CN101397576A - 一种以提取谷朊粉后的小麦淀粉浆或小麦淀粉为主要原料发酵生产丙酮丁醇的方法 - Google Patents

一种以提取谷朊粉后的小麦淀粉浆或小麦淀粉为主要原料发酵生产丙酮丁醇的方法 Download PDF

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李智斌
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Abstract

本发明提供了一种利用小麦提取谷朊粉后的副产品小麦淀粉浆或小麦淀粉作为主要原料，发酵生产丙酮丁醇的方法。将小麦提取谷朊粉后的副产品小麦淀粉浆或小麦淀粉加入氮源或磷源得到原料，将原料蒸煮杀菌后得到蒸煮醪液；待蒸煮醪液冷却至42℃以下接菌种，发酵；将发酵液过滤，蒸馏，精馏得到最终的丙酮、丁醇、乙醇产品。本发明得到了有效的利用小麦淀粉浆或小麦淀粉发酵生产丙酮丁醇的方法。目前小麦谷朊粉出口量很大，而且丙酮丁醇价格相对乙醇价格要高，产品供不应求，因地制宜利用小麦提取谷朊粉后的副产品小麦淀粉浆或小麦淀粉作为丙酮丁醇发酵原料，既可实现废物利用，有利于环保，也为小麦深加工提高产品附加值，增加企业经济效益开辟一条新的途径。

Description

一种以提取谷朊粉后的小麦淀粉浆或小麦淀粉为主要原料发酵生产丙酮丁醇的方法
技术领域
本发明涉及一种发酵生产丙酮丁醇的方法，具体涉及一种利用提取谷朊粉后的小麦淀粉浆或小麦淀粉作为主要原料发酵生产丙酮丁醇的方法。
技术背景
目前丙酮丁醇的生产方法主要有发酵法和化工合成法。发酵法为较为成熟的方法，从20世纪初就开始有大规模应用。到了60年代，欧美发达国家发现丙酮、丁醇可以廉价地从石油合成，因此逐渐取代发酵法成为工业生产丙酮、丁醇的首选。但近年来，由于石油资源日渐枯竭、国际原油价格不断上涨、再加上日益严峻的生态环境问题，各国又重新开始重视发酵法生产丙酮、丁醇。
发酵法生产丙酮、丁醇主要使用淀粉类物质作为原料，包括玉米、薯类等，也可使用糖蜜作为原料。其中玉米是最为理想的原料，它不需添加任何辅助原料，只要配制成5—8％的醪液，就是丙酮丁醇梭菌理想的培养基。但同时玉米也是一种重要的粮食资源，如果单纯用玉米发酵，会使生产企业原料成本上升，也会造成粮食资源紧张等问题。因此，各国都在寻积极找可以代替玉米进行发酵的原料。
小麦谷朊粉(俗称活性面筋粉)是以优质小麦粉为原料经加工提取的一种天然植物蛋白质，它由多种(18种)氨基酸组成，是营养丰富的活性蛋白质。具有很强的吸水性、粘弹性、粘附热凝性和吸脂乳化性，并且有清淡醇味或略带谷物口味等独特的物理性，实用范围广泛，是高档食品和特种饲料重要的基础原料。提取完谷朊粉的小麦淀粉浆含有大量的淀粉和少量的蛋白质、脂肪和纤维素，是一种很好的丙酮丁醇发酵原料，但由于提取完谷朊粉后，蛋白质较少，丙酮丁醇梭菌发酵所需的氮、磷等元素很少，需要配置合适的培养基，丙酮丁醇梭菌才能发酵生产丙酮丁醇。
目前尚无报道用提取谷朊粉后的小麦淀粉浆或小麦淀粉发酵生产丙酮丁醇。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用小麦提取谷朊粉后的副产品小麦淀粉浆或小麦淀粉作为主要原料，发酵生产丙酮丁醇的方法。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
本发明方法依次包括如下步骤：
1)将小麦提取谷朊粉后的副产品小麦淀粉浆或小麦淀粉加入氮源或磷源后得到原料，将原料蒸煮灭菌得到蒸煮醪液；
2)待蒸煮醪液冷却至42℃以下接菌种，发酵；
3)将发酵液过滤，蒸馏，精馏得到最终的丙酮、丁醇、乙醇产品。
本发明的创新点在于：将提取谷朊粉后的副产品小麦淀粉浆或小麦淀粉与含氮或磷源的物质混合后作为原料。
本发明中所述原料加入的氮源或磷源包括但不限于玉米粉、玉米浆、麸皮、米糠、酵母膏、蛋白胨、鱼粉、豆饼粉、酵母粉、豆饼、硫酸铵、氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵等。
本发明中所述原料优选组分为：将提取谷朊粉后的副产品小麦淀粉浆或小麦淀粉与玉米粉或玉米浆或其它的含氮或磷源的物质混合后，按重量百分比计算玉米粉或玉米浆干基为小麦淀粉浆或小麦淀粉干基的0-100％，其它的含氮或磷源的物质为小麦淀粉浆或小麦淀粉干基的0-50％，总干基含量为3-12％。
所述其它的含氮或磷源的物质优选为麸皮、米糠、酵母膏、蛋白胨、鱼粉、豆饼粉、酵母粉、豆饼、硫酸铵、氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵等
本发明中，原料蒸煮灭菌的灭菌温度为99-130℃，灭菌时间为30—150分钟。
本发明中，原料蒸煮灭菌完毕后冷却到42℃以下，再接入菌种进行发酵，发酵的条件为厌氧条件，发酵温度为30—42℃，发酵时间35-96小时。
本发明中，所述菌种可以使用丙酮丁醇梭菌，包括但不限于CICC8008、CICC8011、CICC8012、CICC8016、CICC8017及美国典型微生物菌种保藏中心ATCC所保藏的丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum或Clostridium saccharobutylacetonicum或Clostridiumbeijerinkii)ATCC 824、ATCC 3625、ATCC 4259、ATCC 8529、ATCC 10132、ATCC 25752、ATCC 27021、ATCC 35702、ATCC 39057、ATCC 39058、ATCC 39236、ATCC 43084、ATCC51743、ATCC 55025、ATCC 824D-5、BAA-117。
本发明的效果在于：通过在提取谷朊粉后的副产品小麦淀粉浆或小麦淀粉中补充含磷、氮的化合物，并提供合适的发酵工艺条件，得到了有效的利用小麦淀粉浆或小麦淀粉发酵生产丙酮丁醇的方法。目前小麦谷朊粉出口量很大，而且丙酮丁醇价格相对乙醇价格要高，产品供不应求，因地制宜利用小麦提取谷朊粉后的副产品小麦淀粉浆或小麦淀粉作为丙酮丁醇发酵原料，既可实现农副产品高附加值利用，有利于环保，也为小麦深加工提高产品附加值，增加企业经济效益开辟一条新的途径。
具体实施方式
下面结合实例对本发明的实施方式进行阐述。
以下实施例中使用的小麦淀粉均为小麦提取谷朊粉后的副产品小麦淀粉。
对比例1：纯小麦淀粉发酵
取80g提取谷朊粉后的小麦淀粉，加水1000ml，按重量百分比(下同)配成干基含量为8％。100℃糊化1小时后，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml。在灭菌锅中121℃灭菌120分钟。
灭完菌后，将培养基取出并冷却至室温后，将ATCC 51743、CICC8011和CICC8012菌种接入培养基中，在厌氧培养箱中37℃发酵72小时。
发酵完毕后，取1ml发酵液置于离心管中，以11000转/分钟的速度离心7分钟，用气相色谱测定发酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。发酵结果如表1。发酵结果表明，丙酮丁醇梭菌在纯小麦淀粉培养基中生长不好，乙醇、丙酮、丁醇和总溶剂含量都很低，因此单纯的提取谷朊粉后的小麦淀粉不适合作为丙酮丁醇梭菌发酵用的培养基。
表1  纯小麦淀粉发酵结果
 
菌种 乙醇(g.l-1) 丙酮(g.l-1) 丁醇(g.l-1) 总溶剂(g.l-1)
ATCC 51743 0.152 1.854 3411 5.417
CICC8011 0.260 2.436 4.837 7.533
CICC8012 0.481 2.066 4348 6.895
对比例2：纯玉米粉发酵
称取80g玉米粉，加入1000ml水，使玉米粉干基含量为8％。蒸煮糊化1小时，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml。在灭菌锅中121℃灭菌120分钟。
灭完菌后，将培养基取出并冷却至室温后，将ATCC 51743、CICC8011和CICC8012菌种接入培养基中，在厌氧培养箱中37℃发酵72小时。
发酵完毕后，取1ml发酵液置于离心管中，以11000转/分钟的速度离心7分钟，用气相色谱测定发酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。发酵结果如表2。发酵结果表明，玉米粉十分适合丙酮丁醇梭菌的发酵。
表2  纯玉米粉发酵
Figure A200810199098D00081
实施例1
取24g提取谷朊粉后的小麦淀粉和玉米粉6g，混合后加水至1000ml，使玉米粉干基为小麦淀粉干基25％，总干基为3％。蒸煮糊化1小时，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml。在灭菌锅中121℃灭菌120分钟。
灭完菌后，将培养基取出并冷却至室温后，将ATCC 51743、CICC8011和CICC8012菌种接入培养基中，在厌氧培养箱中37℃发酵72小时。
发酵完毕后，取1ml发酵液置于离心管中，以11000转/分钟的速度离心7分钟，用气相色谱测定发酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。发酵结果如表3。
表3
Figure A200810199098D00091
实施例2
取64g提取谷朊粉后的小麦淀粉和玉米粉16g，混合后加水至1000ml，使玉米粉干基为小麦淀粉干基25％，总干基为8％。蒸煮糊化1小时，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml。在灭菌锅中121℃灭菌120分钟。
灭完菌后，将培养基取出并冷却至室温后，将ATCC 51743、CICC8011和CICC8012菌种接入培养基中，在厌氧培养箱中37℃发酵72小时。
发酵完毕后，取1ml发酵液置于离心管中，以11000转/分钟的速度离心7分钟，用气相色谱测定发酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。发酵结果如表4。发酵结果表明，加入小麦淀粉25％的玉米粉后，总溶剂的产量接近纯玉米发酵的结果，但还有差距。
表4
Figure A200810199098D00092
实施例3
取40g提取谷朊粉后的小麦淀粉和玉米粉40g，混合后加水至1000ml，使玉米粉干基为小麦淀粉干基100％，总干基为8％。蒸煮糊化1小时，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml。在灭菌锅中121℃灭菌120分钟。
灭完菌后，将培养基取出并冷却至室温后，将ATCC 51743、CICC8011和CICC8012菌种接入培养基中，在厌氧培养箱中37℃发酵72小时。
发酵完毕后，取1ml发酵液置于离心管中，以11000转/分钟的速度离心7分钟，用气相色谱测定发酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。发酵结果如表5。发酵结果表明，加入小麦淀粉100％的玉米粉后，总溶剂的产量与纯玉米发酵的结果相当。
表5
Figure A200810199098D00101
实施例4
取80g提取谷朊粉后的小麦淀粉和40g玉米粉，混合后加水至1000ml，使玉米粉干基为小麦淀粉干基50％，总干基为12％。蒸煮糊化1小时，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml。在灭菌锅中121℃灭菌120分钟。
灭完菌后，将培养基取出并冷却至室温后，将ATCC 51743、CICC801l和CICC8012菌种接入培养基中，在厌氧培养箱中37℃发酵72小时。
发酵完毕后，取1ml发酵液置于离心管中，以11000转/分钟的速度离心7分钟，用气相色谱测定发酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。发酵结果如表6。
表6
Figure A200810199098D00111
实施例5
取提取谷朊粉后的小麦淀粉64g、玉米粉16g、其他的含氮或磷源的有机废弃物8g，混合后加水至1000ml，使玉米粉干基为小麦淀粉干基的25％，含氮和含磷的有机废弃物干基为小麦淀粉干基的12.5％，总干基量为8.8％。蒸煮糊化1小时，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml。在灭菌锅中121℃灭菌120分钟。
灭完菌后，将培养基取出并冷却至室温后，将ATCC 51743、CICC801l和CICC8012菌种接入培养基中，在厌氧培养箱中37℃发酵72小时。
发酵完毕后，取1ml发酵液置于离心管中，以11000转/分钟的速度离心7分钟，用气相色谱测定发酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。发酵结果如表7。发酵结果表明，在小麦淀粉和玉米粉混合培养基中加入含氮或磷源的有机废弃物后，ATCC 51743、CICC8011和CICC8012号菌种的总溶剂有所增加，说明含氮或磷源的有机废弃物的加入有利于总溶剂的产生。
表7
Figure A200810199098D00121
实施例6
取提取谷朊粉后的小麦淀粉64g、玉米粉16g、其他的含氮或磷源的有机废弃物32g，混合后加水至1000ml，使玉米粉干基为小麦淀粉干基的25％，含氮和含磷的有机废弃物干基为小麦淀粉干基的50％，总干基量为11.2％。蒸煮糊化1小时，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml。在灭菌锅中121℃灭菌120分钟。
灭完菌后，将培养基取出并冷却至室温后，将ATCC 51743、CICC8011和CICC8012菌种接入培养基中，在厌氧培养箱中37℃发酵72小时。
发酵完毕后，取1ml发酵液置于离心管中，以11000转/分钟的速度离心7分钟，用气相色谱测定发酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。发酵结果如表8。发酵结果表明，在小麦淀粉和玉米粉混合培养基中加入含氮或磷源的有机废弃物后，ATCC 51743、CICC8011和CICC8012号菌种的总溶剂有所增加，说明含氮或磷源的有机废弃物的加入有利于总溶剂的产生。
表8
Figure A200810199098D00122
实施例7
取提取谷朊粉后的小麦淀粉50g和含氮或磷源的有机废弃物10g，混合后加水至1000ml，使含氮或磷源的有机废弃物干基为小麦淀粉干基的20％，总干基量为6％。蒸煮糊化1小时，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml。在灭菌锅中121℃灭菌120分钟。
灭完菌后，将培养基取出并冷却至室温后，将ATCC 51743、CICC8011和CICC8012菌种接入培养基中，在厌氧培养箱中37℃发酵72小时。
发酵完毕后，取1ml发酵液置于离心管中，以11000转/分钟的速度离心7分钟，用气相色谱测定发酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。发酵结果如表9。发酵结果表明，加入含氮和含磷的有机废弃物后，小麦淀粉转化率较高。
表9
Figure A200810199098D00132
实施例8
取提取谷朊粉后的小麦淀粉80g和含氮或磷源的有机废弃物8g，混合后加水至1000ml，使含氮或磷源的有机废弃物干基为小麦淀粉干基的10％，总干基量为8.8％。蒸煮糊化1小时，分装到250ml的三角瓶，每个三角瓶装150ml。在灭菌锅中121℃灭菌120分钟。
灭完菌后，将培养基取出并冷却至室温后，将ATCC 51743、CICC8011和CICC8012菌种接入培养基中，在厌氧培养箱中37℃发酵72小时。
发酵完毕后，取1ml发酵液置于离心管中，以11000转/分钟的速度离心7分钟，用气相色谱测定发酵液的乙醇、丙酮和丁醇的含量。发酵结果如表10。发酵结果表明，加入含氮和含磷的有机废弃物后，能达到较高的总溶剂产量，生产成本较低，具有较好的经济效益。
表10
Figure A200810199098D00141

Claims (7)

1.一种以提取谷朊粉后的小麦淀粉浆或小麦淀粉为主要原料发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将小麦提取谷朊粉后的副产品小麦淀粉浆或小麦淀粉加入氮源或磷源得到原料，将原料蒸煮杀菌得到蒸煮醪液；
2)待蒸煮醪液冷却至42℃以下接菌种，发酵；
3)将发酵液过滤，蒸馏，精馏得到最终的丙酮、丁醇、乙醇产品。
2.如权利要求1所述的以提取谷朊粉后的小麦淀粉浆或小麦淀粉为主要原料发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于，所述氮源或磷源选自以下原料之一或者其混合：玉米浆、玉米粉、麸皮、米糠、豆饼、酵母膏、蛋白胨、鱼粉、豆饼粉、酵母粉、豆饼、硫酸铵、氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵。
3.如权利要求1或2所述的以提取谷朊粉后的小麦淀粉浆或小麦淀粉为主要原料发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于，所述原料组分为：将提取谷朊粉后的副产品小麦淀粉浆或小麦淀粉与玉米粉或玉米浆或其它的含氮或磷源的物质混合后，按重量百分比计算玉米粉或玉米浆干基为小麦淀粉浆或小麦淀粉干基的0-100％，其它的含氮或磷源的物质为小麦淀粉浆或小麦淀粉干基的0-50％，总干基含量为3-12％。
4、如权利要求3所述的以提取谷朊粉后的小麦淀粉浆或小麦淀粉为主要原料发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于，其它的含氮或磷源的物质为麸皮、米糠、豆饼、酵母膏、蛋白胨、鱼粉、豆饼粉、酵母粉、硫酸铵、氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵。或者其混合物。
5.如权利要求1或2所述的以提取谷朊粉后的小麦淀粉浆或小麦淀粉为主要原料发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于，所述原料蒸煮灭菌过程中，灭菌温度为99-130℃，灭菌时间为30—150分钟。
6.如权利要求1或2所述的以提取谷朊粉后的小麦淀粉浆或小麦淀粉为主要原料发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于，步骤3)发酵的条件为厌氧条件，发酵温度为30—42℃，发酵时间35-96小时。
7.如权利要求1或2所述的以提取谷朊粉后的小麦淀粉浆或小麦淀粉为主要原料发酵生产丙酮丁醇的方法，其特征在于，所述菌种为丙酮丁醇梭菌。
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