CN106701310B - 一种绿藻生物质资源的综合利用方法 - Google Patents

一种绿藻生物质资源的综合利用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种绿藻生物质资源的综合利用方法。该方法具体为：绿藻采集后，洗涤干净，去除杂质，干燥，机械粉碎。采用低沸点有机溶剂提取绿藻油脂，反应结束后固液分离。有机溶液层蒸发浓缩得到粗油脂，固体绿藻残渣用于蛋白酶酶水解反应，以去除绿藻中的蛋白质组分。酶解反应结束后固液分离，富含氨基酸和多肽组分的酶解液可混合于动物饲料中，提高饲料品质。分析表明固体绿藻酶解残渣主要为多聚糖纤维成分，可用于可再生纤维材料的开发。本发明充分利用了绿藻中的三大有效组分，是提高绿藻附加值、保护水体环境的有效途径之一。

Description

一种绿藻生物质资源的综合利用方法
技术领域
本发明涉及生物质可再生能源与材料领域，具体涉及一种绿藻生物质资源的综合利用方法。
背景技术
绿藻是一种常见的藻类，广泛分布于各地淡水湖泊或沿海浅水域。绿藻成熟期后，可在水面上形成一个厚度达10～20 cm的覆盖层，很多水域的覆盖度常常可达100%。成熟基体进入水体底部，细菌参与分解，此过程消耗大量的氧气，甚至会消耗水体底部所有的氧气，破坏整个水体生态系统的可持续循环过程。绿藻的大量繁殖和生长，已经成为一个全球的问题，美国（五大湖区）、印度尼西亚、菲律宾、澳大利亚等都有绿藻生长危机生态环境的报道。从水体中捞取的绿藻体，若不处理，会造成环境污染和资源浪费。作为一种可再生的、生长繁殖快速的生物质资源，对其高效开发利用，不仅可以减少环境污染，而且可以提高绿藻的附加值，对保护水体环境和提高农民收入均有重要意义。公开号为CN103497902B的发明公开了一种生物质绿藻刚毛藻的综合利用方法，利用了刚毛藻的营养成分蛋白质和多糖，以发酵工艺为基础生产高蛋白饲料和生物乙醇，但缺少了对藻体中油脂的提取和利用。本发明将以高效利用生物质资源绿藻的油脂、蛋白质和聚糖三大有效成分为目的，不经发酵工艺，提高绿藻的附加值。
发明内容
本发明的目的是提供一种绿藻生物质资源的综合利用方法，该方法包括绿藻油脂提取、蛋白质酶水解、绿藻聚糖组分利用等工段，高效综合利用绿藻中的有效组分，实现绿藻高附加值的开发与利用，减少绿藻对水体环境的污染与破坏，保持生态平衡的可持续绿色发展。
为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案。
一种绿藻生物质资源的综合利用方法，包括以下步骤：
（1）采集可再生生物质绿藻，洗涤干净，去除杂质，自然风干，机械磨碎，得绿藻粉末；
（2）用有机溶剂提取绿藻粉末中的油脂，提取结束后固液分离，将所得液体有机溶液层蒸发浓缩得到绿藻油脂；
（3）将步骤（2）分离所得固体绿藻粉末进行蛋白酶酶解反应，去除其中蛋白质组分，酶解反应结束后固液分离，所得液体为富含多肽和氨基酸组分的酶解液，所得固体残渣主要为多聚糖纤维组分。
优选的，步骤（1）所述可再生生物质绿藻采集于淡水湖泊、河流或者浅海水域。
优选的，步骤（1）所述可再生生物质绿藻为刚毛藻属、水绵属、栅藻属等多细胞或者单列细胞绿藻。
优选的，步骤（2）所述的有机溶剂为低沸点的有机溶剂，如正己烷、乙醚、石油醚等。
优选的，步骤（2）所述提取是将绿藻粉末和有机溶剂以固液比1:5~1:50（w/w）置于索氏抽提器中抽提2~6h，1h内虹吸次数不低于4次。抽提反应结束，固液分离。采用旋转蒸发仪分离、浓缩有机溶液层，得到绿藻粗油脂。
优选的，步骤（2）中回收分离出的有机溶剂继续回用于绿藻的油脂提取。
优选的，步骤（2）所述绿藻油脂为绿藻粉末的8~20wt%，采用甲酯化方法分析得到的绿藻油脂成分，GC/MS分析结果表明该绿藻油脂含有棕榈酸酯、硬脂酸酯和油酸酯。
优选的，步骤（3）所述酶解反应是将固体绿藻粉末、蛋白酶与pH为3.0~5.0的缓冲溶液以固液比1:3~1:10（w/w）置于转速为100~200 rpm、温度为 45~55℃的摇床中反应4~8h；所述蛋白酶用量为固体绿藻粉末的1~15wt%，所述缓冲溶液为醋酸-醋酸钠或者柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液。
优选的，步骤（3）所述固体残渣的质量为固体绿藻粉末的20~30wt %。
优选的，步骤（3）中，酶解前后绿藻中的蛋白质含量，通过氮元素分析仪检测氮元素含量计算得出，酶解的蛋白的质量为酶解前绿藻中的蛋白质的25~30 wt%。
优选的，步骤（3）所述的多聚糖纤维为纤维素和半纤维素，经过离子色谱分析表明主要为木聚糖和葡聚糖。
优选的，步骤（3）所述富含多肽和氨基酸组分的酶解液可混合于动物饲料中提高动物饲料的品质；所述多聚糖纤维组分可用于可再生纤维材料的开发。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与效果：
1、本发明的方法简单，不经发酵工艺，用于提取油脂的有机溶剂可回收循环利用。
2、本发明高效分离绿藻中的油脂、蛋白质和聚糖三大有效组分，提高绿藻附加值，减少绿藻对水体生态平衡的危害，是保护水体环境的有效途径之一。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
将采集于淡水湖泊的绿藻，洗涤干净，去除杂质，干燥，机械粉碎。采用低沸点有机溶剂正己烷萃取绿藻（0.5 kg）中的油脂，固液比为1:5（w/w），置于索氏抽提器中，保持1h虹吸5次，抽提2小时。抽提反应结束后固液分离，采用旋转蒸发仪浓缩有机溶液层，得到绿藻粗油脂为8 wt%（绿藻粗油脂/绿藻）。回收的有机溶剂继续用于后续的油脂提取。采用甲酯化方法分析得到的绿藻粗油脂成分，主要包括棕榈酸酯（34.0 %）、硬脂酸酯（33.0%）、油酸酯（27.0%）和亚油酸脂（8.0%），百分比均指各种油脂质量占粗油脂质量的比例。提取油脂后的绿藻残渣进行蛋白酶水解反应，固液比为1:3（w/w），在pH为3.0的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中进行，蛋白酶用量为绿藻残渣的1wt%，酶解温度为 45 ℃，酶解时间为4 h，反应置于摇床中，转速为100 rpm。反应结束得出酶水解的蛋白质质量为25.0 %（w/w）。蛋白质被水解为多肽和氨基酸，将此酶解液纯化后混合于动物饲料中，可提高动物饲料有效营养成分氨基酸含量16.0 %。得到的残渣质量为原料的30 %，通过离子色谱检测该残渣主要为纤维素和半纤维素等聚糖，具体为葡聚糖（92.6%）、木聚糖（0.8 %），其中百分比均指聚糖质量占残渣质量的比例。
实施例2
将采集于河流的绿藻，洗涤干净，干燥，机械粉碎。采用低沸点有机溶剂正己烷萃取绿藻（0.6 kg）中的油脂，固液比为1:50（w/w），置于索氏抽提器中，保持1h虹吸次数4次，抽提6小时。抽提反应结束后固液分离，采用旋转蒸发仪浓缩有机溶液层，得到绿藻粗油脂为20 wt%（绿藻粗油脂/绿藻）。回收的有机溶剂继续用于后续的油脂提取。采用甲酯化方法分析得到的绿藻粗油脂成分，主要包括棕榈酸酯（34.7%）、硬脂酸酯（32.0%）、油酸酯（26.1%）和亚油酸脂（8.3%），百分比均指各种油脂质量占粗油脂质量的比例。提取油脂后的绿藻残渣进行蛋白酶水解反应，固液比为1:10（w/w），在pH为4.5的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中进行，蛋白酶用量为绿藻残渣的15wt%，酶解温度为 45 ℃，酶解时间为8 h，反应置于摇床中，转速为200 rpm。反应结束得出酶解的蛋白质质量为30.0 %（w/w）。蛋白质被水解为多肽和氨基酸，将此酶解液纯化后混合于动物饲料中，可提高动物饲料有效营养成分氨基酸含量24.0 %。得到的残渣质量为原料的20 %，通过离子色谱检测该残渣主要为纤维素和半纤维素等聚糖，具体为葡聚糖（93.1%）、木聚糖（0.5%），其中百分比均指聚糖质量占残渣质量的比例。
实施例3
将采集于浅海水域的绿藻，洗涤干净，干燥，机械粉碎。采用低沸点有机溶剂正己烷萃取绿藻（0.5 kg）中的油脂，固液比值为1:25（w/w），置于索氏抽提器中，保持1h虹吸次数5次，抽提4.5小时。抽提反应结束后固液分离，采用旋转蒸发仪浓缩有机溶液层，得到绿藻粗油脂为16.5 wt%（绿藻粗油脂/绿藻）。回收的有机溶剂继续用于后续的油脂提取。采用甲酯化方法分析得到的绿藻粗油脂成分，主要包括棕榈酸酯（34.3%）、硬脂酸酯（32.6%）、油酸酯（27.1%）和亚油酸脂（8.1%），百分比均指各种油脂质量占粗油脂质量的比例。提取油脂后的绿藻残渣进行蛋白酶水解反应，固液比为1:8（w/w），在pH为5.0的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中进行，蛋白酶用量为绿藻残渣的12wt%，酶解温度为 50 ℃，酶解时间为6 h，反应置于摇床中，转速为150 rpm。反应结束得出酶解的蛋白质质量为28.0 %（w/w），蛋白质被水解为多肽和氨基酸，将此酶解液纯化后混合于动物饲料中，可提高动物饲料有效营养成分氨基酸含量21.0 %。得到的残渣质量为原料的23.0 %，通过离子色谱检测该残渣主要为纤维素和半纤维素等聚糖，具体为葡聚糖（92.9%）、木聚糖（0.7%），其中百分比均指聚糖质量占残渣质量的比例。
实施例4
将采集于淡水湖泊的绿藻，洗涤干净，干燥，机械粉碎。采用低沸点有机溶剂正己烷萃取绿藻（0.5 kg）中的油脂，固液比值为1:30（w/w），置于索氏抽提器中，保持1h虹吸次数5次，抽提3小时。抽提反应结束后固液分离，采用旋转蒸发仪浓缩有机溶液层，得到绿藻粗油脂为15.0 wt%（绿藻粗油脂/绿藻）。回收的有机溶剂继续用于后续的油脂提取。采用甲酯化方法分析得到的绿藻粗油脂成分，主要包括棕榈酸酯（33.8%）、硬脂酸酯（33.1%）、油酸酯（26.8%）和亚油酸脂（7.8%），百分比均指各种油脂质量占粗油脂质量的比例。提取油脂后的绿藻残渣进行蛋白酶水解反应，固液比为1:6（w/w），在pH为4.0的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中进行，蛋白酶用量为绿藻残渣的6wt%，酶解温度为 50 ℃，酶解时间为5 h，反应置于摇床中，转速为150 rpm。反应结束得出酶解的蛋白质质量为26.0 %（w/w），蛋白质被水解为多肽和氨基酸，将此酶解液纯化后混合于动物饲料中，可提高动物饲料有效营养成分氨基酸含量18.0 %。得到的残渣质量为原料的的28.0 %，通过离子色谱检测该残渣主要为纤维素和半纤维素等聚糖，具体为葡聚糖（91.4 %）、木聚糖（0.9 %），其中百分比均指聚糖质量占残渣质量的比例。
实施例5
将采集于浅海水域的绿藻，洗涤干净，干燥，机械粉碎。采用低沸点有机溶剂正己烷萃取绿藻（0.6 kg）中的油脂，固液比值为1:10（w/w），置于索氏抽提器中，保持1h虹吸次数6次，抽提5小时。抽提反应结束后固液分离，采用旋转蒸发仪浓缩有机溶液层，得到绿藻粗油脂为10.6 wt%（绿藻粗油脂/绿藻）。回收的有机溶剂继续用于后续的油脂提取。采用甲酯化方法分析得到的绿藻粗油脂成分，主要包括棕榈酸酯（34.0%）、硬脂酸酯（33.5%）、油酸酯（27.3%）和亚油酸脂（8.0%），百分比均指各种油脂质量占粗油脂质量的比例。提取油脂后的绿藻残渣进行蛋白酶水解反应，固液比为1:9（w/w），在pH为3.5的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中进行，蛋白酶用量为绿藻残渣的12wt%，酶解温度为 45℃，酶解时间为5 h，反应置于摇床中，转速为180 rpm。反应结束得出酶解的蛋白质质量为27.0 %（w/w），蛋白质被水解为多肽和氨基酸，将此酶解液纯化后混合于动物饲料中，可提高动物饲料有效营养成分氨基酸含量19.0 %。得到的残渣质量为原料的26.0 %，通过离子色谱检测该残渣主要为纤维素和半纤维素等聚糖，具体为葡聚糖（90.2%）、木聚糖（1.0%），其中百分比均指聚糖质量占残渣质量的比例。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种绿藻生物质资源的综合利用方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）采集可再生生物质绿藻，洗涤干净，去除杂质，自然风干，磨碎，得绿藻粉末；所述可再生生物质绿藻为刚毛藻属、水绵属和栅藻属中的一种以上；
（2）用有机溶剂提取绿藻粉末中的油脂，提取结束后固液分离，将所得液体有机溶液层蒸发浓缩得到绿藻油脂；所述的有机溶剂为正己烷、乙醚或石油醚；所述提取是将绿藻粉末和有机溶剂以固液比1:5~1:50置于索氏抽提器中抽提2~6h，1h内虹吸次数不低于4次；所述绿藻油脂的质量占绿藻粉末质量的8~20%，采用甲酯化方法分析表明该绿藻油脂含有棕榈酸酯、硬脂酸酯和油酸酯；
（3）将步骤（2）分离所得绿藻残渣进行蛋白酶酶解反应，酶解反应结束后固液分离，所得液体为富含多肽和氨基酸组分的酶解液，所得固体残渣主要为多聚糖纤维组分；所述酶解反应是将固体绿藻粉末、蛋白酶与pH为3.0~5.0的缓冲溶液混合，调整混合物中固液比为1:3~1:10，置于转速为100~200 rpm、温度为 45~55℃的摇床中反应4~8 h；所述蛋白酶的用量为固体绿藻粉末的1~15wt%，所述缓冲溶液为醋酸-醋酸钠或者柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液；所述固体残渣的质量为固体绿藻粉末的20~30wt %；酶解的蛋白的质量为酶解前绿藻中的蛋白质的25~30 wt%；所述的多聚糖纤维为纤维素和半纤维素，经过离子色谱分析表明主要为木聚糖和葡聚糖。
2.根据权利要求1所述的一种绿藻生物质资源的综合利用方法，其特征在于，步骤（3）所述富含多肽和氨基酸组分的酶解液混合于动物饲料中提高动物饲料的品质；所述多聚糖纤维组分用于可再生纤维材料中。
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