一种酵母絮凝的可逆调控方法和应用
技术领域
本发明涉及工业微生物酒精发酵技术领域,特别涉及一种酵母絮凝的可逆调控方法和应用。
背景技术
酒精作为重要工业基础原料,已广泛应用于食品、医药、化工等领域。近年来,随着石油、煤炭等化石能源日渐枯竭及其燃烧废气对大气环境污染日益严重,酒精作为一种可再生清洁能源愈发受到世界各国的重视。目前我国酒精年产量已居世界第三位,其中96.5%由微生物发酵制取,木薯、甘蔗糖蜜、甜高粱等非粮发酵原料倍受青睐,但酒精发酵行业也存在诸多亟待解决的难题,比如高能耗、高污染等。现如今大部分酒精企业,由于分离设备投资大且运行能耗高,遂将发酵醪中的大量细胞随蒸馏废液排放,这不仅浪费细胞蛋白资源而且造成水体富化加重污染。近年来有学者提出利用自絮凝酵母进行酒精发酵,可以降低酵母分离能耗,但还存在一些应用过程中产生的问题。
酵母絮凝类型分为组成型(自发絮凝)和诱导型(外界因素诱导絮凝),其中大部分自絮凝酵母为基因工程菌,絮凝特性现已普遍应用于啤酒发酵,淀粉质和糖质原料酒精发酵也有个别涉及,但未形成规模化工业应用。专利CN200610025259.7《驯化选育的自絮凝酵母变异株及其应用》、CN101045937《燃料乙醇清洁生产技术》,发明人将絮凝酵母自沉降在四级串联发酵罐的底部从而实现无载体酵母固定化连续酒精发酵,但是后级发酵罐酒精浓度可达到8~15%(v/v),高酒精浓度可抑制酵母繁殖,导致后级发酵罐底部酵母老化且得不到补充和更新,终将导致发酵活力低、残糖高等问题;专利CN102260139《一种酒精发酵醪液的分离方法》有提及用聚合氯化铝、聚丙烯酰胺分离酵母的方法,所用絮凝剂对酵母细胞有一定副作用,且该絮凝剂会将发酵醪中的大部分颗粒杂质包括纤维、灰分等一起絮凝,从而增加酵母回收利用的处理难度,另外该专利亦未提及絮凝酵母的解絮凝方法。诚然在细胞回收能耗方面,絮凝酵母要优于游离酵母,絮凝酵母可形成毫米级的颗粒从而自我沉降,节省离心设备投资及运行能耗;然而在细胞数相同的情况下,游离细胞的总表面积远大于絮凝酵母,即游离酵母与发酵液的传质接触面积更大,所以不论增殖亦或发酵速率,游离酵母都更具优势。絮凝特性是一把双刃剑,一方面它有利于酵母自沉降回收,省却离心设备、节约分离能耗;另一方面,絮凝酵母比表面积低、发酵活力低,不能均匀分布于整个发酵罐体,导致发酵周期长、出酒低、残糖高,因此絮凝酵母自沉降回收后必须采取特定的方法相应地解絮才能最大程度的恢复其发酵活力。目前自絮凝酿酒酵母应用于酒精发酵行业表现出三个缺陷:一,絮凝时间点不可控,全程或过早絮凝造成出酒率较低;二,絮凝性能遗传不稳定,随着传代次数的增多,絮凝性能逐渐下降甚至丢失;三,絮凝细胞回收后不经解絮凝便直接投入发酵使用,造成其活力低、出酒率低,发酵周期长。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足,提供一种酵母絮凝的可逆调控方法,实现非自絮凝酿酒酵母游离细胞在发酵末期节能促絮凝分离以及絮凝后的酿酒酵母解絮凝成为游离细胞再发酵利用,解决絮凝酿酒酵母应用于酒精发酵过程时所表现出的低发酵率、遗传不稳定性、回收活力低等问题,此方法可充分结合并利用游离酵母和絮凝酵母各自的优点以及避免两者的缺点。
本发明的另一目的在于提供所述酵母絮凝的可逆调控方法的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现:一种酵母絮凝的可逆调控方法,包括以下步骤:
(1)以种子培养基为原料培养酵母,得到酵母种子液;其中,所述的酵母为非自絮凝酵母,即非组成型絮凝酵母;
(2)培养结束后,将步骤(1)中得到的酵母种子液接种至发酵培养基进行发酵,得到发酵醪;
(3)往步骤(2)中得到的发酵醪中添加促絮凝剂,静止沉降待其分层,将上层和下层分离,下层为酵母乳液;
(4)往步骤(3)中得到的酵母乳液中添加解絮凝剂,摇匀后接种至新的发酵培养基进行发酵,得到发酵醪;
(5)到此终止;或是步骤(3)~(4)往复循环,酵母细胞得以重复利用。
步骤(1)中所述的酵母优选为酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae),可利用可发酵性碳水化合物发酵生产酒精和二氧化碳。
所述的酿酒酵母菌株优选为酿酒酵母AS2.1190。
步骤(1)中所述的酵母种子液的细胞密度为0.8~1.5亿/mL,优选为0.85~1.35亿/mL。
步骤(1)中所述的种子培养基的碳源包括淀粉质原料和糖质原料,可发酵性糖的浓度为2~5%(w/v),pH值为4.5~6.8,pH值优选为5。
所述的淀粉质原料和糖质原料优选为可用于生产乙醇的原料。
所述的淀粉质原料包括粮食类淀粉质原料和非粮食类淀粉质原料。
所述的粮食类淀粉质原料为玉米、小麦和早籼稻中的一种或以上。
所述的非粮食类淀粉质原料为木薯、甘薯和龙舌兰中的一种或以上。
所述的糖质原料包括甘蔗、甜菜、甜高粱茎秆和菊芋中的一种或以上。
步骤(1)中所述的种子培养基优选为通过步骤(A)或步骤(B)得到的培养基:
(A)在固形物含量为10°Brix的糖蜜中添加尿素,尿素的终浓度为质量体积比0.2%,接着将pH值调至4.5~6.8,灭菌,得到种子培养基;
(B)将淀粉和水混合,糊化,接着添加淀粉酶液化,再加入糖化酶进行糖化;然后加入硫酸铵、酵母浸粉,将pH值调至4.5~6.8,灭菌,得到种子培养基;其中,每1.5g淀粉配比0.2g硫酸铵和0.5g酵母浸粉。
步骤(A)中所述的糖蜜优选为甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜中的一种或两种。
步骤(A)和步骤(B)中所述的pH值优选为5。
步骤(A)和步骤(B)中所述的灭菌的条件优选为于115℃灭菌20min。
步骤(B)中所述的淀粉优选为木薯淀粉、甘薯淀粉、玉米淀粉、小麦淀粉、龙舌兰淀粉中的一种或至少两种;更优选为木薯淀粉。
步骤(B)中所述的水是作为溶剂使用;其用量优选为1.5g淀粉配比50mL水。
所述的水优选为蒸馏水。
步骤(B)中所述的糊化的条件优选为于60℃保温20~30min;优选为20min。
步骤(B)中所述的淀粉酶优选为α-淀粉酶。
所述的液化的条件优选为95℃加热60min;α-淀粉酶的用量为每1g淀粉配比20U的α-淀粉酶。
所述的糖化的条件优选为65℃加热20~30min,优选为20min;糖化酶的用量为每1g淀粉配比100U的糖化酶。
步骤(2)中所述的发酵培养基的碳源包括淀粉质原料和糖质原料,可发酵性糖的浓度为16~23%(w/v),pH4.0~5.5,pH值优选为4.5。
步骤(2)中所述的发酵培养基优选为通过步骤(C)或步骤(D)得到的培养基:
(C)在固形物含量为30°Brix的糖蜜中添加尿素,尿素的终浓度为质量体积比0.2%,接着将pH值调至4.5~6.8,灭菌,得到发酵培养基;
(D)将淀粉和水混合,糊化,接着添加淀粉酶液化,再加入糖化酶进行糖化;然后加入硫酸铵、酵母浸粉,将pH值调至4.5~6.8,灭菌,得到种子培养基;其中,每32g淀粉配比0.4g硫酸铵和0.5g酵母浸粉。
步骤(C)中所述的糖蜜优选为甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜中的一种或两种。
步骤(C)和步骤(D)中所述的pH值优选为4.5。
步骤(C)和步骤(D)中所述的灭菌的条件优选为于115℃灭菌20min。
步骤(D)中所述的淀粉优选为木薯淀粉、甘薯淀粉、玉米淀粉、小麦淀粉、龙舌兰淀粉中的一种或至少两种;更优选为木薯淀粉。
步骤(D)中所述的水是作为溶剂使用;其用量优选为32g淀粉配比100mL水。
所述的水优选为蒸馏水。
步骤(D)中所述的糊化的条件优选为于60℃保温20~30min,优选为30min。
步骤(D)中所述的淀粉酶优选为α-淀粉酶。
所述的液化的条件优选为95℃加热60min;α-淀粉酶的用量为每1g淀粉配比20U的α-淀粉酶。
所述的糖化的条件优选为65℃加热20~30min,优选为30min;糖化酶的用量为每1g淀粉配比100U的糖化酶。
步骤(2)中所述的酵母种子液的接种量优选为10~15%(v/v)。
步骤(2)和步骤(4)中所述的发酵为厌氧发酵。
步骤(3)还包括如下步骤:对分离出的上层清液进行酒精蒸馏。
步骤(3)中所述的促絮凝剂优选为FeCl3、Fe2(SO4)3和类黑精混合物中的一种或至少两种;更优选为类黑精混合物。
所述的类黑精混合物优选为通过如下步骤制备得到:将75~85°Brix糖蜜加热至85~95℃保持90~120min,得到类黑精混合物。
所述的糖蜜优选为甘蔗糖蜜。
步骤(3)中所述的静止沉降的时间为3~6min。
所述的促絮凝剂的添加量优选为每升发酵液中添加5~10mg促絮凝剂。
步骤(2)和步骤(4)中所述的发酵的温度为28~32℃,优选为30~32℃。
步骤(4)中所述的解絮凝剂为EDTA(乙二胺四乙酸)、EDTA二钠(乙二胺四乙酸二钠)和细胞自溶物中的一种或至少两种;更优选为细胞自溶物。
所述的细胞自溶物通过如下步骤制备得到:取步骤(1)制备的酵母种子液中的一部分于50~60℃、100~200w超声波振荡20~30min。
所述的解絮凝剂的添加量为每升发酵液中添加100~500μL解絮凝剂。
步骤(5)中所述的循环次数优选为5~8次。
所述酵母絮凝的可逆调控方法在酒精发酵中的应用。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
(1)自絮凝酵母存在遗传性能不稳定、不可操控的缺点,通过本发明的促絮凝方法,可成功实现酵母絮凝的可操控性,从时间、空间以及絮凝程度都可以得到很好的控制,控制发酵后期酵母絮凝可避免发酵不彻底、出酒率不高的问题。
(2)絮凝酵母有效传质面积低、密度大,于发酵液中分布不均匀,导致发酵效率低,另外絮凝酵母团的内部酵母长期得不到营养供给,容易衰老和自溶,不经解絮凝直接回收利用会造成发酵活力低、出酒率低、残糖高等问题,通过本发明的解絮凝方法,可成功实现絮凝酵母回收再发酵利用,其中解絮凝后的老化酵母在发酵阶段逐渐自溶成为新生酵母的部分营养来源,同时在发酵前期酒度不高的情况下,不断有新生酵母替代老化酵母,如此可大大提高回收酵母的发酵活力和回收使用次数。
(4)与聚合氯化铝、聚丙烯酰胺等絮凝方法相比,本发明促絮凝和解絮凝是可逆调控的,且本发明所用促絮凝和解絮凝剂的制备原料经济、安全无毒并可兼做酵母营养素,另外本发明所用促絮凝剂只选择性地诱导酵母絮凝而对其他颗粒杂质无絮凝作用。
(5)酵母繁殖需要耗用碳源、氮源及各种营养素,另外如果随废液排放会大量增加废液CODcr,增加废液处理难度,通过本发明的方法对酵母进行回收利用,不但可以节约回收分离能耗,还可以节省培养原料、增加出酒率,系统地实现节能减排。
附图说明
图1为本发明提供的酿酒酵母絮凝可逆调控方法和应用的流程图。
图2为实施例1(一)、(二)中发酵液添加促絮凝剂和实施例1(一)中添加解絮凝剂后的酵母细胞显微镜镜检图;其中,图(A)是使用聚合氯化铝促絮凝剂,图(B)是使用类黑精混合物促絮凝剂,图(C)是使用类黑精混合物促絮凝剂和细胞自溶物解絮凝剂。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
乙醇生产菌株
适用于本发明的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)必须是非自絮凝酵母,可以采用本领域常规的能够将可发酵性糖转化成乙醇和二氧化碳的任何酿酒酵母。
在本发明的优选方式中,所述的酿酒酵母包括酿酒酵母AS2.1190(购于广东省微生物菌种保藏中心),它可适用于糖质和淀粉质原料发酵生产酒精。
可用于本发明的原料没有特别限制,可以是任何淀粉质原料和糖质原料,尤其是目前用于乙醇生产中的原料。
在本发明的优选方式中,所述的淀粉质原料选自粮食类淀粉质原料如玉米、小麦和早籼稻;及非粮食类淀粉质原料如木薯、甘薯、龙舌兰。所述的糖质原料包括甘蔗、甜菜、甜高粱茎秆和菊芋。
注:1、细胞计数、酒精蒸馏方法采用GB/T 20886-2007;残糖测定采用菲林滴定法;发酵周期采用称重测量直至失重速率≤0.05g/(100mL.h)。
2、浊度测试方法为采用浊度仪(WGZ-200浊度仪)进行检测。
实施例1
一、本发明提供的酵母絮凝的可逆调控方法如图1所示,具体步骤如下:
(1)种子酵母培养收集阶段:将固形物含量为85°Brix的甘蔗糖蜜(广东徐闻三和发展有限公司)用蒸馏水稀释至10°Brix,按质量体积比0.2%添加尿素(广州化学试剂厂),pH值用浓硫酸(浓度为质量百分比98%,广州化学试剂厂)调至5.0,取50mL于115℃灭菌20min,作为种子培养基。在无菌条件下,接一环新鲜酿酒酵母菌苔(AS2.1190)至种子培养基,30℃、100rpm培养16h,测得酵母数为0.85亿/mL,得到酵母种子液。
(2)促絮凝剂和解絮凝剂的制备:将85°Brix甘蔗糖蜜于95℃水浴加热90min作为促絮凝剂;取上述酵母种子液10mL于60℃、100w超声波振荡30min作为解絮凝剂。
(3)糖蜜发酵酒精阶段:将85°Brix甘蔗糖蜜用蒸馏水稀释至30°Brix,按质量体积比0.2%添加尿素,pH值用浓度为质量百分比98%的浓硫酸调至4.5,取100mL于115℃灭菌20min,作为发酵培养基。无菌条件下,取10mL步骤(1)中得到的酵母种子液接入100mL发酵培养基,套上发酵栓于30~32℃静止发酵,每隔2~4h测失重,直至失重速率≤0.05g/(100mL.h)时发酵结束,往发酵液添加0.55mg步骤(2)中得到的促絮凝剂,摇匀1min,肉眼可见酵母絮凝沉降,静止6min,吸取上清液约100mL用于蒸馏酒精和测残糖;将1μL步骤(2)中得到的解絮凝剂加入吸取上清液后剩余的10mL酵母乳液中,摇匀10秒后接入新发酵培养基,如此回收再利用8次。
二、常规的酵母絮凝方法作为对比例
(1)种子酵母培养收集阶段:步骤与实施例1第(一)部分步骤(1)相同。
(2)糖蜜发酵酒精阶段:将固形物含量为85°Brix的甘蔗糖蜜用蒸馏水稀释至30°Brix,按质量体积比0.2%添加尿素,pH值调至4.5,取100mL于115℃灭菌20min,作为发酵培养基。无菌条件下,取10mL步骤(1)中得到的酵母种子液接入发酵培养基,套上发酵栓于30~32℃静止发酵,每隔2~4h测失重,直至失重速率≤0.05g/(100mL.h)时发酵结束,往发酵液添加2.2mg聚合氯化铝(盐基度45~96%,天津市鼎盛鑫化工有限公司),摇匀5min,肉眼可见慢慢絮凝沉降,静止20min,吸取上清液约100mL用于蒸馏酒精和测残糖,将剩余10mL酵母乳液接入新发酵培养基,如此回收再利用8次。
三、结果
(1)将实施例1第(一)部分步骤(3)促絮凝和解絮凝后得到的细胞进行镜检,同时将实施例1第(二)部分步骤(2)促絮凝效果进行对比,结果如图2所示,A图可见聚合氯化铝将发酵醪中的细胞及大部分颗粒杂质(纤维、灰分晶体等)一起絮凝,B图可见采用本发明的促絮凝剂则只选择性地诱导酵母絮凝,同时C图可以表明本发明解絮凝效果良好。
(2)将实施例1第(一)部分和第(二)部分中的各组回收再利用批次的发酵指标进行比对,结果如表1所示,可以看出采用本发明方法,回收再利用8次后,发酵周期由30h延长至32h,残糖由1.54%升高至1.7%,酒分由10.15%(v/v)降至10%(v/v),循环使用效果良好。对比例则随着回收次数的增加、发酵率逐步降低,回收再利用8次后,发酵周期由42h延长至50h,残糖由2.25%升高至3.84%,酒分由9.65%(v/v)降至8.8%(v/v)。产生这种结果:其一是由于聚合氯化铝本身对酵母细胞有一定的负作用;其二是由于聚合氯化铝将部分有害杂质絮凝对细胞产生毒害作用;其三是由于絮凝酵母有效传质面积低、密度大、内部酵母易衰老和自溶,导致发酵效率低。本发明所用促絮凝剂和解絮凝剂的制备原料经济、安全无毒并可兼做酵母营养素,另外本发明所用促絮凝剂只选择性地诱导酵母絮凝而对其他颗粒杂质无絮凝作用。
表1实施例1第(一)部分和第(二)部分的发酵指标对比
实施例2:
一、本发明提供的酵母絮凝的可逆调控方法如图1所示,具体步骤如下:
(1)种子酵母培养收集阶段:称取1.5g木薯粉(中山市弘欣生物科技有限公司),加入50mL蒸馏水,于60℃水浴锅中糊化20min,升温至95℃添加30U的α-淀粉酶(酶活2000U/mL,上海阿拉丁生化科技股份有限公司)液化60min,再降温至65℃添加150U的糖化酶(酶活10000U/mL,上海阿拉丁生化科技股份有限公司)糖化20min。上述过程中用玻璃棒不断搅拌,保证传质均匀,使木薯粉充分液化、糖化。冷却后加入0.2g硫酸铵(广州化学试剂厂)、0.5g酵母浸粉(青岛高科园海博生物技术有限公司),并调pH值至5.0,于115℃灭菌20min,作为种子培养基。无菌条件下,接一环新鲜酿酒酵母菌苔(AS2.1190)至种子培养基,30℃、100rpm培养20h,测得酵母数为1.35亿/mL,得到酵母种子液。
(2)促絮凝剂和解絮凝剂的制备:将75°Brix甘蔗糖蜜于85℃水浴120min作为促絮凝剂;取上述酵母种子液10mL于50℃、200w超声波振荡20min作为解絮凝剂。
(3)木薯酒精发酵阶段:称取32g木薯粉,加入100mL蒸馏水,于60℃水浴锅中糊化30min,升温至95℃添加640U的α-淀粉酶液化60min,再降温至65℃添加3200U的糖化酶糖化30min。上述过程中用玻璃棒不断搅拌,保证传质均匀,使木薯粉充分液化、糖化。冷却后加入0.4g硫酸铵、0.5g酵母浸粉并调pH值至4.5,取100mL于115℃灭菌20min,作为发酵培养基。无菌条件下,取10mL步骤(1)中得到的酵母种子液接入100mL发酵培养基,套上发酵栓于30~32℃静止发酵,每隔2~4h测失重,直至失重速率≤0.05g/(100mL.h)时发酵结束,往发酵液添加1mg步骤(2)中得到的促絮凝剂,摇匀1min,肉眼可见酵母絮凝沉降,静止3min,吸取上清液约100mL测浊度后用于蒸馏酒精和测残糖,将5μL步骤(2)中得到的解絮凝剂加入吸取上清液后剩余的10mL酵母乳液中,摇匀10秒后接入新发酵培养基,如此回收再利用5次。
二、常规的酵母絮凝方法作为对比例
(1)种子酵母培养收集阶段:步骤与实施例2第(一)部分步骤(1)相同。
(2)木薯酒精发酵阶段:称取32g木薯粉,加入100mL蒸馏水,于60℃水浴锅中糊化30min,升温至95℃添加640U的α-淀粉酶液化60min,再降温至65℃添加3200U的糖化酶糖化30min。上述过程中用玻璃棒不断搅拌,保证传质均匀,使木薯粉充分液化、糖化。冷却后加入0.4g硫酸铵、0.5g酵母浸粉,并调pH至4.5,取100mL于115℃灭菌20min。无菌条件下,取10mL步骤(1)得到的酵母种子液接入发酵培养基,套上发酵栓于30~32℃静止发酵,每隔2~4h测失重,直至失重速率≤0.05g/(100mL.h)时发酵结束,往发酵液添加50mg分子量为500万的阴离子聚丙烯酰胺(天津市永大化学试剂有限公司),摇匀1min,肉眼可见酵母絮凝沉降,静止10min,吸取上清液约100mL测浊度后用于蒸馏酒精和测残糖,剩余10mL酵母乳液接入新发酵培养基,如此回收再利用5次。
试验结果如表2,可以看出采用本发明方法,回收再利用5次后,发酵周期由36h延长至38h,残糖由0.12%微升至0.5%,酒分由13.2%(v/v)略降至12.9%(v/v),循环使用效果理想。对比例则随着回收次数的增加、发酵率逐步降低,回收再利用5次后,发酵周期由50h延长至56h,残糖由0.89%升高至4.97%,酒分由12.70%(v/v)降至9.55%(v/v)。实施例2第(一)部分的上清液浊度为900NTU左右,实施例2第(二)部分的上清液浊为470NTU左右,间接反映了聚丙烯酰胺将酵母和发酵液中的部分杂质一起絮凝沉淀带入新的发酵培养基,从而对酵母产生不利作用;另外聚丙烯酰胺粘附在酵母团周围可进一步降低酵母传质面积,最终导致发酵率越来越低。本发明所用促絮凝剂和解絮凝剂的制备原料经济、安全无毒并可兼做酵母营养素,另外本发明所用促絮凝剂只选择性地诱导酵母絮凝而对其他颗粒杂质无絮凝作用。
表2实施例2第(一)部分和第(二)部分的发酵指标对比
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。