CN102181492A - 一种由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸的方法，该方法是用固体氢氧化钠对糠醛渣水溶液进行中和、过滤得到糠醛渣滤液和糠醛滤渣；用无水乙醇提取分离皂荚果中的皂素，得到皂荚渣；在上述糠醛渣滤液中加入嗜热型乳酸菌进行适应性培养得到乳酸菌株；然后将上述糠醛滤渣和皂荚渣进行超声搅拌混合后加入经过适应性培养得到的乳酸菌株进行同步糖化发酵来制得乳酸。采用上述方法制备乳酸的收率高于现有纤维素发酵法制备乳酸的收率，上述制备乳酸的方法由于采用糠醛渣和皂荚渣为原料，皂荚渣中剩余皂素是很好的表面活性剂，因此大大降低了原料成本，减少了纤维素酶用量，并且适合大规模生产。

Description

一种由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸的方法

技术领域

本发明涉及生物质化学化工领域，具体涉及皂荚渣与糠醛渣制备乳酸的方法。

背景技术

乳酸又名α-羟基丙酸，分子式CH₃CHOHCOOH，相对分子质量90.08，是一种天然存在的有机酸，广泛存在于人体、动物、植物和微生物中。

乳酸通常是乳酸(C₃H₆O₃)和乳酰乳酸(C₆H₁₀O₅)的混合物，为无色透明或浅黄色糖浆状的粘性液，几乎无臭或微带有脂肪酸臭，味酸。

乳酸可分为工业级、食品级和药典级，其中：工业级的乳酸含量为50-90％；食品级的乳酸含量为80％以上；药典级的乳酸含量为85-90％。

乳酸在食品行业的应用，乳酸有很强的防腐保鲜功效，乳酸独特的酸味可增加食物的美味，可作为精心调配的软饮料和果汁的首选酸味剂，加入适量乳酸有利于提高啤酒质量，乳酸粉可用于各类糖果的上粉，作为粉状的酸味剂。乳酸在医药行业的应用，在病房、手术室、实验室等场所中采用乳酸蒸气消毒，在医药方面广泛用作防腐剂、载体剂、助溶剂、药物制剂等，聚乳酸可以抽成丝纺成线作为生物相容性手术缝线，乳酸可以直接配制成药物或制成乳酸盐使用。乳酸在化妆品工业的应用，L-乳酸被广泛用作许多护肤品的滋润剂，各种护发产品的pH调节剂，各种浴洗用品的保湿剂等。此外，乳酸在生物降解材料、卷烟行业、纺织行业、涂料墨水工业、制革工业、微电子工业和农业中都有应用。

乳酸的工业化生产主要有化学合成法、酶法和微生物发酵法，我国多采用发酵法为主。化学合成法由于所用的原料是乙醛和剧毒物质氢氰酸，使得合成法生产乳酸大大受到限制，此外其生产成本也较高；酶法生产乳酸虽然可以得到专一性旋光乳酸，但工艺比较复杂，该方法生产的乳酸能否应用到工业上还有待于进一步研究；微生物发酵法生产乳酸，可通过菌种选育和培养条件的选择而得到具有专一性的L-乳酸、D-乳酸或DL-乳酸，完全可以满足聚乳酸的生产需求。

传统微生物发酵法所用的主要原料是淀粉类，成本较高，而且大规模工业化生产会消耗大量粮食，加剧粮食与饲料资源的紧张状况。如果能采用价廉易得的木质纤维原料来生产，不仅能拓展其原料的来源、降低原料成本，而且对解决粮食危机和减少环境污染有积极意义，其经济效益和社会效益亦十分明显。

以纤维为原料生物转化制备乳酸有很好的应用前景，但其工业化面临的主要问题包括：(1)纤维素原料高效、低成本预处理技术；(2)纤维素酶消耗量大，酶使用成本高；(3)由于纤维质原料比容大，水解液糖浓度低，发酵液中产品乳酸浓度低；(4)纤维素原料的收集运输半径大，收购采集成本高。

目前，部分以农作物秸秆为原料进行了乳酸产品的中试生产，关于用玉米秸秆制备乳酸的报道有中国酿造第2008年第18期刊登的“玉米秸秆同步糖化发酵生产乳酸的研究”，玉米秸秆底物浓度30g/100ml，产物中乳酸浓度为23.2g/l，乳酸产率为19.3％，乳酸产率低；黑龙江大学自然科学学报2008年4期刊登的“玉米秸秆乳酸发酵残渣制取饲料的研究”中产物乳酸浓度13.7g/l，乳酸产率仅为17％，乳酸产率更低。由于秸秆具有木质素、纤维素、半纤维素相互包裹的复杂结构并且纤维素本身存在稳定的结晶结构，在同步糖化发酵生产乳酸时利用纤维素酶难于降解纤维素，纤维素酶作用效率低，乳酸产率低，需要进行复杂的原料预处理。

皂荚树根系发达，耐旱节水，结实好，是营造农田防护林、水土保持林和城乡景观林的理想生态树种。陕西、河南、河北、四川有野生皂荚林，目前这些地区又发展了人工皂荚林，种植面积超过500，000亩。皂荚全果中种子含量15-30％，种子中富含优质多糖胶，其制备工艺已申报发明专利(CN03132340.5)；荚果含量为70-85％，荚果中皂素含量20-35％，皂荚皂素可以采用无水乙醇法进行高效分离(CN0510011673.8)。分离提取皂素产生大量皂荚废渣，占皂荚果实的50％以上。此外，相关皂荚的30多项专利涉及直接利用皂荚原料或其水提取液复配中药、农药及洗涤用品(CN1424102A、CN1301533A、CN1060313C等)，而关于提取皂素后的皂荚渣的利用未见有报道。

在糠醛生产的纤维原料蒸煮水解过程中，伴有大量糠醛废渣产生，每吨糠醛产品排出10吨以上残渣(即糠醛渣)，我国每年排放糠醛渣约3000万吨。糠醛的生产大多采用弱酸水解法，在分离了大部分半纤维素的同时，原料原有的纤维素与半纤维素、木质素之间的复杂网状结构遭到一定程度的破坏，可省去复杂的植物纤维原料预处理过程，为利用糠醛渣纤维素生物转化提供了有利条件。

由于工业上提取皂素后产生的皂荚废渣和生产糠醛剩余废渣资源量大、价格低廉，二者含有丰富的纤维素，其纤维素聚合度较低且结构松散，且皂荚废渣中还含有5-8％皂荚皂素，废渣纤维素转化乳酸可省去复杂的植物纤维原料预处理过程，而且废渣的特殊结构决定其易于被酶水解、水解成本低。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸的方法。

本发明提供的由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸的方法为同步糖化发酵的方法。

所述制备乳酸的方法包括下述步骤：

1)用固体氢氧化钠对糠醛渣水溶液进行中和、过滤，得到糠醛渣滤液和糠醛滤渣；

2)用无水乙醇提取分离皂荚果中的皂素，得到皂荚渣；

3)将嗜热型乳酸菌加入到步骤1)得到的糠醛渣滤液中，适应性培养，得到乳酸菌株；

4)将步骤1)得到的糠醛滤渣和步骤2)得到的皂荚渣超声搅拌混合，得到糠醛滤渣和皂荚渣混合物料；

5)将步骤3)得到的乳酸菌株加入到步骤4)得到的经过超声搅拌混合的糠醛滤渣和皂荚渣混合物料中，同步糖化发酵。

所述步骤1)中用氢氧化钠进行中和的糠醛渣水溶液的pH控制在5-6；所述糠醛渣水溶液中糠醛渣与水的质量比为1∶10。

所述步骤2)中无水乙醇与皂荚果质量比为12∶1，在50℃下分三次萃取分离皂素，过滤得到皂荚渣。

所述步骤3)中的适应性培养的培养温度为32℃，培养时间为24h，所述糠醛渣滤液和加入的嗜热型乳酸菌体积重量比为15∶1(L/kg)。

所述步骤3)中的糠醛渣滤液中还含有0.5g/L的KH₂PO₄、0.5g/L的MgSO₄.7H₂O、0.5g/L的NaCl，以及20g/L的CaCO₃。

所述步骤4)中的超声搅拌混合为1升发酵体系中皂荚渣和糠醛滤渣总加入量为50-100g，其中糠醛滤渣与皂荚渣质量比为(10-30)∶1。

所述步骤4)中超声搅拌混合为1升发酵体系中皂荚渣和糠醛滤渣总加入量为50g，其中糠醛滤渣与皂荚渣质量比为28∶1。

所述步骤4)的1升发酵体系中还加入4-12FPU/g纤维素进行超声搅拌混合。

所述步骤4)的1升发酵体系中还加入12FPU/g纤维素进行超声搅拌混合。

所述步骤4)中超声波频率为28kHz，超声波功率为100W，超声作用时间为5min。

所述步骤5)中同步糖化发酵时间为48-96h，优选为96h，反应温度为45℃，pH值为4.8，加入到糠醛滤渣和皂荚渣混合物料1升发酵体系中的乳酸菌株的量为2-4g。

本发明使用的糠醛渣来源于糠醛生产过程中所产生的糠醛渣。在糠醛生产的纤维原料蒸煮水解过程中，伴有大量糠醛废渣产生，每吨糠醛产品排出10吨以上糠醛渣，我国每年排放糠醛渣约3000万吨。糠醛的生产大多采用弱酸水解法，在分离了大部分半纤维素的同时，原料原有的纤维素与半纤维素、木质素之间的复杂网状结构遭到一定程度的破坏，可省去复杂的植物纤维原料预处理过程，为利用糠醛渣纤维素生物转化提供了有利条件。

本发明提供的由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸的方法具有以下优点：

(1)提取分离皂素过的皂荚渣中含有丰富的纤维素，并含有5-8％三萜类皂素；由于木质素和半纤维素含量低，纤维素易于发生生物转化反应，皂素是促进生物质原料酶解发酵反应的优质天然表面活性剂。

(2)工业糠醛废渣资源量大、价格低廉，糠醛渣含有丰富的纤维素，其纤维素聚合度较低且结构松散，是制备纤维素生物转化的优选原料之一。

(3)两种原料同步糖化共发酵，既充分转化了原料纤维素组分，同时也最大程度地利用了皂荚渣的剩余皂素。

(4)皂荚渣中的剩余皂素在同步糖化共发酵中既可减少纤维素酶的使用量，又可缩短转化时间。

(5)同步糖化共发酵前，采用超声波搅拌混合，有利于原料、皂素和酶的充分混合，提高纤维素酶的吸附和解吸速率，从而提高反应效率。

(6)采用嗜热型乳酸菌，使乳酸同步糖化发酵反应温度(45℃)比乙醇同步糖化发酵反应温度(35℃)升高10℃左右，从而提高了反应效率和反应装化率。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进一步详细说明。但这些实施例是用来例示本发明，这些并不能限定本发明的范围。

实施例1由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸

本实施例的乳酸按照如下方法制备：

步骤1)用固体NaOH对100L糠醛渣水溶液(糠醛渣与水的质量比为1∶10)进行中和，直至糠醛渣水溶液的pH值为5，然后将中和了的糠醛渣水溶液离心过滤，得到糠醛渣滤液和糠醛滤渣。

步骤2)无水乙醇与皂荚果质量比12∶1，于50℃分三次萃取分离皂素，过滤得到皂荚渣。

步骤3)取步骤1)中得到的15L糠醛渣滤液，在该滤液中加入7.5kg的KH₂PO₄、7.5kg的MgSO₄.7H₂O、1.5kg的NaCl、0.3kg的CaCO₃、1kg嗜热型乳酸菌，于32℃的培养温度下，在发酵罐中培养24h，得到乳酸菌株。

步骤4)取步骤2中得到的1.7g皂荚渣和步骤1中得到的48.3g糠醛滤渣进行混合，加700mL水后，于121℃下灭菌20min，冷却至室温，加入12FPU/g纤维素，再加入灭菌水至总体积1L，进行超声搅拌混合。超声波功率为100W，超声波频率为28kHz，超声搅拌时间为5min。

步骤5)在步骤4中得到的经过超声搅拌混合后的物料中加入2.0g步骤3中得到的乳酸菌株，在45℃进行同步糖化发酵96h，用10％NaOH水溶液控制反应pH值4.8，制得乳酸，发酵体系中乳酸浓度达到最大值的反应时间为36h。乳酸产率为95.7％。

实施例2由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸

本实施例的乳酸按照如下方法制备：

步骤1)用固体NaOH对100L糠醛渣水溶液(糠醛渣与水的质量比为1∶10)进行中和，直至糠醛渣水溶液的pH值为5，然后对中和了的糠醛渣水溶液离心过滤，得到糠醛渣滤液和糠醛滤渣。

步骤2)无水乙醇与皂荚果质量比12∶1，于50℃分三次萃取分离皂素，过滤得到皂荚渣。

步骤3)取步骤1)中得到的15L糠醛渣滤液，在该滤液中加入7.5kg的KH₂PO₄、7.5kg的MgSO₄.7H₂O、1.5kg的NaCl、0.3kg的CaCO₃、1kg嗜热型乳酸菌，于32℃的培养温度下，在发酵罐中培养24h，得到乳酸菌株。

步骤4)取步骤2中得到的3.5g皂荚渣和步骤1中得到的96.5g糠醛滤渣进行混合，加700mL水后，于121℃下灭菌20min，冷却至室温，加入12FPU/g纤维素，再加入灭菌水至总体积1L，进行超声搅拌混合。超声波功率为100W，超声波频率为28kHz，超声搅拌时间为5min。

步骤5)在步骤4中得到的经过超声搅拌混合后的物料中加入4.0g步骤3中得到的乳酸菌株，同步糖化发酵96h，在45℃下进行同步糖化发酵96h，用10％NaOH水溶液控制反应pH值4.8，制得乳酸，发酵体系中乳酸浓度达到最大值的反应时间为48h。乳酸产率为92.5％。

实施例3由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸

本实施例的乳酸按照如下方法制备：

步骤1)用固体NaOH对100L糠醛渣水溶液(糠醛渣与水的质量比为1∶10)进行中和，直至糠醛渣水溶液的pH值为5.5，然后对中和了的糠醛渣水溶液离心过滤，得到糠醛渣滤液和糠醛滤渣。

步骤2)无水乙醇与皂荚果质量比12∶1，50℃分三次萃取分离皂素，过滤得到皂荚渣。

步骤3)取步骤1)中得到的15L糠醛渣滤液，在该滤液中加入7.5kg的KH₂PO₄、7.5kg的MgSO₄.7H₂O、1.5kg的NaCl、0.3kg的CaCO₃、1kg嗜热型乳酸菌，于32℃的培养温度下，在发酵罐中培养24h，得到乳酸菌株。

步骤4)取步骤2中得到的5.0g皂荚渣和步骤1中得到的75.0g糠醛滤渣进行混合，(皂荚渣和糠醛滤渣总量80g)加700mL水后，于121℃下灭菌20min，冷却至室温，加入8FPU/g纤维素，再加入灭菌水至总体积1L，进行超声搅拌混合。超声波功率为100W，超声波频率为28kHz，超声搅拌时间为5min。

步骤5)在步骤4中得到的经过超声搅拌混合后的物料中加入3.0g步骤3中得到的乳酸菌株，在45℃下进行同步糖化发酵96h，用10％NaOH水溶液控制反应pH值4.8，制得乳酸，发酵体系中乳酸浓度达到最大值的反应时间为60h。乳酸产率为72.5％。

实施例4由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸

本实施例的乳酸按照如下方法制备：

步骤1)用固体NaOH对100L糠醛渣水溶液(糠醛渣与水的质量比为1∶10)进行中和，直至糠醛渣水溶液的pH值为5，然后对中和了的糠醛渣水溶液离心过滤，得到糠醛渣滤液和糠醛滤渣。

步骤2)无水乙醇与皂荚果质量比12∶1，50℃分三次萃取分离皂素，过滤得到皂荚渣。

步骤3)取步骤1)中得到的15L糠醛渣滤液，在该滤液中加入7.5kg的KH₂PO₄、7.5kg的MgSO₄.7H₂O、1.5kg的NaCl、0.3kg的CaCO₃、1kg嗜热型乳酸菌，于32℃的培养温度下，在发酵罐中培养24h，得到乳酸菌株。

步骤4)将步骤2中得到的5.0g皂荚渣和步骤1中得到的55.0g糠醛滤渣进行混合，(皂荚渣和糠醛滤渣总量60g)加700mL水后，于121℃下灭菌20min，冷却至室温，加入4FPU/g纤维素，再加入灭菌水至总体积1L，进行超声搅拌混合。超声波功率为100W，超声波频率为28kHz，超声搅拌时间为5min。

步骤5)在步骤4中得到的经过超声搅拌混合后的物料中加入3.0g步骤3中得到的乳酸菌株，同步糖化发酵96h，反应温度为45℃进行同步糖化发酵96h，反应温度为45℃，用10％NaOH水溶液控制反应pH值4.8，制得乳酸，发酵体系中乳酸浓度达到最大值的反应时间为72h。乳酸产率为51.0％。

实施例5由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸

本实施例的乳酸按照如下方法制备：

步骤1)用固体NaOH对100L糠醛渣水溶液(糠醛渣与水的质量比为1∶10)进行中和，直至糠醛渣水溶液的pH值为6，然后对中和了的糠醛渣水溶液离心过滤，得到糠醛渣滤液和糠醛滤渣。

步骤2)无水乙醇与皂荚果质量比12∶1，50℃分三次萃取分离皂素，过滤得到皂荚渣。

步骤3)取步骤1)中得到的15L糠醛渣滤液，在该滤液中加入7.5kg的KH₂PO₄、7.5kg的MgSO₄.7H₂O、1.5kg的NaCl、0.3kg的CaCO₃、1kg嗜热型乳酸菌，于32℃的培养温度下，在发酵罐中培养24h，得到乳酸菌株。

步骤4)取步骤2中得到的5.0g皂荚渣和步骤1中得到的75.0g糠醛滤渣进行混合(皂荚渣和糠醛滤渣总量80g)，加700mL水后，于121℃下灭菌20min，冷却至室温，加入8FPU/g纤维素，再加入灭菌水至总体积1L，进行超声搅拌混合。超声波功率为100W，超声波频率为28kHz，超声搅拌时间为5min。

步骤5)在步骤4中得到的经过超声搅拌混合后的物料中加入3.0g步骤3中得到的乳酸菌株，在45℃下进行同步糖化发酵48h，用10％NaOH水溶液控制反应pH值4.8，制得乳酸。乳酸产率为61.0％。

实施例6由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸

本实施例的乳酸按照如下方法制备：

步骤1)用固体NaOH对100L糠醛渣水溶液(糠醛渣与水的质量比为1∶10)进行中和，直至糠醛渣水溶液的pH值为5，然后对中和了的糠醛渣水溶液离心过滤，得到糠醛渣滤液和糠醛滤渣。

步骤2)无水乙醇与皂荚果质量比12∶1，50℃分三次萃取分离皂素，过滤得到皂荚渣。

步骤3)取步骤1)中得到的15L糠醛渣滤液，在该滤液中加入7.5kg的KH₂PO₄、7.5kg的MgSO₄.7H₂O、1.5kg的NaCl、0.3kg的CaCO₃、1kg嗜热型乳酸菌，于32℃的培养温度下，在发酵罐中培养24h，得到乳酸菌株。

步骤4)取步骤2中得到的5.0g皂荚渣和步骤1中得到的70.0g糠醛滤渣进行混合(皂荚渣和糠醛滤渣总量75g)，加700mL水后，于121℃下灭菌20min，冷却至室温，加入8FPU/g纤维素，再加入灭菌水至总体积1L，进行超声搅拌混合。超声波功率为100W，超声波频率为28kHz，超声搅拌时间为5min。

步骤5)在步骤4中得到的经过超声搅拌混合后的物料中加入3.0g步骤3中得到的乳酸菌株，在45℃下进行同步糖化发酵72h，用10％NaOH水溶液控制反应pH值4.8，制得乳酸，发酵体系中乳酸浓度达到最大值的反应时间为60h。乳酸产率为70.6％。

对比例用玉米秸秆粉制备乳酸

本对比例的乳酸按照如下方法制备：

步骤1)将玉米秸秆粉碎过20目筛，得到玉米秸秆粉，取50g玉米秸秆粉，加700mL水后，于121℃下灭菌20min，冷却至室温，加入12FPU/g纤维素，再加入灭菌水至总体积1L，进行超声搅拌混合。超声波功率为100W，超声波频率为28-kHz，超声搅拌时间为5min。

步骤2)在步骤1中得到的经过超声搅拌混合后的物料中加入2.0g的嗜热型乳酸菌，在45℃进行同步糖化发酵96h，用10％NaOH水溶液控制反应pH值4.8，制得乳酸，发酵体系中乳酸浓度达到最大值的反应时间为72h。乳酸产率为23.6％。

由上述实施例及对比例可知，通过本发明提供的由糠醛渣和皂荚制备乳酸的方法制备乳酸的乳酸产率远远高于现有技术中用玉米秸秆制备乳酸的产率。

Claims (10)

1.一种由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸的方法，其特征在于，该方法为同步糖化发酵法，该方法包括下述步骤：

1)用固体氢氧化钠对糠醛渣水溶液进行中和、过滤，得到糠醛渣滤液和糠醛滤渣；

2)用无水乙醇提取分离皂荚果中的皂素，得到皂荚渣；

3)将嗜热型乳酸菌加入到步骤1)得到的糠醛渣滤液中，适应性培养，得到乳酸菌株；

4)将步骤1)得到的糠醛滤渣和步骤2)得到的皂荚渣超声搅拌混合，得到糠醛滤渣和皂荚渣混合物料；

5)将步骤3)得到的乳酸菌株加入到步骤4)得到的经过超声搅拌混合的糠醛滤渣和皂荚渣混合物料中，同步糖化发酵。

2.根据权利要求1所述的由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸的方法，其特征在于，所述步骤1)中用氢氧化钠进行中和的糠醛渣水溶液的pH控制在5-6；所述糠醛渣水溶液中糠醛渣与水的质量比为1∶10。

3.根据权利要求1所述的由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸的方法，其特征在于，所述步骤2)中无水乙醇与皂荚果质量比为12∶1，在50℃下分三次萃取分离皂素，过滤得到皂荚渣。

4.根据权利要求1所述的由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸的方法，其特征在于，所述步骤3)中的适应性培养的培养温度为32℃，培养时间为24h，所述糠醛渣滤液和加入的嗜热型乳酸菌体积重量比为15∶1(L/kg)。

5.根据权利要求1所述的由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸的方法，其特征在于，所述步骤4)中的超声搅拌混合为1升发酵体系中皂荚渣和糠醛滤渣总加入量为50-100g，其中糠醛滤渣与皂荚渣质量比为(10-30)∶1。

6.根据权利要求5所述的由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸的方法，其特征在于，所述步骤4)中超声搅拌混合为1升发酵体系中皂荚渣和糠醛滤渣总加入量为50g，其中糠醛滤渣与皂荚渣质量比为28∶1。

7.根据权利要求6所述的由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸的方法，其特征在于，所述步骤4)的1升发酵体系中还加入4-12FPU/g纤维素进行超声搅拌混合。

8.根据权利要求7所述的由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸的方法，其特征在于，所述步骤4)的1升发酵体系中还加入12FPU/g纤维素进行超声搅拌混合。

9.根据权利要求1所述的由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸的方法，其特征在于，所述步骤4)中超声波频率为28kHz，超声波功率为100W，超声作用时间为5min。

10.根据权利要求1所述的由糠醛渣和皂荚渣制备乳酸的方法，其特征在于，所述步骤5)中同步糖化发酵时间为48-96h，优选为96h，反应温度为45℃，pH值为4.8，加入到糠醛滤渣和皂荚渣混合物料1升发酵体系中的乳酸菌株的量为2-4g。

Images