CN103436569A - 一种用木薯废弃物制备糖和乙醇的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用木薯废弃物制备糖和乙醇的方法，包含以下步骤：（1）取木薯废渣加水或直接用湿渣；（2）按每公斤木薯废渣添加0.1升～1升的添加量向木薯废渣中添加微生物培养液，酶解，然后添加α‐淀粉酶，水解，再添加糖化酶，水解，制得葡萄糖醪液；（3）向葡萄糖醪液中接入耐高温酵母，静置培养，进行乙醇发酵，然后经纯化分离，制得乙醇；本发明利用微生物培养液和α‐淀粉酶以及糖化酶联合作用于含有淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多种多糖的木薯废弃物，木薯废弃物中的多糖可以被微生物培养液中的多糖降解酶系快速降解成可溶性糖，降低了木薯废弃物的粘度，可将木薯废弃物完全转化成可发酵糖，提高了原料的生物转化率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用木薯废弃物制备糖和乙醇的方法，属于淀粉加工废弃物利用技术领域。
背景技术
木薯原产于热带美洲，中国自19世纪20年代引种栽培，现已大面积种植，木薯在食品、饲料、发酵工业等有非常重要的用途，而经提取后的木薯废弃物由于处理成本高，市场需求不旺，经济效益差等原因不仅没有得到利用，反而大量的堆积对环境造成了严重的污染，因此，努力挖掘木薯废渣的利用价值，既增加了利润，又减少了对环境的破坏，具有显著的社会效益。
但由于传统木薯淀粉生产工艺无法充分利用原料，木薯的利用率很低，仅仅20%左右，从而造成了大量废弃物的产生。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种用木薯废弃物制备糖和乙醇的方法。本发明把含有淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多种多糖的木薯废渣用生物法降解为葡萄糖等单糖，并且成本低、工艺简单、葡萄糖及乙醇得率高。
术语说明
木薯废弃物：木薯提取淀粉或乙醇发酵后的废渣，水分一般50%，为贮存方便，一般将废渣烘干、粉碎成木薯渣粉。木薯废渣中主要以淀粉、粗纤维为主，同时含有少量的果胶、蛋白质和脂肪等成份。
本发明的技术方案如下：
一种用木薯废弃物制备糖和乙醇的方法，包含以下步骤：
（1）取木薯废渣（以干重计），加水配成质量浓度6%‐30%溶液或直接用固形物含量为10wt%‐20wt%的湿渣，制得预处理甘薯废渣；
（2）按每公斤木薯废渣（以干重计）添加0.1升～1升的添加量向步骤（1）制得的预处理木薯废渣中添加微生物培养液，在温度35℃～65℃的条件下，酶解1～24小时，然后按每克木薯废渣（以干重计）添加10U～200U的α‐淀粉酶，在温度60℃～90℃的条件下，水解1～3小时，然后按每克甘薯废渣（以干重计）添加10U～200U的糖化酶，在温度50℃～70℃的条件下，水解1～12小时，制得葡萄糖醪液；
（3）向步骤（2）制得的葡萄糖醪液中接入耐高温酵母，添加量按每克干料添加0.001g～0.005g酵母，在30℃～40℃静置培养，进行乙醇发酵1～48小时，然后经纯化分离，制得乙醇；
所述步骤（2）中微生物培养液的制备方法如下：
将微生物菌株接种于种子培养基中，在28～32℃的条件下培养1～2天，然后按5～10%的体积比转接于产酶培养基中，在28～32℃、180～220rpm的条件下发酵培养4～6天，制得微生物培养液；
所述的微生物菌株选自：棘孢曲霉（Aspergillus aculeatus）、草酸青霉（Penicilliumoxalicum）、斜卧青霉（Penicillum decumbens）、埃默森篮状菌（Talaromyces emersonii）、蓝黄状真菌（Talaromyces flavus）、支顶孢属真菌（Acremonium cellulolyticus）、木霉（Trichoderma spp.）、勒克瑙金孢真菌（Chrysosporium lucknowense）。
根据本发明优选的，所述的棘孢曲霉（Aspergillus aculeatus）购自美国模式培养物集存库（ATCC），菌种保藏编号1015；
根据本发明优选的，所述的草酸青霉（Penicillium oxalicum）源自中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，菌种保藏编号CGMCC5302。
根据本发明优选的，所述的种子培养基组分如下，均为重量百分比：
葡萄糖1～3%，蛋白胨1～3%，麸皮1～4%，硝酸钠0.1～0.3%，硫酸铵0.1～0.3%，磷酸二氢钾0.1～0.3%，硫酸镁0.04～0.06%，尿素0.15～0.3%，磷酸氢二钠0.1～0.3%，碳酸钙0.1～0.5%，余量水。
根据本发明优选的，所述的产酶培养基组分如下，均为重量百分比：
玉米芯3～5%，蛋白胨1～3%，麸皮3～5%，微晶纤维素0.4～0.6%，硝酸钠0.1～0.3%，硫酸铵0.1～0.3%，磷酸二氢钾0.1～0.3%，硫酸镁0.04～0.06%，尿素0.15～0.3%，吐温800.2～0.4%，磷酸氢二钠0.1～0.3%，碳酸钙0.1～0.5%，余量水。
经检测，当微生物菌株为棘孢曲霉时，微生物培养液中每克粗蛋白比酶活为：木糖苷酶25，阿拉伯呋喃糖酶307，甘露聚糖酶310，甘露糖苷酶2.2；
当微生物菌株为草酸青霉时，微生物培养液中每克粗蛋白比酶活为：木糖苷酶12，阿拉伯呋喃糖酶26，甘露聚糖酶270，甘露糖苷酶1.3。
根据本发明优选的，所述步骤（3）中的耐高温酵母为安琪酵母股份有限公司生产的耐高温酵母。安琪耐高温酵母使用方便，操作简单。
所述步骤（3）中的纯化可采用本领域的常规技术手段，如蒸馏或膜分离技术。
有益效果
1、本发明利用微生物培养液和α‐淀粉酶以及糖化酶联合作用于含有淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多种多糖的木薯废弃物，木薯废弃物中的多糖可以被微生物培养液中的多糖降解酶系快速降解成可溶性糖，降低了木薯废弃物的粘度，可将木薯废弃物完全转化成可发酵糖，提高了原料的生物转化率。
2、本发明采用的微生物培养液为一种复合酶系，特别是具有甘露聚糖酶、甘露糖苷酶、木糖苷酶、阿拉伯呋喃糖酶等酶活性的复合酶系，其较现有技术的单一酶制剂，能够更加有效的降解甘薯废弃物，并且与市售商品酶制剂相比，不需要离心、浓缩、提纯等繁索的工序，不另外添加酸、碱、抑菌剂等，不需要高温、高压处理，具有工艺成本低的特点。
3、本发明所述方法使木薯废弃物变废为宝，极大提高了生物利用率，降低了污染，具有巨大的经济效益和社会效益。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
微生物来源
实施例1～3中的棘孢曲霉（Aspergillusaculeatus）购自美国模式培养物集存库（ATCC），菌种保藏编号1015；
实施例1～3中的草酸青霉（Penicilliumoxalicum）购自中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心（CGMCC），菌种保藏编号5302。
原料说明
木薯废渣来自广西，含水量为5.6%，固形物成份为：淀粉60%，粗蛋白3.5%粗脂肪1%，灰分10%，纤维素和半纤维素以及其他19.9%。
酶来源
α‐淀粉酶：来自诺维信中国有限公司；
糖化酶：来自山东隆大生物工程有限公司；
耐高温酵母：来自湖北宜昌安琪酵母有限公司。
实施例1
一种用木薯废弃物制备糖和乙醇的方法，包含以下步骤：
（1）取木薯废渣50g（以干重计），加水配成质量百分比为20%的溶液；
（2）按每公斤木薯废渣（以干重计）添加0.4升的添加量向步骤（1）制得的木薯废渣中添加微生物培养液，在温度45℃的条件下，酶解5小时，然后按每克木薯废渣（以干重计）添加100U的α‐淀粉酶，在温度90℃的条件下，水解1.5小时，然后按每克木薯废渣（以干重计）添加150U的糖化酶，在温度60℃的条件下，水解2.5小时，制得葡萄糖醪液；
（3）按每克干料添加0.002g酵母的添加量向步骤（2）制得的葡萄糖醪液中接入耐高温酵母，在30℃静置培养，进行乙醇发酵48小时，然后经纯化分离，制得乙醇；
所述步骤（2）中微生物培养液的制备方法如下：
取草酸青霉（Penicillium oxalicum）菌株，接种于种子培养基中，在32℃的条件下培养1天，然后按10%的体积比转接于产酶培养基中，在28℃、180rpm的条件下发酵培养5天，制得微生物培养液；
经检测，微生物培养液中每克粗蛋白比酶活为：木糖苷酶12，阿拉伯呋喃糖酶26，甘露聚糖酶270，甘露糖苷酶1.3。
上述的种子培养基组分如下，均为重量百分比：
葡萄糖1%，蛋白胨1%，麸皮1%，硝酸钠0.1%，硫酸铵0.1%，磷酸二氢钾0.1%，硫酸镁0.04%，尿素0.15%，磷酸氢二钠0.1%，碳酸钙0.5%，余量水。
上述的产酶培养基组分如下，均为重量百分比：
玉米芯3%，蛋白胨1%，麸皮3%，微晶纤维素0.4%，硝酸钠0.1%，硫酸铵0.1%，磷酸二氢钾0.1%，硫酸镁0.04%，尿素0.15%，吐温800.2%，磷酸氢二钠0.1%，碳酸钙0.5%，余量水。
试验例1
取草酸青霉（Penicillium oxalicum）做为微生物培养液生产菌株对木薯废渣进行处理，并分别标为实验组B、实验组C和实验组D，而未经微生物培养液处理的标记为实验组A，各组处理步骤如下：
实验组A：木薯废渣经淀粉酶及糖化酶处理后所得糖化醪液；
实验组B：木薯废渣先经草酸青霉的培养液处理，再经淀粉酶及糖化酶水解后所得糖化醪液；
实验组C：木薯废渣先经淀粉酶及糖化酶水解，再经草酸青霉的培养液处理后所得糖化醪液；
实验组D：木薯废渣先经草酸青霉的培养液处理，再经淀粉酶及糖化酶水解，经少量草酸青霉的培养液再处理后所得糖化醪液。
各步骤的处理、水解条件同实施例1。用HPLC检测葡萄糖浓度，实验结果如表1所示：
表1糖化醪液中葡萄糖浓度
糖化实验结果
由表1可以看出，实验组A木薯废渣直接用淀粉酶及糖化酶水解，不能将原料中淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多糖有效降解，醪液呈固体状态。而无论是在淀粉酶及糖化酶水解之前还是之后添加草酸青霉的培养液处理，原料中淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多糖被有效降解，醪液粘度大大降低，流动性得到改善，酶水解反应完全，因此实验组B‐D均获得了较高的葡萄糖浓度及产率。
试验例2
将葡萄糖醪液按如下方法进行处理，并标分别记为实验组F、实验组G、实验组H、实验组I：
实验组F：按每克干料添加0.002g酵母的添加量，向实验组A制得的萄糖醪液中接入耐高温酵母，在30℃静置培养，进行乙醇发酵48小时，制得乙醇醪液。
实验组G：按每克干料添加0.002g酵母的添加量，向实验组B制得的萄糖醪液中接入耐高温酵母，在30℃静置培养，进行乙醇发酵48小时，制得乙醇醪液。
实验组H：按每克干料添加0.002g酵母的添加量，向实验组C制得的萄糖醪液中接入耐高温酵母，在30℃静置培养，进行乙醇发酵48小时，制得乙醇醪液。
实验组I：按每克干料添加0.002g酵母的添加量，向实验组D制得的萄糖醪液中接入耐高温酵母，在30℃静置培养，进行乙醇发酵48小时，制得乙醇醪液。
用HPLC检测乙醇含量，实验结果如表2所示。
表2乙醇醪液中乙醇浓度
乙醇发酵实验结果
由表2可以看出，实验组F木薯废渣直接用淀粉酶及糖化酶水解，不能将原料中淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多糖有效降解，醪液呈固体状态，添加酵母后固体状态也没有变化，无法获得乙醇。而实验组G‐I中，无论是在淀粉酶及糖化酶水解之前还是之后添加草酸青霉的培养液处理，原料中淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多糖被有效降解，醪液粘度大大降低，流动性得到改善，酶水解反应完全，酵母发酵48小时后最高乙醇含量达到了6.8%（v/v）。
实施例2
原料说明
木薯废渣来自广西，含水量为6.2%，固形物成份为：淀粉62%，粗蛋白4.8%，粗脂肪1.5%，灰分11.2%，纤维素和半纤维素以及其他14.3%。
一种用木薯废弃物制备糖和乙醇的方法，包含以下步骤：
（1）取木薯废渣50g（以干重计），加水配成质量百分比为20%的溶液；
（2）按每公斤木薯废渣（以干重计）添加0.4升的添加量向步骤（1）制得的预处理木薯废渣中添加微生物培养液，在温度45℃的条件下，酶解5小时，然后按每克木薯废渣（以干重计）添加100U的α‐淀粉酶，在温度90℃的条件下，水解1小时，然后按每克木薯废渣（以干重计）添加150U的糖化酶，在温度60℃的条件下，水解2小时，制得葡萄糖醪液；
（3）按每克干料添加0.002g酵母的添加量向步骤（2）制得的葡萄糖醪液中接入耐高温酵母，在30℃静置培养，进行乙醇发酵48小时，然后经纯化分离，制得乙醇；
所述步骤（1）中微生物培养液的制备方法如下：
取棘孢曲霉（Aspergillus aculeatus）菌株，接种于种子培养基中，在28℃的条件下培养2天，然后按5%的体积比转接于产酶培养基中，在32℃、220rpm的条件下发酵培养5天，制得微生物培养液。
经检测，微生物培养液中每克粗蛋白比酶活为：木糖苷酶25，阿拉伯呋喃糖酶307，甘露聚糖酶310，甘露糖苷酶2.2；
上述的种子培养基组分如下，均为重量百分比：
葡萄糖1%，蛋白胨1%，麸皮1%，硝酸钠0.1%，硫酸铵0.1%，磷酸二氢钾0.1%，硫酸镁0.04%，尿素0.15%，磷酸氢二钠0.1%，碳酸钙0.5%，余量水。
上述的产酶培养基组分如下，均为重量百分比：
玉米芯3%，蛋白胨1%，麸皮3%，微晶纤维素0.4%，硝酸钠0.1%，硫酸铵0.1%，磷酸二氢钾0.1%，硫酸镁0.04%，尿素0.15%，吐温800.2%，磷酸氢二钠0.1%，碳酸钙0.5%，余量水。
试验例3
取棘孢曲霉（Aspergillus aculeatus）做为微生物培养液生产菌株对木薯废渣进行处理，并分别标为实验组L、实验组M和实验组N，而未经微生物培养液处理的标记为实验组K。各组处理步骤如下：
实验组K：甘薯废渣经淀粉酶及糖化酶处理后所得糖化醪液；
实验组L：甘薯废渣先经棘孢曲霉的培养液处理，再经淀粉酶及糖化酶水解后所得糖化醪液；
实验组M：甘薯废渣先经淀粉酶及糖化酶水解，再经棘孢曲霉的培养液处理后所得糖化醪液；
实验组N：甘薯废渣先经棘孢曲霉的培养液处理，再经淀粉酶及糖化酶水解，经少量棘孢曲霉的培养液再处理后所得糖化醪液。
各步骤的处理、水解条件同实施例2。用HPLC检测葡萄糖浓度，实验结果如表3所示：
表3糖化醪液中葡萄糖浓度
糖化实验结果
由表3可以看出，采用实验组K甘薯渣直接用淀粉酶及糖化酶水解，不能将原料中淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多糖有效降解，醪液呈固体状态，添加酵母后固体状态也没有变化，无法获得乙醇。而在工艺L‐N中，无论是在淀粉酶及糖化酶水解之前还是之后添加棘孢曲霉的培养液处理，原料中淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多糖被降解，醪液虽粘稠，但流动性得到改善，使得酶水解反应得以进行，因此实验组L‐N均获得了较高的葡萄糖浓度的溶液。
试验例4
将葡萄糖醪液按如下方法进行处理，并标分别记为实验组这P、实验组Q、实验组R、实验组S
实验组P：按每克干料添加0.002g酵母的添加量，向实验组K制得的萄糖醪液中接入耐高温酵母，在30℃静置培养，进行乙醇发酵48小时，制得乙醇醪液。
实验组Q：按每克干料添加0.002g酵母的添加量，向实验组L制得的萄糖醪液中接入耐高温酵母，在30℃静置培养，进行乙醇发酵48小时，制得乙醇醪液。
实验组R：按每克干料添加0.002g酵母的添加量，向实验组M制得的萄糖醪液中接入耐高温酵母，在30℃静置培养，进行乙醇发酵48小时，制得乙醇醪液。
实验组S：按每克干料添加0.002g酵母的添加量，向实验组N制得的萄糖醪液中接入耐高温酵母，在30℃静置培养，进行乙醇发酵48小时，制得乙醇醪液。
用HPLC检测乙醇含量，实验结果如表4所示。
表4乙醇半同步发酵醪液中乙醇浓度
乙醇发酵实验结果
由表4可以看出，采用实验组P甘薯渣直接用淀粉酶及糖化酶水解，不能将原料中淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多糖有效降解，醪液呈固体状态，添加酵母后固体状态也没有变化，无法获得乙醇。而在实验组Q-S中，无论是在淀粉酶及糖化酶水解之前还是之后添加棘孢曲霉的培养液处理，原料中淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多糖被降解，醪液虽粘稠，但流动性得到改善，使得酶水解反应得以进行，因此实验组Q-S酵母发酵48小时后获得较高的乙醇含量和产率。
Claims (6)
1.一种用木薯废弃物制备糖和乙醇的方法，其特征在于，包含以下步骤：
（1）取木薯废渣，以干重计，加水配成质量浓度6%‐30%溶液或直接用固形物含量为10wt%‐20wt%的湿渣；
（2）按每公斤木薯废渣，以干重计，添加0.1升～1升的添加量向步骤（1）制得木薯废渣中添加微生物培养液，在温度35℃～60℃的条件下，酶解1～24小时，然后按每克木薯废渣，以干重计，添加10U～200U的α‐淀粉酶，在温度60℃～90℃的条件下，水解1～3小时，然后按每克甘薯废渣，以干重计，添加10U～200U的糖化酶，在温度50℃～70℃的条件下，水解1～12小时，制得葡萄糖醪液；
（3）向步骤（2）制得的葡萄糖醪液中接入耐高温酵母，添加量按每克干料添加0.001g～0.005g酵母，在30℃～40℃静置培养，进行乙醇发酵1～48小时，然后经纯化分离，制得乙醇；
所述步骤（2）中微生物培养液的制备方法如下：
将微生物菌株接种于种子培养基中，在28～32℃的条件下培养1～2天，然后按5～10%的体积比转接于产酶培养基中，在28～32℃、180～220rpm的条件下发酵培养4～6天，制得微生物培养液，该微生物培养液特征为一种复合酶系，特别是具有甘露聚糖酶、甘露糖苷酶、木糖苷酶、阿拉伯呋喃糖酶等酶活性的复合酶系；
所述的微生物菌株选自：棘孢曲霉（Aspergillus aculeatus）、草酸青霉（Penicillium oxalicum）、埃默森篮状菌（Talaromyces emersonii）、蓝黄状真菌（Talaromyces flavus）、支顶孢属真菌（Acremonium cellulolyticus）、木霉（Trichoderma spp.）、勒克瑙金孢真菌（Chrysosporium lucknowense）。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的棘孢曲霉（Aspergillus aculeatus）购自美国模式培养物集存库，菌种保藏编号1015。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的草酸青霉（Penicillium oxalicum）源自中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，菌种保藏编号CGMCC5302。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的种子培养基组分如下，均为重量百分比：
葡萄糖1～3%，蛋白胨1～3%，麸皮1～4%，硝酸钠0.1～0.3%，硫酸铵0.1～0.3%，磷酸二氢钾0.1～0.3%，硫酸镁0.04～0.06%，尿素0.15～0.3%，磷酸氢二钠0.1～0.3%，碳酸钙0.1～0.5%，余量水。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的产酶培养基组分如下，均为重量百分比：
玉米芯3～5%，蛋白胨1～3%，麸皮3～5%，微晶纤维素0.4～0.6%，硝酸钠0.1～0.3%，硫酸铵0.1～0.3%，磷酸二氢钾0.1～0.3%，硫酸镁0.04～0.06%，尿素0.15～0.3%，吐温800.2～0.4%，磷酸氢二钠0.1～0.3%，碳酸钙0.1～0.5%，余量水。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（3）中的耐高温酵母为湖北宜昌安琪酵母股份有限公司生产的耐高温酵母。
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