一种利用大米加工副产物酸水解液制备食品胶基细菌纤维素的方法
阅读说明：本技术 一种利用大米加工副产物酸水解液制备食品胶基细菌纤维素的方法 (Method for preparing food gum-based bacterial cellulose by using acid hydrolysis liquid of rice processing byproduct ) 是由 黄超 吴沂 李志璇 黄忠英 胡勇 高静 陈云 郭娟 于 2021-11-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种利用大米加工副产物酸水解液制备食品胶基细菌纤维素的方法。在米糠或稻壳酸水解液发酵培养基中添加不同类型的食品胶,接入生产细菌纤维素的菌株进行发酵,发酵后通过碱溶液去除菌体及杂质,即得食品胶基细菌纤维素。本研究表明,在单独添加一种食品胶效果不明显时,可通过复配添加多种食品胶,起协同增效的作用,可以有效提高细菌纤维素产量及调控其质构特性。本发明利用廉价大米加工副产物的酸水解液,有效降低了发酵成本,实现了大米加工副产物的高值化利用。通过单独或复配添加食品胶进行发酵,能克服发酵环境的抑制作用,缩短发酵延迟期,有效提高细菌纤维素产率及发酵糖利用率,可实现食品胶基细菌纤维素质构特性的调控。(The invention provides a method for preparing food gum-based bacterial cellulose by using acid hydrolysis liquid which is a rice processing byproduct. Adding different types of food gum into a rice bran or rice husk acid hydrolysate fermentation medium, inoculating bacterial strains for producing bacterial cellulose for fermentation, and removing thalli and impurities through an alkali solution after fermentation to obtain the food gum-based bacterial cellulose. The research shows that when the effect of independently adding one food gum is not obvious, a plurality of food gums can be added through compounding to play a role in synergy, so that the yield of the bacterial cellulose can be effectively improved, and the texture characteristics of the bacterial cellulose can be effectively regulated and controlled. The invention utilizes the acid hydrolysis liquid of cheap rice processing byproducts, effectively reduces the fermentation cost and realizes the high-valued utilization of the rice processing byproducts. By adding food gum for fermentation independently or in a compound manner, the inhibition effect of the fermentation environment can be overcome, the fermentation delay period is shortened, the yield of bacterial cellulose and the utilization rate of fermentation sugar are effectively improved, and the regulation and control of the cellulose texture characteristics of the food gum-based bacteria can be realized.)
技术领域
本发明涉及功能性细菌纤维素材料制备领域，具体涉及一种利用大米加工副产物酸水解液制备食品胶基细菌纤维素的方法。
背景技术
细菌纤维素是由某些细菌合成的一种胞外直链高分子多糖，具备高持水性、高生物降解性、杨氏模量大、吸水率高和生物相容性好等优点，在食品、化妆品、生物医药等领域的应用广泛。现有技术中细菌纤维素发酵的研究有两个热点，一是利用天然培养基降低细菌纤维素的生产成本，二是通过原位发酵同时完成细菌纤维素的合成与改性。
我国是世界稻米生产量最大的国家之一，年产量约2亿吨，我国超过2/3的人口以大米作为主食，水稻消费量占口粮消费总量的6成以上。但稻谷加工过程中产生的米糠和稻壳等加工副产物未能得到充分、有效利用，造成了稻米资源的巨大浪费，增加了电耗、水耗和污染物的排放，损失大量营养成分。稻壳是稻谷外面的一层壳，稻壳中约含40％的粗纤维(包括木质素纤维和纤维素)和20％左右的五碳糖聚合物(主要为半纤维素)，还含约20％灰分及少量粗蛋白和粗脂肪等有机化合物。米糠是稻谷加工成大米过程中的主要副产物，占稻谷重量的6％～8％，米糠中平均含蛋白质15％，脂肪16％～22％，糖3％～8％，水分10％。稻壳和米糠均可望作为原料发酵制备细菌纤维素。
现有技术中公开了一种利用米糠酶水解液发酵制备细菌纤维素的方法，该方法采用了液化酶、纤维素酶和糖化酶经过多步水解米糠获得米糠酶水解液，然后水解液中再添加氮源、乙醇等进行发酵获得细菌纤维素。但酶法水解米糠存在着酶成本高、反应周期长的缺点。采用稀酸水解米糠制备米糠水解液成本低、周期短，可望克服上述酶水解的不足，但目前鲜有采用大米加工副产物(米糠和稻壳)酸水解液发酵制备细菌纤维素的报道。
然而，利用大米加工副产物酸水解液制备细菌纤维素尚存在两个关键的技术问题需要解决，一是大米加工副产物酸水解液会含有浓度较高的发酵抑制剂，会使得发酵获得的细菌纤维素产量较少、发酵延迟期较长；二是采用大米加工副产物酸水解液制备的细菌纤维素质构特性难以调控。在这种背景下，有必要开发新型的发酵技术，从而解决上述问题。
为了解决发酵延迟期增长、糖利用率低及细菌纤维素产率不高等问题，本课题组专利CN112695009A提供了一种原位发酵制备细菌纤维素的方法，将生产细菌纤维素的菌种接种到含结冷胶的培养基中进行原位发酵，可以缩短发酵延迟期，提高细菌纤维素产率及发酵糖利用率。但该专利技术并未对细菌纤维素的质构特性进行调控，而且亦未能说明在大米加工副产物酸水解液中添加结冷胶是否能同样克服发酵环境的抑制作用。在这种情况下，有必要开发更先进的发酵技术，特别是既能克服发酵环境抑制，提高细菌纤维素产量，又能调控细菌纤维素产品质构特性的技术。另一方面，当基于单独添加结冷胶的原位发酵不能有效克服发酵环境抑制的时候，开发更先进的发酵技术也十分必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供一种利用大米加工副产物酸水解液制备食品胶基细菌纤维素的方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案给予实现的：
本发明提供一种利用大米加工副产物酸水解液制备食品胶基细菌纤维素的方法，将生产细菌纤维素的菌种接种到含食品胶的培养基中进行发酵，添加食品胶，特别是当单独添加一种食品胶效果不明显时，通过添加不同食品胶复配后形成的协同作用明显提升了细菌纤维素的产量，且合成质构特性可以调控的食品胶基细菌纤维素。
所述制备细菌纤维素的方法，包括以下步骤：
S1.在米糠及稻壳酸水解液发酵培养基中加入食品胶，灭菌后备用；
S2.将S1步骤得到的培养基接入生产细菌纤维素的菌种，25～35℃条件下发酵；
S3.将S2步骤中发酵后的产物，通过碱溶液处理去除菌体及杂质，即得食品胶基细菌纤维素。
优选地，所述食品胶为黄原胶、阿拉伯胶、微晶纤维素、可得然胶、壳聚糖、海藻糖、高酰基结冷胶或低酰基结冷胶之中的一种或多种食品胶复配。
所述步骤S1中食品胶添加方式为单独添加或复配添加，当食品胶单独添加作用不明显时，可通过不同食品胶复配添加后的协同增效作用实现食品胶对细菌纤维素产量的提升及质构特性的调控。
更优选地，步骤S1中添加食品胶为黄原胶与可得然胶。
更优选地，步骤S1中添加食品胶为黄原胶与高酰基结冷胶。
更优选地，步骤S1中添加食品胶为黄原胶与低酰基结冷胶。
优选地，所述食品胶在培养基中的质量百分比为0.05～0.8％。
优选地，步骤S2中菌株为木糖驹形氏杆菌。
优选地，步骤S2中菌株的接种量为5～15％。
优选地，步骤S2中发酵的时间为3～15天。
优选地，步骤S3中碱溶液处理为添加氢氧化钠或氢氧化钾水溶液。
优选地，步骤S3中氢氧化钠或氢氧化钾的浓度为0.25～1mol/L。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明以廉价的大米加工副产物酸水解液为发酵底物，将用途广泛、食品安全性高的食品胶作为发酵添加剂，通过发酵合成食品胶基细菌纤维素。食品胶的添加能够有效减少大米加工副产物酸水解液的抑制作用，提高细菌纤维素产率及发酵糖利用率，能够调控细菌纤维素的质构特性。该方法实现了大米加工副产物的高值化利用，减少稻米资源的浪费，提高经济效益。特别地，本发明一个最重要的创新之处为，当食品胶单独添加一种食品胶作用不明显时，可通过不同食品胶复配添加后的协同增效作用，能实现食品胶对细菌纤维素产量的提升及质构特性的调控。
具体实施方式
以下结合说明具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
以下实施例均采用：米糠酸水解液的糖分含量为1.25％，稻壳酸水解液的糖分含量为1.18％；w/v为加入食品胶的质量w(g)占米糠/稻壳水解液培养基的体积v(mL)的比例；v/v为体积比。
实施例1米糠酸水解液细菌纤维素的制备
利用米糠原料通过酸水解制备得米糠酸水解液，采用米糠酸水解液配制发酵培养基。在米糠酸水解液发酵培养基中加入0.1％(w/v)的可得然胶，蒸汽灭菌备用，以10％(v/v)的接种量接入木糖驹形氏杆菌，在30℃下培养10天，发酵后通过0.5mol/L氢氧化钠处理去除菌体及其它杂质后获得细菌纤维素产品。
与相同条件下没有添加可得然胶的发酵培养基相比，添加可得然胶使细菌纤维素产量提高11.2％，糖利用率提高3.7％，硬度提高29.9％，弹性提高8.4％，内聚性提高10.8％，咀嚼性提高62.7％，回弹性提高2.2％。
实施例2米糠酸水解液细菌纤维素的制备
利用米糠原料通过酸水解制备得米糠酸水解液，采用米糠酸水解液配制发酵培养基。在米糠酸水解液发酵培养基中加入0.1％(w/v)壳聚糖后蒸汽灭菌备用，以10％(v/v)的接种量接入木糖驹形氏杆菌，在30℃下培养10天，发酵后通过0.5mol/L氢氧化钠处理去除菌体及其它杂质后获得细菌纤维素产品。
与相同条件下没有添加壳聚糖发酵培养基相比，添加壳聚糖使细菌纤维素产量提高10.4％，糖利用率提高5.6％，弹性提高2.2％。
实施例3米糠酸水解液细菌纤维素的制备
利用米糠原料通过酸水解制备得米糠酸水解液，采用米糠酸水解液配制发酵培养基。米糠酸水解液发酵培养基中加入0.05％(w/v)黄原胶与0.05％(w/v)可得然胶(复配比为1：1)后蒸汽灭菌备用，以10％(v/v)的接种量接入木糖驹形氏杆菌，在30℃下培养10天，发酵后通过0.5mol/L氢氧化钠处理去除菌体及其它杂质后获得细菌纤维素产品。
与相同条件下没有添加食品胶的发酵培养基相比，添加黄原胶与可得然胶使细菌纤维素产量提高59.8％，糖利用率提高8.3％，硬度提高134.2％，弹性提高5.6％，内聚性提高0.6％，咀嚼性提高152.8％，回弹性提高17％。与相同条件下单独添加0.1％(w/v)黄原胶与没有添加食品胶培养基中的发酵相比，细菌纤维素产量降低21.8％。
实施例4米糠酸水解液细菌纤维素的制备
利用米糠原料通过酸水解制备得米糠酸水解液，采用米糠酸水解液配制发酵培养基。米糠酸水解液发酵培养基中加入0.05％(w/v)黄原胶与0.05％(w/v)高酰基结冷胶(复配比为1：1)后蒸汽灭菌备用，以10％(v/v)的接种量接入木糖驹形氏杆菌，在30℃下培养10天，发酵后通过0.5mol/L氢氧化钠处理去除菌体及其它杂质后获得细菌纤维素产品。
与相同条件下没有添加食品胶的发酵培养基相比，添加黄原胶与高酰基结冷胶使细菌纤维素产量提高61.4％，糖利用率提高8.3％，硬度提高86.7％，咀嚼性提高63.2％，回弹性提高4.1％。与相同条件下单独添加0.1％(w/v)高酰基结冷胶与没有添加食品胶培养基中的发酵相比，细菌纤维素产量降低12.3％。
实施例5米糠酸水解液细菌纤维素的制备
利用米糠原料通过酸水解制备得米糠酸水解液，采用米糠酸水解液配制发酵培养基。米糠酸水解液发酵培养基中加入0.05％(w/v)黄原胶与0.05％(w/v)阿拉伯胶(复配比为1：1)后蒸汽灭菌备用，以10％(v/v)的接种量接入木糖驹形氏杆菌，在30℃下培养10天，发酵后通过0.5mol/L氢氧化钠处理去除菌体及其它杂质后获得细菌纤维素产品。
与相同条件下没有添加食品胶的发酵培养基相比，添加黄原胶与阿拉伯胶使细菌纤维素产量提高31.2％，糖利用率提高27.8％，硬度48.0％，弹性提高1.7％，咀嚼性提高46.5％，回弹性提高4％。与相同条件下单独添加0.1％(w/v)黄原胶与没有添加食品胶培养基中的发酵相比，细菌纤维素产量降低21.8％。
实施例6米糠酸水解液细菌纤维素的制备
利用米糠原料通过酸水解制备得米糠酸水解液，采用米糠酸水解液配制发酵培养基。米糠酸水解液发酵培养基中加入0.05％(w/v)黄原胶与0.05％(w/v)低酰基结冷胶(复配比为1：1)后蒸汽灭菌备用，以10％(v/v)的接种量接入木糖驹形氏杆菌，在30℃下培养10天，发酵后通过0.5mol/L氢氧化钠处理去除菌体及其它杂质后获得细菌纤维素产品。
与相同条件下没有添加食品胶的发酵培养基相比，添加黄原胶与低酰基结冷胶使细菌纤维素产量提高50.1％，硬度提高103.6％，咀嚼性提高111％，回弹性提高18.4％。与相同条件下单独添加0.1％(w/v)低酰基结冷胶与没有添加食品胶培养基中的发酵相比，细菌纤维素产量降低30.9％。
实施例7稻壳酸水解液细菌纤维素的制备
利用稻壳原料通过酸水解制备得稻壳酸水解液，采用稻壳酸水解液配制发酵培养基。稻壳酸水解液发酵培养基中加0.05％(w/v)高酰基结冷胶与0.05％(w/v)微晶纤维素(复配比为1：1)后蒸汽灭菌备用，以10％(v/v)的接种量接入木糖驹形氏杆菌，在30℃下培养10天，发酵后通过0.5mol/L氢氧化钠处理去除菌体及其它杂质后获得细菌纤维素产品。
与相同条件下没有添加食品胶的发酵培养基相比，添加高酰基结冷胶与微晶纤维素使细菌纤维素产量提高38.8％，糖利用率提高14.5％，硬度提高2.7％，弹性提高2.2％，内聚性提高3.5％，咀嚼性提高10.1％。与相同条件下单独添加0.1％(w/v)高酰基结冷胶培养基中的发酵相比，复配添加使细菌纤维素产量提高65.1％，糖利用率提高2.5％，弹性提高3.4％，内聚性提高2.9％。
实施例8稻壳酸水解液细菌纤维素的制备
利用稻壳原料通过酸水解制备得稻壳酸水解液，采用稻壳酸水解液配制发酵培养基。稻壳酸水解液发酵培养基中加入0.05％(w/v)高酰基结冷胶与0.05％(w/v)阿拉伯胶(复配比为1：1)后蒸汽灭菌备用，以10％(v/v)的接种量接入木糖驹形氏杆菌，在30℃下培养10天，发酵后通过0.5mol/L氢氧化钠处理去除菌体及其它杂质后获得细菌纤维素产品。
与相同条件下没有添加食品胶的发酵培养基相比，添加高酰基结冷胶与阿拉伯胶使细菌纤维素产量提高30.1％，硬度提高34.1％，弹性提高2.2％，内聚性提高1.6％，咀嚼性提高39.9％。与相同条件下单独添加0.1％(w/v)高酰基结冷胶培养基中的发酵相比，复配添加使细菌纤维素产量提高54.8％，弹性提高3.4％，咀嚼性提高4.3％。
由以上实施例可知，在米糠或稻壳酸水解液发酵培养基中单独添加或复配添加食品胶可提高制备的细菌纤维素产量，及调控其质构特性；但可能存在单独添加一种食品胶效果不明显甚至会产生细菌纤维素产量降低的情况，此时通过复配添加多种食品胶能解决该问题。在实施例1中单独添加可得然胶使细菌纤维素产量提高11.2％；而在实施例3～6中，在进行复配添加的产量比较时发现单独添加黄原胶、高酰基结冷胶或低酰基结冷胶与没有添加食品胶的发酵培养基相比，细菌纤维素产量反而降低21.8％、12.3％或30.9％；在实施例3中采用黄原胶与可得然胶1：1复配后使细菌纤维素产量提高59.8％，采用复配添加食品胶制备的细菌纤维素产量最高能提高至61.4％。由此可知复配添加食品胶具有协同增效的作用，且单独添加某一种胶可能会产生效果不明显甚至会产生细菌纤维素产量降低的情况，但复配添加后能解决这个问题，且使其产量提高。
综上所述，本申请通过在米糠及稻壳酸水解液中加入不同类型的食品胶，特别是添加不同食品胶进行复配，有协同增效的作用，既能克服发酵环境的抑制，提高产率和糖利用率，缩短发酵延迟期；又能实现食品胶对细菌纤维素产量的提升及质构特性的调控。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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