CN101805777B - 薯蓣属原料的汽爆初级炼制多联产的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薯蓣属原料的汽爆初级炼制多联产的方法，整个生产过程无需使用强酸、强碱，也无废水产生，是一个节水、节能、环保及组分全利用的方法。将粗碎后的黄姜、穿山龙、黄山药等薯蓣属原料进行低压汽爆预处理后加入糖化酶、纤维素酶、营养盐以及发酵微生物进行固态发酵，发酵后的剩余物二次汽爆处理后直接提取薯蓣皂素。短时间的汽爆预处理替代了淀粉高能耗的糊化，固态发酵方式提高了产物浓度，降低了蒸馏的能耗，减少了后续废水的处理过程；在得到皂素的同时，原料中淀粉、纤维素组分固态发酵得到乙醇、乳酸、丁醇等，而提取皂素后的固体渣可作为生产肥料或活性炭的原料使用。

Description

薯蓣属原料的汽爆初级炼制多联产的方法
技术领域
本发明属于生物化工领域，特别涉及薯蓣属原料的汽爆初级炼制多联产的方法。
背景技术
从黄姜或穿山龙等薯蓣属植物中提取的皂甙元即皂素，是甾体激素类药物的前体，在合成甾体药物的原料中占70％，因此，黄姜等盾叶薯蓣在医药上享有“药用黄金”的美称。
目前，我国对黄姜的加工是粗放型的生产利用，主要提取含量仅占2％的皂素；而占98％的淀粉、纤维素、色素等物质被丢弃或随生产废水流失，这不仅造成了极大的资源浪费和经济损失，更重要的是造成了严重的水污染，制约地方经济的发展。黄姜产业发展迅速的湖北省，由于黄姜生产废水对南水北调的水质安全产生严重的影响，急需解决此产业发展与环境保护的矛盾已经到了刻不容缓的地步。
传统的从黄姜、穿山龙等薯蓣属植物中提取薯蓣皂素的生产工艺包括：水解切断糖苷键、粗提甙元、结晶等步骤，其中水解切断糖苷键是提取皂素的关键步骤。现阶段，水解切断糖苷键的工艺主要包括化学水解法(直接酸水解、预发酵后酸水解)和生物与化学结合水解法(酶解-酸水解或微生物发酵-酸水解)。薯蓣中除含有少量皂甙元之外，还含有达40％的淀粉和50％的纤维素，化学水解法是将原料中的淀粉与纤维素等完全水解，存在皂素收率偏低(鲜黄姜的0.7％左右)、废水量大(每吨皂素产生废水约500吨)、废水浓度高(综合废水COD30000-40000mg/L)、废水处理运行成本高(10-15元/m3)等问题。而生物-化学结合水解法是在尽量提高薯蓣皂苷元提取率的情况下实行原料的综合利用，条件比较温和，皂甙元得率有所提高，但仍能对环境保护构成威胁。
吴斌等(专利申请号200710000048.2)等提出采用物理方法即用淀粉生产设备将黄姜中的皂甙及其伴生的纤维素、淀粉进行机械分离。该生产工艺虽然能减少废水生产量，减轻末端治理负荷，有了清洁生产的端倪，但仅局限于对淀粉、纤维素的分离，或有的只局限于对淀粉的利用，未从整体上把握生产工艺。且该工艺存在皂素收率偏低和能耗偏高等问题。
刘国际等(专利申请号200610017787.8)公开了一种薯蓣皂素的无废水生产方法，该方法采用加压分解的方法对原料预处理进行了改进，高压分解后的物料干燥后按照常规的方法提取皂素，利用的还仅仅是原料的少量的皂素组分，其他的淀粉等组分利用未能考虑。
总之，过去黄姜加工技术的研究和应用或偏重于前续工艺的改进，或侧重于后续的污水处理。实际上，真正能够从根本上解决问题的创新技术是黄姜皂素清洁化生产和资源全利用的技术。
发明内容
本发明的目的是：为了克服薯蓣皂素生产过程中能耗高、污染严重、原料利用不完全等问题，提供一种对薯蓣属原料进行汽爆初级炼制多联产的方法。
本发明工艺流程为原料粗碎、汽爆预处理、固态发酵以及发酵剩余物二次汽爆处理后直接提取薯蓣皂素。
具体操作步骤为：
(1)将原料去除泥沙，粉碎成5-10cm的块状；
(2)将粗碎后的原料在蒸汽压力0.5-1.0MPa的条件下汽爆预处理2-5min；
(3)将步骤(2)汽爆处理后的物料进行糖化酶解和固态发酵；
(4)将步骤(3)固态发酵剩余物在蒸汽压力1.0-20MPa的条件下汽爆处理5-30min；
(5)将汽爆后的固体发酵渣在70-100℃进行干燥处理后直接加入有机溶剂进行皂素提取。
所述的薯蓣属原料为穿山龙、黄姜或黄山药的块状根。
其中步骤(3)中所述的糖化酶解为按照每克干汽爆物料加入10～200U的比例加入糖化酶，每克干汽爆物料加入5～60U的比例加入纤维素酶，在50～60℃水浴保温糖化酶解20～60min。
其中步骤(3)中所述的固态发酵为糖化酶解后固态发酵乙醇或丙酮丁醇或乳酸。
其中步骤(5)中所述的有机溶剂提取，有机溶剂的体积为干燥固体渣质量的6-20倍，温度保持在50-95℃，回流提取0.5-6h，趁热过滤，收集滤液，然后浓缩回收有机溶剂。
其中步骤(5)所述的有机溶剂油为石油醚、汽油、乙醇、甲醇。
提取皂素后的物料可作为生产饲料、肥料或活性炭的原料使用。
本发明相比现有技术，具有如下的特点和优点：
(1)本发明是一个对薯蓣属原料组分全利用的方法
提取皂素的同时，淀粉、纤维素成分作为固态发酵乙醇、乳酸、丁醇等的原料使用，而提取皂素后的固体渣可作为生产肥料或活性炭的原料使用，极大的利用了资源，节约了成本。
(2)汽爆预处理以及淀粉等成分的利用提高了皂素的得率
汽爆过程以及汽爆处理后淀粉原料的使用，导致原料细胞结构出现显著的结构变化，细胞壁遭到破坏出现孔洞，组成细胞壁的半纤维素和果胶质在汽爆处理后含量明显减少，有利于减小提取有效活性成分时细胞壁造成的阻力，而淀粉的利用、半纤维素和果胶质的降解也会使得提取液的粘稠性减小，有利于产物的分离纯化。
(3)本发明是一个节水、节能、清洁、环保的方法
汽爆后的物料采用固态发酵的方式生产乙醇、丁醇等，使发酵醪中水分含量大大降低，在提高发酵醪中乙醇、丁醇含量的同时，降低了蒸馏的能耗，并且减少了后续废水的处理过程，降低生产成本的同时为发酵渣的二次利用提供条件；
固态发酵渣经二次汽爆处理后，可直接提取皂素，摒弃了传统方法中需要加强酸水解的过程，避开了大量废水的产生。整个生产过程无需使用强酸、强碱，也无废水产生，是一个清洁环保的方法。
(4)对原料进行汽爆预处理，大大降低了薯蓣属资源综合利用的能耗
一方面原料中大量纤维素的存在，大大提高了传统机械粉碎处理的能耗，而汽爆预处理利用高温高压水蒸汽渗入物料组织的孔隙和细胞之中，然后瞬间高速释放出来，所产生的机械力可以产生一定程度上的机械撕裂作用，从而破坏物料。该法整合了化学水解和物理粉碎作用，能够在短时间(几分钟)内有效破坏木质纤维的致密结构，降低了原料粉碎的能耗；
另一方面，汽爆预处理可以使原料中的主要成分-淀粉糊化、省去了淀粉质原料的长时间蒸煮过程(30～120min)，降低了微生物发酵的能耗，缩短生产的周期，降低生产成本。
(5)本发明为富含淀粉药物资源提供一条有效成分综合利用的途径。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
取黄姜500g，切成5-10cm段；将初碎的原料投入汽爆罐中，在蒸汽压力0.8MPa下处理4min；在汽爆处理后的物料中，加入糖化酶(80U/g汽爆干料)、纤维素酶(10U/g汽爆干料)，在55℃水浴保温糖化30min后，冷却至35℃，加入0.1％(NH4)2SO4、0.1％KH2PO4以及0.15％活化后的酵母、之后在35℃条件下进行厌氧发酵60h，蒸馏收集乙醇；将固态发酵渣第二次投入汽爆罐，在1.8Mpa下处理15min，收集第二次汽爆的物料，在80℃干燥处理；按照干燥物料质量/石油醚体积为1/12的比例加入石油醚，在85℃，回流提取6h，趁热过滤，收集滤液、浓缩、结晶干燥，得到薯蓣皂素6.43g。
实施例2
取黄山药500g，切成5-10cm段；将初碎的原料投入汽爆罐中，在蒸汽压力1.0MPa下处理3min；在汽爆处理后的物料中，加入糖化酶(50U/g汽爆干料)、纤维素酶(20U/g汽爆干料)，在58℃水浴保温糖化30min后，冷却至35℃，加入0.1％(NH4)2SO4、0.1％KH2PO4以及0.15％活化后的酵母、之后在35℃条件下进行厌氧发酵60h，蒸馏收集乙醇；将固态发酵渣第二次投入汽爆罐，在2.5Mpa下处理10min，收集第二次汽爆的物料，在80℃干燥处理；按照干燥物料质量/甲醇体积为1/12的比例加入甲醇，在85℃，回流提取6h，趁热过滤，收集滤液、浓缩、结晶干燥，得到薯蓣皂素6.48g。
实施例3
取黄姜500g，切成5-10cm段；将初碎的原料投入汽爆罐中，在蒸汽压力0.6MPa下处理5min；在汽爆处理后的物料中，加入糖化酶(120U/g汽爆干料)、纤维素酶(5U/g汽爆干料)，在50℃水浴保温糖化20min后，冷却至37℃，加入在121℃灭菌20min的6g/L酵母粉，2.938g K2HPO4和1.768g KH2PO4的制成发酵培养基，接入25％(v/v)的丙酮丁醇梭菌(Clostridium.acetobutylicum，CGMCC1.132)种子液，37℃下厌氧培养6d；发酵结束后分离得到发酵液和固体发酵渣，气相色谱法测定发酵液中的溶剂总量为18.25g/L；丁醇含量为12.44g/L；丙酮含量为4.73g/L；将固态发酵渣第二次投入汽爆罐，在3.5Mpa下处理10min，收集第二次汽爆的物料，在70℃干燥处理；按照干燥物料质量(kg)/甲醇体积(L)为1/10的比例加入甲醇，在55℃，回流提取4h，趁热过滤，收集滤液、浓缩、结晶干燥，就可得到薯蓣皂素6.59g。
实施例4
取穿山龙500g，切成5-10cm段；将初碎的原料投入汽爆罐中，在蒸汽压力0.7MPa下处理4min；在汽爆处理后的物料中，加入糖化酶(150U/g汽爆干料)、纤维素酶(15U/g汽爆干料)，在55℃水浴保温糖化20min后，冷却至37℃，加入在121℃灭菌20min的6g/L酵母粉，2.938g K2HPO4和1.768g KH2PO4的制成发酵培养基，接入25％(v/v)的丙酮丁醇梭菌(Clostridium.acetobutylicum，CGMCC1.132)种子液，37℃下厌氧培养6d；发酵结束后分离得到发酵液和固体发酵渣，气相色谱法测定发酵液中的溶剂总量为18.43g/L；丁醇含量为12.95g/L；丙酮含量为4.33g/L；将固态发酵渣第二次投入汽爆罐，在2.5Mpa下处理10min，收集第二次汽爆的物料，在70℃干燥处理；按照干燥物料质量(kg)/乙醇体积(L)为1/10的比例加入乙醇，在60℃，回流提取4h，趁热过滤，收集滤液、浓缩、结晶干燥，得到薯蓣皂素6.28g。
实施例5
取黄姜500g，切成5-10cm段；将初碎的原料投入汽爆罐中，在蒸汽压力0.5MPa下处理5min；在汽爆处理后的物料中，加入糖化酶(200U/g汽爆干料)、纤维素酶(50U/g汽爆干料)，在55℃水浴保温糖化25min后，冷却至35℃，加入0.25％氮源(NH4)2SO4，0.03％KH2PO4，0.025％MgSO4·7H2O，0.05％ZnSO4·7H2O，接入10％的L-乳酸根霉菌(Rhizopus oryzaAS3.81)种子液，在32℃发酵60h，发酵结束后分离得到发酵液和固体发酵渣，乳酸对糖的转化率达到80％；将固态发酵渣第二次投入汽爆罐，在3.5Mpa下处理8min，收集第二次汽爆的物料，在90℃干燥处理；按照干燥物料质量/汽油体积为1/15的比例加入汽油，在80℃，回流提取3h，趁热过滤，收集滤液、浓缩、结晶干燥，得到薯蓣皂素6.21g。
实施例6
取黄山药500g，切成5-10cm段；将初碎的原料投入汽爆罐中，在蒸汽压力0.9MPa下处理2min；在汽爆处理后的物料中，加入糖化酶(100U/g汽爆干料)、纤维素酶(60U/g汽爆干料)，在58℃水浴保温糖化25min后，冷却至35℃，加入0.25％氮源(NH4)2SO4，0.03％KH2PO4，0.025％MgSO4·7H2O，0.05％ZnSO4·7H2O，接入10％的L-乳酸根霉菌(Rhizopus oryzaAS3.81)种子液，在32℃发酵60h，发酵结束后分离得到发酵液和固体发酵渣，乳酸对糖的转化率达到85％；将固态发酵渣第二次投入汽爆罐，在1.0Mpa下处理30min，收集第二次汽爆的物料，在90℃干燥处理；按照干燥物料质量/石油醚体积为1/15的比例加入石油醚，在85℃，回流提取4h，趁热过滤，收集滤液、浓缩、结晶干燥，得到薯蓣皂素6.55g。

Claims (8)

1.一种对薯蓣属原料进行汽爆初级炼制多联产的方法，包括原料粗碎、汽爆预处理、固态发酵以及发酵剩余物二次汽爆处理后直接提取薯蓣皂素，具体操作步骤为：
(1)将原料去除泥沙，粉碎成5-10cm的块状；
(2)将粗碎后的原料在蒸汽压力0.5-1.0MPa的条件下汽爆预处理2-5min；
(3)将步骤(2)汽爆处理后的物料进行糖化酶解和固态发酵；
(4)将步骤(3)固态发酵剩余物在蒸汽压力1.0-20MPa的条件下汽爆处理5-30min；
(5)将汽爆后的固体发酵渣在70-100℃进行干燥处理后直接加入有机溶剂进行皂素提取。
2.根据权利要求1所述的方法，其所述的薯蓣属原料为穿山龙、黄姜或黄山药的块状根。
3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)中所述的糖化酶解为按照每克干汽爆物料加入10～200U的比例加入糖化酶、每克干汽爆物料加入5～60U的比例加入纤维素酶，在50～60℃水浴保温糖化酶解20～60min。
4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)中所述的固态发酵为糖化酶解后固态发酵乙醇或乳酸。
5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)中所述的固态发酵为糖化酶解后固态发酵丙酮-丁醇。
6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(5)中所述的有机溶剂提取，有机溶剂的体积为干燥固体渣质量的6-20倍，温度保持在50-95℃，回流提取0.5-6h，趁热过滤，收集滤液，然后浓缩回收有机溶剂。
7.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(5)所述的有机溶剂为石油醚、汽油、乙醇、甲醇。
8.根据权利要求1的方法，提取皂素后的物料可作为生产饲料、肥料或活性炭的原料使用。
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