基于脉冲磁场、脉冲强光和近红外光谱在线检测多技术联用的固态发酵方法

摘要

本发明属于微生物发酵工程领域，涉及一种基于脉冲磁场、脉冲强光和近红外光谱在线检测多技术联用的固态发酵方法；首先在发酵底物中接入发酵种子液或醋醅，得到混合料搅拌后平铺于固态发酵床上，厚度为0.2～0.5m；发酵底物为油料饼粕与水的混合物或食用醋酿造过程中醋酸发酵阶段的酒麸混合物；固态发酵开始后，每间隔5～10h对混合料施加一次强度为80～240Gs的脉冲磁场，处理时间1～2h；每间隔5～6h对发酵底物的表面施加一次脉冲强光杀菌处理，闪照次数为2～5次，闪照能量为100～500J，闪照距离固定为5～10cm；利用近红外光谱在线检测技术实时监控发酵底物的特征参数，实现带式固态发酵的自动化智能控制。

说明书

技术领域

本发明属于微生物发酵工程领域，具体涉及一种基于脉冲磁场、脉冲强光和近红外光谱在线检测多技术联用的固态发酵方法。

背景技术

《中国工业生物技术白皮书2015》显示，我国的工业能耗巨大，耗水量约 13亿m

因此，目前亟需解决固态发酵过程中存在的发酵效率低、易污染杂菌及无法进行发酵进程及品质监控的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于脉冲磁场、脉冲强光和近红外光谱在线检测多技术联用的固态发酵方法，能够促进微生物固态发酵进程，避免杂菌污染，并实现固态发酵过程的在线实时监测；提高固态发酵效率，降低生产成本，保证发酵产品的品质。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

基于脉冲磁场、脉冲强光和近红外光谱在线检测多技术联用的固态发酵方法，包括如下步骤：

(1)首先在发酵底物中接入适量比例的发酵种子液或醋醅，得到混合料搅拌均匀后平铺于带式固态发酵床上，使混合料料层厚度为0.2～0.5m；所述发酵底物为油料饼粕与水的混合物或食用醋酿造过程中醋酸发酵阶段的酒麸混合物；

(2)在固态发酵开始后，每间隔5～10h对混合料施加一次磁场，磁场强度为80～240Gs的脉冲磁场，处理时间1～2h；

(3)在固态发酵开始后，每间隔5～6h对发酵底物的表面施加一次脉冲强光杀菌处理，闪照次数为2～5次，闪照能量为100～500J，闪照距离固定为5～ 10cm；

(4)利用近红外光谱在线检测技术实时监控发酵底物的特征参数，实现带式固态发酵的自动化智能控制。

优选的，步骤(1)中所述的油料饼粕为豆粕、菜籽粕、葵花籽粕或花生粕的任意一种或多种；所述的油料饼粕与水的用量比为1g:(1～2.0)mL。

优选的，步骤(1)中所述的酒麸混合物是按照麸皮和酒醅质量比为1:2(w/w) 的比例混合。

优选的，步骤(1)中所述的发酵种子液为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌或纳豆芽孢杆菌种子液的任意一种或多种。

优选的，步骤(1)中，当发酵底物为酒麸混合物时，其对应接入的为醋醅；所述醋醅与发酵底物的质量比1:100(w/w)。

优选的，步骤(1)中，当发酵底物为油料饼粕与水的混合物时，其对应接入的为发酵种子液；所述发酵种子液与发酵底物的体积质量比5％～10％(v/w)。

所述的食用醋酿造过程中的酒麸混合物的发酵是利用成熟醋醅提供发酵用醋酸菌。

优选的，步骤(2)中，所述磁场强度为240Gs的脉冲磁场处理，处理时间 1h。

优选的，步骤(2)中，闪照次数为5次，闪照能量为500J，闪照距离固定为10cm。

优选的，步骤(4)中，所述的发酵底物的特征参数包括pH值、多肽含量、醋酸含量或微生物生物量。

本发明的显著优点：

(1)本发明将脉冲磁场强化发酵、脉冲强光对发酵基质表面杀菌和近红外光谱在线检测多技术联合应用于微生物固态发酵过程中，该发明目前未见国内外公开报道；脉冲强光杀菌是利用脉冲的强烈白光闪照，使惰性气体灯发出与太阳光谱相近，但强度更强的紫外线至红外线区域光来抑制食品和包装材料表面、固体表面、气体和透明饮料中的微生物的生长繁殖，是一种安全、强效、节能的新型冷杀菌技术；与其他非热杀菌技术相比，脉冲强光杀菌具有操作方便、杀菌效率高、能较好的保持食品品质等优点；同时，利用近红外实时光谱结合化学计量学方法建立监测模型，可实现发酵过程的在线自动化智能控制

(2)本发明采用带式固态发酵装置，节省固态发酵占用的空间；此外，微生物固态发酵周期长，生产效率低，本发明将脉冲磁场施加于固态发酵过程中，用以刺激微生物的生长代谢，提高固态发酵的效率。

(3)固态发酵多为敞开式发酵，发酵基质表面易污染杂菌，造成发酵产品的品质下降，本发明将脉冲强光杀菌技术应用于固态发酵底物表面的杀菌，有效解决杂菌污染及发酵产品品质下降问题。

(4)目前，在实际生产中尚未有对微生物固态发酵过程进行监控的方法，本发明将近红外光谱在线检测技术应用于固态发酵过程，通过建立发酵底物的特征参数的近红外光谱监测模型实现固态发酵过程的自动化智能控制。

(5)通过对比试验，在油料饼粕固态发酵过程中施加脉冲磁场和脉冲强光处理，发酵饼粕多肽含量较未处理组提高11.5％～17.6％；发酵产物无杂菌污染；能够建立饼粕多肽含量、pH值和微生物生物量与近红外光谱检测的Si-PLS定量模型。在食用醋酿造过程中，对醋酸发酵阶段的酒麸混合物添加成熟醋醅后的发酵底物施加脉冲磁场和脉冲强光处理，醋酸产量增加4.5％～8.3％；发酵产物无杂菌污染；能够建立基质中醋酸含量与近红外光谱检测的Si-PLS定量模型。

附图说明

图1是本发明固态发酵过程中脉冲磁场、脉冲强光和近红外光谱在线检测多技术联用设备的示意图；其中1—线圈；2—输送带；3—发酵基质；4—脉冲强光辐照板；5—近红外光谱探头；6—信号采集系统。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明不仅限于此。

如图1所示，是本发明固态发酵过程中脉冲磁场、脉冲强光和近红外光谱在线检测多技术联用设备的示意图；脉冲磁场发生装置由线圈1组成，位于发酵基质3的下方；同时在发酵基质3的上方设有脉冲强光辐照板4；近红外光谱仪的近红外光谱探头2深入发酵基质3内部进行检测，同时近红外光谱仪的与信号采集系统6电连，由信号采集系统6采集信号并进行信息反馈控制；此外，还设有输送带2，用于运输发酵基质3。

实施例1：

(1)将豆粕与水按照质量体积比为1g:1.0mL的比例混合，并按照种子液： (饼粕+水)体积质量比为5％(v/w)的比例接入枯草芽孢杆菌种子液，搅拌均匀后平铺于带式固态发酵床上，料层厚度为0.2m；

(2)在固态发酵开始后，每5h施加一次磁场强度为80Gs的脉冲磁场处理，处理时间1h；

(3)在固态发酵开始后，每5h对发酵底物的表面施加一次脉冲强光杀菌处理，闪照次数为2次，闪照能量为100J，闪照距离为5cm；

(4)利用近红外光谱在线检测技术监控发酵底物的pH值变化。经测定，多肽含量较未施加脉冲磁场处理组提高11.5％；菌群分析结果表明，发酵饼粕无杂菌污染；采用Si-PLS建立近红外光谱在线检测pH的定量模型，得到pH的校正和预测模型R

实施例2：

(1)将菜籽粕与水按照质量体积比为1g:2.0mL的比例混合，并按照种子液：(饼粕+水)体积质量比为10％(v/w)的比例接入地衣芽孢杆菌种子液，搅拌均匀后平铺于带式固态发酵床上，料层厚度为0.5m；

(2)在固态发酵开始后，每10h施加一次磁场强度为240Gs的脉冲磁场处理，处理时间1h；

(3)在固态发酵开始后，每5h对发酵基质的表面施加一次脉冲强光杀菌处理，闪照次数为5次，闪照能量为500J，闪照距离为10cm；

(4)利用近红外光谱在线检测技术监控发酵基质中的多肽含量变化。经测定，多肽含量较未施加脉冲磁场处理组提高17.6％；菌群分析结果表明，发酵饼粕无杂菌污染；采用Si-PLS建立近红外光谱在线检测多肽含量的定量模型，得到多肽含量的校正和预测模型R

实施例3：

(1)将葵花籽粕与水按照质量体积比为1g：1.5mL的比例混合，并按照种子液：(饼粕+水)体积质量比为8％(v/w)的比例接入纳豆芽孢杆菌种子液，搅拌均匀后平铺于带式固态发酵床上，料层厚度为0.35m；

(2)在固态发酵开始后，每8h施加一次磁场强度为160Gs的脉冲磁场处理，处理时间2h；

(3)在固态发酵开始后，每6h对发酵基质的表面施加一次脉冲强光杀菌处理，闪照次数为4次，闪照能量为300J，闪照距离为7.5cm；

(4)利用近红外光谱在线检测技术监控发酵基质中微生物生物量的变化。经测定，多肽含量较未施加脉冲磁场处理组提高15.7％；菌群分析结果表明，发酵饼粕无杂菌污染；采用Si-PLS建立近红外光谱在线检测纳豆芽孢杆菌生物量的定量模型，得到生物量的校正和预测模型R

实施例4：

(1)向食用醋酿造过程中醋酸发酵阶段的酒麸混合物(麸皮与酒醅按照质量比1:2(w/w)的比例混合)中添加成熟的醋醅，醋醅与酒麸混合物的质量比为1:100(w/w)，搅拌均匀后平铺于带式固态发酵床上，料层厚度为0.2m；

(2)在固态发酵开始后，每5h后施加一次磁场强度为80Gs的脉冲磁场处理，处理时间1h；

(3)在固态发酵开始后，每5h对发酵基质的表面施加一次脉冲强光杀菌处理，闪照次数为2次，闪照能量为100J，闪照距离为5cm；

(4)利用近红外光谱在线检测技术监控发酵底物中醋酸含量的变化。经测定，醋酸含量较未施加脉冲磁场处理组提高4.5％；菌群分析结果表明，发酵产品无杂菌污染；采用Si-PLS建立近红外光谱在线检测pH的定量模型，得到pH 的校正和预测模型R

实施例5：

(1)向食用醋酿造过程中醋酸发酵阶段的酒麸混合物(麸皮与酒醅按照质量比1:2(w/w)的比例混合)中添加成熟的醋醅，醋醅与酒麸混合物的质量比为1:100(w/w)，搅拌均匀后平铺于带式固态发酵床上，料层厚度为0.5m；

(2)在发酵进行10h后施加一次磁场强度为240Gs的脉冲磁场处理，处理时间1h；

(3)在固态发酵开始后，每5h对发酵基质的表面施加一次脉冲强光杀菌处理，闪照次数为5次，闪照能量为500J，闪照距离为10cm；

(4)利用近红外光谱在线检测技术监控发酵底物中的醋酸含量的变化。经测定，醋酸含量较未施加脉冲磁场处理组提高8.3％；菌群分析结果表明，发酵产品无杂菌污染；采用Si-PLS建立近红外光谱在线检测醋酸含量的定量模型，得到醋酸含量的校正和预测模型R

实施例6：

(1)向食用醋酿造过程中醋酸发酵阶段的酒麸混合物(麸皮与酒醅按照质量比1:2(w/w)的比例混合)中添加成熟的醋醅，醋醅与酒麸混合物的质量比为1:100(w/w)，搅拌均匀后平铺于带式固态发酵床上，料层厚度为0.35m；

(2)在固态发酵开始后，每8h施加一次磁场强度为160Gs的脉冲磁场处理，处理时间2h；

(3)在固态发酵开始后，每6h对发酵基质的表面施加一次脉冲强光杀菌处理，闪照次数为4次，闪照能量为300J，闪照距离为7.5cm；

(4)利用近红外光谱在线检测技术监控发酵基质中醋酸含量的变化。经测定，醋酸含量较未施加脉冲磁场处理组提高7.2％；菌群分析结果表明，发酵产品无杂菌污染；采用Si-PLS建立近红外光谱在线检测醋酸菌生物量的定量模型，得到生物量的校正和预测模型R

说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。