一种利用自吸式反应器的面包酵母批式高密度发酵方法与流程

本发明涉及一种面包酵母高密度培养的方法，更具体地说涉及一种利用自吸式反应器的面包酵母批式高密度发酵方法，属于生物发酵工程技术领域。

背景技术：

酵母是一种单细胞微生物，氨基酸含量高，含蛋白质50％左右，富含B族维生素，还有丰富的酶系和多种经济价值高的生理活性物质。酵母是一种很有应用价值的微生物，在食品工业方面，它被广泛用作人类主食面包、馒头、饼干糕点等食品的优良发酵剂和营养剂；在医药工业方面，酵母被作为辅助治疗药剂或用作培养基；在基础研究领域，酵母是微生物学家、遗传学家开展基础研究的最佳模式材料；此外，从酵母中提取的脂肪，可以用于肥皂制造，还可用于浮选钨矿，而从酵母中提取的蛋白质可以作为饲料。

在酵母的生产过程中，生物反应器有着十分重要的作用，占据着整个工艺的核心位置。反应器的结构，操作方式及操作条件对发酵产品的生产有着相当重要的影响。酵母发酵装置的高效供氧和节能，对于酵母发酵生产极其重要。目前用于酵母生产的生物反应器多为鼓泡式反应器及传统机械搅拌反应器。对于鼓泡式反应器和机械搅拌式反应器两种类型的传统反应器，都需要一个供给压缩空气的设备，如空压机或者罗茨风机。一是动力消耗较大，二是在空气净化过程中，需要去除压缩空气中夹带的水雾和油雾，需要一套较为复杂的空气净化系统，因此可能因为空气供应系统中的油、水分离不彻底，导致染菌，影响酵母的生产。此外，机械搅拌反应器传热传质性能较好，固体颗粒悬浮性好，因此机械搅拌反应器在化学工业中得到了广泛的应用，但考虑到其气体利用能力不足，需要增加气体压缩机对未反应的循环气体进行处理，增加了操作成本。自吸式反应器用于面包酵母生产，生产效率高，经济效益好。在自吸式反应器中，高速转子使气液分散，减少液膜阻力，被转子吸入的空气形成微小的气泡，使气液接触更加均匀，气液接触表面不断更新，增加溶氧，提高氧的利用率，促进微生物代谢的传质作用，强化热交换。自吸式反应器可以利用搅拌涡轮或液体流动的喷射作用所产生的真空自吸入空气，所以不需要罗茨风机或空压机。因此能耗也相对较小。自吸式反应器的搅拌转速比传统反应器高，搅拌功率也较高，但由于不需要空压机，自吸式反应器的总动力消耗反而减少约30％。由于面包酵母拥有很强的耐受剪切力，因此自吸式反应器应用于面包酵母生产能较好的发挥其优势，体现产量高，质量好的优点。

高密度发酵一直是发酵领域的主要研究方向之一，一般认为酵母干重在30g/L以上即为高密度发酵，限制酵母高密度发酵的因素主要为营养供给量不适宜，形成底物抑制，生产抑制性物质的积累和发酵液流变学特性的影响等。酵母在好氧发酵中，由于供氧不足、比生长速率过大或碳源供给量高于酵母所能同化的速率，就会产乙醇等代谢副产物，对菌体生长产生抑制。另外，在高密度大规模发酵中，大量泡沫的产生和不合理的使用消泡剂也会导致发酵失败。为了解决高浓度底物抑制，需要研制新的方法以解决存在的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述现有技术中存在的问题与不足，提供一种利用自吸式反应器的面包酵母批式高密度发酵方法，该方法操作简便，可在保持菌体活力的同时有效提高发酵效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的利用自吸式反应器的面包酵母批式高密度发酵方法，是利用自吸式反应器，使用糖蜜、尿素、磷酸二氢铵作为营养源进行称重流加补料对面包酵母进行高密度发酵。

本发明的上述利用自吸式反应器的面包酵母批式高密度发酵方法，其包括以下步骤：

糖蜜的处理：将甘蔗糖蜜用蒸馏水将含糖量质量分数稀释至25％～30％，用硫酸调节pH至4.8，加热煮沸至95℃，通风30min以上，再保温70～80℃并静置8～12h，使用前用灭菌锅湿法灭菌，灭菌温度121℃，灭菌时间20min；

尿素的处理：将尿素稀释为含N量10g/100mL的溶液；

磷酸二氢铵的处理：将磷酸二氢铵稀释为以P₂O₅计含P量10g/100mL的溶液；

维生素及生物素的添加：在对自吸式反应器进行实消后添加维生素B₁0.2g、维生素B₅0.2g、维生素B₆0.2g、生物素0.1g，添加量以自吸式反应器底水12.5L为基准；

菌种液的制备：使用麦芽汁液体培养基，其pH为4.8，以摇瓶培养，摇瓶装液量25％～30％，接种量10％，摇床培养，培养温度30℃，转速200rpm，培养10～12h，制备种子液；

面包酵母的高密度发酵：使用自吸式反应器对面包酵母进行批式流加补料高密度发酵。

本发明的上述利用自吸式反应器的面包酵母批式高密度发酵方法，其进一步的技术方案是所述的面包酵母的高密度发酵过程中糖蜜流加量按照自吸式反应器中当前酵母干重质量的2.3倍添加糖蜜量，发酵结束前2h，将糖蜜添加量减少50％～60％，直至发酵结束停止流加，尿素流加量为80g/h，20h后停止流加，磷酸二氢铵流加量为30g/h，16h后停止流加，每8h加入25g MgSO₄，共加入3次。更进一步的技术方案是所述的面包酵母的高密度发酵过程中残糖含量控制在1.5％之内，酒精度含量控制在0.7％～1.0％之间，当反应器中溶氧快速上升时流加糖蜜、尿素及磷酸二氢铵，发酵中后期DO控制在20％～30％。

本发明的上述利用自吸式反应器的面包酵母批式高密度发酵方法，其进一步的技术方案还可以是所述的面包酵母的高密度发酵过程中0～16h发酵温度控制在31℃，16～21h控制在32℃，22～24h控制在33℃。

本发明的上述利用自吸式反应器的面包酵母批式高密度发酵方法，其进一步的技术方案还可以是所述的面包酵母的高密度发酵过程中其前8h pH控制在4.3～4.8；发酵中期pH控制在4.5～4.8；发酵结束前2h pH控制在5.0～5.2，pH通过硫酸和碳酸钠溶液调节。

本发明的上述利用自吸式反应器的面包酵母批式高密度发酵方法，其进一步的技术方案还可以是所述的面包酵母的高密度发酵过程中自吸式反应器的初始转速为600rpm，发酵前16h，每3h将转速增加100rpm，16h时自吸转速为1000rpm，16h后每2h将转速增加100rpm，直至发酵结束。

本发明的上述利用自吸式反应器的面包酵母批式高密度发酵方法，其进一步的技术方案还可以是所述的面包酵母的高密度发酵过程中根据生成的泡沫适量添加消泡剂。

本发明的上述利用自吸式反应器的面包酵母批式高密度发酵方法，其进一步的技术方案还可以是所述的自吸式反应器为50L自吸式反应器。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：

利用面包酵母进行高密度发酵，通过称重补料精确控制每小时底物流加量，减少发酵过程中酵母因为残糖含量过高而导致的无氧呼吸问题，发酵所使用的甘蔗糖蜜是一种制糖工业的副产品，节约发酵成本。通过使用本工艺，经过24～26h发酵后，酵母湿重可稳定维持在260g/L左右，酵母干重可达70g/L左右，达到了高密度发酵的标准，同时酵母乳发酵力可维持在650mL/h以上，为面包活性干酵母下游的干燥造粒环节的质量提供保证。通过两级发酵，缩短了整体发酵周期，发酵过程中流加底物种类少，整个发酵环节每h只需改变糖蜜添加量，便可有效提高酵母湿重，简化了发酵相关操作步骤，减少了培养技术过多带来的杂菌污染机会，级间衔接操作简单，保证了酵母的发酵力。

附图说明

图1为本发明实施例1中多批次发酵实验中酵母湿重-时间曲线图。

图2为图1实施例发酵过程中通风量-时间曲线图。

图3为图1实施例发酵过程中残糖-时间曲线图。

图4图1实施例发酵过程中糖蜜添加量-时间曲线图。

图5为本发明实施例2中发酵过程中多水平酒精度控制曲线。

图6为本发明实施例2中发酵过程中面包酵母湿重随酒精度控制水平变化的示意图。

具体实施方式

在实施例中使用的面包酵母菌种为酿酒酵母(CICC 1532)，主要用做面包酵母的生产，自吸式反应器为50L自吸式反应器；实施例中的糖蜜、尿素、磷酸二氢铵的处理方法如下：

糖蜜的处理：将甘蔗糖蜜用蒸馏水将含糖量质量分数稀释至25％～30％，用硫酸调节pH至4.8，加热煮沸至95℃，通风30min以上，再保温70～80℃并静置8～12h，使用前用灭菌锅湿法灭菌，灭菌温度121℃，灭菌时间20min；

尿素的处理：将尿素稀释为含N量10g/100mL的溶液；

磷酸二氢铵的处理：将磷酸二氢铵稀释为以P₂O₅计含P量10g/100mL的溶液。

实施例1

(1)用1000mL摇瓶以麦芽汁液体培养基(pH4.8)培养，摇瓶装液量25％～30％，接种量10％，摇床培养，培养温度30℃，转速200rpm，培养10～12h，制备种子液2.5L；

(2)将上述种子液接种进含有12.5L底水(维生素B₁0.2g，维生素B₅0.2g，维生素B₆0.2g，生物素0.1g)的50L自吸式反应器中，以接种前一刻标定溶氧电极DO为100％；

(3)糖蜜流加量按照自吸式反应器中当前酵母干重质量的2.3倍添加糖蜜量，发酵结束前2h，将糖蜜添加量减少50％～60％，直至发酵结束停止流加，尿素流加量为8g/h，20h后停止流加，磷酸二氢铵流加量为3g/h，16h后停止流加，每8h加入25g MgSO₄，共加入3次；

(4)控制发酵过程中通风量为前9h，以300L/h为初始通风量，逐渐增加至2400L/h，直至发酵结束前1h，减少至1800L/h；

(5)发酵过程中0～16h发酵温度控制在31℃，16～21h控制在32℃，22～24h控制在33℃；

(6)发酵过程中前8h，pH控制在4.3～4.8，发酵中期控制在4.5～4.8，发酵结束前2h控制在5.0～5.2；

(7)发酵26h停止发酵，发酵过程中每2h测定酵母湿重，离心机转速10000r/min，离心时间10min。

(8)以上述方法进行多批重复实验，验证本实验方法中实验结果的稳定性。

实施例2

(1)用1000mL摇瓶以麦芽汁液体培养基(pH4.8)培养，摇瓶装液量25％～30％，接种量10％，摇床培养，培养温度30℃，转速200rpm，培养10～12h，制备种子液2.5L；

(2)将上述种子液接种进含有12.5L底水(维生素B₁ 0.2g，维生素B₅ 0.2g，维生素B₆0.2g，生物素0.1g)的50L自吸式反应器中，以接种前一刻标定溶氧电极DO为100％；

(3)糖蜜流加量按照自吸式反应器中当前酵母干重质量的2.3倍添加糖蜜量，发酵结束前2h，将糖蜜添加量减少50％～60％，直至发酵结束停止流加，尿素流加量为8g/h，20h后停止流加，磷酸二氢铵流加量为3g/h，16h后停止流加，每8h加入25g MgSO₄，共加入3次；

(4)控制发酵过程中通风量为前9h，以300L/h为初始通风量，逐渐增加至2400L/h，直至发酵结束前1h，减少至1800L/h；

(5)发酵过程中0～16h发酵温度控制在31℃，16～21h控制在32℃，22～24h控制在33℃；；

(6)发酵过程中前8h，pH控制在4.3～4.8，发酵中期控制在4.5～4.8，发酵结束前2h控制在5.0～5.2；

(7)发酵26h停止发酵，发酵过程中每2h测定酵母湿重，离心机转速10000r/min，离心时间10min。

(8)进行五批重复实验，发酵过程中12h后控制酒精度分为维持在4％、3％、2％、1.5％、1.0％、0.7％的水平线上，对比酵母生长曲线。图6为发酵过程中面包酵母湿重随酒精度控制水平变化的示意图，从图上可以看出控制发酵过程中酒精度在0.7％～1.0％可有效提高最大酵母湿重在260g/L左右。