本科毕业设计--年产3万吨红曲色素生产工艺设计-

1、中北大学2013届毕业设计说明书年产3万吨红曲色素生产工艺设计摘要：红曲色素是一种优良的色素，是红曲在菌体生长代谢过程中产生的天然色素，具有较高的营养价值和药用价值，目前广泛应用于医药、食品、饲料和化妆品等领域。本设计以从土壤中筛选的红曲霉为出发菌株，通过紫外线超声波复合诱变选育出红曲色素高产菌株，通过摇瓶筛选和稳定性试验，得到稳定性高产红曲色素的突变菌株。在此基础上，尝试了三级发酵的发酵方式，优化了培养基，确定了发酵工艺条件：接种菌龄20h、接种量5%、初始pH5.0、培养最适温度32及发酵时间96h，并选择了合适下游提取工艺。设计的生产工艺稳定、简便，发酵后所得的红曲色素产量达到300g/L。关键词：红曲霉，红曲色素，发酵，诱变Abstract：Monascus pigment is a good natural pigment, which Monascus pigment in the cell growth in the metabolism process produces, has high nutritional value and medicinal value, i

2、s now widely used in the fields of medicine, food, feed and cosmetics etcThe design of the screening from the soil of Monascus as starting strain, through ultraviolet ultrasonic compound mutation breeding of the monascus pigment producing strains, through shake flask screening and stability test, the stability of mutant strains obtained high yield of Monascus pigment. On this basis, try the fermentation level three fermentation, optimization of the culture medium, fermentation conditions were de

3、termined: inoculating age 20h, 5% inoculation quantity, initial pH5.0, culture optimum temperature is 32 and the fermentation time was 96h, and select the appropriate downstream extraction process. Design of production process stability, simple, after fermentation of Monascus pigment yield income reached 300g/L.Keywords: Monascus, Monascus pigment, fermentation, mutation目录1引言11.1 概述11.2 发酵方式11.3 红曲色素合成机理11.4 国内外研究现状21.4.1 国内研究现状21.4.2 国外研究现状31.5 本课题的意义42红曲霉菌种的选育52.1红曲色素生产菌52.2菌种描述52.3色价分析方法52.4

4、诱变选育52.4.1复合诱变52.4.2摇瓶筛选62.4.3 稳定性试验62.5 菌种保藏63 培养基73.1红曲霉的培养基73.2 培养基的设计73.2.1 碳源73.2.2 氮源73.2.3 无机盐及微量元素84 灭菌94.1 仪器灭菌94.2 培养基灭菌94.2.1分批灭菌104.2.2连续灭菌104.3 空气除菌104.4 发酵罐灭菌105 种子扩大培养和装料发酵115.1 斜面培养115.2 一级种子培养115.3 二级种子培养115.4 装料发酵126 发酵控制136.1 pH值的控制136.3 溶氧的控制136.4 补料工艺的控制136.4.1磷酸与氨水146.4.2 葡萄糖与蛋白胨147 下游加工167.1下游加工工艺的一般流程167.2发酵液的预处理与固液分离167.3提取167.31 胞外色素167.3.2 胞内色素167.4 成品加工与包装168 物料衡算188.1 发酵罐数量衡算188.2 发酵液组成衡算198.3 发酵罐工艺设计199 结果与讨论21致谢25第1页 共页1引言1.1 概述红曲色素，是以大米、大豆为主要原料，经红曲霉菌液体发酵培养、提取、浓缩、精

5、制而成及以红曲米为原料，经萃取、浓缩、精制而成的天然红色色素。作为天然色素，红曲色素一直以来被认为是安全性较高的食用色素，试验已证明不含黄曲霉毒素。动物性试验表明，使用红曲色素及其制品的食物均未发现急、慢性中毒现象，也无致突变作用。此外，还具有降低血脂、血压，抗突变，防腐、保鲜等生理活性，因此红曲色素具有“天然、营养、多功能”的多重优点1。本草纲目中记载，红曲消食活血，健脾燥胃，治赤白痢，下水谷，治打扑伤损，治女人血气痛及产后恶血不尽。近年来，随着国内外学者对红曲色素研究的深入，其应用范围也在不断扩大。1.2 发酵方式目前红曲生产主要有两种工艺，一种是我国的传统工艺，即固体发酵工艺，固态发酵是指没有或几乎没有自由水存在下，在有一定湿度的水下溶性固态基质中，用一种或多种微生物的一个生物反应过程。从生物反应过程中的本质考虑，固态发酵是以气相为连续相的生物反应过程。固体发酵具有操作简便、能耗低、发酵过程容易控制、对无菌要求相对较低、不易发生大面积的污染等优点。其生产环境卫生条件差，种子纯度低，生产周期长，机械化程度低，产品色阶低，产品次品率高，出口率低。无法满足功能性红曲全程无菌的工艺条件2

6、。另一种是液体深层发酵生产红曲色素，是指在生化反应器中，模仿自然界将食药用菌在生育过程中所必需的糖类、有机和无机含有氮素的化合物、无机盐等一些微量元素以及其它营养物质溶解在水中作为培养基，灭菌后接入菌种，通入无菌空气并加以搅拌，提供食用菌菌体呼吸代谢所需要的氧气，并控制适宜的外界条件，进行菌丝大量培养繁殖的过程。工业化大规模的发酵培养即为发酵生产，亦称深层培养或沉没培养25。此工艺自动化程度高，污染小，色素粉色价高，但设备投资大，生产成本高，且规模小，另外该工艺只能生产红曲红色素。1.3 红曲色素合成机理红曲色素一直是国内外学者研究的焦点，但是其合成机理尚未研究清楚。不同氨基酸和短链脂肪酸等对色素合成的影响，结果表明缬氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、谷氨酸以及乙酸、丙酸等具有前体的作用，能够刺激色素的生产，而且它们都具有转化为聚酮合成前体的共同特征。所以聚酮途径被认为是红曲色素合成的主要途径。赵树欣等4考察了红曲霉的代谢途径，认为其代谢包括初级代谢和次级代谢。初级代谢主要产生不饱和脂肪酸、醇、酯等芳香化合物，次级代谢的产物主要有红曲色素、Monacolin K、降血脂药物-氨基丁酸、桔霉素(C

7、itrinin)、天然抗氧化剂黄酮酚等。次级代谢产物红曲色素的生物合成为1分子乙酰CoA和3分子丙二酰CoA在聚酮体合成酶(Polyketide syntheses PKSs)的作用下生成四酮化合物，四酮化合物再与1分子丙二酰CoA生成五酮化合物，如此循环，使酮级化合物碳链加长，最后生成红曲色素。1.4 国内外研究现状1.4.1 国内研究现状红曲色素是红曲菌代谢过程中产生的一系列聚酮化合物的混合物,组成较复杂。使用不同的红曲菌株、培养基、发酵条件所产生的红曲色素组成有较大差异,因而其生成途径也有不同。长期以来，我国及东南亚一些国家和地区多采用传统的固态发酵法，且较多的停留在手工作坊形式。该方法生产红曲色素能耗低、设备要求简单、成本较低、废水废渣少、不易造成二次污染，但是操作繁琐，劳动强度大，生产周期长且产品质量稳定性不高，不适宜大规模机械化生产。20世纪80年代我国朱文锦等9研究报道了厚层机械通风制曲工艺以改进传统的固态发酵生产，该工艺是在纯种制曲工艺基础上，采用以池代窑，改人工翻曲为机械通风、自动控温的办法, 使红曲的生产达到机械化、纯种化，生产周期从原来的7d缩短到5d。近年来，我

8、国还创新性地采用了适合大型红曲厂的圆盘固体发酵法，采用圆盘固体发酵制曲设备与种子罐、蒸饭机、干燥机配套，提高了其机械化、自动化水平，实现了固态法生产红曲的机械化。黄前美等10用红曲霉3532菌种，以价格低廉的马铃薯、造纸工业废弃物甘蔗渣和生产特级面粉的副产物普副粉为原料，添加适量的无机氮源以代替大米,进行固态发酵生产红曲色素, 色素产量可提高10%。刘玺等11以小米为原料, 研究了液态发酵生产红曲色素的发酵培养基组配及相关工艺参数的选择, 结果显示以小米为原料，经制醪后液态发酵生产比固态发酵产率高、耗能低, 产品使用方便。目前，我国红曲色素发酵的生产设备，色素的后期提取工艺水平及精炼工艺还比较落后。菌种产色水平较低、色素生产成本较高是红曲色素目前还不能在食品中广泛使用的主要原因之一。通过菌种诱变选育提高生产菌株的发酵水平，降低生产成本，对我国色素产业的提升有着重要的意义。红曲霉为出发菌株，通过紫外线、酸及高温处理，并采用定向筛选，从大量菌株中筛选出一株高色价、高稳定性菌株，其色调紫红，色价水平明显优于原生产菌株。印红等14在空间飞行对红曲霉菌产量的影响上做了尝试，利用神舟三号返回舱搭载

9、红曲霉菌，获得了高产Monacolin的菌株。该实验选用一种效果好、设备简单又对人体无伤害的紫外诱变对红曲红色素生产菌株CICC5017进行紫外诱变以获得红曲红色素高产菌株，再以廉价的玉米为原料通过固态和液态发酵筛选及传代稳定性实验，来获得红曲红色素产量高、生长速度快、遗传性状稳定、培养要求低、工艺简单的优良菌株，以供工业化生产所需29。1.4.2 国外研究现状有关红曲色素的现代研究日本起步较早，从1890年便开始对其进行分离研究，20世纪30年代红曲色素传到了欧美，之后各国相继开始了对红曲菌的分类鉴定、红曲色素发酵提取工艺及生产应用等方面的研究，对其组分分离、结构鉴定及代谢机制等方面也开展了一些工作，但研究进展缓慢。近10多年来,随着微生物学的发展，中外的专家学者对红曲色素进行了大量广泛而深入的研究，在红曲色素分离、结构鉴定及改性、生成机制、菌种改良、液态发酵工艺优化、代谢产物基因调控、功能性及安全性等理论和应用方面的研究都卓有成效，不断拓展着红曲色素的应用领域17。20世纪90年代以来国内外在红曲色素的液态发酵生产方面做了大量工作，研究已取得突破性进展。液态发酵生产的红曲色素,主要成分是水溶性的“复合色素”。采用这种生产方式具有周期短、产量高、杂质少、产品质量稳定等优点，有助于实现生产自动化， 提高产品质量稳定性,扩大生产规模。液态发酵法生产的红曲色素色价偏低，这是制约其工业化生产的重要原因之一，为此，国内外广泛开展了液态发酵菌种改良和工艺条件优化的研究。目前，提高红曲色素色价的途径主要有: 提高红曲菌的生物量、添加促进色素形成的物质等，具体措施有：菌种诱变、固定化细胞技术、葡萄糖流加培养、菌种联合培养、添加

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