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        高濃度糖蜜發(fā)酵酒精生物抑菌技術(shù)的研究

        2021-01-19 06:39:20尚紅巖郭藝山張遠(yuǎn)平徐日益高亞飛鄧毛程
        甘蔗糖業(yè) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)

        尚紅巖,郭藝山,張遠(yuǎn)平,徐日益,李 靜,高亞飛,鄧毛程*

        (1廣東省科學(xué)院生物工程研究所,廣東廣州510316;2廣東省綠色制糖工程技術(shù)研究中心,廣東廣州510316;3廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品與生物技術(shù)學(xué)院,廣東廣州510300)

        0 引言

        糖蜜是制糖廠的副產(chǎn)物,目前主要用途是發(fā)酵生產(chǎn)酒精或酵母。糖蜜除了含有蔗糖、還原糖、氨基酸等可發(fā)酵性糖和營(yíng)養(yǎng)成分外,還含有無(wú)機(jī)鹽、灰分、膠體和微生物等物質(zhì),它們會(huì)抑制酵母繁殖和發(fā)酵。糖蜜發(fā)酵酒精相對(duì)粗放,原料和水不可避免攜帶雜菌等微生物,酒精生產(chǎn)主要通過(guò)添加硫酸和殺菌劑,來(lái)抑制雜菌生長(zhǎng)繁殖[1]。近年來(lái),由于糖蜜純度不斷下降,發(fā)酵生產(chǎn)酒精過(guò)程中染菌更加頻繁,硫酸和殺菌劑的用量有不斷升高的趨勢(shì)。大量使用濃硫酸,不僅對(duì)環(huán)境造成很大的危害,而且容易腐蝕設(shè)備和產(chǎn)生積垢,還會(huì)增加酒精廢液處理的難度和環(huán)保資金的投入。硫酸抑制雜菌的同時(shí)也會(huì)抑制酵母發(fā)酵,影響原料出酒率[2-3]。大量使用以抗生素為主的殺菌劑,會(huì)使細(xì)菌產(chǎn)生抗藥性,失去殺菌作用,嚴(yán)重影響酒精發(fā)酵效果[4]。

        高濃度糖蜜發(fā)酵酒精要提高發(fā)酵含酒份,并從根本上抑制雜菌,必須在酒精發(fā)酵中讓酵母形成生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì),從生存競(jìng)爭(zhēng)上抑制雜菌,即采取生物抑菌的方法。本研究嘗試一方面對(duì)糖蜜原料快速澄清并滅菌,盡可能排除糖蜜中抑制酵母繁殖和發(fā)酵的膠體和灰分等物質(zhì)[5-6];另一方面用高密度培養(yǎng)酵母發(fā)酵糖蜜酒精,以高密度酵母細(xì)胞較快的發(fā)酵速度及競(jìng)爭(zhēng)性對(duì)雜菌形成生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì),以有效避免雜菌感染,取代硫酸和抗生素抑制雜菌。

        1 材料與方法

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料

        甘蔗糖蜜:廣東翁源縣茂源糖業(yè)有限公司。

        酵母菌種:高活性糖蜜酒精干酵母 SIRI 08-11(廣東省科學(xué)院生物工程研究所)。

        尿素、濃硫酸、青霉素、過(guò)磷酸鈣、硫酸銨、鹽酸、氫氧化鈉、中性醋酸鉛溶液、磷酸鹽草酸鹽混合溶液(脫鉛劑)、裴林氏甲乙溶液、1%次甲基藍(lán)指示溶液、0.1%酚酞指示液、10%稀硫酸。

        1.2 儀器設(shè)備

        三角瓶500 mL、三角瓶250 mL、容量瓶250 mL、量筒250 mL、蒸餾燒瓶250 mL、冷凝蛇管、電爐2500 W、溫度計(jì)1~100℃、糖錘度計(jì)、恒溫培養(yǎng)箱、水浴鍋、顯微鏡、血球計(jì)數(shù)板、酒度計(jì)(0~12),上海精密儀器廠;電子分析天平,北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;TDL-5A離心機(jī),上海菲恰爾分析儀器有限公司。

        1.3 實(shí)驗(yàn)方法

        1.3.1 糖蜜澄清處理實(shí)驗(yàn)

        原糖蜜按以下方案處理:

        1.3.1.1 熱酸澄清(A處理)

        糖蜜稀釋到55°Bx,加硫酸調(diào)整pH到3.5,并加熱到70℃,攪拌自然沉降1 h,離心分離排除沉降物。

        1.3.1.2 無(wú)酸澄清(B處理)

        糖蜜稀釋到55°Bx,加熱到70℃,加過(guò)磷酸鈣0.2%(w),硫酸銨0.5%,自然pH值,攪拌自然沉降1 h,離心分離排除沉降物。

        1.3.1.3 常溫酸化(C處理)

        糖蜜用自來(lái)水稀釋到 55°Bx,加硫酸調(diào)整 pH到3.5,攪拌自然沉降1 h,離心分離排除沉降物。

        1.3.1.4 空白實(shí)驗(yàn)(D處理)

        糖蜜用自來(lái)水稀釋到55°Bx,攪拌自然沉降1h,自然pH值,離心分離排除沉降物。

        取經(jīng)以上方案處理過(guò)的糖蜜100 g,添加0.2%的尿素,分別稀釋到25°Bx置于250 mL的三角瓶中,接種1%干酵母,30℃條件下振蕩恒溫發(fā)酵48 h。發(fā)酵結(jié)束后,測(cè)定發(fā)酵醪液錘度、殘?zhí)欠?、酒精濃?V%)和揮發(fā)酸。

        1.3.2 不同酵母密度發(fā)酵酒精實(shí)驗(yàn)

        酵母培養(yǎng)液:用無(wú)酸澄清B處理糖蜜,用自來(lái)水稀釋至糖蜜濃度15°Bx,添加0.3%的尿素。

        發(fā)酵培養(yǎng)液:原糖蜜稀釋至糖蜜濃度45°Bx。

        實(shí)驗(yàn)步驟:取酵母培養(yǎng)液150 mL于500 mL三角瓶中,分別接種0.5%、1%、1.5%、2%和2.5%的活性干酵母,并分別培養(yǎng)至酵母密度0.5、1.0、1.5、2.0、2.5億/mL,分別標(biāo)記為 F1、F2、F3、F4和 F5,然后分別緩慢加入1:1的發(fā)酵培養(yǎng)液150 mL,恒溫31℃發(fā)酵48 h,化驗(yàn)分析發(fā)酵醪液錘度、殘?zhí)欠?、酒精濃度和揮發(fā)酸。

        1.4 分析方法

        酒精濃度(V%):用平底燒瓶蒸餾發(fā)酵醪液,并安裝冷凝管收集鎦出液,用酒度計(jì)(上海精密儀器廠)測(cè)定鎦出液酒精濃度[7]。

        用血球計(jì)數(shù)板測(cè)定酵母培養(yǎng)液中的酵母菌數(shù)量。

        用蘭因-艾農(nóng)(Lane-Eynon)恒容法[7]測(cè)定發(fā)酵液殘?zhí)欠?殘還原物)。

        用堿液滴定法測(cè)定發(fā)酵蒸餾酒液的揮發(fā)酸[7]。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 高濃度糖蜜澄清發(fā)酵實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        高濃度糖蜜(55°Bx)經(jīng)過(guò)熱酸快速澄清、無(wú)酸澄清、常溫酸化和單純稀釋(空白實(shí)驗(yàn))等處理后,分別稀釋到25°Bx接種干酵母發(fā)酵(分別標(biāo)記為A熱酸、B無(wú)酸、C酸化、D空白),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1,發(fā)酵后錘度、酒份、殘?zhí)欠莺蛽]發(fā)酸等數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖 1~圖 4。

        表1 25 °Bx糖蜜澄清發(fā)酵實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        從表1和圖1、圖2、圖3可以看出高濃度糖蜜4種處理方案發(fā)酵后的錘度依次增加,即發(fā)酵不完全程度依次升高,發(fā)酵含酒份依次降低,殘?zhí)欠菀来紊?。綜合發(fā)酵后錘度、含酒份和殘?zhí)欠莸戎笜?biāo),糖蜜4種處理方案中熱酸處理方案發(fā)酵效果相對(duì)最好,發(fā)酵后錘度最低,發(fā)酵酒份最高,殘?zhí)欠葑畹?,發(fā)酵最徹底;其次是無(wú)酸處理方案,發(fā)酵后錘度、酒份與殘?zhí)欠莸戎笜?biāo)和熱酸處理方案差別不大,此方案的優(yōu)勢(shì)是無(wú)需添加硫酸;接著是常溫酸化處理,發(fā)酵后錘度較高,酒份較低,殘?zhí)欠葺^高;處理效果最差的是單純稀釋(空白實(shí)驗(yàn))方案,發(fā)酵后錘度高,酒份低,殘?zhí)欠莞?,發(fā)酵不完全。

        圖1 4種糖蜜處理方案發(fā)酵后錘度

        圖2 4種糖蜜處理方案發(fā)酵后酒份

        圖3 4種糖蜜處理方案發(fā)酵后殘?zhí)欠?

        圖4 4種糖蜜處理方案發(fā)酵后揮發(fā)酸

        揮發(fā)酸是由產(chǎn)酸細(xì)菌產(chǎn)生的,揮發(fā)酸越高表明污染細(xì)菌越多,在糖蜜酒精生產(chǎn)中揮發(fā)酸一般控制在0.02 g/100 mL以內(nèi)。從表1和圖4可以看出,高濃度糖蜜4種處理方案發(fā)酵后,熱酸處理的揮發(fā)酸最低,表明染菌程度最低;無(wú)酸處理、酸化處理和單純稀釋的揮發(fā)酸依次增高;無(wú)酸處理、酸化處理方案的揮發(fā)酸也在可控范圍之內(nèi);單純稀釋的揮發(fā)酸最高,已經(jīng)到染菌較嚴(yán)重的地步,導(dǎo)致糖蜜發(fā)酵含酒份低,殘?zhí)欠莞撸l(fā)酵不徹底。

        2.2 不同酵母密度發(fā)酵酒精實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        接種不同量干酵母并分別培養(yǎng)至不同酵母密度發(fā)酵高濃度糖蜜,發(fā)酵后發(fā)酵液錘度、含酒份、殘?zhí)欠莺蛽]發(fā)酸的分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表2,其變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5、圖6、圖7和圖8。

        表2 不同酵母密度發(fā)酵酒精實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        從表2和圖5、圖6和圖7可以看出酵母數(shù)在0.5~2.0億/mL之間,隨著酵母培養(yǎng)密度增大,發(fā)酵后度降低,發(fā)酵含酒份升高,殘?zhí)欠萁档?;酵母密度大,發(fā)酵更徹底。從表2和圖8可以看出隨著酵母培養(yǎng)密度增大,發(fā)酵酒液揮發(fā)酸降低。主要原因是高密度酵母發(fā)酵速度快,并且在與細(xì)菌的生存競(jìng)爭(zhēng)中取得生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)從而抑制細(xì)菌,使糖蜜中更多的糖發(fā)酵轉(zhuǎn)化成酒精。酵母培養(yǎng)細(xì)胞數(shù) 2.0億/mL和2.5億/mL,發(fā)酵后發(fā)酵液錘度、發(fā)酵含酒份、殘?zhí)欠莺蛽]發(fā)酸變化不大。一般糖蜜酒精生產(chǎn)培養(yǎng)酵母數(shù)控制為2.0億/mL比較合適,既能抑制雜菌,又不會(huì)消耗太多糖蜜培養(yǎng)酵母。

        圖5 不同酵母密度發(fā)酵液錘度

        圖6 不同酵母密度發(fā)酵含酒份

        圖7 不同酵母密度發(fā)酵液殘?zhí)欠?

        圖8 不同酵母密度發(fā)酵酒液揮發(fā)酸

        3 結(jié)論與展望

        高濃度糖蜜分別用熱酸澄清、無(wú)酸澄清、常溫酸化和單純稀釋(空白實(shí)驗(yàn))等 4種方法處理后,發(fā)酵含酒份(V/V%)分別為8.38%、8.32%、8.05%、7.82%;殘?zhí)欠莘謩e為1.45%、1.52%、1.87%、2.26%;熱酸澄清處理糖蜜發(fā)酵酒份最高,殘?zhí)欠莸茸畹?,發(fā)酵效果相對(duì)最好;無(wú)酸澄清糖蜜發(fā)酵效果也較好。將酵母培養(yǎng)至0.5、1.0、1.5、2.0和2.5億/mL等5種密度后發(fā)酵,含酒份分別為:9.38%、9.72%、10.16%、10.45%、10.46%;殘?zhí)欠莘謩e為 2.93%、2.38%、1.87%、1.54%、1.54%;揮發(fā)酸分別為:0.0264、0.018、0.012、0.0096、0.0096 g/100 mL。酵母培養(yǎng)密度在0.5~2.0億/mL之間,隨著酵母密度增加,發(fā)酵含酒份升高,殘?zhí)欠莺蛽]發(fā)酸等降低;酵母培養(yǎng)細(xì)胞數(shù)到 2.5億/mL,發(fā)酵含酒份、殘?zhí)欠莸戎笜?biāo)和酵母密度2.0億/mL相比變化不大,一般糖蜜酒精生產(chǎn)培養(yǎng)酵母數(shù)控制2.0億/mL較合適。

        用高密度培養(yǎng)酵母發(fā)酵高濃度糖蜜,可以有效避免細(xì)菌感染,發(fā)酵酒份高,發(fā)酵更徹底,提高酒精原料出酒率,為企業(yè)創(chuàng)造較好的經(jīng)濟(jì)效益;該技術(shù)還可以減少酒精廢液中殘?zhí)欠莸扔袡C(jī)物殘留,并減少用于抑菌的硫酸與抗生素的殘留,有利于酒精廢液處理和資源化利用,能產(chǎn)生顯著的社會(huì)效益。

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