廢棄物固態發酵紅曲紅色素培養基的研究

高玉榮

（巢湖學院化學與材料工程學院，安徽合肥 238024）

0 引言

紅曲紅色素是紅曲霉（Monascus spp.） 在發酵過程中產生的一種天然、安全的食品添加劑[1]。紅曲紅色素作為著色劑具有色調純正、色澤鮮艷、穩定性強的特點，廣泛應用于食品、藥品和化妝品等行業[2]。目前，紅曲紅色素主要是以大米為原料固態發酵后提取或液態深層發酵制取，成本相對較高。采用廢棄物制備酒糟[3-5]、糖蜜等廢棄物為原料制備紅曲紅色素鮮有報道。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌種

紅曲霉CICC40706，購自中國科學院微生物研究所菌種保藏中心，微生物實驗室保藏。

1.1.2 發酵原料

白酒糟，經60 ℃干燥至恒質量；麩皮，市售小麥麩皮；糖蜜，甘蔗糖蜜。

1.1.3 培養基

（1） PDA 固體斜面培養基。稱取去皮馬鈴薯200 g，切成小塊，加1 000 mL 蒸餾水，煮沸1 h，過濾，補水至1 000 mL 加瓊脂2%，pH 值5.4（用0.4 mol/L 乳酸調節），于121 ℃下滅菌20 min[6]。

（2） 種子培養基。豆餅粉添加量2%，玉米粉添加量5%，K2HPO4·3H2O 添加量0.1%，MgSO4·7H2O添加量1.5%，pH 值5.4，于121 ℃下滅菌20 min。

（3） 基礎固體培養基。稱取干燥后的白酒糟，添加等質量的蒸餾水攪拌均勻，潤料30 min 放入平皿中，用高壓蒸汽滅菌鍋于121 ℃下滅菌30 min。

1.1.4 儀器及設備

DHG-9140A 型電熱恒溫鼓風干燥箱、DNP-9082 型電熱恒溫培養箱，上海三發實驗儀器有限公司產品；HS-408 型中英文可編程恒溫恒濕箱，南京泰斯特試驗設備有限公司產品；TU1810 型紫外可見分光光度計，北京普析產品；LDZM-80KCS-Ⅲ型自動高壓蒸汽滅菌鍋，上海申安醫療器械有限公司產品。

1.2 試驗方法

1.2.1 菌種活化及擴大培養

挑取紅曲霉斜面菌種接入PDA 固體斜面培養基中，于30 ℃下恒溫培養6～8 d 進行菌種活化。挑取活化后的菌種于種子培養基中，于30 ℃下，以轉速160 r/min 恒溫振蕩培養72 h。

1.2.2 麩皮水解液的制備

將麩皮加4 倍（按質量計） 水，于35～40 ℃下浸泡5 h，取上清液制成。

1.2.3 廢棄物固態發酵培養基的單因素試驗

（1） 酸添加量對白酒糟發酵紅曲紅色素的影響。①加酸種類對發酵紅曲紅色素的影響。稱取20 g 干燥的白酒糟，添加20 g 用乳酸、乙酸、磷酸、鹽酸調pH 值6.0 的蒸餾水，攪拌潤料30 min，放入平皿（φ90 mm），于121 ℃下滅菌30 min，冷卻，接種紅曲霉液態菌種10%，在溫度30 ℃，濕度90%恒溫培養10 d 后，60 ℃下烘干至恒質量，測定紅曲紅色素的色價。②潤料水pH 值對固態發酵紅曲的影響。稱取20 g 干燥的白酒糟，用最適酸將20 g蒸餾水的pH 值分別調至4.5，5.0，5.5，6.0，6.5，攪拌潤料30 min，放入平皿（φ90 mm），于121 ℃下滅菌30 min，冷卻，接種紅曲霉液態菌種10%，30 ℃，濕度90%恒溫培養10 d 后，于60 ℃下烘干至恒質量，測定紅曲紅色素的色價。

（2） 糖蜜添加量對固態發酵紅曲的影響。稱20 g干燥的白酒糟，用最適酸將20 g 蒸餾水的pH 值分別調至6.0，攪拌潤料30 min，放入平皿（φ90 mm），于121 ℃下滅菌30 min，冷卻，接種紅曲霉液態菌種10%，于30 ℃下，濕度90%下恒溫培養，培養過程中每天補加質量分數依次為0，1%，2%，3%，4%，5%的糖蜜水溶液1%，培養10 d 后，于60 ℃下烘干至恒質量，測定紅曲紅色素的色價。

（3） 麩皮水解液添加量對固態發酵紅曲的影響。稱取20 g 干燥的白酒糟，用最適酸將20 g 蒸餾水的pH 值調至6.0，攪拌潤料30 min，放入平皿（φ90 mm），于121 ℃下滅菌30 min。冷卻至室溫，接種紅曲霉液態菌種10%，在溫度30 ℃，濕度90%下恒溫培養，每天補加質量分數依次為0，2%，4%，6%，8%，10%的麩皮浸提液水溶液1%，培養10 d 后，于60 ℃下烘干至恒質量，測定紅曲紅色素的色價。

1.2.4 固態發酵紅曲色素培養基優化試驗

以單因素試驗為依據，設計三因素三水平的正交試驗，對固體發酵紅曲紅色素的培養基進行優化。

1.2.5 紅曲紅色價的測定

參考國家標準GB 1886.19—2015 進行紅曲紅色素色價的測定[7]。

2 結果與分析

2.1 酸添加量對發酵紅曲紅色素的影響

2.1.1 加酸種類對發酵紅曲紅色素的影響

酸性環境有利于紅曲霉的生長和紅曲色素的產生。因此，試驗研究了白酒糟潤料水中添加的酸性物質對紅曲紅色素色價的影響。

酸種類對固態發酵紅曲紅色素的影響見圖1。

圖1 酸種類對固態發酵紅曲紅色素的影響

由圖1 可以看出，將用添加了乳酸的水進行潤料后，白酒糟中紅曲霉發酵產生的紅曲紅色素色價最高，因此選擇適宜的加酸種類為乳酸。

2.1.2 潤料水pH 值對固態發酵紅曲紅色素的影響

培養基的初始pH 值能影響紅曲霉等微生物的細胞質膜和營養物質的吸收，從而影響微生物的生長和代謝[8]。因此，試驗研究了潤料水pH 值對紅曲霉發酵產紅曲紅色素的影響。

潤料水pH 值對固態發酵紅曲紅色素的影響見圖2。

由圖2 可以看出，潤料水pH 值4.0～6.5 時，潤料水pH 值對紅曲紅色素色價影響顯著，當潤料水的pH 值為5.5 時色價最高，因此確定適宜的潤料水pH值為5.5。

2.2 糖蜜添加量對固態發酵紅曲紅色素的影響

經過了酒精發酵作用，殘留在白酒糟中的可發酵性糖的含量較低，為了促進紅曲霉的快速生長及紅曲紅色素的產生，試驗研究了糖蜜對固態發酵紅曲紅色素色價的影響。

糖蜜添加量對固態發酵紅曲紅色素的影響見圖3。

由圖3 可以看出，添加糖蜜可提高固態發酵紅曲紅色素的色價，當糖蜜添加量為2%時，紅曲紅色素的色價達到最大，繼續提高糖蜜添加量，紅曲紅色素的色價不再提高。因此，廢棄物固態發酵紅曲紅色素的適宜糖蜜添加量為2%。

圖3 糖蜜添加量對固態發酵紅曲紅色素的影響

2.3 麩皮浸提液添加量對固態發酵紅曲紅色素的影響

麩皮浸提液中含有豐富的淀粉、蛋白質、B 族維生素、礦物質等營養成分，在白酒糟中添加麩皮浸提液可促進紅曲霉的生長和紅曲紅色素的產生，因此試驗研究了在白酒糟固態發酵過程中補加麩皮浸提液對紅曲紅色素的影響。

麩皮浸提液添加量對固態發酵紅曲色素的影響見圖4。

圖4 麩皮浸提液添加量對固態發酵紅曲色素的影響

由圖4 可以看出，麩皮浸提液添加量可顯著提高白酒糟固態發酵紅曲紅色素的色價，當麩皮浸提液添加量為6%，固態物料中紅曲紅色素色價達到最大，繼續提高麩皮浸提液添加量，紅曲紅色素色價不再提高。因此，麩皮浸提液的適宜添加量為6%。

2.4 廢棄物固態發酵紅曲紅色素培養基優化試驗

以酒糟、麩皮和糖蜜等廢棄物固態發酵紅曲紅色素的單因素試驗為依據，進行三因素三水平的正交試驗。

白酒糟固態發酵紅曲正交試驗因素與水平設計見表1，白酒糟固態發酵紅曲正交試驗結果見表2。

表1 白酒糟固態發酵紅曲正交試驗因素與水平設計

由表2 可以看出，各因素對廢棄物固態發酵紅曲紅色素色價影響的先后順序為糖蜜添加量＞pH 值＞麩皮浸提液添加量，固態發酵的最佳培養基組合為A2B2C2，即培養基pH 值5.5，糖蜜添加量2.0%，麩皮浸提液添加量6.0%。

表2 白酒糟固態發酵紅曲正交試驗結果

2.5 正交試驗驗證試驗

因正交試驗的最佳組合為A2B2C2，不在正交試驗的9 組試驗中，因此在最佳組合培養基pH 值5.5，糖蜜添加量2.0%，麩皮浸提液添加量6.0%的條件下進行3 次驗證試驗。

驗證試驗結果見表3。

表3 驗證試驗結果

由表3 可以看出，3 次固態發酵物料中紅曲紅色素色價的平均值為729.7 U/g，大于正交試驗的所有9 組發酵試驗，因此驗證試驗證明了培養基pH 值5.5，糖蜜添加量2.0%，麩皮浸提液添加量6.0%是固態發酵的最佳培養基。

3 結論

（1） 通過單因素試驗研究了以白酒糟、麩皮和糖蜜等廢棄物為原料固態發酵紅曲紅色素的影響，結果表明白酒糟以乳酸潤料能顯著提高紅曲紅色素的色價，潤料水的pH 值、糖蜜添加量、麩皮浸提液添加量對紅曲紅色素的色價影響顯著。

（2） 通過正交試驗確定以白酒糟、麩皮和糖蜜等廢棄物為原料固態發酵紅曲紅色素的最佳培養基為以乳酸水溶液潤料，培養基pH 值5.5，糖蜜添加量2.0%，麩皮浸提液添加量6.0%，在此條件下紅曲紅色素色價的平均值為729.7 U/g。