CN105543289A - 一种栎属橡子单宁提取与淀粉浓醪发酵耦合方法 - Google Patents

一种栎属橡子单宁提取与淀粉浓醪发酵耦合方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种栎属橡子单宁提取与淀粉浓醪发酵耦合方法。生产过程采用“有机溶剂浸提法”、“同步糖化发酵法”、“浓醪发酵法”等技术手段。其中橡子单宁提取采用复配的乙醇水溶液浸提，这种新型浸提剂有效破坏单宁与蛋白质的连接，提高了橡子单宁脱出量，并缩短了浸提时间。橡子粉添加一定量的浸提剂在一定浸提时间下浸提多次，使橡子中单宁的含量降低到1.5％以下。浓醪发酵体系中，以脱单宁处理后的橡子粉为原料，首先通过在高固含量条件下添加液化酶高温蒸煮，糊化液化过程合并为一，有效降低发酵粘度，达到缓慢释放葡萄糖，降低葡萄糖效应的作用。最后应用同步或者分步糖化发酵，降低蒸煮能耗，缩短时间，减少废水排放，提高效益。

Description

一种栎属橡子单宁提取与淀粉浓醪发酵耦合方法
技术领域
本发明属于单宁提取技术及淀粉浓醪发酵领域，具体涉及以栎属橡子为原料，通过有机溶剂浸提方法得到单宁的同时制取橡子淀粉，并将橡子淀粉应用于浓醪发酵体系中去，实现橡子原料的综合利用。
背景技术
化石燃料的消耗与日俱增，生物燃料作为新型可再生的清洁能源日益得到人们的认可和青睐，而发酵原料成为限制生物燃料发展的主要因素。
橡子是栎类植物树种的果实，古有“木粮”、“木玉米”之称。橡子广泛分布于我国各个地区，种类繁多(栎属有60余种)，在山区、高原等地区均能生长，蕴藏量巨大，年产量在600万吨以上。橡子中含有丰富的淀粉(40％～69％)，是一种良好的可作为发酵原料的野生植物资源。
橡子中除含有大量的淀粉外，还有3.5％～11％的单宁，单宁在植物体内通常与蛋白质、多糖等以氢键和疏水键形成稳定的复合物，由于单宁这种沉淀蛋白质的特性，使得橡子原料发酵时用的酶的酶活降低，微生物生长也受到抑制，从而极大限制了橡子原料的应用。因此，单宁提取技术成为了橡子应用的关键技术之一。
CN105017433A公开了一种“一种综合利用野生橡子加工提取单宁及淀粉的工艺”，其特征是：利用干果旋剥脱壳机脱壳，采用超声波细胞破碎辅助水浸提，温度55℃，超声频率40千赫，功率500W，处理45分钟，使用六个罐逆向循环浸提，每次浸提1.5小时，每浸提6次完成提取，最后使用分级膜分离出单宁和淀粉。该发明的优点产品收率和提取率高，对环境污染小；不足之处是提取周期长，能耗高，工业化困难。
淀粉基原料浓醪发酵技术的发展日趋完善，但是以橡子为原料的浓醪发酵工艺在国内外鲜有研究。橡子淀粉浓醪发酵技术的应用推广将大大降低原料成本，代替传统的粮食作物玉米，提高原料利用率，降低能耗，减少废水排放，并显著提高效益，解决我国发酵水平偏低的难题。
橡子浓醪发酵的难点在于橡子中单宁成分的存在抑制发酵过程中使用的酶和微生物，因此需要开发一种针对栎类橡子原料的单宁提取工艺与浓醪发酵耦合的新技术，实现橡子资源的综合利用和高效转化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以栎类橡子为原料，将单宁提取工艺与淀粉浓醪发酵耦合的新方法，所述方法利用复配乙醇水溶液浸提得到单宁和淀粉，淀粉通过液化后分步或者同步糖化浓醪发酵。反应过程采取多次浸提单宁，缩短提取时间，降低能耗；剩余固体加工为淀粉，应用于浓醪发酵工艺中，降低蒸煮能耗，缩短时间，减少废水排放，大大提高经济效益。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种栎属橡子单宁提取与淀粉浓醪发酵耦合方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)取橡子干燥，脱壳，粉碎机粉碎橡仁，复配体积浓度为30％～50％的乙醇水溶液，橡子粉与复配溶剂按照1:10～1:30g/mL混合，60℃温度下，700r/min磁力搅拌，浸提3～8h，过滤，重复浸提多次，将浸提液体合并，剩余固体冷冻干燥，制成橡子粉；
(2)取橡子粉与去离子水按照混合，添加α-淀粉酶，每克橡子粉对应的α-淀粉酶的添加量为30～50U，调节pH至5.3～6.8，90℃液化60min～90min后，降温至60℃，添加糖化酶或复合糖化剂后糖化，调节pH至4.5～5.0，降温至32℃成糖化液，取酿酒活性干酵母按照质量体积比为1:6g/mL添加到20g/L葡萄糖水溶液中，35℃活化20min制成种子液，将种子液接入到上述糖化液中，摇床160r/min、32℃发酵72h。
按上述方案，发酵原料为栓皮栎、辽东栎、蒙古栎、麻栎、槲栎、锐齿槲栎、尖齿波栎、锥连栎、波罗栎、铁橡栎、高山栎等栎属植物果实中的一种或几种。
按上述方案，步骤(1)中橡子仁粉碎颗粒度为60～100目。
按上述方案，在步骤(1)中，复配的乙醇水溶液浓度为30％～50％(v/v)。
按上述方案，在步骤(1)中，橡子粉与浸提溶剂(复配乙醇水溶液)的质量体积比(g/mL)为1:10～1:30。
按上述方案，在步骤(1)中，橡子粉浸提时间为3～8h。
按上述方案，在步骤(1)中，橡子粉浸提次数为3～6次。
按上述方案，在步骤(2)中，橡子粉与去离子水的质量体积比(g/mL)为1:2.3～1:2.8。
按上述方案，在步骤(2)中，α-淀粉酶的添加量为30～50U/g橡子粉。
按上述方案，在步骤(2)中，复合糖化剂的是由糖化酶(250U/g橡子粉)、α-淀粉酶(20U/g橡子粉)、木聚糖酶(60U/g橡子粉)、酸性蛋白酶(50U/g橡子粉)、纤维素酶(60U/g橡子粉)、半纤维素酶(20U/g橡子粉)、单宁酶(0.2U/g橡子粉)中的几种复配而成。
按上述方案，在步骤(2)中，糖化时间为0min～60min。
按上述方案，在步骤(2)中，接种量(v/v)为3％～10％。
根据本发明的方法，利用栎类橡子原料，通过复配乙醇水溶液浸提单宁，复配液中的乙醇断裂氢键，破坏样品中单宁与蛋白质等的连接；复配液中的水防止醇溶性杂质溶出，与单宁竞争同溶剂乙醇结合，导致单宁脱出量减少。因此，乙醇水复配液的使用大大提高了橡子单宁脱出量。
根据本发明的方法，经脱单宁处理的橡子淀粉在浓醪发酵发酵体系下，使用了一种新型复合糖化剂，降低发酵粘度，达到缓慢释放葡萄糖，降低葡萄糖效应的作用。糖化剂中的单宁酶成分水解单宁，减少单宁对于酶、微生物菌种的影响；木聚糖酶成分破坏细胞结构，加速淀粉和蛋白溶出；酸性蛋白酶水解蛋白，增加有机氮含量，促进酵母细胞生长；纤维素酶、半纤维素酶则起到破坏细胞壁结构，产生可发酵糖的作用。
通过橡子单宁的脱除技术与橡子淀粉浓醪发酵工艺的耦合，大大降低了橡子中单宁的含量，减少了单宁对于橡子淀粉发酵过程的影响，使橡子淀粉能更好的应用于浓醪发酵，同时得到单宁作为高附加值产品。本发明的方法优化了改良了单宁浸提方法，缩短了单宁浸提的时间，使用浓醪发酵降低发酵中蒸煮能耗，减少废水排放，大大提高经济效益。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的实质性内容，结合实例作详细说明，但并不以此限制本发明。本发明的保护范围以所附的权利要求书为准。
实施例1
取干燥栓皮栎橡子，脱壳，粉碎过100目筛，称取50g置于500mL锥形瓶，配制40％乙醇(v/v)为浸提剂，按照1:20的质量体积比(g/mL)将橡子粉与浸提剂混合，磁力搅拌700r/min，60℃，搅拌浸提3h，过滤，重复浸提3次，合并三次浸提液，Folin-Denis法测定三次单宁累计提取率81.1％，橡子单宁残余量1.4％。剩余固体冷冻干燥，称取30g置于250mL锥形瓶(另取等量原始未经脱单宁处理的橡子淀粉作为对照，同步进行以下操作做对比)，按照1：2.3质量体积比(g/mL)添加去离子水，调节pH5.3～6.8，加入α-淀粉酶(30U/g橡子粉)，90℃液化90min，后降温至60℃，添加复合糖化剂(糖化酶250U/g橡子粉、α-淀粉酶20U/g橡子粉、木聚糖酶60U/g橡子粉、酸性蛋白酶50U/g橡子粉、纤维素酶60U/g橡子粉、半纤维素酶20U/g橡子粉、单宁酶0.2U/g橡子粉)，调节pH至4.5～5.0，降温至32℃，得到糖化液，取酿酒活性干酵母1:6的质量体积比(g/mL)添加到20g/L葡萄糖水溶液中，35℃活化20min制成种子液，按照10％接种量(v/v)将种子液接入糖化液，摇床160r/min、32℃发酵72h得到发酵醪液。经测定，实验组发酵过程中液化液DE值14.1，淀粉利用率87.1％，乙醇产量98.9g/L；对照组发酵过程中液化液DE值13.0，淀粉利用率71.1％，乙醇产量72.5g/L。对比发现，橡子经过脱单宁处理及浓醪发酵工艺，效果显著，减少了单宁对于发酵的影响的同时提高了液化DE值、淀粉利用率和乙醇产量。
实施例2
取干燥栓皮栎橡子，脱壳，粉碎过80目筛，称取50g置于500mL锥形瓶，配制50％乙醇(v/v)为浸提剂，按照1:10的质量体积比(g/mL)将橡子粉与浸提剂混合，磁力搅拌700r/min，60℃，搅拌浸提8h，过滤，重复浸提6次，合并六次浸提液，Folin-Denis法测定三次单宁累计提取率85.6％，橡子单宁残余量1.1％。剩余固体冷冻干燥，称取30g置于250mL锥形瓶，按照1：2.3质量体积比(g/mL)添加去离子水，调节pH5.3～6.8，加入α-淀粉酶(50U/g橡子粉)，90℃液化90min，后降温至60℃，添加糖化酶250U/g橡子粉，调节pH至4.5～5.0，降温至32℃，得到糖化液，取酿酒活性干酵母1:6的质量体积比(g/mL)添加到20g/L葡萄糖水溶液中，35℃活化20min制成种子液，按照10％接种量(v/v)将种子液接入糖化液，摇床160r/min、32℃发酵72h得到发酵醪液。经测定，发酵过程中液化DE液值14.6，淀粉利用率84.5％，乙醇产量86.4g/L。
实施例3
取干燥栓皮栎橡子，脱壳，粉碎过60目筛，称取50g置于500mL锥形瓶，配制30％乙醇(v/v)为浸提剂，按照1:30的质量体积比(g/mL)将橡子粉与浸提剂混合，磁力搅拌700r/min，60℃，搅拌浸提6h，过滤，重复浸提5次，合并五次浸提液，Folin-Denis法测定三次单宁累计提取率82.3％，橡子单宁残余量1.31％。剩余固体冷冻干燥，称取30g置于250mL锥形瓶，按照1：2.8质量体积比(g/mL)添加去离子水，调节pH5.3～6.8，加入α-淀粉酶(30U/g橡子粉)，90℃液化90min，后降温至60℃，添加复合糖化剂(糖化酶250U/g橡子粉、α-淀粉酶20U/g橡子粉、木聚糖酶60U/g橡子粉、酸性蛋白酶50U/g橡子粉、纤维素酶60U/g橡子粉、半纤维素酶20U/g橡子粉、单宁酶0.2U/g橡子粉)，搅拌糖化30min，调节pH至4.5～5.0，降温至32℃，得到糖化液，取酿酒活性干酵母1:6的质量体积比(g/mL)添加到20g/L葡萄糖水溶液中，35℃活化20min制成种子液，按照10％接种量(v/v)将种子液接入糖化液，摇床160r/min、32℃发酵72h得到发酵醪液。经测定，发酵过程中液化液DE值14.0，糖化液DE值43.3，淀粉利用率71.4％，乙醇产量73g/L。
实施例4
取干燥栓皮栎橡子，脱壳，粉碎过100目筛，称取50g置于500mL锥形瓶，配制40％乙醇(v/v)为浸提剂，按照1:20的质量体积比(g/mL)将橡子粉与浸提剂混合，磁力搅拌700r/min，60℃，搅拌浸提3h，过滤，重复浸提三次，合并三次浸提液，Folin-Denis法测定三次单宁累计提取率81.1％，橡子单宁残余量1.4％。剩余固体冷冻干燥，称取30g置于250mL锥形瓶，按照1：2.5质量体积比(g/mL)添加去离子水，调节pH5.3～6.8，加入α-淀粉酶(50U/g橡子粉)，90℃液化90min，后降温至60℃，添加糖化酶250U/g橡子粉，搅拌糖化60min，调节pH至4.5～5.0，降温至32℃，得到糖化液，取酿酒活性干酵母1:6的质量体积比(g/mL)添加到20g/L葡萄糖水溶液中，35℃活化20min制成种子液，按照3％接种量(v/v)将种子液接入糖化液，摇床160r/min、32℃发酵72h得到发酵醪液。经测定，发酵过程中液化液DE值14.4，糖化液DE值47.5，淀粉利用率64.8％，乙醇产量66.3g/L。
实施例5
取干燥栓皮栎橡子，脱壳，粉碎过100目筛，称取50g置于500mL锥形瓶，配制40％乙醇(v/v)为浸提剂，按照1:20的质量体积比(g/mL)将橡子粉与浸提剂混合，磁力搅拌700r/min，60℃，搅拌浸提3h，过滤，重复浸提三次，合并三次浸提液，Folin-Denis法测定三次单宁累计提取率81.1％，橡子单宁残余量1.4％。剩余固体冷冻干燥，称取30g置于250mL锥形瓶，按照1：2.8质量体积比(g/mL)添加去离子水，调节pH5.3～6.8，加入α-淀粉酶(40U/g橡子粉)，90℃液化90min，后降温至60℃，添加糖化酶250U/g橡子粉，搅拌糖化60min，调节pH至4.5～5.0，降温至32℃，得到糖化液，取酿酒活性干酵母1:6的质量体积比(g/mL)添加到20g/L葡萄糖水溶液中，35℃活化20min制成种子液，按照6％接种量(v/v)将种子液接入糖化液，摇床160r/min、32℃发酵72h得到发酵醪液。经测定，发酵过程中液化液DE值14.5，糖化液DE值46.4，淀粉利用率68.1％，乙醇产量70.2g/L。
以上的实施例中，将所用栓皮栎橡子替换为辽东栎、蒙古栎、麻栎、槲栎、锐齿槲栎、尖齿波栎、锥连栎、波罗栎、铁橡栎、高山栎等栎属植物橡子，重复上述实验，所得结果相似。

Claims (7)

1.一种栎属橡子单宁提取与淀粉浓醪发酵耦合方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)取橡子干燥，脱壳，粉碎机粉碎橡仁，复配体积浓度为30％～50％的乙醇水溶液，橡子粉与复配溶剂按照1:10～1:30g/mL混合，60℃温度下，700r/min磁力搅拌，浸提3～8h，过滤，重复浸提多次，将浸提液体合并，剩余固体冷冻干燥，制成橡子粉；
(2)取橡子粉与去离子水按照混合，添加α-淀粉酶，每克橡子粉对应的α-淀粉酶的添加量为30～50U，调节pH至5.3～6.8，90℃液化60min～90min后，降温至60℃，添加糖化酶或复合糖化剂后，调节pH至4.5～5.0，降温至32℃成糖化液，取酿酒活性干酵母按照质量体积比为1:6g/mL添加到20g/L葡萄糖水溶液中，35℃活化20min制成种子液，将种子液接入到上述糖化液中，摇床160r/min、32℃发酵72h。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，发酵原料为栓皮栎、辽东栎、蒙古栎、麻栎、槲栎、锐齿槲栎、尖齿波栎、锥连栎、波罗栎、铁橡栎、高山栎果实中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中橡子仁粉碎颗粒度为60～100目。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，橡子粉浸提次数为3～6次。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，橡子粉与去离子水的质量体积比为1:2.3～1:2.8g/mL。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，复合糖化剂的是由糖化酶、α-淀粉酶、木聚糖酶、酸性蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶、单宁酶中的几种复配而成，添加量为250U：20U：60U：50U：60U：20U:0.2U；每克橡子粉对应的糖化酶加入量为250U。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，接种量按照体积接种量计算为3％～10％。
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