酒曲应用于菊芋发酵的初步研究

冯 迪，隆小华，辛本荣，刘兆普

(南京农业大学，江苏省海洋生物学重点实验室，江苏南京210095)

酒曲应用于菊芋发酵的初步研究

冯 迪，隆小华，辛本荣，刘兆普*

(南京农业大学，江苏省海洋生物学重点实验室，江苏南京210095)

菊芋是一种极具潜力的乙醇发酵原料，与淀粉质原料相比，菊芋低温条件下即可实现糊化，在节能方面具有优势。本文选取了安琪甜酒曲、安琪酿酒曲和欣马酒业酒曲进行一步法发酵实验，论证不同种类及品种的酒曲应用于菊芋发酵生产乙醇的可行性。结果表明:在原料含糖量不高且未经任何条件优化的情况下，安琪酿酒曲的酒度高于其他两种酒曲，酒度可达5.5度;发酵过程中，安琪酿酒曲的CO2失重量始终高于安琪甜酒曲和欣马酒曲;使用安琪酿酒曲进行发酵，第1d到第3d乙醇含量逐渐升高，在第3d时达到最大值;随着发酵时间的继续延长，安琪酿酒曲发酵液pH为6.35，发酵1d后pH降至4.82，3d后pH降至4.48，pH趋势稳定。从本实验的结果可推论，与其他两种酒曲相比，安琪酿酒曲更为适用于菊芋发酵生产乙醇。

菊芋，酒曲，乙醇，发酵

菊芋是一种多年生草本植物，俗称洋姜、鬼子姜，属菊科向日葵属。菊芋的主要成分是多聚果糖，除此之外还含有淀粉、蛋白质、纤维素、半纤维素、果胶质等成分［1］。这些成分在酶的作用下可被分解成易于被酵母利用而生成乙醇的物质。另外，菊芋具有耐寒、耐旱、耐盐碱、抗风沙、适应性广、繁殖性强等优点，在全国各地均有分布［2］。基于以上两点优势，菊芋成为可代替粮食作物生产燃料乙醇用的很有潜力的能源植物［3］。传统的制曲是多种微生物进入曲料竞争生存，能适应制曲环境的保存下来并生长繁殖，积累了丰富的代谢产物和种类繁多的酶系的过程［4］。因此与单菌种发酵相比，酒曲能够提供更丰富稳定的发酵菌种与酶系，更加有利于乙醇生产的工业化。自20世纪30年代以来，菊芋一步法生产乙醇的工艺主要是利用具有产菊粉酶的酵母，直接发酵生产酒精，该法的最终发酵醪酒精含量较低，同时菊粉的转化率也较低［5－8］。利用酒曲混菌一步法发酵菊芋生产乙醇的研究尚未见报道。鉴于酒曲拥有更丰富稳定的发酵菌种与酶系，并且菊芋糊化温度较淀粉质原料低的特性［9］，本文研究了不同种类及品种的酒曲应用于菊芋一步法发酵生产乙醇的可行性，以达到直接利用优良的传统酒曲发酵新原料菊芋生产乙醇的目的。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

菊芋 2009年10月份采摘于南京农业大学海洋863江苏大丰实验基地;安琪米酒曲、安琪酿酒曲安琪酵母股份有限公司;欣马酒曲 山东东营欣马酒业有限公司;乙醇 上海中试化工总公司，分析纯;正丙醇 国药集团化学试剂有限公司;3，5－二硝基水杨酸(DNS) NaOH 200mL 2N、酒石酸甲钠130g、结晶酚5g、亚硫酸钠5g;葡萄糖 中国医药集团上海化学试剂公司。

Agilent 7890A GC配有氢火焰离子检测器(FID)和 AgilentChemstation 美 国 Agilent公 司;SpectraMax M5酶标仪 美国molecular devices公司;161A－2电热鼓风干燥箱 上海实验厂;SHZ－88－1台式水浴恒温振荡器 中国江苏太仓市光明实验分析仪器厂;DHZ－D恒温冷冻振荡培养箱 太仓市实验设备厂;灭菌锅 北京发恩科贸有限公司。

1.2 测定方法

1.2.1 还原糖 采用3，5－二硝基水杨酸比色法［10］。1.2.2 总糖测定 采用蒽酮比色法［10］。

1.2.3 酒度测定 色谱条件:色谱柱:HP－FFAP(30m×0.320mm×0.25μm);升温程序:升温至200℃;载气(N2)流速 1.5mL/min，压力 2.4kPa，进样量 0.2μL;分流比 1∶50。

1.2.4 pH测定 采用pH试纸进行测定。

1.3 工艺流程

菊芋→100℃杀酶5min→切片烘干→粉碎→过40目筛→菊芋粉→调浆→糊化→加入酒曲→发酵

1.4 操作要点

1.4.1 菊芋粉 准确称量10g菊芋粉，每组三个平行。1.4.2 调浆 按料液比1∶8加水调浆。

1.4.3 糊化 糊化温度为50℃，糊化时间30min。

1.4.4 加入酒曲 按说明分别加入足量酒曲，使其能够充分发酵，从而选出适合菊芋发酵的酒曲。酒曲加入前按1∶10比例在30℃进行活化，接入量均为1mL。

2 结果与分析

2.1 菊芋粉的成分分析

由表1可知，菊芋全粉成分主要包括糖类化合物、粗纤维、全氮、灰分，其中总糖的质量分数为25.72%，还原糖质量分数为6.35%。因此，直接利用菊芋粉发酵生产乙醇是可行的，此外，菊芋全粉中还含有一定量的蛋白质和灰分，不需添加氮源和无机盐，可以降低乙醇发酵的成本。

表1 菊芋粉的主要组成成分

2.2 酒曲分析及发酵结果分析

在发酵过程中，欣马酒曲重复间发酵液差异显著，安琪甜酒曲和安琪酿酒曲重复间差异不显著。结合表2分析得出，欣马酒曲微生物比较复杂，发酵过程不易控制，而安琪甜酒曲和安琪酿酒曲微生物相对单纯，发酵过程易于控制。

另外，由表2看出，安琪酿酒曲的酒度高于其他两种酒曲。在原料含糖量不高且未经任何条件优化的情况下，酒度可达5.5度。所以，从发酵结果来看，与其他两种酒曲相比安琪酿酒曲更适于菊芋发酵。

表2 安琪甜酒曲、安琪酿酒曲、欣马酒曲的分析及发酵结果分析

2.3 三种酒曲的发酵曲线

如图1所示，从三条曲线的整体趋势可以看出，发酵过程中，安琪酿酒曲的CO2失重量始终高于安琪甜酒曲和欣马酒曲。由化学式C6H12O6+H2O=2C2H5OH+2CO2+H2O可知，失重质量(CO2生成量)越多，则乙醇生成量越多。因此，安琪酿酒曲发酵的乙醇含量始终高于安琪甜酒曲和欣马酒曲，这也正与表1得出结论相一致。

图1 三种酒曲的发酵曲线

从三条曲线的变化趋势可以看出，随着时间的推移，安琪酿酒曲在第1d CO2失重量为6.5g，发酵第3d时，CO2失重量不再发生变化;而安琪甜酒曲和欣马酒曲在发酵第1d时CO2失重量分别为0.5g和1g，CO2失重量在7d内都有变化。因此，安琪酿酒曲的发酵活动主要集中在发酵前3d，产乙醇的速度和效率均明显高于安琪甜酒曲和欣马酒曲，有利于防止杂菌繁殖和缩短乙醇生产周期，具备优良曲种的特性。

2.4 安琪酿酒曲发酵乙醇含量变化

从图2可以看出，使用安琪酿酒曲进行发酵，发酵前3d乙醇含量逐渐升高，在第3d时达到最大值，发酵3d以后乙醇含量不再升高，与发酵第3d乙醇含量相比较，乙醇含量明显减少，随着发酵时间的推移，乙醇含量变化趋势不再发生明显改变。表明，安琪酿酒曲的发酵主要在前3d，且在条件没有优化的情况下，发酵3d酒精度超过5度。

图2 安琪酿酒曲发酵过程中乙醇含量变化

2.5 安琪酿酒曲发酵还原糖含量的变化

从图3可以看出，与未发酵相比，使用安琪酿酒曲进行发酵，发酵第1d时，还原糖含量显著降低，减幅为37%。在整个发酵过程中还原糖含量并不是持续下降，而是基本维持在一个相对稳定的范围。这是因为，安琪酿酒曲中根霉和酵母协同作用，在发酵过程中糖化作用与发酵同步协调进行，继续将菊芋中大分子糖分解成还原糖以供发酵使用。因此，以菊芋为原料，利用安琪酿酒酵母一步法发酵乙醇具有可行性。

图3 安琪酿酒曲发酵过程中还原糖含量变化

2.6 安琪酿酒曲发酵pH变化

由图4可知，安琪酿酒曲发酵液初始pH为6.35，发酵1d后pH降至4.82，3d后pH降至4.48，随着发酵时间的继续延长，pH趋势稳定。由于安琪酿酒曲的主要菌种为根霉和酵母，发酵过程中pH始终维持在这两种菌种的最适pH范围内，因此，与其他两种酒曲相比，安琪酿酒曲更为适用于菊芋发酵生产乙醇。

图4 pH随发酵时间的变化曲线

3 结论

3.1 通过利用传统酒曲一步法发酵新原料菊芋生产乙醇的研究发现，安琪酿酒曲、安琪甜酒曲和欣马酒曲均可发酵菊芋生成乙醇，其中以安琪酿酒曲最为适用。

3.2 安琪酿酒曲中的主要微生物为根霉和酵母，在发酵过程中，发酵pH始终在其最适pH范围。两类微生物协同作用，使糖化与发酵同步进行。

3.3 由于原料采摘时未完全成熟，菊芋还原糖含量为6.35%和总糖含量为25.72%时，利用安琪酿酒曲一步法发酵菊芋生产乙醇所得酒度为5.5(%，vol)。

［1］陈铭达，刘兆普.菊芋的加工及开发利用［J］.中国林副特产，2004(4):35－36.

［2］孙纪录，贾英民，桑亚新.菊芋资源的开发利用［J］.食品科技，2003(1):27－29.

［3］周正，曹海龙，朱豫，等.菊芋替代玉米发酵生产乙醇的初步研究［J］.西北农业学报，2008，17(4):297－301.

［4］徐颖宣，徐尔尼，冯乃宪，等.微生物混菌发酵应用研究进展［J］.中国酿造，2008(9):1－4.

［5］Vandamme EJ，Derycke DJ.Microbial inulinase:Fermentation process properties and application［J］.Adv Appl Microbiol，1983，29:139－176.

［6］GuiraudJ P，DaurellesJ，Galzy P.Alcohol production from Jerusalem artichoke using yeasts with inulinase activity［J］.Biotechnol Bioeng，1981，23:487－493.

［7］GuiraudJ P，DaurellesJ，Galzy P.Alcohol production from Jerusalem artichoke using yeasts with inulinase activity［J］.Biotechnol Bioeng，1981，23:487－493.

［8］袁文杰，赵心清，白凤武.一步法发酵菊芋产乙醇菌种的筛选及产酶条件、酶学性质的研究［J］.生物加工过程，2008，6(6):25－29.

［9］李杰.菊芋乙醇发酵工艺的初步研究［D］.资源与环境科学学院，2009.

［10］李合生.植物生理生化实验原理和技术［M］.北京:高等教育出版社，2001:184－185.

A preliminary study fermentation of Jerusalem artichoke with koji

FENG Di，LONG Xiao－hua，XIN Ben－rong，LIU Zhao－pu*
(Key Laboratory of Oceanology Jiangsu Province，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China)

Jerusalem artichoke is a kind of alternative ethanol fermentation of raw materials.Compared with starch materials，the temperature of paste for Jerusalem artichoke is lower，which has the advantage in saving energy.Anqi liquor－making koji，Anqi Liqueur Koji and Xinma Liquor Industry Koji were used to study by one－step fermentation experiment and demonstrate the feasibility of producing ethanol fermentation of Jerusalem artichoke.The results were as follows:In the low raw sugar concentration and general treated conditions，the alcohol content of Anqi liquormaking koji was higher than the other two koji，up to 5.5 degrees.Fermentation process，the weight loss of carbon dioxide of Anqi liquor－making koji was always higher than the other two koji.Use Anqi liquor－making koji to ferment，the ethanol concentration increased with the experimental time lasting during three days.With the further extension of the fermentation time，pH value of its broth was 6.35.pH value fell to 4.82 after 1 day fermentation and 4.48 after 3 days later，then pH value of the trend was stable.It can be concluded that compared with the other two koji，Anqi liquor－making koji was more suitable for bioethanol production using Jerusalem artichoke.

Jerusalem artichoke;koji;ethanol;fermentation

TS201.3

A

1002－0306(2011)06－0220－03

2010－06－09 *通讯联系人

冯迪(1983－)，女，硕士研究生，研究方向:微生物发酵。

国家“948”项目(2009－Z9);公益性行业(农业)科研专项经费项目(200903001－05);南京农业大学青年创新基金(KJ08010)。