CN102851331B

CN102851331B - 一种由无患子种壳制备乳酸的方法

Info

Publication number: CN102851331B
Application number: CN201110380874.0A
Authority: CN
Inventors: 蒋建新; 卜令习; 陈清英; 冯月; 唐勇; 朱莉伟
Original assignee: Fujian Sanqing Ecology Agriculture & Forestry Development Co Ltd; Beijing Forestry University
Current assignee: Fujian Sanqing Ecology Agriculture & Forestry Development Co Ltd; Beijing Forestry University
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2031-11-25
Also published as: CN102851331A

Abstract

本发明涉及一种由无患子种壳制备乳酸的方法，包括：将无患子种壳在碱醇溶液中处理后过滤，洗涤无患子种壳残渣，然后进行同步糖化发酵转化成乳酸。本发明选用资源丰富、容重大的无患子种壳，包括碱醇预处理分离出木素和半纤维素的步骤，以充分利用无患子种壳资源和提高制备乳酸的生产效率。

Description

一种由无患子种壳制备乳酸的方法

技术领域

本发明涉及一种乳酸的制备方法，具体地，涉及一种由无患子种壳制备乳酸的方法，属于生物质化学化工领域。

背景技术

无患子(Sapindus Mukorossi Gaertn)，属无患子科属(Sapindaceae)，原产于长江流域以南各地以及中南半岛，印度和日本。无患子树可用于绿化，果核可用于制作天然工艺品，其根、茎、果皆可入药，功能主治：清热、祛痰、消积、杀虫等，对于喉痹，肿痛、咳喘、食滞、白带、疳积、疮癣、肿毒、乙型肝炎等有较好的效果。无患子盛果期平均每株产果实20kg，其假种皮富含皂苷，主要为萜类皂苷和倍半贴糖苷。这些表面活性物质具有很强的降低表面张力的作用，具有较强去污及洗涤能力，对人体温和，无刺激，而且具有易降解，无污染等优点。目前人们主要是利用无患子的假种皮，而剥离假种皮后余下种子(占果实干重的40.57％)尚未得到较好的利用。其中种仁中含有脂肪、蛋白质等都具有较高的商业应用题前景。而在种仁外包裹着一层硬壳(即种壳)，占种子比例的70％左右，是无患子种子的重要的组成部分。种壳主要由纤维素、木质素和半纤维素三大部分组成。若要实现无患子果实的综合利用，当然有必要对其种壳进行合理利用。

乳酸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。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。乳酸有很强的防腐保鲜功效，其独特的酸味可增加食物的美味，在化妆品工业也被广泛用作许多护肤品的滋润。此外，乳酸在医药工业、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。传统乳酸发酵所用的主要原料是淀粉类物质，成本较高，而且大规模工业化生产会消耗大量粮食。如果能采用价廉易得的纤维原料来生产，不仅能大大拓展其生产原料的来源、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。

以纤维为原料进行生物转化制备乳酸有很好的应用前景，但其工业化需要解决的问题主要包括：(1)廉价纤维原料的稳定来源；(2)纤维素原料高效、低成本预处理技术；(3)纤维原料组分的合理利用；(4)由于一般纤维质原料比容大，水解液糖浓度低，发酵液中产品乳酸浓度低。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述存在的问题，选用资源丰富、容重大的无患子种壳，包括碱醇预处理分离出木素和半纤维素的步骤，以充分利用无患子种壳资源和提高制备乳酸的生产效率。

一种由无患子种壳制备乳酸的方法，包括：将无患子种壳在碱醇溶液中处理后过滤，洗涤无患子种壳残渣，然后进行同步糖化发酵转化成乳酸。

其中，对无患子种壳在碱醇溶液中处理之前先进行粉碎。无患子种壳粉碎成20-60目，优选40目。

其中，无患子种壳在碱醇溶液中处理，无患子种壳和碱醇溶液的料液比为1∶(20-30)，优选1∶20(w/v)。碱醇溶液的组成为20％ 1M NaOH或KOH溶液，80％乙醇或甲醇。处理时间为2-5小时，优选3小时。处理温度为70-100℃，优选80℃。

无患子种壳在碱醇溶液中处理，是将无患子种壳进行碱醇预处理，可以分离出木素和半纤维素，对后续同步糖化发酵转化乳酸有很大帮助。

碱醇预处理后的无患子种壳过滤残渣是用热水洗涤至中性(pH值7.0)，然后进行同步糖化发酵转化成乳酸。

其中，同步糖化发酵过程中，1升发酵体系中，碱醇处理并过滤后的无患子种壳残渣加入量为100-180g，优选120-150g。纤维素酶加入量为15FPU/g纤维素。乳酸菌株加入量为2-6g，优选2-4g(干物质计)。进行同步糖化发酵96-120h。反应温度40-50℃，优选45-48℃。pH值4.8。发酵培养基成分为KH₂PO₄ 0.5g/l，MgSO₄·7H₂O 0.5g/l，NaCl0.1g/l，牛肉膏5g/l和固体CaCO₃ 20g/l。

在本发明中，无患子种壳在碱醇溶液中处理后过滤，所得的滤液还可以用来制得木素和半纤维素产品。它是乳酸制备过程中的副产品，起到充分利用原料资源的目的。

过程包括：将所述滤液用6M HCl调pH至5-6，浓缩，慢速滴入95％乙醇，沉淀10-15h(优选12h)，过滤，滤渣用95％乙醇洗涤，得到所述木素和半纤维素产品。

本发明提供的由碱醇预处理无患子种壳制备乳酸的方法的优点为：(1)无患子种壳资源量大、价格低廉，含有丰富的纤维素，原料容重大，是制备纤维素生物转化的优选原料之一；(2)采用有机溶剂预处理纤维原料，投资小，对环境污染少，副产品的潜能大，溶剂可以循环使用；(3)碱醇预处理反应条件温和，有利于木素脱去，并部分脱除半纤维素，纤维素酶反应可及性大大提高；(4)分离木素的无患子种壳在同步糖化发酵中既可减少纤维素酶的使用量，又可降低木素单元对乳酸菌株的毒性，提高反应效率；(5)无患子种壳中含有葡萄糖、甘露糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖等多种糖单元，其中大部分糖可被乳酸菌利用，乳酸转化率高，产率可以达到90％以上。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明中，所述中性的pH值为7.0。使用的乳酸菌株为本领域常规的均可。

由无患子种壳制备乳酸的过程如实施例1-8。

实施例1

将粉碎过40目的1kg无患子种壳在20L的碱醇溶液(20％ 1MNaOH溶液，80％乙醇)中，80℃处理3h，然后过滤，残渣用热水洗涤至中性，然后进行同步糖化发酵转化乳酸。1升发酵体系中，碱醇处理的无患子种壳加入量130g，纤维素酶加入量15FPU/g纤维素，乳酸菌株加入量3g(干物质计)。进行同步糖化发酵120h，反应温度45℃，pH值4.8。发酵培养基成分为KH₂PO₄ 0.5g/l，MgSO₄·7H₂O 0.5g/l，NaCl 0.1g/l，牛肉膏5g/l，固体CaCO₃ 20g/l。乳酸产率99.5％。

实施例2

将粉碎过40目的1kg无患子种壳在20L的碱醇溶液(20％ 1MNaOH溶液，80％乙醇)中，80℃处理3h，然后过滤，残渣用热水洗涤至中性，然后进行同步糖化发酵转化乳酸。1升发酵体系中，碱醇处理的无患子种壳加入量150g，纤维素酶加入量15FPU/g纤维素，乳酸菌株加入量2g(干物质计)。进行同步糖化发酵96h，反应温度48℃，pH值4.8。发酵培养基成分为KH₂PO₄ 0.5g/l，MgSO₄·7H₂O 0.5g/l，NaCl0.1g/l，牛肉膏5g/l，固体CaCO₃ 20g/l。乳酸产率92.8％。

实施例3

将粉碎过40目的1kg无患子种壳在20L的碱醇溶液(20％ 1MNaOH溶液，80％乙醇)中，80℃处理3h，然后过滤，残渣用热水洗涤至中性，然后进行同步糖化发酵转化乳酸。1升发酵体系中，碱醇处理的无患子种壳加入量120g，纤维素酶加入量15FPU/g纤维素，乳酸菌株加入量4g(干物质计)。进行同步糖化发酵120h，反应温度46℃，pH值4.8。发酵培养基成分为KH₂PO₄ 0.5g/l，MgSO₄·7H₂O 0.5g/l，NaCl 0.1g/l，牛肉膏5g/l，固体CaCO₃ 20g/l。乳酸产率98.0％。

实施例4

将粉碎过40目的1kg无患子种壳在20L的碱醇溶液(20％ 1MNaOH溶液，80％乙醇)中，80℃处理3h，然后过滤，残渣用热水洗涤至中性，然后进行同步糖化发酵转化乳酸。1升发酵体系中，碱醇处理的无患子种壳加入量150g，纤维素酶加入量15FPU/g纤维素，乳酸菌株加入量3g(干物质计)。进行同步糖化发酵120h，反应温度46℃，pH值4.8。发酵培养基成分为KH₂PO₄ 0.5g/l，MgSO₄·7H₂O 0.5g/l，NaCl 0.1g/l，牛肉膏5g/l，固体CaCO₃ 20g/l。乳酸产率96.1％。

实施例5

将粉碎过40目的1kg无患子种壳在20L的碱醇溶液(20％ 1MNaOH溶液，80％乙醇)中，70℃处理2h，然后过滤，残渣用热水洗涤至中性，然后进行同步糖化发酵转化乳酸。1升发酵体系中，碱醇处理的无患子种壳加入量130g，纤维素酶加入量15FPU/g纤维素，乳酸菌株加入量3g(干物质计)。进行同步糖化发酵120h，反应温度45℃，pH值4.8。发酵培养基成分为KH₂PO₄ 0.5g/l，MgSO₄·7H₂O 0.5g/l，NaCl 0.1g/l，牛肉膏5g/l，固体CaCO₃ 20g/l。乳酸产率87.3％。

实施例6

将粉碎过40目的1kg无患子种壳在20L的碱醇溶液(20％ 1MNaOH溶液，80％乙醇)中，100℃处理5h，然后过滤，残渣用热水洗涤至中性，然后进行同步糖化发酵转化乳酸。1升发酵体系中，碱醇处理的无患子种壳加入量130g，纤维素酶加入量15FPU/g纤维素，乳酸菌株加入量3g(干物质计)。进行同步糖化发酵120h，反应温度45℃，pH值4.8。发酵培养基成分为KH₂PO₄ 0.5g/l，MgSO₄·7H₂O 0.5g/l，NaCl 0.1g/l，牛肉膏5g/l，固体CaCO₃ 20g/l。乳酸产率92.5％。

实施例7

其他操作和条件如实施例1，不同之处在于：将粉碎过20目的1kg无患子种壳在25L的碱醇溶液(20％ 1M KOH溶液，80％乙醇)中进行处理。所得乳酸产率98.7％。

实施例8

其他操作和条件如实施例1，不同之处在于：将粉碎过60目的1kg无患子种壳在30L的碱醇溶液(20％ 1M NaOH溶液，80％甲醇)中进行处理。所得乳酸产率96.5％。

在本发明中，无患子种壳经碱醇处理并过滤后，所得的滤液还用来制得木素和半纤维素产品，过程如实施例9。

实施例9

将粉碎过40目的1kg无患子种壳在20L的碱醇溶液(20％ 1MNaOH溶液，80％乙醇)中，80℃处理3h，然后过滤，滤液用6M HCl调pH至5-6，浓缩5倍，慢速滴入3倍体积95％乙醇，沉淀12h，过滤，滤渣用95％乙醇洗涤两次，得到木素和半纤维素产品，产品得率10.3％。在此过程中，乙醇可以回收循环利用。

对比例

1升发酵体系中，无患子种壳加入量130g，纤维素酶加入量15FPU/g纤维素，乳酸菌株加入量3g(干物质计)。进行同步糖化发酵120h，反应温度45℃，pH值4.8。发酵培养基成分为KH₂PO₄ 0.5g/l，MgSO₄·7H₂O 0.5g/l，NaCl 0.1g/l，牛肉膏5g/l，固体CaCO₃ 20g/l。乳酸产率67.5％。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种由无患子种壳制备乳酸的方法，其特征在于，包括：将无患子种壳在碱醇溶液中处理后过滤，洗涤无患子种壳残渣，然后进行同步糖化发酵转化成乳酸；

无患子种壳和碱醇溶液的料液比（质量体积比）为1:(20-30)；

碱醇溶液的组成为：20%1M NaOH或KOH溶液，80%乙醇或甲醇；

无患子种壳在碱醇溶液中处理，处理时间为2-5小时，处理温度为70-100℃；

同步糖化发酵，使用纤维素酶和乳酸菌株。

2.根据权利要求1所述的由无患子种壳制备乳酸的方法，其特征在于，同步糖化发酵，1升发酵体系中，无患子种壳残渣加入量为100-180g。

3.根据权利要求1或2所述的由无患子种壳制备乳酸的方法，其特征在于，同步糖化发酵，1升发酵体系中，纤维素酶加入量为15FPU/g纤维素。

4.根据权利要求1或2所述的由无患子种壳制备乳酸的方法，其特征在于，同步糖化发酵，1升发酵体系中，乳酸菌株加入量为2-6g。

5.根据权利要求1或2所述的由无患子种壳制备乳酸的方法，其特征在于，同步糖化发酵96-120小时，反应温度40-50℃。

6.根据权利要求1或2所述的由无患子种壳制备乳酸的方法，其特征在于，同步糖化发酵，发酵培养基成分为：KH₂PO₄0.5g/l，MgSO₄·7H₂O0.5g/l，NaCl0.1g/l，牛肉膏5g/l和CaCO₃20g/l。

7.根据权利要求1或2所述的由无患子种壳制备乳酸的方法，其特征在于，无患子种壳在碱醇溶液中处理后过滤，将滤液用6M HCl调pH至5-6，浓缩，滴入95%乙醇，沉淀10-15h，过滤，滤渣用95%乙醇洗涤，得到木素和半纤维素产品。