CN102978245B - 一种利用玉米皮发酵丁醇并联产膳食纤维的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物能源领域，具体涉及一种利用玉米皮发酵丁醇并联产膳食纤维的方法。具体步骤如下：1）预处理；2）酶解；3）固液分离，获得膳食纤维和酶解液；4）酶解液脱毒；5）向脱毒后的酶解液中补充氮源制备发酵培养基，利用灭菌后的发酵培养基厌氧条件下发酵培养丁醇生产菌株，获得发酵产物；6）发酵产物精馏，收集丁醇。本发明因地制宜利用玉米加工副产物玉米皮为原料发酵丁醇，既可实现废物利用，有利于环保，也为玉米深加工提高产品附加值，开辟了企业增加经济效益的途径。

Description

一种利用玉米皮发酵丁醇并联产膳食纤维的方法

技术领域

本发明涉及生物能源领域，具体涉及一种利用玉米皮发酵生产丁醇并联产膳食纤维的方法。

背景技术

丁醇是一种重要的C4平台化合物，主要用于邻苯二甲酸正丁酯、磷酸丁酯、丙烯酸丁酯及醋酸丁酯等的合成，还可用作油脂、医药和香料的提取溶剂以及醇酸树脂的添加剂等领域。随着生物质能源的多元化发展，由于丁醇具有能量密度高、亲水性低、蒸汽压低、辛烷值高等特点，因此被认为是最有发展潜力的新型液体燃料之一。

传统的发酵法生产丁醇是以粮食原料（如玉米、小麦等）为底物，较高的粮食价格致使原料费用占溶剂生产总成本的比例偏高（60%以上），这不仅限制了丁醇产品的市场竞争力，制约了生物丁醇作为燃料的推广使用，也有悖于我国的粮食安全战略。也正是基于上述原因，国家发改委已于2007年底暂停了利用粮食来生产生物能源项目的备案及核准，鼓励发展非粮生物质能源。因此，以木质纤维素原料生物转化生产丁醇是今后发展的必然趋势。

玉米皮是玉米淀粉加工的副产物，产量一般占玉米总量的14-20%。含有10-20%的淀粉、30-50%的半纤维素、10-20%的纤维素以及少量的蛋白质，几乎不含木质素。目前我国玉米皮利用率较低，只有部分被用作饲料，是一种潜在的廉价生物质资源。

目前一些产丁醇的菌株，可以利用葡萄糖、木糖等作为碳源。因此，利用玉米皮水解生成的葡萄糖、木糖、阿拉伯糖的混合糖液作为碳源，用于厌氧发酵制备丁醇，将有效减少丁醇发酵碳源对淀粉类原料的依赖性，并可降低原料成本。采用稀酸水解玉米皮中的淀粉和半纤维素成单糖，再将单糖发酵生产丁醇。如将剩余的纤维素也降解成单糖再用于发酵，则需要很高成本。因此，剩余的纤维素制造膳食纤维等高附加值产品，既充分利用了这些原料组分，又降低了成本。企业因地制宜利用玉米加工淀粉的副产品玉米皮为原料发酵丁醇，既可实现废物利用，有利于环保，也为玉米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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用玉米皮中的淀粉和半纤维素发酵丁醇并联产膳食纤维的方法，利用我国玉米加工中大量的副产品玉米皮生产丁醇和膳食纤维，使玉米皮得到综合利用，不仅降低丁醇生产的原料成本，还可以获得高附加值的膳食纤维产品，极具市场前景。

本发明的技术方案为：一种利用玉米皮中的淀粉和半纤维素发酵丁醇并联产膳食纤维的方法，具体步骤如下：

1）预处理：玉米皮粉碎获得玉米皮粉后，将玉米皮粉与水或稀硫酸混合，在120～160℃温度下预处理10～30min，获得预处理产物；

2）酶解：调节前一步预处理产物的pH值为4.5～5.5，然后向预处理产物中加入糖化酶和木聚糖酶进行酶解反应，获得酶解产物；

3）固液分离：将前一步骤的酶解产物固液分离，固液分离后得到的固体为膳食纤维；固液分离后得到的液体为酶解液；

4）脱毒：采用活性炭对步骤3）的酶解液进行脱毒，获得脱毒后的酶解液；

5）向脱毒后的酶解液中补充氮源制备发酵培养基，利用灭菌后的发酵培养基厌氧条件下发酵培养丁醇生产菌株，获得发酵产物；

6）发酵产物精馏，收集丁醇。

较优的，步骤1）所述粉碎为研磨粉碎或者超微气流粉碎。

较优的，步骤1）所述玉米皮粉的粒径为10～200目。

较优的，步骤1）所述稀硫酸的浓度小于等于2wt%。本发明所述稀硫酸为硫酸的水溶液，并且其中硫酸的质量百分比大于0，小于等于2。

较优的，步骤1）所述竹粉与预处理液混合的固液比为1:6～1:12，优为选1:6～1:10。

较优的，步骤1）所述预处理的温度条件为130～150℃。

较优的，步骤2）所述糖化酶用量为糖化酶100-300IU/g底物，木聚糖酶用量为0.1-1.0IU/g底物。本发明所述底物为用于反应的玉米粉的质量。

较优的，步骤2）所述酶解反应的条件为45～55℃，酶解36～60h，转速为120～180rpm。

更优的，步骤2）所述酶解反应的条件为50℃，酶解48h，转速为150rpm。

较优的，步骤3）所述固液分离的方法为离心法或过滤。

步骤3）固液分离后，固体成分为膳食纤维；液体为酶解液，其主要成分为淀粉和半纤维素的降解产物葡萄糖、木糖和阿拉伯糖。酶解液用于进一步的丁醇发酵；本发明得到的膳食纤维为粗膳食纤维，既可以通过水洗、烘干步骤直接获得膳食纤维产品用于食品等的工业生产；或者根据实际需要进一步除杂，例如除去其中的蛋白、木质素等，经水洗、脱色、干燥、粉碎等步骤后获得不同等级及标准的膳食纤维，用于饲料、食品、保健品及药物等。

较优的，步骤4）所述脱毒反应中，活性炭的用量为0.5～3w/v%。

较优的，步骤4）所述脱毒反应的条件为40～60℃，转速120～180rpm，脱毒0.5～3h。

较优的，步骤5）所述氮源选自玉米浆、硫酸铵、醋酸铵或氯化铵。氮源可以选择现有的任意有机氮源或无机氮源，包括但不限于玉米浆、硫酸铵、醋酸铵和氯化铵。

较优的，步骤5）所述氮源的添加量为0.1～1w/v%，即每100ml培养基内添加0.1～1g氮源。

较优的，步骤5）所述丁醇生产菌株为能同时利用五碳糖和六碳糖作为碳源的菌株。优选的，所述丁醇生产菌株为NCIMB8052或ATCC55025。

制备的培养基105℃灭菌15min后接入丁醇生产菌株。

较优的，步骤5）所述厌氧条件的发酵温度为35～38℃，发酵时间为40～50h。

本发明利用玉米加工中的副产品玉米皮加工生产生物燃料丁醇和膳食纤维，利用玉米皮中含量丰富的淀粉和半纤维素，将其水解之后可以得到含有葡萄糖、木糖和阿拉伯糖等单糖的混合碳源，用于生物丁醇菌株的生长和发酵，是过去粮食发酵丁醇的理想替代原料，有效减少丁醇发酵碳源对淀粉类原料的依赖性；另一方法，本发明方法获得的纤维素可用于制造膳食纤维，获得高附加值的膳食纤维产品。

总之，本发明从降低生产成本和简化工艺布置出发，得到了原料来源广、成本低、制备工艺简单，转化效率高的非粮生物质能源丁醇的制备方法。本发明因地制宜利用玉米皮为原料发酵丁醇，既可实现废物利用，有利于环保，也为玉米深加工提高产品附加值，开辟了企业增加经济效益的途径。

附图说明

图1：利用利用玉米皮中的淀粉和半纤维素发酵丁醇并联产膳食纤维的生产流程图

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。

实施例1

称取经超微气流粉碎至粒径为200目的玉米皮5g，加入50mL、0.5%（w/w）的硫酸溶液（玉米皮粉与稀硫酸的固液比为1:10），140℃反应20min，调节水解液pH值为4.8，加入糖化酶200IU/g底物，木聚糖酶1.0IU/g底物，50℃酶解48h，摇床转速为150r/min。酶解液过滤，固体残渣即为膳食纤维，干重为1.75g，溶胀性为1.83g/mL，持水力为195.7%；取酶解液加入1%(w/v)活性炭50℃脱毒1h，滤去活性炭后清液加入0.5%(w/v)玉米浆粉，接NCIMB8052菌株，37℃厌氧培养48h。气相色谱法分析发酵产物成分，为：丁醇10.03g/L，总溶剂12.35g/L。

实施例2

称取经超微气流粉碎至粒径为100目的玉米皮5g，加入40mL、1%（w/w）的硫酸溶液，150℃反应20min（玉米皮粉与稀硫酸的固液比为1:8），调节水解液pH值为5.0，加入糖化酶250IU/g底物，木聚糖酶0.8IU/g底物，50℃酶解48h，摇床转速为150r/min。酶解液过滤，固体残渣即为膳食纤维，干重为1.86g，溶胀性为1.71g/mL，持水力为191.5%；取酶解液加入2%(w/v)活性炭120rpm，60℃脱毒0.5h，滤去活性炭后清液加入0.3%(w/v)硫酸铵，接NCIMB8052菌株，37℃厌氧培养48h。气相色谱法分析产物成分，为：丁醇8.64g/L，总溶剂10.38g/L。

实施例3

称取经普通粉碎至粒径为10目的玉米皮5g，加入60mL、1.5%（w/w）的硫酸溶液，120℃反应30min（玉米皮粉与稀硫酸的固液比为1:12），调节水解液pH值为4.8，加入糖化酶300IU/g底物，木聚糖酶1.0IU/g底物，50℃酶解48h，摇床转速为150r/min。酶解液过滤，固体残渣即为膳食纤维，干重为1.91g，溶胀性为1.55g/mL，持水力为182.6%；取酶解液加入0.5%(w/v)活性炭180rpm，40℃脱毒1h，滤去活性炭后清液加入0.3%(w/v)玉米浆，接NCIMB8052菌株，37℃厌氧培养48h。发酵产物气相色谱法分析产物成分，为：丁醇6.87g/L，总溶剂8.96g/L。

实施例4

称取经普通粉碎至粒径为50目的玉米皮5g，加入30mL、0.5%（w/w）的硫酸溶液，120℃反应20min（玉米皮粉与稀硫酸的固液比为1:6），调节水解液pH值为5.0，加入糖化酶300IU/g底物，木聚糖酶0.6IU/g底物，50℃酶解48h，摇床转速为150r/min。酶解液过滤，固体残渣即为膳食纤维，干重为1.85g，溶胀性为1.61g/mL，持水力为183.3%；取酶解液加入1.5%(w/v)活性炭50℃脱毒2h，滤去活性炭后清液加入0.3%(w/v)玉米浆，接ATCC55025菌株，37℃厌氧培养48h。发酵产物气相色谱法分析产物成分，为：丁醇7.95g/L，总溶剂9.84g/L。

实施例5

称取经超微气流粉碎至粒径为200目的玉米皮5g，加入50mL蒸馏水，160℃反应20min（玉米皮粉与水的固液比为1:10），调节水解液pH值为5.0，加入糖化酶250IU/g底物，木聚糖酶0.8IU/g底物，50℃酶解48h，摇床转速为150r/min。酶解液过滤，固体残渣即为膳食纤维，干重为1.93g，溶胀性为1.86g/mL，持水力为196.4%；取酶解液加入1%(w/v)活性炭120rpm，50℃脱毒2h，滤去活性炭后清液加入0.3%(w/v)硫酸铵，接NCIMB8052菌株，37℃厌氧培养48h。气相色谱法分析产物成分，为：丁醇6.11g/L，总溶剂8.63g/L。

总结：由实施例1-5可知，本发明的利用玉米皮发酵丁醇并联产膳食纤维的方法，可以充分利用农业废弃物玉米皮中的纤维素、半纤维素和淀粉，发酵制备丁醇并获得附加值较高的膳食纤维。每吨玉米皮可以发酵获得0.1吨的丁醇，0.12吨总溶剂，0.3吨膳食纤维，0.2吨饲料，经过本发明的方法，每千克玉米皮的经济效益为800元。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种利用玉米皮发酵丁醇并联产膳食纤维的方法，具体步骤如下：

1）预处理：玉米皮粉碎获得玉米皮粉后，将玉米皮粉与水或稀硫酸混合，在120～160℃温度下预处理10～30min，获得预处理产物；所述稀硫酸的浓度小于等于2wt%；

2）酶解：调节前一步预处理产物的pH值为4.5～5.0，然后向预处理产物中加入糖化酶和木聚糖酶进行酶解反应，获得酶解产物；所述糖化酶用量为糖化酶100～300IU/g底物，木聚糖酶用量为0.1～1.0IU/g底物；

3）固液分离：将前一步骤的酶解产物固液分离，固液分离后得到的固体为膳食纤维；固液分离后得到的液体为酶解液；

4）脱毒：采用活性炭对步骤3）的酶解液进行脱毒，获得脱毒后的酶解液；

5）向脱毒后的酶解液中补充氮源制备发酵培养基，利用灭菌后的发酵培养基厌氧条件下发酵培养丁醇生产菌株，获得发酵产物；所述丁醇生产菌株为NCIMB8052或ATCC55025；

6）发酵产物精馏，收集丁醇。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）所述玉米皮粉与预处理液混合的固液比为1:6～1:12。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2）所述酶解反应的条件为45～55℃，酶解36～60h，转速为120～180rpm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4）所述脱毒反应中，活性炭的用量为0.5～3w/v%。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4）所述脱毒反应的条件为40～60℃，转速120～180rpm，脱毒0.5～3h。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5）所述氮源选自玉米浆、硫酸铵、醋酸铵或氯化铵；所述氮源的添加量为0.1～1w/v%。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5）所述丁醇生产菌株为能同时利用五碳糖和六碳糖作为碳源的菌株。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5）所述厌氧条件的发酵温度为35～38℃，发酵时间为40～50h。