CN109971798A - 一种生产高浓度乳酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生产高浓度乳酸的方法,属于乳酸生产技术领域,其以挤压膨化后的玉米粉为原料,以植物乳杆菌为发酵菌种,将植物乳杆菌经过活化,扩大培养后制成发酵母液,然后将膨化玉米粉与其余添加物混合制成培养基,将发酵母液接种至培养基中进行发酵,然后分离发酵液,上清液中即含有高纯度乳酸;本发明采用的植物乳杆菌,属于同型发酵乳酸菌,属于兼性厌氧菌,在液态发酵上更有优势;此外,其菌的活菌数较其他的乳酸菌高,并且乳酸产量高;本发明在发酵过程中几乎不需要添加外源物质,成本低,并且发酵产物乳酸含量高且纯度高,更有利于后续的分离纯化。
Description
技术领域
本发明涉及乳酸生产工艺技术领域,具体涉及一种生产高浓度乳酸的方法。
背景技术
乳酸是一种含有羟基的羧酸。乳酸在食品、医药、饮料及化工行业都有广泛应用,特别是当前以乳酸为单体聚合制备的聚乳酸材料,具有优异的性能,能够替代塑料,是一种完全可降解的生物材料。聚乳酸(PLA)是一种新型的生物可降解材料,是将发酵或者合成得来的乳酸通过化学方法合成的分子量一定的聚合物,在自然界中能够被微生物降解生成二氧化碳和水,是环境友好型材料。一般来讲,乳酸是通过化学合成或微生物乳酸发酵技术来生产。最常见的乳酸合成方法是通过来自于石油中的乳腈水解生产。然而,从石油原料中化学合成的乳酸是D型和L型乳酸的混合物。目前,大约90%的乳酸是来源于微生物发酵产生,而且可以生产出光学纯L或D型乳酸。随着工业的发展,生物发酵技术的不断成熟,以及环保问题、发酵生产温度低、能量需求低和高纯度乳酸产物等原因,由微生物发酵已成为乳酸生产的主要方法。
乳酸发酵法的原料一般是玉米、大米、甘薯等淀粉质原料,乳酸发酵阶段能够产酸的乳酸菌很多,但产酸质量高的却不多。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,通过对发酵工艺进行改进,利用价格低廉、资源丰富的玉米粉为原料,生产得到高浓度乳酸。
本发明为实现上述目的,采用的技术方案如下:
一种生产高浓度乳酸的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)预处理:将玉米碴粉碎,对其进行挤压膨化,然后进行二次粉碎,过100目筛,得玉米粉,干燥备用;
(2)制备发酵母液:将植物乳杆菌用液体培养基活化,扩大培养,制成发酵母液;
(3)发酵:将步骤(1)中经膨化预处理的玉米粉加水制成发酵培养基基料,加入糖化酶、淀粉酶制剂,发酵罐中静止糖化、酶解,按比例向发酵罐中加入步骤(2)制备的发酵母液,静止液态发酵,并维持pH稳定至微酸状态;
(4)提取发酵结束后,过滤发酵液,分离上清和沉淀,优选的,用过滤网分离上清和沉淀,上清液中即含有高浓度乳酸。优选的,发酵结束后,用量筒准确量取后冰浴条件下迅速冷却,于4℃下,15000rpm/min离心,发酵液中残留的还原糖检测:还原糖以葡萄糖计,得到的上清液采用酸解法,将产物中残留的还原糖水解成葡萄糖,然后采用HPLC法测定葡萄糖浓度,经过化学计量比换算即可计算得到原上清液中还原糖的量。活性植物乳杆菌存在于沉淀中,沉淀中活性植物乳杆菌采用稀释平板涂布计数法计数。
作为本发明的进一步改进,所述步骤(1)中将预处理后的玉米粉干燥至含水率不高于15%,挤压膨化的膨化率在5~8%之间。
作为本发明的进一步改进,所述步骤(1)中挤压膨化采用挤压膨化机,膨化过程中膨化机螺杆转速为150rpm/min,加工温度为140℃。优选的,具体过程如下:(1)去皮:玉米初磨,去皮机风力去皮;(2)磨粉调配:万能粉碎机、磨粉机处理使产品颗粒达60目,调整含水量在15%左右;(3)挤压膨化:双螺杆挤压膨化机,调整螺杆转速为150rpm/min,加工温度维持在140℃左右,使其膨化率在5%~8%之间;(4)粉碎:膨化后玉米碴用万能粉碎机粉碎,使其颗粒度达100目。
作为本发明的进一步改进,所述步骤(2)中液体培养基为MRS培养基,配方如下:5%葡萄糖、1%酵母粉、2%蛋白胨,余量为水,调节pH至6.0,液体培养植物乳杆菌37℃,50rpm/min培养36h,OD600值达到3~4。
作为本发明的进一步改进,所述步骤(2)中植物乳杆菌液体培养基的pH用1M NaOH和体积浓度50%的HCl调pH至6.0。
作为本发明的进一步改进,按重量份计,所述步骤(3)中发酵培养基配方如下:玉米粉20~30份、CaCO3 10份、无水乙酸钠0.5份、KH2PO4 0.2份、MgSO4·7H2O0.05份;所添加的酶制剂以及最适酶量,以干物质量u/g计,耐高温α-淀粉酶8~10(DM),糖化酶100~300(DM)。
优选的,糖化酶添加量为100u/g(DM),淀粉酶添加量为10u/g(DM),u为糖化酶酶活,DM(Dry matter)是指膨化玉米粉干物质。
作为本发明的进一步改进,发酵过程中向发酵液中添加碱性物质为CaCO3固体,中和产生的乳酸,维持发酵过程中发酵液的pH的范围在5.5~6.0之间。
作为本发明的进一步改进,所述步骤(3)中,发酵液中添加糖化酶后静止糖化、酶解的时间为36h。
作为本发明的进一步改进,所述步骤(3)中,静止糖化、酶解过程的温度范围为60~65℃,植物乳杆菌发酵过程中温度为37℃。
与现有技术相比,本发明具有如下技术效果:
(1)玉米粉中含蛋白质约8.5%、脂肪约4.3%、糖类约73.2%、钙约0.022%、磷约.21%、铁约0.0016%,此外,还含有胡萝卜素、维生素B1、B2和尼克酸以及谷固醇、卵磷脂、维生素E、赖氨酸等。挤压膨化处理能促使淀粉分子内1,4-糖苷键断裂而生成葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖及麦芽糊精等低分子量产物,可以促进微生物的吸收;挤压对淀粉的主要作用是促使其分子间氢键断裂而糊化。糊化后的淀粉可以大量吸水膨胀,增加淀粉与酶接触的机会,从而进一步提高淀粉对微生物的生物利用率;此外,以玉米淀粉为原料利用植物乳杆菌进行发酵制备乳酸,其过程是植物乳杆菌以玉米淀粉为营养物质,将玉米淀粉吸收之后利用体内的特定物质对微生物进行分解转化,最后得到乳酸。挤压膨化后的淀粉具有蓬松的多孔结构,玉米淀粉被微生物吸收之后该特定的分解物质进入玉米淀粉的多孔结构中,由于玉米淀粉比表面积的增大,提高了与分解物质的接触面积,延长了在微生物内部的停留时间,从而提高了转化率;另外,玉米淀粉经过挤压膨化之后形成的疏松多孔的结构中含有很多的活性催化位点,这些活性位点一方面可以提高微生物的活性,另一方面还可以提高分解物质的催化活性,从而进一步提高了玉米淀粉的转化率。
挤压技术是集混合、搅拌、粉碎、加热、杀菌、膨化及成型等一体的技术,主要应用于谷物的加工。挤压膨化是将物料喂入挤压机中,借助螺杆输送,通过摩擦、高压和高温使物料经受挤压、熔融、杀菌等一系列复杂的连续化过处理,最终,物料从设备末端被挤出,压力骤然降至常态。挤压产生高温高压,使谷物成分积累大量能量,在骤释至常态时,向熵增加方向进行,发生膨化。本发明以挤压膨化的玉米粉为主要原料发酵产乳酸,基料玉米粉经膨化处理之后,会形成多孔状,利于发酵的进行。另外基料成本价格低廉,不会造成资源的浪费,符合可持续发展战略。
(2)本发明采用的植物乳杆菌,属于同型发酵乳酸菌,属于兼性厌氧菌,在液态发酵上更有优势;此外,其菌的活菌数较其他的乳酸菌高,并且乳酸产量高。
(3)本发明在发酵过程中几乎不需要添加外源物质,成本低,并且发酵产物乳酸含量高且纯度高,更有利于后续的分离纯化。
具体实施方式
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式,并非用于限制本发明。另外,对于本发明中的数值范围,应理解为还具体公开了该范围的上限值和下限值之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述的范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限值和下限值可独立地包括或排除在范围内。
另外,为了更好地说明本发明的内容,在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解,没有某些具体细节,本发明同样可以实施。在另外一些实施例中,对于本领域技术人员熟知的方法、手段未作详细描述,以便于凸显本发明的主旨。本发明中,表示原料含量的单位均基于重量份计,除非另外说明。另外,关于本发明的技术指标的测定方法均为本领域内使用标准方法,具体可参见最新的国家标准,除非另外说明。
实施例1:
玉米粒初磨,去皮机风力去皮;用万能粉碎机、磨粉机处理使产品颗粒达60目,调整含水量在15%;用双螺杆挤压膨化机,调整螺杆转速为150rpm/min,加工温度为140℃,使其膨化率在5%;膨化后玉米碴用万能粉碎机粉碎,过100目筛,干燥至含水率低于15%,得到膨化玉米粉。
配制液体培养基,即MRS培养基,配方如下:5%葡萄糖、1%酵母粉、2%蛋白胨,余量为水,调节pH至6.0,培养植物乳杆菌,培养条件:37℃,50rpm/min培养36h,OD600值达到3,制成发酵母液,即植物乳杆菌二级种子液。
配制发酵培养基,将30份膨化玉米粉与水按质量比1:10混合并添加CaCO3 10份、无水乙酸钠0.5份、KH2PO4 0.2份、MgSO4·7H2O 0.05份制成液体发酵培养基,添加酶制剂(u/g(固体原料)):α-淀粉酶9,糖化酶100,60℃静止糖化36h。将制备得到的植物乳杆菌二级种子液按5%(w/v)比例添加到糖化结束的发酵液中,调整温度保持在37℃,发酵罐转速300rpm/min,随着发酵的进行,植物乳杆菌利用发酵液中的单糖产乳酸,实时监测发酵液的pH,以1M的NaOH调节发酵液pH,使其稳定在5.5左右,从而保证乳酸的生成不会受到抑制。发酵过程持续120h。
发酵液中残留还原糖检测方法:残留还原糖以葡萄糖计,得到的上清采用酸解法,将产物中的糖水解成葡萄糖,然后采用HPLC法测定葡萄糖浓度。经检测,发酵液还原糖含量30%;乳酸含量检测采用高效液相色谱法,经检测,乳酸产量为150g/L;发酵液沉淀中活性植物乳杆菌采用稀释平板涂布计数法计数,经检测,其活菌数为20亿CFU/ml(发酵液)。
实施例2:
玉米粒初磨,去皮机风力去皮;用万能粉碎机、磨粉机处理使产品颗粒达60目,调整含水量在15%;用双螺杆挤压膨化机,调整螺杆转速为150rpm/min,加工温度为140℃,使其膨化率在5%;膨化后玉米碴用万能粉碎机粉碎,过100目筛,干燥至含水率低于15%,得到膨化玉米粉。
配制液体培养基,即MRS培养基,配方如下:5%葡萄糖、1%酵母粉、2%蛋白胨,余量为水,调节pH至6.0,培养植物乳杆菌,培养条件:37℃,50rpm/min培养36h,OD600值达到3,制成发酵母液,即植物乳杆菌二级种子液。
膨化玉米粉30份与水按质量比1:8混合,添加CaCO310份、无水乙酸钠0.5份、KH2PO40.2份、MgSO4·7H2O 0.05份制成液体发酵培养基,添加酶制剂(u/g(固体原料)):α-淀粉酶10,糖化酶200,60℃静止糖化48h。将制备得到的植物乳杆菌二级种子液按8%(w/v)比例添加到糖化结束的发酵液中,调整温度保持在37℃,发酵罐转速350rpm/min,随着发酵的进行,植物乳杆菌利用发酵液中的单糖产乳酸,实时监测发酵液的pH,以1M的NaOH调节发酵液pH,使其稳定在5.5左右,从而保障乳酸的生成不会受到抑制。发酵过程持续120h,最终得到乳酸产量为130g/L乳酸,发酵液还原糖含量35%,烘干前发酵液中活性植物乳杆菌达到18亿CFU/ml(发酵液)。
实施例3:
玉米粒初磨,去皮机风力去皮;用万能粉碎机、磨粉机处理使产品颗粒达60目,调整含水量在15%;用双螺杆挤压膨化机,调整螺杆转速为150rpm/min,加工温度为140℃,使其膨化率在5%;膨化后玉米碴用万能粉碎机粉碎,过100目筛,干燥至含水率低于15%,得到膨化玉米粉。
配制液体培养基,即MRS培养基,配方如下:5%葡萄糖、1%酵母粉、2%蛋白胨,余量为水,调节调节pH至6.0,培养植物乳杆菌,培养条件:37℃,50rpm/min培养36h,OD600值达到3,制成发酵母液,即植物乳杆菌二级种子液。
膨化玉米粉30份与水按质量比1:8混合并添加CaCO310份、无水乙酸钠0.5份、KH2PO4 0.2份、MgSO4·7H2O 0.05份,制成液体发酵培养基,添加酶制剂(u/g(固体原料)):α-淀粉酶6,糖化酶200,60℃静止糖化36h。将制备得到的植物乳杆菌二级种子液按5%(w/v)比例添加到糖化结束的发酵液中,调整温度保持在37℃,发酵罐转速300rpm/min,随着发酵的进行,植物乳杆菌利用发酵液中的单糖产乳酸,实时监测发酵液的pH,以固体CaCO3调节发酵液pH,使其稳定在5.5左右,从而保障乳酸的生成不会受到抑制。发酵过程持续96h,最终得到乳酸产量为120/L乳酸,发酵液还原糖含量38%,烘干前发酵液中活性植物乳杆菌达到15亿CFU/ml(发酵液)。
实施例4:
玉米粒初磨,去皮机风力去皮;用万能粉碎机、磨粉机处理使产品颗粒达60目,调整含水量在15%;用双螺杆挤压膨化机,调整螺杆转速为150rpm/min,加工温度为140℃,使其膨化率在5%;膨化后玉米碴用万能粉碎机粉碎,过100目筛,干燥至含水率低于15%,得到膨化玉米粉。
配制液体培养基,即MRS培养基,配方如下:5%葡萄糖、1%酵母粉、2%蛋白胨,余量为水,调节pH至6.0,培养植物乳杆菌,培养条件:37℃,50rpm/min培养36h,OD600值达到3,制成发酵母液,即植物乳杆菌二级种子液。
膨化玉米粉30份与水按质量比1:8混合并添加CaCO310份、无水乙酸钠0.5份、KH2PO4 0.2份、MgSO4·7H2O 0.05份,制成液体发酵培养基,添加酶制剂(u/g(固体原料)):α-淀粉酶10,糖化酶400,60℃静止糖化36h。将制备得到的植物乳杆菌二级种子液按10%(w/v)比例添加到糖化结束的发酵液中,调整温度保持在37℃,发酵罐转速400rpm/min,随着发酵的进行,植物乳杆菌利用发酵液中的单糖产乳酸,实时监测发酵液的pH,以1M的NaOH调节发酵液pH,使其稳定在5.0左右,从而保障乳酸的生成不会受到抑制。发酵过程持续120h,最终得到乳酸产量为130g/L乳酸,发酵液还原糖含量35%,烘干前发酵液中活性植物乳杆菌达到16亿CFU/ml(发酵液)。
实施例5:
玉米粒初磨,去皮机风力去皮;用万能粉碎机、磨粉机处理使产品颗粒达60目,调整含水量在15%;用双螺杆挤压膨化机,调整螺杆转速为150rpm/min,加工温度为140℃,使其膨化率在5%;膨化后玉米碴用万能粉碎机粉碎,过100目筛,干燥至含水率低于15%,得到膨化玉米粉。
配制液体培养基,即MRS培养基,配方如下:5%葡萄糖、1%酵母粉、2%蛋白胨,余量为水,调节pH至6.0,培养植物乳杆菌,培养条件:37℃,50rpm/min培养36h,OD600值达到3,制成发酵母液,即植物乳杆菌二级种子液。
膨化玉米粉30份与水按质量比1:8混合并添加CaCO310份、无水乙酸钠0.5份、KH2PO4 0.2份、MgSO4·7H2O 0.05份,制成液体发酵培养基,添加酶制剂(u/g(固体原料)):α-淀粉酶10,糖化酶400,60℃静止糖化36h。将制备得到的植物乳杆菌二级种子液按10%(w/v)比例添加到糖化结束的发酵液中,调整温度保持在37℃,发酵罐转速400rpm/min,随着发酵的进行,植物乳杆菌利用发酵液中的单糖产乳酸,实时监测发酵液的pH,以固体CaCO3调节发酵液pH,使其稳定在5.0左右,从而保障乳酸的生成不会受到抑制。发酵过程持续120h,最终得到乳酸产量为120/L乳酸,发酵液还原糖含量40%,烘干前发酵液中活性植物乳杆菌达到15亿CFU/ml(发酵液)。
实施例6:
与实施例1的区别仅在于,玉米粉的膨化率为8%。最终得到乳酸产量为160g/L乳酸,发酵液还原糖含量28%,烘干前发酵液中活性植物乳杆菌达到25亿CFU/ml(发酵液)。
实施例7:
与实施例1的区别仅在于,玉米粉的膨化率为7%。最终得到乳酸产量为140g/L乳酸,发酵液还原糖含量30%,烘干前发酵液中活性植物乳杆菌达到23亿CFU/ml(发酵液)。
实施例8:
与实施例1的区别仅在于,玉米粉的膨化率为6%。最终得到乳酸产量为155g/L乳酸,发酵液还原糖含量27%,烘干前发酵液中活性植物乳杆菌达到22亿CFU/ml(发酵液)。
实施例9:
与实施例1的区别仅在于,玉米粉未经膨化。最终得到乳酸产量为80g/L乳酸,发酵液还原糖含量49%,烘干前发酵液中活性植物乳杆菌达到12亿CFU/ml(发酵液)。
以上实施方式仅用于说明本发明,而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种生产高浓度乳酸的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)预处理:将玉米碴粉碎,对其进行挤压膨化,然后进行二次粉碎,过100目筛,得玉米粉,干燥备用;
(2)制备发酵母液:将植物乳杆菌用液体培养基活化,扩大培养,制成发酵母液;
(3)发酵:将步骤(1)中经膨化预处理的玉米粉加水制成发酵培养基基料,加入糖化酶、淀粉酶制剂,发酵罐中静止糖化、酶解,按比例向发酵罐中加入步骤(2)制备的发酵母液,静止液态发酵,并维持pH稳定至微酸状态;
(4)提取发酵结束后,过滤发酵液,分离上清和沉淀,上清液中即含有高浓度乳酸。
2.根据权利要求1所述的一种生产高浓度乳酸的方法,其特征在于,所述步骤(1)中将预处理后的玉米粉干燥至含水率不高于15%,挤压膨化的膨化率在5%~8%之间。
3.根据权利要求2所述的一种生产高浓度乳酸的方法,其特征在于,所述步骤(1)中挤压膨化采用挤压膨化机,膨化过程中膨化机螺杆转速为150rpm/min,加工温度为140℃。
4.根据权利要求1所述的一种生产高浓度乳酸的方法,其特征在于,所述步骤(2)中植物乳杆菌液体培养基的pH用1M NaOH和体积浓度50%的HCl调pH至6.0。
5.根据权利要求1所述的一种生产高浓度乳酸的方法,其特征在于,按重量份计,所述步骤(3)中发酵培养基配方如下:玉米粉20~30份、CaCO310份、无水乙酸钠0.5份、KH2PO40.2份、MgSO4·7H2O 0.05份;所添加的酶制剂以及最适酶量,以干物质量u/g计,耐高温α-淀粉酶8~10,糖化酶100~300。
6.根据权利要求1所述的一种生产高浓度乳酸的方法,其特征在于,发酵过程中向发酵液中添加碱性物质为CaCO3固体,中和产生的乳酸,维持发酵过程中发酵液的pH范围在5.5~6.0之间。
7.根据权利要求1所述的一种生产高浓度乳酸的方法,其特征在于,所述步骤(3)中,发酵液中添加糖化酶后静止糖化、酶解的时间为36h。
8.根据权利要求1所述的一种生产高浓度乳酸的方法,其特征在于,所述步骤(3)中,静止糖化、酶解过程的温度范围为60~65℃,植物乳杆菌发酵过程中温度为37℃。
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PB01 | Publication | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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