CN103789362B - 一种预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，包括如下步骤：（1）原料制备：玉米经过除杂、粉碎、调浆、喷射液化和过滤；制得DE值为22%～28%的液化糖液，液化糖液中总糖含量为120～180g/L；（2）预糖化：将液化糖液加入经过消毒和灭菌的发酵罐内进行预糖化，得到发酵料液；（3）边糖化边发酵。本发明能够缩短糖化时间，进而缩短乳酸生产周期。

Description

一种预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法

技术领域

本发明涉及一种生产乳酸的方法，特别涉及一种预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法。

背景技术

乳酸是以淀粉质为原料，经微生物发酵精制而成的一种有机酸。目前我国乳酸发酵工业化生产过程中糖化和发酵工序多为分步进行，致使乳酸生产周期长，操作单元多，很难连续生产；如中国专利文献CN101851644A公开的一种利用糖清液发酵生产乳酸的方法中，原料糖清液的制备过程中，糖化至少就需要20个小时。国内外很多研究机构也进行了相关研究，但由于发酵pH的限制，且过程不易控制，糖化和发酵工序仍很难同步进行，其发酵时间长，发酵结束后的发酵液残糖高，收率低，分离纯化困难，难以工业化应用。

在现有专利和文献中，也有一些提到了同步糖化发酵生产乳酸的技术，由于原料的不同，工艺也各不相同，而由于发酵所需pH值的限制（发酵pH值通常为6.0，而这时糖化酶基本处于失活状态），同步糖化发酵不易控制，发酵液残糖高，糖利用率低，发酵液分离纯化困难，难以工业化实施。如公开的发明专利一种以木薯粉为原料生产L-乳酸的方法（申请号：201010151503.0）中提到了以木薯粉为原料同步糖化发酵生产乳酸的方法，采用向液化液中直接加入糖化酶和菌种，由于液化液中木薯粉中的少量纤维等固形物未进行分离，其发酵结束后的提纯难度较大，该方法为实验室的应用方法，发酵残糖及最终产品收率等问题限制了很难工业化应用。

公开的发明专利一种产L-乳酸的菌株及用该菌同步糖化发酵菊芋生产L-乳酸的方法（申请号：200810235365.7）中提到采用菊芋粉同步糖化发酵生产乳酸，同样是直接加入糖化酶和菌种，且为分批加料，发酵液残糖高，分离纯化困难。

公开的发明专利一种利用米根霉同步糖化发酵产乳酸的方法（申请号：201210104598.X）、一种乳酸的制备方法（申请号：201110435800.2）、一种由无患子种壳制备乳酸的方法（申请号：201110380874.0）等专利同样存在以上问题，且发酵时间长，发酵糖利用率低，分离纯化困难，难以工业化应用。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种能够缩短糖化时间，进而缩短乳酸生产周期的预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，包括如下步骤：

（1）原料制备：玉米经过除杂、粉碎、调浆、喷射液化和过滤；制得DE值为22%～28%的液化糖液，液化糖液中总糖含量为120～180g/L；

（2）预糖化：将液化糖液加入经过消毒和灭菌的发酵罐内进行预糖化，得到发酵料液；

（3）边糖化边发酵。

上述预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，在步骤（2）中：预糖化温度为60±1℃，加入质量分数为1-5%的无机酸调节液化糖液pH为4.2±1,糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶400～600U，并向发酵罐中通入无菌空气，保持罐内压力0.05-0.4Mpa，预糖化时间1-6小时。

上述预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，无机酸为盐酸、硫酸或磷酸。

上述预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，在步骤（2）中：首先向液化糖液中加入助催化剂，然后再加入无机酸调节液化糖液的pH。

上述预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，助催化剂为钠盐、钾盐、钙盐或铵盐。

上述预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，钠盐为盐酸盐、硫酸盐或磷酸盐，钾盐为盐酸盐、硫酸盐或磷酸盐，钙盐为盐酸盐、硫酸盐或磷酸盐，铵盐为盐酸盐、硫酸盐或磷酸盐。

上述预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，在液化糖液中：钠盐、钾盐、钙盐或铵盐的浓度为0.005-0.02mol/L。

上述预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，在步骤（3）中：预糖化结束后向发酵料液中加入酵母膏，并向发酵料液中加入质量分数为30%的氨水溶液或者质量分数20%-25%的氢氧化钙悬浊液以保持发酵料液的pH为6.0±0.1，待发酵料液的温度降到50±2℃时添加发酵料液总体积6%-12%的乳酸菌液，乳酸菌液的OD₆₂₀值为9.5-12，并一直保持发酵罐内温度为50±2℃，并向发酵罐内通入无菌空气，检测发酵料液的OD₆₂₀值，待发酵料液的OD₆₂₀值上升到10时，调节发酵料液pH到5.5±0.1，加入糖化酶，糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶50～100U，检测乳酸菌不再产酸，发酵结束。

本发明的有益效果是：本发明中的发酵料液是液化糖液仅经过短时间预糖化后产生的料液，正常乳酸生产过程中的糖化时间通常为36小时左右，在工业化生产过程中，糖化时间过长，占用储料罐多，易造成发酵不能连续进行。而在本发明中，预糖化时不加入助催化剂的情况下，液化糖液经过4-6个小时预糖化后产生的发酵料液，就能满足乳酸菌菌种发酵前期对还原糖的需求（在工业化生产中，乳酸菌菌种发酵前期，发酵料液DX值达到88%及以上时足以满足乳酸菌菌种生长的需要，有利于乳酸菌的繁殖和生长，不会造成发酵周期长及发酵料液残糖过高；另外，发酵料液DX值达到88%及以上时，同步糖化的情况下，后期发酵时不会发生糖供不及的情况）；预糖化时加入助催化剂的情况下，液化糖液仅经过1-4个小时预糖化后产生的发酵料液，就能满足乳酸菌菌种发酵前期对还原糖的需求；尤其是在加入磷酸铵作为助催化剂，可以大大缩短预糖化的时间，液化糖液只经过1-2个小时预糖化后产生的发酵料液，就能满足乳酸菌菌种发酵前期对还原糖的需求。在加入乳酸菌之后，发酵料液OD₆₂₀值小于10时，料液pH为6.0±0.1，这时糖化酶活性低，基本不糖化，此时发酵料液的环境适宜乳酸菌快速生长，而不利于乳酸菌产酸；在发酵料液OD₆₂₀值大于10时，这时发酵罐内的乳酸菌种已经进入稳定期，调节发酵料液pH为5.5±0.1，由于pH值的降低，一定程度限制了乳酸菌菌种的生长，但可促进乳酸菌将发酵料液中的糖转化成酸（同时乳酸菌菌种生长也需要利用料液中的糖），使得乳酸菌菌种生长与发酵产酸达到平衡状态。经过试验发现，发酵料液pH为5.5±0.1时糖化酶的活性较pH为4.2±0.1略低，但仍能进行糖化，而这时乳酸菌在发酵产酸的同时，糖化也在同时进行，糖化产生的糖与乳酸菌菌种生长消耗的糖及发酵产酸消耗的糖达到平衡状态，使得发酵与糖化连续进行；因而缩短了乳酸整体发酵时间，提高了糖酸转化率，并能实现连续工业化生产。

从加入菌种计算到发酵结束，发酵时间46小时左右，发酵料液中残总糖含量≤0.4%，残还原糖≤0.15%，糖酸转化率达到95.3%以上，由于发酵料液中残留总糖较少，经分离纯化后的产品色度低，且耐热温度高，可用于连续工业化生产。

具体实施方式

实施例1

本实施例一种预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，包括如下步骤：

（1）原料制备：玉米经过除杂、粉碎、调浆、喷射液化和过滤；制得DE值为22%的液化糖液，液化糖液中总糖含量为120g/L。

（2）预糖化：预糖化温度为59℃，将液化糖液加入经过消毒和灭菌的发酵罐内进行预糖化；加入质量分数为3%的盐酸调节液化糖液pH为4.2,糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶600U，并向发酵罐中通入无菌空气，保持罐内压力0.2Mpa，预糖化时间4小时，得到发酵料液；所得发酵料液中：DX值为88%。

（3）边糖化边发酵：预糖化结束后向发酵料液中加入酵母膏，并向发酵料液中加入质量分数为30%的氨水溶液以保持发酵料液的pH为5.9，待发酵料液的温度降到48℃时添加发酵料液总体积6%的乳酸菌液，乳酸菌液的OD₆₂₀值为10，并一直保持发酵罐内温度为48℃，并向发酵罐内通入无菌空气，检测发酵料液的OD₆₂₀值，待发酵料液的OD₆₂₀值上升到10时，调节发酵料液pH到5.5，加入糖化酶，糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶100U，检测乳酸菌不再产酸，发酵结束；发酵时间为46小时，发酵料液中残总糖含量为0.4%，残还原糖为0.15%，糖酸转化率达到95.3%。

实施例2

本实施例一种预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，包括如下步骤：

（1）原料制备：玉米经过除杂、粉碎、调浆、喷射液化和过滤；制得DE值为28%的液化糖液，液化糖液中总糖含量为180g/L；

（2）预糖化：预糖化温度为60℃，将液化糖液加入经过消毒和灭菌的发酵罐内进行预糖化；加入质量分数为2%的硫酸调节液化糖液pH为4.1,糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶600U，并向发酵罐中通入无菌空气，保持罐内压力0.1Mpa，预糖化时间6小时，得到发酵料液；所得发酵料液中：DX值为89%。

（3）边糖化边发酵：预糖化结束后向发酵料液中加入酵母膏，并向发酵料液中加入质量分数20%的氢氧化钙悬浊液以保持发酵料液的pH为6.0，待发酵料液的温度降到50℃时添加发酵料液总体积10%的乳酸菌液，乳酸菌液的OD₆₂₀值为12，并一直保持发酵罐内温度为50℃，并向发酵罐内通入无菌空气，检测发酵料液的OD₆₂₀值，待发酵料液的OD₆₂₀值上升到10时，调节发酵料液pH到5.4，加入糖化酶，糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶100U，检测乳酸菌不再产酸，发酵结束；发酵时间为47小时，发酵料液中残总糖含量为0.4%，残还原糖为0.15%，糖酸转化率达到95.3%。

实施例3

本实施例一种预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，包括如下步骤：

（1）原料制备：玉米经过除杂、粉碎、调浆、喷射液化和过滤；制得DE值为25%的液化糖液，液化糖液中总糖含量为140g/L；

（2）预糖化：预糖化温度为61℃，将液化糖液加入经过消毒和灭菌的发酵罐内进行预糖化；

首先向液化糖液中加入助催化剂，本实施例中的助催化剂为氯化钠，在液化糖液中氯化钠的浓度为0.005mol/L，再加入质量分数为1%的盐酸调节液化糖液pH为4.3,糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶400U，并向发酵罐中通入无菌空气，保持罐内压力0.4Mpa，预糖化时间3.5小时，得到发酵料液；所得发酵料液中：DX值为90%。

（3）边糖化边发酵：预糖化结束后向发酵料液中加入酵母膏，并向发酵料液中加入质量分数为30%的氨水溶液以保持发酵料液的pH为6.2，待发酵料液的温度降到52℃时添加发酵料液总体积8%的乳酸菌液，乳酸菌液的OD₆₂₀值为9.5，并一直保持发酵罐内温度为52℃，并向发酵罐内通入无菌空气，检测发酵料液的OD₆₂₀值，待发酵料液的OD₆₂₀值上升到10时，调节发酵料液pH到5.6，加入糖化酶，糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶80U，检测乳酸菌不再产酸，发酵结束；发酵时间为45小时，发酵料液中残总糖含量为0.35%，残还原糖为0.13%，糖酸转化率达到95.6%。

实施例4

本实施例一种预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，包括如下步骤：

（1）原料制备：玉米经过除杂、粉碎、调浆、喷射液化和过滤；制得DE值为28%的液化糖液，液化糖液中总糖含量为180g/L；

（2）预糖化：预糖化温度为60℃，将液化糖液加入经过消毒和灭菌的发酵罐内进行预糖化；

首先向液化糖液中加入助催化剂，本实施例中的助催化剂为硫酸钾，在液化糖液中：硫酸钾的浓度为0.01mol/L，再加入质量分数为1%的硫酸调节液化糖液pH为4.2,糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶400U，并向发酵罐中通入无菌空气，保持罐内压力0.05Mpa，预糖化时间3小时，得到发酵料液；所得发酵料液中：DX值为90%。

（3）边糖化边发酵：预糖化结束后向发酵料液中加入酵母膏，并向发酵料液中加入质量分数25%的氢氧化钙悬浊液以保持发酵料液的pH为6.0，待发酵料液的温度降到49℃时添加发酵料液总体积6%的乳酸菌液，乳酸菌液的OD₆₂₀值为9.5，并一直保持发酵罐内温度为49℃，并向发酵罐内通入无菌空气，检测发酵料液的OD₆₂₀值，待发酵料液的OD₆₂₀值上升到10时，调节发酵料液pH到5.5，加入糖化酶，糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶50U，检测乳酸菌不再产酸，发酵结束；发酵时间为45.5小时，发酵料液中残总糖含量为0.33%，残还原糖为0.12%，糖酸转化率达到95.4%。

实施例5

本实施例一种预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，包括如下步骤：

（1）原料制备：玉米经过除杂、粉碎、调浆、喷射液化和过滤；制得DE值为27%的液化糖液，液化糖液中总糖含量为175g/L；

（2）预糖化：预糖化温度为61℃，将液化糖液加入经过消毒和灭菌的发酵罐内进行预糖化；

首先向液化糖液中加入助催化剂，本实施例中的助催化剂为磷酸二氢铵，在液化糖液中：磷酸二氢铵的浓度为0.008mol/L，再加入质量分数为1%的磷酸调节液化糖液pH为4.2,糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶400U，并向发酵罐中通入无菌空气，保持罐内压力0.4Mpa，预糖化时间1小时，得到发酵料液；所得发酵料液中：DX值为93%。

（3）边糖化边发酵：预糖化结束后向发酵料液中加入酵母膏，并向发酵料液中加入质量分数为30%的氨水溶液以保持发酵料液的pH为5.9，待发酵料液的温度降到51℃时添加发酵料液总体积6%的乳酸菌液，乳酸菌液的OD₆₂₀值为11，并一直保持发酵罐内温度为51℃，并向发酵罐内通入无菌空气，检测发酵料液的OD₆₂₀值，待发酵料液的OD₆₂₀值上升到10时，调节发酵料液pH到5.6，加入糖化酶，糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶50U，检测乳酸菌不再产酸，发酵结束；发酵时间为45小时，发酵料液中残总糖含量为0.3%，残还原糖为0.10%，糖酸转化率达到95.8%。

本发明以液化糖液为原料，过滤得到液化糖液过程中所得玉米渣可以加工制作饲料，也可直接作为饲料销售，液化糖液内固形物被分离，减少发酵过程中因固形物存在造成杂菌污染发酵液的几率，利于乳酸发酵和发酵结束后的料液分离纯化。保持发酵罐内微通无菌空气，目的是为了保持罐内为正压状态，减少杂菌进入，同时无菌空气又起到搅拌作用；OD₆₂₀值上升到10时，说明菌种生长进入稳定期，可以开始进行发酵。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所引伸出的任何显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)原料制备：玉米经过除杂、粉碎、调浆、喷射液化和过滤；制得DE值为22％～28％的液化糖液，液化糖液中总糖含量为120～180g/L；

(2)预糖化：将液化糖液加入经过消毒和灭菌的发酵罐内进行预糖化，得到发酵料液；

(3)边糖化边发酵：预糖化结束后向发酵料液中加入酵母膏，并向发酵料液中加入质量分数为30％的氨水溶液或者质量分数20％-25％的氢氧化钙悬浊液以保持发酵料液的pH为6.0±0.1，待发酵料液的温度降到50±2℃时添加发酵料液总体积6％-12％的乳酸菌液，乳酸菌液的OD₆₂₀值为9.5-12，并一直保持发酵罐内温度为50±2℃，并向发酵罐内通入无菌空气，检测发酵料液的OD₆₂₀值，待发酵料液的OD₆₂₀值上升到10时，调节发酵料液pH到5.5±0.1，加入糖化酶，糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶50～100U，检测乳酸菌不再产酸，发酵结束。

2.根据权利要求1所述的预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，其特征在于，在步骤(2)中：预糖化温度为60±1℃，加入质量分数为1-5％的无机酸调节液化糖液pH为4.2±1,糖化酶的加入量按照液化糖液中每克总糖加入糖化酶400～600U，并向发酵罐中通入无菌空气，保持罐内压力0.05-0.4Mpa，预糖化时间1-6小时。

3.根据权利要求2所述的预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，其特征在于，无机酸为盐酸、硫酸或磷酸。

4.根据权利要求2所述的预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，其特征在于，在步骤(2)中：首先向液化糖液中加入助催化剂，然后再加入无机酸调节液化糖液的pH。

5.根据权利要求4所述的预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，其特征在于，助催化剂为钠盐、钾盐、钙盐或铵盐。

6.根据权利要求5所述的预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，其特征在于，钠盐为盐酸盐、硫酸盐或磷酸盐，钾盐为盐酸盐、硫酸盐或磷酸盐，钙盐为盐酸盐、硫酸盐或磷酸盐，铵盐为盐酸盐、硫酸盐或磷酸盐。

7.根据权利要求6所述的预糖化及同步糖化发酵生产乳酸的方法，其特征在于，在液化糖液中：钠盐、钾盐、钙盐或铵盐的浓度为0.005-0.02mol/L。