细菌纤维素膜对木醋杆菌发酵生产广式米醋的作用机理及反应器设计

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传统广式米醋以糙米酒为发酵原料,木醋杆菌(Gluconacetobacter xylinus)为菌种,采用表面静置发酵法生产。发酵过程中,木醋杆菌产生的细菌纤维素膜(Bacterial cellulosememberane)覆盖在发酵液表面并维持完整的特性对产品的总酸度和挥发性香味成分有重要影响。本文比较了完整细菌纤维素膜和受到机械力破坏细菌纤维素膜对木醋杆菌发酵总酸度的影响,以菌落计数法比较了产酸高峰期完整细菌纤维素膜内和纤维素膜受到破坏的发酵液内木醋杆菌细胞数变化规律,比较了发酵时处于气液接触面和液面下方的细菌纤维素膜乙醇脱氢酶(ADH)的活性,以扫描电子显微镜(SEM)观察了完整细菌纤维素膜和受到机械力破坏的纤维素膜的微观结构,比较了细菌纤维素膜形成前后木醋杆菌的耗氧速率,比较了表面发酵法和摇床发酵法在总酸生成率和氧消耗速率间的区别。通过固相微萃取(SPME)-气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术,确定了广式米醋的挥发性香味物质组成及来源,比较了发酵过程中细菌纤维素膜对挥发性香味成分的影响。在以上研究基础上,设计了一种层板式成膜好氧发酵罐。主要结果如下:1.表面发酵时细菌纤维素膜保持完整,144h木醋杆菌发酵产总酸为3.75g/100mL;发酵过程中搅拌破坏细菌纤维素膜,144h发酵总酸仅为0.36g/100mL,说明纤维素膜完整性对发酵产酸有关键作用。发酵时使细菌纤维素膜强制沉入液面下方,360h木醋杆菌发酵总酸度为1.02g/100mL,说明细菌纤维素膜存在于气液接触面时,能较高保持木醋杆菌产酸效率。产酸高峰期(72~216h)完整细菌纤维素膜内的木醋杆菌细胞数(菌落计数(1.34±0.32)E+09CFU/g)高于纤维素膜受到破坏样品发酵液内的细胞数(菌落计数(1.97±0.51)E+07CFU/mL),表明细菌纤维素膜是木醋杆菌生长代谢的主要场所。发酵时存在于气液接触面的细菌纤维素膜的ADH活力((4.93±0.13)E-02)与沉没于液面下方的细菌纤维素膜ADH酶活力((4.89±0.23)E-02)无明显差异,说明ADH活力不是细菌纤维素膜影响木醋杆菌发酵产酸的主要原因。SEM结果显示细菌纤维素内部呈网络状结构,木醋杆菌被包裹在其中,而发酵过程中遭机械力破坏的细菌纤维素膜不能保持网状结构,内部被包围细菌数量显著减少。发酵第40h后,发酵液表面开始形成较完整的细菌纤维素膜,木醋杆菌耗氧迅速增加。而发酵液表面无细菌纤维素膜的样品始终不能有效利用空气中的氧,说明细菌纤维素影响木醋杆菌产酸的主要原因为其有利于菌体利用空气中的氧。表面静置发酵法木醋杆菌耗氧速率约为8.1mg/h,产酸速率约为38mg/100mL·h;摇床发酵时木醋杆菌溶氧利用速率约为0.31mg/h,产酸速率约为13mg/100mL·h。说明表面发酵比摇床发酵更有利于木醋杆菌耗氧及产酸。2.广式米醋中的主要的香味成分为乙酸、乙酸乙酯、3-甲基丁醇和3-羟基2-丁酮。这些挥发性香味成分主要来源于原料糙米酒及发酵形成。广式米醋的风味比一般白米醋的风味更为浓郁,主要的香味成分乙酸乙酯的含量更高。发酵过程中维持表面细菌纤维素膜完整的样品,香味成分损失较少。以乙酸乙酯计,保持纤维素膜完整的样品比被破坏的样品高7.14%,说明细菌纤维素膜有减少易挥发性风味物质损失的作用。3.层板式成膜好氧发酵罐能保证发酵过程中细菌纤维素膜不受到破坏,可连续化生产,缩短了生产周期,便于维护和清洗,是传统表面静置发酵法进行机械化连续生产的有效途径。
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