CN103421851B - 一种用甘薯废弃物制备糖和乙醇的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用甘薯废弃物制备糖和乙醇的方法，包含以下步骤：（1）取甘薯废渣加水，或者，取甘薯废渣湿渣，制得预处理甘薯废渣；（2）向甘薯废渣添加微生物培养液，酶解，然后添加α‐淀粉酶，水解，然后按每克甘薯废渣添加糖化酶，水解，制得葡萄糖醪液；（3）向葡萄糖醪液中接入耐高温酵母，静置培养、乙醇发酵，然后经纯化分离，制得乙醇。本发明利用微生物培养液和α‐淀粉酶以及糖化酶联合作用于含有淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多种多糖的甘薯废弃物，甘薯废弃物中的多糖可以被微生物培养液中的多糖降解酶系快速降解成可溶性糖，降低了甘薯废弃物的粘度，可将甘薯废弃物完全转化成可发酵糖，提高了原料的生物转化率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用甘薯废弃物制备糖和乙醇的方法，属于淀粉加工废弃物利用技术领域。
背景技术
我们国家广泛种植的粮食和经济作物如谷类、薯类等，因为适应性很强，产量高，价格低，通常作为生产淀粉的原材料，但是提取淀粉之后，产生的大量废渣中富含淀粉、膳食纤维、蛋白质等丰富的营养成份，含水量一般都很高，所以极易发酵腐败，给周边环境造成了严重污染。综上所述，找到一种能够快速有效地降解废渣并且能大幅提高淀粉的水解得率的方法，实现农副产品资源的再利用和对环境的保护，是当前面临的首要任务。
中国专利文献CN102558386A（申请号201210015175.0）公开了一种从甘薯渣中提取果胶的方法，步骤为：（1）称取干甘薯渣、高温α-淀粉酶、葡萄糖苷酶，提取剂备用；（2）将甘薯渣和水混合，加入高温α-淀粉酶，装入带有搅拌加热装置中；升温后，打开搅拌，加热后，加入葡萄糖苷酶，保温，用碘液检验不变蓝，停止加热搅拌；（3）将加热装置内的剩余物质过滤，水洗，得到滤渣即为除去淀粉的甘薯渣；（4）将去除淀粉的甘薯渣和水混和，再加入提取剂，搅拌并保温，加热过滤，滤液进行离心处理，上清液经膜分离装置，浓缩；（5）在浓缩液中加入乙醇，充分搅拌，离心，沉淀即制得果胶。
上述技术方案虽然是一种利用甘薯废弃物的途径，但仍然有大量废弃物产生，无法充分利用原料。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种用甘薯废弃物制备糖和乙醇的方法。本发明把含有淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多种多糖的甘薯废渣用生物法降解为葡萄糖等单糖，并且成本低、工艺简单、葡萄糖及乙醇得率高。
术语说明
甘薯废渣：甘薯提取淀粉后的废弃物，水分一般70wt%～90%,为贮存方便，有的将废渣烘干、粉碎成甘薯渣粉。甘薯废渣中一般以淀粉、粗纤维为主，同时含有少量的蛋白质和脂肪等成份。
本发明的技术方案如下：
一种用甘薯废弃物制备糖和乙醇的方法，包含以下步骤：
（1）取甘薯废渣（以干重计），加水配成质量百分比为8%～35%的溶液，或者，取固形物含量为10wt%～30wt%的甘薯废渣湿渣，制得预处理甘薯废渣；
（2）按每公斤甘薯废渣（以干重计）添加0.1升～1升的添加量向步骤（1）制得的预处理甘薯废渣中添加微生物培养液，在温度35℃～65℃的条件下，酶解1～24小时，然后按每克甘薯废渣（以干重计）添加50U～200U的α‐淀粉酶，在温度80℃～90℃的条件下，水解1～3小时，然后按每克甘薯废渣（以干重计）添加50U～200U的糖化酶，在温度55℃～65℃的条件下，水解1～12小时，制得葡萄糖醪液；
（3）向步骤（2）制得的葡萄糖醪液中接入耐高温酵母，接种量为每克甘薯废渣干料添加0.001g～0.005g酵母，在30℃～40℃静置培养，进行乙醇发酵1～48小时，然后经纯化分离，制得乙醇；
所述步骤（2）中微生物培养液的制备方法如下：
将微生物菌株接种于种子培养基中，在27～35℃的条件下培养1～3天，然后按1～20%的体积比转接于产酶培养基中，在27～35℃、100～220rpm的条件下发酵培养3～7天，制得微生物培养液；该微生物培养液特征为一种复合酶系，特别是具有甘露聚糖酶、甘露糖苷酶、木糖苷酶、阿拉伯呋喃糖酶等酶活性的复合酶系；
所述的微生物菌株选自：棘孢曲霉（Aspergillusaculeatus）、草酸青霉（Penicilliumoxalicum）、斜卧青霉（Penicillumdecumbens）、埃默森篮状菌（Talaromycesemersonii）、蓝黄状真菌（Talaromycesflavus）、支顶孢属真菌（Acremoniumcellulolyticus）、木霉（Trichodermaspp.）、勒克瑙金孢真菌（Chrysosporiumlucknowense）。
根据本发明优选的，所述的棘孢曲霉（Aspergillusaculeatus）购自美国模式培养物集存库（ATCC），菌种保藏编号1015；
根据本发明优选的，所述的草酸青霉（Penicilliumoxalicum）源自中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，菌种保藏编号CGMCC5302。
根据本发明优选的，所述的种子培养基组分如下，均为重量百分比：
葡萄糖1～3%，蛋白胨1～3%，麸皮1～4%，玉米芯1～3%，硝酸钠0.1～0.3%，硫酸铵0.1～0.3%，磷酸二氢钾0.1～0.3%，硫酸镁0.04～0.06%，尿素0.15～0.3%，氯化钙0.1～0.3%，余量水。
根据本发明优选的，所述的产酶培养基组分如下，均为重量百分比：
玉米芯3～5%，蛋白胨1～3%，麸皮3～5%，微晶纤维素0.4～0.6%，硝酸钠0.1～0.3%，硫酸铵0.1～0.3%，磷酸二氢钾0.1～0.3%，硫酸镁0.04～0.06%，尿素0.15～0.3%，氯化钙0.1～0.3%，吐温800.2～0.4%，余量水。
经检测，当微生物菌株为棘孢曲霉时，微生物培养液中每克粗蛋白比酶活为：木糖苷酶25，阿拉伯呋喃糖酶307，甘露聚糖酶310，甘露糖苷酶2.2；
当微生物菌株为草酸青霉时，微生物培养液中每克粗蛋白比酶活为：木糖苷酶12，阿拉伯呋喃糖酶26，甘露聚糖酶270，甘露糖苷酶1.3。
根据本发明优选的，所述步骤（3）中的耐高温酵母为安琪酵母股份有限公司生产的耐高温酵母。安琪耐高温酵母使用方便，操作简单。
所述步骤（3）中的纯化可采用本领域的常规技术手段，如蒸馏或者膜分离方式。
有益效果
1、本发明利用微生物培养液和α‐淀粉酶以及糖化酶联合作用于含有淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多种多糖的甘薯废弃物，甘薯废弃物中的多糖可以被微生物培养液中的多糖降解酶系快速降解成可溶性糖，降低了甘薯废弃物的粘度，可将甘薯废弃物完全转化成可发酵糖，提高了原料的生物转化率。
2、本发明采用的微生物培养液为一种复合酶系，特别是具有甘露聚糖酶、甘露糖苷酶、木糖苷酶、阿拉伯呋喃糖酶等酶活性的复合酶系，其较现有技术的单一酶制剂，能够更加有效的降解甘薯废弃物，并且与市售商品酶制剂相比，不需要离心、浓缩、提纯等繁索的工序，不另外添加酸、碱、抑菌剂等，不需要高温、高压处理，具有工艺成本低的特点。
3、本发明所述方法使甘薯废弃物变废为宝，克服了传统甘薯淀粉工业中甘薯的利用率仅20%左右的缺陷，极大提高了生物利用率，降低了污染，具有巨大的经济效益和社会效益。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
微生物来源
实施例1中的草酸青霉（Penicilliumoxalicum）购自中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心（CGMCC），菌种保藏编号5302。
实施例2中的棘孢曲霉（Aspergillusaculeatus）购自美国模式培养物集存库（ATCC），菌种保藏编号1015。
原料说明
甘薯废渣购自山东临沂某淀粉厂的甘薯渣粉，含水量为10wt%，固形物成份为：淀粉50wt%，粗蛋白2wt%，粗脂肪2wt%，灰分10wt%，纤维素和半纤维素以及其他成分36wt%。
酶来源
α‐淀粉酶购自诺维信中国有限公司；
糖化酶：购自山东隆大生物工程有限公司；
耐高温酵母：购自湖北宜昌安琪酵母有限公司。
实施例1
一种用甘薯废弃物制备糖和乙醇的方法，包含以下步骤：
（1）取甘薯废渣50g（以干重计），加水配成质量百分比为20%的溶液，制得预处理甘薯废渣；
（2）按每公斤甘薯废渣（以干重计）添加0.5升的添加量向步骤（1）制得的预处理甘薯废渣中添加微生物培养液，在温度50℃的条件下，酶解4小时，然后按每克甘薯废渣（以干重计）添加100U的α‐淀粉酶，在温度90℃的条件下，水解1小时，然后按每克甘薯废渣（以干重计）添加150U的糖化酶，在温度55℃的条件下，水解3小时，制得葡萄糖醪液；
（3）向步骤（2）制得的葡萄糖醪液中接入耐高温酵母，接种量为0.1g酵母，在30℃静置培养，进行乙醇发酵48小时，然后经纯化分离，制得乙醇；
所述步骤（2）中微生物培养液的制备方法如下：
取草酸青霉（Penicilliumoxalicum）菌株，接种于种子培养基中，在32℃的条件下培养1天，然后按10%的体积比转接于产酶培养基中，在28℃、180rpm的条件下发酵培养4天，制得微生物培养液；
经检测，微生物培养液中每克粗蛋白比酶活为：木糖苷酶12，阿拉伯呋喃糖酶26，甘露聚糖酶270，甘露糖苷酶1.3。
上述的种子培养基组分如下，均为重量百分比：
葡萄糖1%，蛋白胨1%，麸皮1%，玉米芯1%，硝酸钠0.1%，硫酸铵0.1%，磷酸二氢钾0.1%，硫酸镁0.04%，尿素0.15%，氯化钙0.1%，余量水。
上述的产酶培养基组分如下，均为重量百分比：
玉米芯3%，蛋白胨1%，麸皮3%，微晶纤维素0.4%，硝酸钠0.1%，硫酸铵0.1%，磷酸二氢钾0.1%，硫酸镁0.04%，尿素0.15%，吐温800.2%，余量水。
试验例1
取草酸青霉（Penicilliumoxalicum）做为微生物培养液生产菌株对甘薯废渣进行处理，并分别标为实验组B、实验组C和实验组D，各组处理步骤如下：
实验组A：甘薯废渣经淀粉酶及糖化酶处理后所得糖化醪液；
实验组B：甘薯废渣先经草酸青霉的培养液处理，再经淀粉酶及糖化酶水解后所得糖化醪液；
实验组C：甘薯废渣先经淀粉酶及糖化酶水解，再经草酸青霉的培养液处理后所得糖化醪液；
实验组D：甘薯废渣先经草酸青霉的培养液处理，再经淀粉酶及糖化酶水解，经少量草酸青霉的培养液再处理后所得糖化醪液。
各步骤的处理、水解条件同实施例1。用HPLC检测葡萄糖浓度，实验结果如表1所示：
表1糖化醪液中葡萄糖浓度
| 编号 | 实验组A | 实验组B | 实验组C | 实验组D |
| 葡萄糖浓度（g/L） | 未检出 | 152.32 | 151.62 | 151.80 |
糖化实验结果
由表1可以看出，实验组A甘薯废渣直接用淀粉酶及糖化酶水解，不能将原料中淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多糖有效降解，醪液呈固体状态。而无论是在淀粉酶及糖化酶水解之前还是之后添加草酸青霉的培养液处理，原料中淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多糖被有效降解，醪液粘度大大降低，流动性得到改善，酶水解反应完全，因此实验组B‐D均获得了约15%葡萄糖浓度的溶液。
试验例2
将葡萄糖醪液按如下方法进行处理，并标分别记为实验组E、实验组F、实验组G、实验组H：
实验组E：向实验组A制得的葡萄糖醪液中接入安琪酵母菌，接入量按每克甘薯废渣干料添加0.002g酵母，在30℃静置培养，进行乙醇发酵48小时，制得乙醇醪液。
实验组F：向实验组B制得的葡萄糖醪液中接入安琪酵母菌，接入量按每克甘薯废渣干料添加0.002g酵母，在30℃静置培养，进行乙醇发酵48小时，制得乙醇醪液。
实验组G：向实验组C制得的葡萄糖醪液中接入安琪酵母菌，接入量按每克甘薯废渣干料添加0.002g酵母，在30℃静置培养，进行乙醇发酵48小时，制得乙醇醪液。
实验组H：向实验组D制得的葡萄糖醪液中接入安琪酵母菌，接入量按每克甘薯废渣干料添加0.002g酵母，在30℃静置培养，进行乙醇发酵48小时，制得乙醇醪液。
用HPLC检测乙醇含量，实验结果如表2所示。
表2乙醇醪液中乙醇浓度
| 编号 | 实验组E | 实验组F | 实验组G | 实验组H |
| 乙醇浓度（%v/v） | 未检出 | 7.78 | 8.48 | 8.44 |
乙醇发酵实验结果
由表2可以看出，实验组E甘薯废渣直接用淀粉酶及糖化酶水解，不能将原料中淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多糖有效降解，醪液呈固体状态，添加酵母后固体状态也没有变化，无法获得乙醇。而实验组F‐H中，无论是在淀粉酶及糖化酶水解之前还是之后添加草酸青霉的培养液处理，原料中淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多糖被有效降解，醪液粘度大大降低，流动性得到改善，酶水解反应完全，酵母发酵48小时后获得了体积浓度为7.78～8.48%的乙醇溶液。特别是后添加培养液的实验组G和H中，获得了更高的乙醇浓度。
实施例2
一种用甘薯废弃物制备糖和乙醇的方法，包含以下步骤：
（1）取甘薯废渣50g（以干重计），加水配成质量百分比为20%的溶液，制得预处理甘薯废渣；
（2）按每公斤甘薯废渣（以干重计）添加0.5升的添加量向步骤（1）制得的预处理甘薯废渣中添加微生物培养液，在温度35℃的条件下，酶解24小时，然后按每克甘薯废渣（以干重计）添加100U的α‐淀粉酶，在温度80℃的条件下，水解3小时，然后按每克甘薯废渣（以干重计）添加150U的糖化酶，在温度65℃的条件下，水解2小时，制得葡萄糖醪液；
（3）向步骤（2）制得的葡萄糖醪液中接入耐高温酵母，接种量为0.1g酵母，在30℃静置培养，进行乙醇发酵48小时，然后经纯化分离，制得乙醇；
所述步骤（2）中微生物培养液的制备方法如下：
取棘孢曲霉（Aspergillusaculeatus）菌株，接种于种子培养基中，在28℃的条件下培养2天，然后按5%的体积比转接于产酶培养基中，在32℃、220rpm的条件下发酵培养6天，制得微生物培养液。
经检测，微生物培养液中每克粗蛋白比酶活为：木糖苷酶25，阿拉伯呋喃糖酶307，甘露聚糖酶310，甘露糖苷酶2.2；
上述的种子培养基组分如下，均为重量百分比：
葡萄糖3%，蛋白胨3%，麸皮4%，玉米芯3%，硝酸钠0.3%，硫酸铵0.3%，磷酸二氢钾0.3%，硫酸镁0.06%，尿素0.3%，氯化钙0.3%，余量水。
上述的产酶培养基组分如下，均为重量百分比：
玉米芯5%，蛋白胨3%，麸皮5%，微晶纤维素0.6%，硝酸钠0.3%，硫酸铵0.3%，磷酸二氢钾0.3%，硫酸镁0.06%，尿素0.3%，吐温800.4%，余量水。
试验例3
取棘孢曲霉（Aspergillusaculeatus）做为微生物培养液生产菌株对甘薯废渣进行处理，并分别标为实验组J、实验组K和实验组L，各组处理步骤如下：
实验组I：甘薯废渣经淀粉酶及糖化酶处理后所得糖化醪液；
实验组J：甘薯废渣先经棘孢曲霉的培养液处理，再经淀粉酶及糖化酶水解后所得糖化醪液；
实验组K：甘薯废渣先经淀粉酶及糖化酶水解，再经棘孢曲霉的培养液处理后所得糖化醪液；
实验组L：甘薯废渣先经棘孢曲霉的培养液处理，再经淀粉酶及糖化酶水解，经少量棘孢曲霉的培养液再处理后所得糖化醪液。
各步骤的处理、水解条件同实施例2。用HPLC检测葡萄糖浓度，实验结果如表3所示：
表3糖化醪液中葡萄糖浓度
| 编号 | 实验组I | 实验组J | 实验组K | 实验组L |
| 葡萄糖浓度（g/L） | 未检出 | 132.2 | 135.8 | 138.8 |
糖化实验结果
由表3可以看出，采用实验组I甘薯渣直接用淀粉酶及糖化酶水解，不能将原料中淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多糖有效降解，醪液呈固体状态，添加酵母后固体状态也没有变化，无法获得乙醇。而在工艺J‐L中，无论是在淀粉酶及糖化酶水解之前还是之后添加棘孢曲霉的培养液处理，原料中淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多糖被降解，醪液虽粘稠，但流动性得到改善，使得酶水解反应得以进行，因此实验组J‐L均获得了约13wt%葡萄糖浓度的溶液。
试验例4
将葡萄糖醪液按如下方法进行处理，并标分别记为实验组M、实验组N、实验组O、实验组P：
实验组M：向实验组I制得的萄糖醪液中接入安琪酵母菌，接入量按每克甘薯废渣干料添加0.002g酵母，在30℃静置培养，进行乙醇发酵48小时，制得乙醇醪液。
实验组N：向实验组J制得的萄糖醪液中接入安琪酵母菌，接入量按每克甘薯废渣干料添加0.002g酵母，在30℃静置培养，进行乙醇发酵48小时，制得乙醇醪液。
实验组O：向实验组K制得的萄糖醪液中接入安琪酵母菌，接入量按每克甘薯废渣干料添加0.002g酵母，在30℃静置培养，进行乙醇发酵48小时，制得乙醇醪液。
实验组P：向实验组L制得的萄糖醪液中接入安琪酵母菌，接入量按每克甘薯废渣干料添加0.002g酵母，在30℃静置培养，进行乙醇发酵48小时，制得乙醇醪液。
用HPLC检测乙醇含量，实验结果如表4所示。
表4乙醇半同步发酵醪液中乙醇浓度
| 编号 | 实验组M | 实验组N | 实验组O | 实验组P |
| 乙醇浓度（%v/v） | 未检出 | 4.0 | 4.6 | 4.9 |
乙醇发酵实验结果
由表4可以看出，采用实验组M甘薯渣直接用淀粉酶及糖化酶水解，不能将原料中淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多糖有效降解，醪液呈固体状态，添加酵母后固体状态也没有变化，无法获得乙醇。而在实验组N‐P中，无论是在淀粉酶及糖化酶水解之前还是之后添加棘孢曲霉的培养液处理，原料中淀粉、纤维、半纤维素、果胶等多糖被降解，醪液虽粘稠，但流动性得到改善，使得酶水解反应得以进行，因此实验组N-P酵母发酵48小时后获得了约4.0%～4.9%（v/v）乙醇浓度的溶液。特别是后添加培养液的工艺O和P中，获得了更高的乙醇浓度。
Claims (5)
1.一种用甘薯废弃物制备糖和乙醇的方法，其特征在于，包含以下步骤：
（1）取甘薯废渣，以干重计，加水配成质量百分比为8%～35%的溶液，或者，取固形物含量为10wt%～30wt%的甘薯废渣湿渣，制得预处理甘薯废渣；
（2）按每公斤甘薯废渣，以干重计，添加0.1升～1升的添加量向步骤（1）制得的预处理甘薯废渣中添加微生物培养液，在温度35℃～65℃的条件下，酶解1～24小时，然后按每克甘薯废渣，以干重计，添加50U～200U的α-淀粉酶，在温度80℃～90℃的条件下，水解1～3小时，然后按每克甘薯废渣，以干重计，添加50U～200U的糖化酶，在温度55℃～65℃的条件下，水解1～12小时，制得葡萄糖醪液；
（3）向步骤（2）制得的葡萄糖醪液中接入耐高温酵母，接种量为每克甘薯废渣干料添加0.001g～0.005g酵母，在30℃～40℃静置培养，进行乙醇发酵1～48小时，然后经纯化分离，制得乙醇；
所述步骤（2）中微生物培养液的制备方法如下：
将微生物菌株接种于种子培养基中，在27～35℃的条件下培养1～3天，然后按1～20%的体积比转接于产酶培养基中，在27～35℃、100～220rpm的条件下发酵培养3～7天，制得微生物培养液；
所述的微生物菌株选自：棘孢曲霉（Aspergillusaculeatus）、草酸青霉（Penicilliumoxalicum）。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的棘孢曲霉（Aspergillusaculeatus）购自美国模式培养物集存库，菌种保藏编号1015。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的草酸青霉（Penicilliumoxalicum）源自中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，菌种保藏编号CGMCC5302。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的种子培养基组分如下，均为重量百分比：
葡萄糖1～3%，蛋白胨1～3%，麸皮1～4%，玉米芯1～3%，硝酸钠0.1～0.3%，硫酸铵0.1～0.3%，磷酸二氢钾0.1～0.3%，硫酸镁0.04～0.06%，尿素0.15～0.3%，氯化钙0.1～0.3%，余量水。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的产酶培养基组分如下，均为重量百分比：
玉米芯3～5%，蛋白胨1～3%，麸皮3～5%，微晶纤维素0.4～0.6%，硝酸钠0.1～0.3%，硫酸铵0.1～0.3%，磷酸二氢钾0.1～0.3%，硫酸镁0.04～0.06%，尿素0.15～0.3%，氯化钙0.1～0.3%，吐温800.2～0.4%，余量水。
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