废弃物固态发酵红曲红色素培养基的研究

高玉荣

（巢湖学院化学与材料工程学院，安徽合肥 238024）

0 引言

红曲红色素是红曲霉（Monascus spp.） 在发酵过程中产生的一种天然、安全的食品添加剂[1]。红曲红色素作为着色剂具有色调纯正、色泽鲜艳、稳定性强的特点，广泛应用于食品、药品和化妆品等行业[2]。目前，红曲红色素主要是以大米为原料固态发酵后提取或液态深层发酵制取，成本相对较高。采用废弃物制备酒糟[3-5]、糖蜜等废弃物为原料制备红曲红色素鲜有报道。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 菌种

红曲霉CICC40706，购自中国科学院微生物研究所菌种保藏中心，微生物实验室保藏。

1.1.2 发酵原料

白酒糟，经60 ℃干燥至恒质量；麸皮，市售小麦麸皮；糖蜜，甘蔗糖蜜。

1.1.3 培养基

（1） PDA 固体斜面培养基。称取去皮马铃薯200 g，切成小块，加1 000 mL 蒸馏水，煮沸1 h，过滤，补水至1 000 mL 加琼脂2%，pH 值5.4（用0.4 mol/L 乳酸调节），于121 ℃下灭菌20 min[6]。

（2） 种子培养基。豆饼粉添加量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 ℃下灭菌20 min。

（3） 基础固体培养基。称取干燥后的白酒糟，添加等质量的蒸馏水搅拌均匀，润料30 min 放入平皿中，用高压蒸汽灭菌锅于121 ℃下灭菌30 min。

1.1.4 仪器及设备

DHG-9140A 型电热恒温鼓风干燥箱、DNP-9082 型电热恒温培养箱，上海三发实验仪器有限公司产品；HS-408 型中英文可编程恒温恒湿箱，南京泰斯特试验设备有限公司产品；TU1810 型紫外可见分光光度计，北京普析产品；LDZM-80KCS-Ⅲ型自动高压蒸汽灭菌锅，上海申安医疗器械有限公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 菌种活化及扩大培养

挑取红曲霉斜面菌种接入PDA 固体斜面培养基中，于30 ℃下恒温培养6～8 d 进行菌种活化。挑取活化后的菌种于种子培养基中，于30 ℃下，以转速160 r/min 恒温振荡培养72 h。

1.2.2 麸皮水解液的制备

将麸皮加4 倍（按质量计） 水，于35～40 ℃下浸泡5 h，取上清液制成。

1.2.3 废弃物固态发酵培养基的单因素试验

（1） 酸添加量对白酒糟发酵红曲红色素的影响。①加酸种类对发酵红曲红色素的影响。称取20 g 干燥的白酒糟，添加20 g 用乳酸、乙酸、磷酸、盐酸调pH 值6.0 的蒸馏水，搅拌润料30 min，放入平皿（φ90 mm），于121 ℃下灭菌30 min，冷却，接种红曲霉液态菌种10%，在温度30 ℃，湿度90%恒温培养10 d 后，60 ℃下烘干至恒质量，测定红曲红色素的色价。②润料水pH 值对固态发酵红曲的影响。称取20 g 干燥的白酒糟，用最适酸将20 g蒸馏水的pH 值分别调至4.5，5.0，5.5，6.0，6.5，搅拌润料30 min，放入平皿（φ90 mm），于121 ℃下灭菌30 min，冷却，接种红曲霉液态菌种10%，30 ℃，湿度90%恒温培养10 d 后，于60 ℃下烘干至恒质量，测定红曲红色素的色价。

（2） 糖蜜添加量对固态发酵红曲的影响。称20 g干燥的白酒糟，用最适酸将20 g 蒸馏水的pH 值分别调至6.0，搅拌润料30 min，放入平皿（φ90 mm），于121 ℃下灭菌30 min，冷却，接种红曲霉液态菌种10%，于30 ℃下，湿度90%下恒温培养，培养过程中每天补加质量分数依次为0，1%，2%，3%，4%，5%的糖蜜水溶液1%，培养10 d 后，于60 ℃下烘干至恒质量，测定红曲红色素的色价。

（3） 麸皮水解液添加量对固态发酵红曲的影响。称取20 g 干燥的白酒糟，用最适酸将20 g 蒸馏水的pH 值调至6.0，搅拌润料30 min，放入平皿（φ90 mm），于121 ℃下灭菌30 min。冷却至室温，接种红曲霉液态菌种10%，在温度30 ℃，湿度90%下恒温培养，每天补加质量分数依次为0，2%，4%，6%，8%，10%的麸皮浸提液水溶液1%，培养10 d 后，于60 ℃下烘干至恒质量，测定红曲红色素的色价。

1.2.4 固态发酵红曲色素培养基优化试验

以单因素试验为依据，设计三因素三水平的正交试验，对固体发酵红曲红色素的培养基进行优化。

1.2.5 红曲红色价的测定

参考国家标准GB 1886.19—2015 进行红曲红色素色价的测定[7]。

2 结果与分析

2.1 酸添加量对发酵红曲红色素的影响

2.1.1 加酸种类对发酵红曲红色素的影响

酸性环境有利于红曲霉的生长和红曲色素的产生。因此，试验研究了白酒糟润料水中添加的酸性物质对红曲红色素色价的影响。

酸种类对固态发酵红曲红色素的影响见图1。

图1 酸种类对固态发酵红曲红色素的影响

由图1 可以看出，将用添加了乳酸的水进行润料后，白酒糟中红曲霉发酵产生的红曲红色素色价最高，因此选择适宜的加酸种类为乳酸。

2.1.2 润料水pH 值对固态发酵红曲红色素的影响

培养基的初始pH 值能影响红曲霉等微生物的细胞质膜和营养物质的吸收，从而影响微生物的生长和代谢[8]。因此，试验研究了润料水pH 值对红曲霉发酵产红曲红色素的影响。

润料水pH 值对固态发酵红曲红色素的影响见图2。

由图2 可以看出，润料水pH 值4.0～6.5 时，润料水pH 值对红曲红色素色价影响显著，当润料水的pH 值为5.5 时色价最高，因此确定适宜的润料水pH值为5.5。

2.2 糖蜜添加量对固态发酵红曲红色素的影响

经过了酒精发酵作用，残留在白酒糟中的可发酵性糖的含量较低，为了促进红曲霉的快速生长及红曲红色素的产生，试验研究了糖蜜对固态发酵红曲红色素色价的影响。

糖蜜添加量对固态发酵红曲红色素的影响见图3。

由图3 可以看出，添加糖蜜可提高固态发酵红曲红色素的色价，当糖蜜添加量为2%时，红曲红色素的色价达到最大，继续提高糖蜜添加量，红曲红色素的色价不再提高。因此，废弃物固态发酵红曲红色素的适宜糖蜜添加量为2%。

图3 糖蜜添加量对固态发酵红曲红色素的影响

2.3 麸皮浸提液添加量对固态发酵红曲红色素的影响

麸皮浸提液中含有丰富的淀粉、蛋白质、B 族维生素、矿物质等营养成分，在白酒糟中添加麸皮浸提液可促进红曲霉的生长和红曲红色素的产生，因此试验研究了在白酒糟固态发酵过程中补加麸皮浸提液对红曲红色素的影响。

麸皮浸提液添加量对固态发酵红曲色素的影响见图4。

图4 麸皮浸提液添加量对固态发酵红曲色素的影响

由图4 可以看出，麸皮浸提液添加量可显著提高白酒糟固态发酵红曲红色素的色价，当麸皮浸提液添加量为6%，固态物料中红曲红色素色价达到最大，继续提高麸皮浸提液添加量，红曲红色素色价不再提高。因此，麸皮浸提液的适宜添加量为6%。

2.4 废弃物固态发酵红曲红色素培养基优化试验

以酒糟、麸皮和糖蜜等废弃物固态发酵红曲红色素的单因素试验为依据，进行三因素三水平的正交试验。

白酒糟固态发酵红曲正交试验因素与水平设计见表1，白酒糟固态发酵红曲正交试验结果见表2。

表1 白酒糟固态发酵红曲正交试验因素与水平设计

由表2 可以看出，各因素对废弃物固态发酵红曲红色素色价影响的先后顺序为糖蜜添加量＞pH 值＞麸皮浸提液添加量，固态发酵的最佳培养基组合为A2B2C2，即培养基pH 值5.5，糖蜜添加量2.0%，麸皮浸提液添加量6.0%。

表2 白酒糟固态发酵红曲正交试验结果

2.5 正交试验验证试验

因正交试验的最佳组合为A2B2C2，不在正交试验的9 组试验中，因此在最佳组合培养基pH 值5.5，糖蜜添加量2.0%，麸皮浸提液添加量6.0%的条件下进行3 次验证试验。

验证试验结果见表3。

表3 验证试验结果

由表3 可以看出，3 次固态发酵物料中红曲红色素色价的平均值为729.7 U/g，大于正交试验的所有9 组发酵试验，因此验证试验证明了培养基pH 值5.5，糖蜜添加量2.0%，麸皮浸提液添加量6.0%是固态发酵的最佳培养基。

3 结论

（1） 通过单因素试验研究了以白酒糟、麸皮和糖蜜等废弃物为原料固态发酵红曲红色素的影响，结果表明白酒糟以乳酸润料能显著提高红曲红色素的色价，润料水的pH 值、糖蜜添加量、麸皮浸提液添加量对红曲红色素的色价影响显著。

（2） 通过正交试验确定以白酒糟、麸皮和糖蜜等废弃物为原料固态发酵红曲红色素的最佳培养基为以乳酸水溶液润料，培养基pH 值5.5，糖蜜添加量2.0%，麸皮浸提液添加量6.0%，在此条件下红曲红色素色价的平均值为729.7 U/g。