CN103146767B - 一种利用小麦麸皮生产2,3-丁二醇发酵液的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用小麦麸皮生产2,3-丁二醇发酵液的方法。具体操作步骤分为两大步骤：1.利用小麦麸皮制备小麦麸皮糖；2.将克雷伯氏杆菌冻干粉、小麦麸皮糖和发酵营养因子混合发酵，所得发酵液中2,3-丁二醇的含量为85.5~90.2g/L，乙偶姻的含量为21~35g/L，2,3-丁二醇的得率为0.21~0.25g/g小麦麸皮糖，2,3-丁二醇的生产强度2.9~3.5g/L/h；与以葡萄糖和木糖混合糖发酵的效率接近，而原料成本远低于葡萄糖和木糖。本发明用α-淀粉酶水解淀粉，纤维素酶和果胶酶水解纤维素和果胶，显著提高水解效率，以低成本获得高质量的小麦麸皮糖，提高小麦麸皮的综合利用率。
Description
技术领域
本发明属于农产品加工副产物综合利用领域，具体地说是通过发酵技术将小麦加工面粉后的副产物小麦麸皮转化为2,3-丁二醇的方法。
背景技术
2,3-丁二醇也称2,3-双羟基丁烷或二亚甲基二醇，2,3-丁二醇可以作为一种潜在的平台化合物，替代传统的平台化合物-碳四烃，用于大规模的合成优良溶剂甲乙酮，并广泛应用于合成橡胶、聚酯和聚亚胺酯等领域的1,3-丁二烯。除此之外，2,3-丁二醇还可用于制备油墨、香水、熏蒸剂、增湿剂、软化剂、增塑剂、炸药、药物手性载体、食用香料及燃料添加剂等。目前，生物转化法生产2,3-丁二醇大多数用葡萄糖作为碳源，而葡萄糖的价格较高，且存在与人争粮、与粮争地的问题。此外，由于2,3-丁二醇具有较强的亲水性和较高的沸点，且发酵液成分复杂，因而该产品下游分离比较困难。原料成本高、产品分离困难已经成为2,3-丁二醇大规模工业化生产的瓶颈。因而迫切需要采用新的工艺，并且利用新的廉价的非粮底物进行发酵。
我国是小麦生产大国，近年来，小麦的年产量已超过1亿吨，小麦麸皮是小麦面粉厂主要的加工副产品，每年加工出的小麦麸皮可达2000 万吨以上，大部分小麦麸皮作为粗饲料，纤维类物质在肠道不能被吸收利用。将小麦麸皮的组分进行分级，高效预处理各组分，获得微生物可利用的营养因子是高附加值利用的前提和关键。小麦麸皮中灰分含量5.41％、木质素含量6.01％、淀粉含量25.9％、脂肪含量3.45％、戊聚糖含量19.42％、综纤维素含量46.05％及总糖含量89.62％，因此小麦麸皮是一种优良碳源，将小麦麸皮中的淀粉、纤维素和戊聚糖等碳水化合物转化为可利用的单糖，减少对玉米、水稻等淀粉类粮食的过度依赖。
发明内容
为了减少对玉米、水稻等淀粉类粮食的过度依赖，本发明提供一种利用小麦麸皮发酵生产高含量2,3-丁二醇发酵液的方法。
本发明的具体操作步骤如下：
1.1 小麦麸皮糖的制备
将小麦麸皮去除杂物，烘干，用粉碎机粉碎，过20目筛，获得小麦麸皮淀粉，收集没通过20目筛子的浅褐色的小麦壳，获得小麦麸皮壳；
将小麦麸皮淀粉200~300 g，水500~550 g，α-淀粉酶3~6 g，280~300 rpm搅拌3~5分钟，温度70~80℃保温20~25分钟，升温至90~92℃，保温时间10~12小时，过滤，收集上清液，获得小麦麸皮淀粉糖；
将小麦麸皮壳粉碎，过20目筛子，获得小麦麸皮壳粉末，将小麦麸皮壳粉末90~120 g和浓度1~2%的硫酸450~500 mL混合，温度121℃保温1~1.5小时，过滤，用浓度20%的氢氧化钠调pH至中性，获得小麦麸皮半纤维素糖；将残渣用水冲洗至pH中性，获得小麦麸皮纤维素；
将小麦麸皮纤维素100~120 g，纤维素酶5~8 g，果胶酶3~5 g，缓冲液300~350 g，温度50℃保温6~8小时，过滤，收集上清液，获得小麦麸皮纤维素糖；其中，纤维素酶的活性为10000 IU/g，果胶酶的活性为50000 U/mL，缓冲液为pH 5.0的浓度0.05 mol/L的柠檬酸溶液；
将小麦麸皮淀粉糖、小麦麸皮半纤维素糖和小麦麸皮纤维素糖按质量比1:2:1混合，用旋转蒸发仪减压蒸发水分，至总糖浓度为10~15%，获得小麦麸皮糖；
1.2 发酵产2,3-丁二醇
将克雷伯氏杆菌（Klebsiella pneumoniae）冻干粉1~2 g、小麦麸皮糖100~120 g和发酵营养因子2.8~3.3 g混合，在温度36~40℃、搅拌转速150~180 rpm、通气量2.5~3升/分钟条件下，发酵40~48小时；所得发酵液中2,3-丁二醇的含量为85.5~90.2 g/L，乙偶姻的含量为21~35 g/L，2,3-丁二醇的得率为0.21~0.25 g /g小麦麸皮糖，2,3-丁二醇的生产强度2.9~3.5 g /L/h；
其中，发酵营养因子的组分为：酵母粉2~3 g，硫酸铵0.2~0.3 g，磷酸二氢钾0.2~0.3 g，七水硫酸镁0.2~0.3 g。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明对小麦加工面粉后的副产物小麦麸皮的组分进行分级，由于小麦麸皮的组成复杂，分级的目的是针对各组分的性质进行区别预处理，如用α-淀粉酶水解淀粉，纤维素酶和果胶酶水解纤维素和果胶，显著提高水解效率，以低成本获得高质量的小麦麸皮糖，提高小麦麸皮的综合利用率。目前的主要方法大都采用直接复合酶水解或酸水解，导致处理过程中戊聚糖和淀粉糖的损失过大；此外，由于戊聚糖在碱溶液中溶解度大，部分采用的碱预处理方法会损失小麦麸皮中大部分的戊聚糖，降低小麦麸皮糖的得率。本发明首先对小麦麸皮壳粉末进行硫酸处理，将戊聚糖直接酸解转化为单糖，减少糠醛等发酵抑制物的形成，降低戊聚糖的损失，获得小麦麸皮糖的得率为70~75%，剩余的残渣主要为微晶纤维素等极难分解的碳水化合物；
2.本发明在500L规模发酵罐进行发酵生产，本发明的发酵液中2,3-丁二醇的含量为85.5~90.2 g/L，乙偶姻的含量为21~35 g/L，2,3-丁二醇的得率为0.21~0.25 g /g小麦麸皮糖，2,3-丁二醇的生产强度2.9~3.5 g /L/h；与以葡萄糖和木糖混合糖发酵的效率接近，而原料成本远低于葡萄糖和木糖。因此，采用本发明发酵生产2,3-丁二醇具有明显经济性，能够摆脱对淀粉类粮食的过度依赖。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明作进一步地描述。
以下实施例所用的材料来源：小麦是市场上流通的普通小麦品种；粉碎机为摇摆式粉碎机型号HK-10B；纤维素酶和果胶酶均为广西南宁东恒华道生物科技公司生产；硫酸、酵母粉、硫酸铵、磷酸二氢钾、七水硫酸镁、α-淀粉酶为国药集团生产；克雷伯氏杆菌（Klebsiella pneumoniae）CICC10011购自中国工业微生物菌种保藏管理中心。
实施例1：
利用小麦麸皮生产2,3-丁二醇发酵液的具体操作步骤如下：
将小麦麸皮去除杂物，烘干，用粉碎机粉碎，过20目筛，获得小麦麸皮淀粉，收集没通过20目筛子的浅褐色的小麦壳，获得小麦麸皮壳；
将小麦麸皮淀粉200 g，水500 g，α-淀粉酶3 g，280 rpm搅拌3分钟，温度70℃保温20分钟，升温至90℃，保温12小时，过滤，收集上清液，获得小麦麸皮淀粉糖；
将小麦麸皮壳粉碎，过20目筛子，获得小麦麸皮壳粉末，将小麦麸皮壳粉末120 g和浓度1%的硫酸450 mL混合，温度121℃保温1小时，过滤，用浓度20%的氢氧化钠调pH至中性，获得小麦麸皮半纤维素糖；将残渣用水冲洗至pH中性，获得小麦麸皮纤维素；
将小麦麸皮纤维素100 g，纤维素酶5 g，果胶酶3 g，缓冲液300 g，温度50℃保温6小时，过滤，收集上清液，获得小麦麸皮纤维素糖；其中，纤维素酶的活性为10000 IU/g，果胶酶的活性为50000 U/mL，缓冲液为pH 5.0的浓度0.05 mol/L的柠檬酸溶液；
将小麦麸皮淀粉糖、小麦麸皮半纤维素糖和小麦麸皮纤维素糖按质量比1:2:1混合，用旋转蒸发仪减压蒸发水分，至总糖浓度为10%，获得小麦麸皮糖；
将克雷伯氏杆菌（Klebsiella pneumoniae）冻干粉2 g、小麦麸皮糖120 g和发酵营养因子3.3 g混合，在温度36℃、搅拌转速150 rpm、通气量2.5升/分钟条件下，发酵40小时；所得发酵液中2,3-丁二醇的含量为85.5 g/L，乙偶姻的含量为21 g/L，2,3-丁二醇的得率为0.21 g /g小麦麸皮糖，2,3-丁二醇的生产强度2.9 g /L/h；
其中，发酵营养因子的组分为：酵母粉2 g，硫酸铵0.2 g，磷酸二氢钾0.2 g，七水硫酸镁0.2 g。
实施例2：
利用小麦麸皮生产2,3-丁二醇发酵液的具体操作步骤如下：
将小麦麸皮去除杂物，烘干，用粉碎机粉碎，过20目筛，获得小麦麸皮淀粉，收集没通过20目筛子的浅褐色的小麦壳，获得小麦麸皮壳；
将小麦麸皮淀粉300 g，水550 g，α-淀粉酶6 g，300 rpm搅拌5分钟，温度80℃保温25分钟，升温至92℃，保温时间12小时，过滤，收集上清液，获得小麦麸皮淀粉糖；
将小麦麸皮壳粉碎，过20目筛子，获得小麦麸皮壳粉末，将小麦麸皮壳粉末120 g和浓度1%的硫酸450 mL混合，温度121℃保温1小时，过滤，用浓度20%的氢氧化钠调pH至中性，获得小麦麸皮半纤维素糖；将残渣用水冲洗至pH中性，获得小麦麸皮纤维素；
将小麦麸皮纤维素120 g，纤维素酶8 g，果胶酶5 g，缓冲液350 g，温度50℃保温8小时，过滤，收集上清液，获得小麦麸皮纤维素糖；其中，纤维素酶的活性为10000 IU/g，果胶酶的活性为50000 U/mL，缓冲液为pH 5.0的浓度0.05 mol/L的柠檬酸溶液；
将小麦麸皮淀粉糖、小麦麸皮半纤维素糖和小麦麸皮纤维素糖按质量比1:2:1混合，用旋转蒸发仪减压蒸发水分，至总糖浓度为15%，获得小麦麸皮糖；
将克雷伯氏杆菌（Klebsiella pneumoniae）冻干粉1 g、小麦麸皮糖120 g和发酵营养因子3.3 g混合，在温度40℃、搅拌转速180 rpm、通气量3升/分钟条件下，发酵48小时；所得发酵液中2,3-丁二醇的含量为90.2 g/L，乙偶姻的含量为35 g/L，2,3-丁二醇的得率为0.25 g /g小麦麸皮糖，2,3-丁二醇的生产强度3.5 g /L/h；
其中，发酵营养因子的组分为：酵母粉3 g，硫酸铵0.3 g，磷酸二氢钾0.3 g，七水硫酸镁0.3 g。
实施例3：
利用小麦麸皮生产2,3-丁二醇发酵液的具体操作步骤如下：
将小麦麸皮去除杂物，烘干，用粉碎机粉碎，过20目筛，获得小麦麸皮淀粉，收集没通过20目筛子的浅褐色的小麦壳，获得小麦麸皮壳；
将小麦麸皮淀粉250 g，水520 g，α-淀粉酶4 g，290 rpm搅拌4分钟，温度75℃保温22分钟，升温至90℃，保温11小时，过滤，收集上清液，获得小麦麸皮淀粉糖；
将小麦麸皮壳粉碎，过20目筛子，获得小麦麸皮壳粉末，将小麦麸皮壳粉末100 g和浓度1.5%的硫酸480 mL混合，温度121℃保温1小时，过滤，用浓度20%的氢氧化钠调pH至中性，获得小麦麸皮半纤维素糖；将残渣用水冲洗至pH中性，获得小麦麸皮纤维素；
将小麦麸皮纤维素110 g，纤维素酶6 g，果胶酶4 g，缓冲液320 g，温度50℃保温7小时，过滤，收集上清液，获得小麦麸皮纤维素糖；其中，纤维素酶的活性为10000 IU/g，果胶酶的活性为50000 U/mL，缓冲液为pH 5.0的浓度0.05 mol/L的柠檬酸溶液；
将小麦麸皮淀粉糖、小麦麸皮半纤维素糖和小麦麸皮纤维素糖按质量比1:2:1混合，用旋转蒸发仪减压蒸发水分，至总糖浓度为12%，获得小麦麸皮糖；
将克雷伯氏杆菌（Klebsiella pneumoniae）冻干粉1.5 g、小麦麸皮糖110 g和发酵营养因子3 g混合，在温度38℃、搅拌转速160 rpm、通气量3升/分钟条件下，发酵45小时；所得发酵液中2,3-丁二醇的含量为88.2 g/L，乙偶姻的含量为29 g/L，2,3-丁二醇的得率为0.23 g /g小麦麸皮糖，2,3-丁二醇的生产强度3.1 g /L/h；
其中，发酵营养因子的组分为：酵母粉2.5 g，硫酸铵0.2 g，磷酸二氢钾0.3 g，七水硫酸镁0.3 g。
实施例4：
利用小麦麸皮生产2,3-丁二醇发酵液的具体操作步骤如下：
将小麦麸皮去除杂物，烘干，用粉碎机粉碎，过20目筛，获得小麦麸皮淀粉，收集没通过20目筛子的浅褐色的小麦壳，获得小麦麸皮壳；
将小麦麸皮淀粉200 g，水550 g，α-淀粉酶6 g，300 rpm搅拌4分钟，温度75℃保温25分钟，升温至92℃，保温12小时，过滤，收集上清液，获得小麦麸皮淀粉糖；
将小麦麸皮壳粉碎，过20目筛子，获得小麦麸皮壳粉末，将小麦麸皮壳粉末90g和浓度2%的硫酸500 mL 混合，温度121℃保温1小时，过滤，用浓度20%的氢氧化钠调pH至中性，获得小麦麸皮半纤维素糖；将残渣用水冲洗至pH中性，获得小麦麸皮纤维素；
将小麦麸皮纤维素120 g，纤维素酶8 g，果胶酶3 g，缓冲液350 g，温度50℃保温7小时，过滤，收集上清液，获得小麦麸皮纤维素糖；其中，纤维素酶的活性为10000 IU/g，果胶酶的活性为50000 U/mL，缓冲液为pH 5.0的浓度0.05 mol/L的柠檬酸溶液；
将小麦麸皮淀粉糖、小麦麸皮半纤维素糖和小麦麸皮纤维素糖按质量比1:2:1混合，用旋转蒸发仪减压蒸发水分，至总糖浓度为10~15%，获得小麦麸皮糖；
将克雷伯氏杆菌（Klebsiella pneumoniae）冻干粉2 g、小麦麸皮糖120 g和发酵营养因子3.3 g混合，在温度36℃、搅拌转速150 rpm、通气量2.5升/分钟条件下，发酵40小时；所得发酵液中2,3-丁二醇的含量为89.3 g/L，乙偶姻的含量为33 g/L，2,3-丁二醇的得率为0.22g /g小麦麸皮糖，2,3-丁二醇的生产强度3.4 g /L/h；
其中，发酵营养因子的组分为：酵母粉3 g，硫酸铵0.2 g，磷酸二氢钾0.3 g，七水硫酸镁0.2g。
Claims (1)
1.一种利用小麦麸皮生产2,3-丁二醇发酵液的方法，其特征在于具体操作步骤如下：
1.1小麦麸皮糖的制备
将小麦麸皮去除杂物，烘干，用粉碎机粉碎，过20目筛，获得小麦麸皮淀粉，收集没通过20目筛子的浅褐色的小麦壳，获得小麦麸皮壳；
将小麦麸皮淀粉200～300g，水500～550g，α-淀粉酶3～6g，280～300rpm搅拌3～5分钟，温度70～80℃保温20～25分钟，升温至90～92℃，保温时间10～12小时，过滤，收集上清液，获得小麦麸皮淀粉糖；
将小麦麸皮壳粉碎，过20目筛子，获得小麦麸皮壳粉末，将小麦麸皮壳粉末90～120g和浓度1～2%的硫酸450～500mL混合，温度121℃保温1～1.5小时，过滤，用浓度20%的氢氧化钠调pH至中性，获得小麦麸皮半纤维素糖；将残渣用水冲洗至pH中性，获得小麦麸皮纤维素；
将小麦麸皮纤维素100～120g，纤维素酶5～8g，果胶酶3～5g，缓冲液300～350g，温度50℃保温6～8小时，过滤，收集上清液，获得小麦麸皮纤维素糖；其中，纤维素酶的活性为10000IU/g，果胶酶的活性为50000U/mL，缓冲液为pH5.0的浓度0.05mol/L的柠檬酸溶液；
将小麦麸皮淀粉糖、小麦麸皮半纤维素糖和小麦麸皮纤维素糖按质量比1:2:1混合，用旋转蒸发仪减压蒸发水分，至总糖浓度为10～15%，获得小麦麸皮糖；
1.2发酵产2,3-丁二醇
将肺炎克雷伯氏菌（Klebsiella pneumoniae）冻干粉1～2g、小麦麸皮糖100～120g和发酵营养因子2.8～3.3g混合，在温度36～40℃、搅拌转速150～180rpm、通气量2.5～3升/分钟条件下，发酵40～48小时；所得发酵液中2,3-丁二醇的含量为85.5～90.2g/L，乙偶姻的含量为21～35g/L，2,3-丁二醇的得率为0.21～0.25g/g小麦麸皮糖，2,3-丁二醇的生产强度2.9～3.5g/L/h；
其中，发酵营养因子的组分为：酵母粉2～3g，硫酸铵0.2～0.3g，磷酸二氢钾0.2～0.3g，七水硫酸镁0.2～0.3g。
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Granted publication date: 20140326 Termination date: 20170326 |
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