稻谷发酵产乙醇中酵母抗逆性的研究

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随着环境破坏和化石能源短缺问题的日益严重,燃料乙醇作为一种可再生的清洁能源受到了广泛关注。在燃料乙醇生产过程中,酵母菌的抗逆性尤其对高浓度乙醇和高温的抵抗能力制约着发酵成本的降低,成为了当前的研究热点。本研究发现稻壳有助于提高酵母菌的抗逆性尤其对高浓度乙醇和高温的抵抗能力,其作用机制为酵母成团吸附在稻壳表面,形成了生物膜。本研究还分别用改进的Logistic模型和LuedekingPiret模型描述酵母细胞的生长及乙醇的产生。同时,基于稻壳的作用,探索了全米与糙米的复配原料发酵和一种发酵温度控制策略。首先,考察了在不同温度下添加稻壳对不同稻谷原料发酵的影响。添加2.0%(g/g)稻壳的精米在32°C和39°C下摇瓶发酵与未添加稻壳的精米相比,乙醇产量分别增加46.8%和28.7%,残还原糖分别减少64.4%和44.1%,残总糖分别下降了54.9%和30.4%。添加1%(g/g)稻壳的糙米在32°C和39°C下摇瓶发酵与未添加稻壳的糙米相比,乙醇产量分别增加9.4%和5.1%,残还原糖分别减少57.9%和19.7%,残总糖分别降低了20.8%和12.2%。在全米摇瓶发酵中,是否添加稻壳对乙醇产量与残糖水平没有显著差异,说明过量稻壳无作用。其次,探究了全米与糙米复配原料发酵和变温发酵策略。发现复配原料中全米与糙米的最佳比例为3:1,其对应稻谷的稻壳保留率为74.4%。32°C下复配原料发酵酒分能达到12.75%(v/v),比纯全米发酵提高9.3%,比纯糙米发酵提高11.3%;39°C下复配原料发酵酒分为10.30%(v/v),比纯糙米发酵提高5.4%。然后优化了复配稻米发酵的温度控制策略,获得37°C发酵14.5 h的最优变温策略,此时酒分为11.47%(v/v),残余还原糖和总糖分别为3.9和14.5 g/L。为探究稻壳作用机制,对不同时间点发酵醪中稻壳取样进行扫描电镜观察,发现稻壳表面粘附成团的酵母细胞,并随发酵时间延长而形成生物膜,提高了酵母细胞的抗逆性。最后,用发酵动力学对稻壳抗逆作用进行表征。用改进的Logistic模型和Luedeking-Piret模型描述稻谷发酵中酵母细胞生长和乙醇形成。通过比较不同温度和底物下参数变化,发现稻壳的存在有利于提高酵母的抗高浓度乙醇和高温能力;乙醇的生成与酵母细胞生长部分偶联。上述研究成果为稻谷发酵乙醇中酵母的抗逆性改善提供了简易的技术支撑。
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