b=JDEDMXYHAB&%!3#&#%##$" #$8F#$!*
*%%+"申乃坤&王青艳&陆雁&等*木薯淀粉高温高浓度生产酒精的
工艺研究*T+*酿酒&#$$!&&7#$" 08F%*
*%#+"SPB(=BCcBO.&YCCBKIOBQW&9=JEB)BCKQBC &`JABE*,CNEIJCHJDN
CIAOQJCA(DC HJEMODLA= BCK GBCA=BC )ODKIHAQDC ;X=,)7&+&,"
4+:#")*2"*T+*\QD)ODH\QD(X(@CM&%!!7&%0#7$" &$8F&$!*
0 生"物"加"工"过"程"" 第 ! 卷"