CN110904159A - 一种联产阿魏酰寡糖和乙醇的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种联产阿魏酰寡糖和乙醇的方法。其基本步骤如下：采用灌浆期的小麦全株作为生产原料，首先经过粉碎，低压气爆预处理，然后使用同步酶解发酵技术产生乙醇和阿魏酰寡糖。本发明选择了合适的原料，结合了预处理和生物化工转化技术，对小麦全株实现了综合利用，同时生产两种高附加值产品。
Description
技术领域
本发明属于农业生物质转化利用技术，特别涉及一种利用小麦全株为原料联产阿魏酰寡糖和乙醇方法。
背景技术
阿魏酰寡糖和低聚木糖都属于功能性低聚糖，二者的主要区别在于，阿魏酰寡糖还含有结合态阿魏酸，即，在低聚木糖(阿拉伯糖)的基础上，其侧链阿拉伯糖基通过酯键与阿魏酸相连。研究表明，低聚木糖(阿拉伯糖)能够增殖双歧杆菌，是一种有效的双歧因子；阿魏酸具有抗氧化、降血脂、抗血栓等作用，是一种强抗氧化剂，其衍生物糖酯的抗氧化作用更强。阿魏酰寡糖兼具阿魏酸和低聚木糖(阿拉伯糖)这两种物质的功能特性，且因其结构中特殊的酯键，增加了阿魏酸的水溶性，更有利于发挥其抗氧化作用，同时具有增殖有益菌、调节肠道菌群的作用。
目前，阿魏酰寡糖的生产方法主要有两大类：
一是使用麦麸等为原料，通过木聚糖酶解的方法生产，比如CN201510573811.5就公开了一种利用麦麸生产阿魏酰低聚糖的方法，CN201680028880.0公开了一种利用玉米芯等生物质原料通过水热预处理来生产阿魏酰木聚糖(改性多聚木糖)的方法。在利用麦麸生产阿魏酰寡糖的时候，原料麦麸中的其他成分，主要是淀粉，没有得到利用，原料利用率不高，有可能造成一定的环境问题。利用木质纤维素类的生物质原料时，更要面临这个问题，首先纤维素和木质素没有得到很好的利用，如果综合利用，则需要高强度的预处理条件以便使纤维素能够得到高效的酶解，同时去除木质素的屏蔽作用。这样高强度的预处理又会导致半纤维素(木聚糖)的降解程度较高，半纤维素分支结构上的乙酰基和阿魏酰基被高比率水解，最后得到的阿魏酰寡糖比例较低。
另外一种方法是利用脂肪酶将低聚木糖和阿魏酸进行聚合，生产阿魏酰寡糖，比如CN200710302444.0公开了一种以阿魏酸和麦麸中分离的低聚糖为原料，通过诺维信脂肪酶435的催化作用，合成阿魏酰低聚糖。这种方式首先要得到较高纯度的低聚木糖，然后进行合成，合成的条件要求较高，生产成本难易控制。
发明内容
本发明的目的就是解决阿魏酰寡糖生产过程中的原料转化比例低，难以对原料综合利用，生产成本较高的难题，所公开的一种联产阿魏酰寡糖和乙醇的方法，使用全株小麦为原料，采用低强度的预处理，联产阿魏酰寡糖和乙醇，有效地解决了上述问题。
传统的木质纤维素原料的利用，主要是在粮食收获后作为农业废弃物来利用的，在这种情况下，秸秆类原料的细胞已经死亡，细胞壁结构已经固化，尤其是在干燥脱水的过程中，细胞壁会发生角质化，更加不利用生物转化，为了高效转化，必须使用酸，碱，高温等剧烈条件进行预处理。但是实际上，农作物在整体上可以用作饲料，比如清除玉米。这也提醒我们，农作物也可以整体上做为一种工业原料，从而打破原先的利用固有思维方式。我们的研究发现小麦秸秆在未成熟干燥之前更容易作为一种酶解转化的生物质原料。
本申请公开的一种联产阿魏酰寡糖和乙醇的方法，包括以下步骤(见图1)：
(1)选用合适生长期的小麦全株作为生产原料，对边试验表明，处于灌浆期和成熟期之间的小麦，包括茎、叶、麦穗和未成熟的麦籽非常适合本工艺，这时候的小麦秸秆更容易预处理，只需要使用较低强度的预处理，就可以满足纤维素的高酶解率，同时，麦籽中也有一定的淀粉含量，可以保证淀粉到葡萄糖的产量，确保乙醇的产量。灌浆期是指50％以上的植株麦穗中的籽粒尺度达到最大长度的80％，并且从籽粒中可以挤出白色汁液的日期，成熟期是指50％以上植株的籽粒变硬，呈现该品种固有特征的日期。
(2)对小麦全株进行粉碎前处理，利用粉碎机将收获的小麦全株切碎到长度为1-2cm以下。
(3)对前处理后的原料进行低压气爆预处理。将粉碎后的小麦全株，无需加水，直接加入气爆罐或者气爆预处理设备中，在压力为0.8-1.0MPa下(温度175-183℃)，停留30-300秒后爆出。
(4)对预处理后的原料进行同步酶解发酵，将原料中的木聚糖进行降解为阿魏酰寡糖和低聚木糖，将纤维素降解为葡萄糖，将其中的淀粉降解为葡萄糖，同时添加酵母将产生的葡萄糖同步转化为乙醇以减少葡萄糖对纤维素酶的抑制作用。以干生物质量为基准，同步糖化发酵时反应体系的固液比为1∶5～1∶10，纤维素酶的添加量为5-10IU/g纤维素，木聚糖酶的添加量为0.005-0.01g/g木聚糖，淀粉酶的用量为15-30IU/g淀粉，耐高温活性酵母的用量为生物质干重的0.1-0.2％。反应体系的温度根据三种酶和酵母的最适合温度适当调节在35-45℃之间。pH值调节为4.5-5.0，同步酶解发酵时间为40-60h。
(5)发酵液首先通过过滤去除酶解渣，该酶解渣富含木质素，可以用作有机肥的生产得到利用，然后利用蒸馏获得乙醇，该乙醇可以作为生物质燃料得以利用，蒸馏剩余的发酵液利用活性炭吸附其中的阿魏酰寡糖，然后洗脱得到高纯度的阿魏酰寡糖。
本发明具有以下特点和优势：
1.将小麦全株作为生产原料，同时利用了小麦秸秆和小麦籽粒；
2.充分利用了未成熟小麦的特点，组合了高附加值产品阿魏酰寡糖和大宗化工产品乙醇的生产，及达到了原料的全部利用，还解决了生产成本高，产品价值低的生物质产业发展难题。
3.结合了未成熟小麦全株的特点，使用了低强度气爆(预处理强度3.0左右，远低于秸秆类一般的处理强度3.0-4.2)，从而避免了预处理过程中产生糠醛，5-甲基糠醛等发酵抑制物，使发酵容易进行，发酵废水容易处理和再利用。
附图说明
图1生产流程图，1，小麦全株，2，粉碎前处理，3，粉碎后的小麦全株，4，低压气爆处理，5，气爆处理后的小麦全株原料，6，淀粉酶、纤维素酶、木聚糖酶和酵母，7，同步酶解发酵，8，发酵液，9，过滤，10，发酵渣，11，滤液，12，蒸馏，13，乙醇，14，蒸馏液，15活性炭吸附分析离，16，阿魏酰寡糖。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
选用河南安阳种植的豫农416小麦品种，在乳熟期全株收获作为阿魏酰寡糖和乙醇的生产原料。首先对小麦全株进行粉碎前处理，将小麦全株切碎到长度为1cm以下。然后使用QB-200型汽爆工艺试验台低压气爆预处理。原料直接加入设备中，在压力为0.8MPa下，停留300秒后爆出。对预处理后的原料进行同步酶解发酵，以干生物质量为基准，同步糖化发酵时反应体系的固液比为1∶5，纤维素酶的添加量为10IU/g纤维素，木聚糖酶的添加量为0.01g/g木聚糖，淀粉酶的用量为15IU/g淀粉，安琪耐高温活性酵母的用量为生物质干重的0.1％。反应体系的温度根据三种酶和酵母的最适合温度适当调节在40℃。pH值调节为5.0，同步酶解发酵时间为60h。发酵完成后，发酵液首先通过过滤去除酶解渣，然后利用蒸馏获得乙醇，蒸馏剩余的发酵液利用活性炭吸附其中的阿魏酰寡糖，然后洗脱得到高纯度的阿魏酰寡糖。乙醇产量为26.7g/100g原料，阿魏酰寡糖的产量为15.2g/100g原料。
实施例2
选用河南安阳种植的豫农186小麦品种，在乳熟期全株收获作为阿魏酰寡糖和乙醇的生产原料。首先对小麦全株进行粉碎前处理，将小麦全株切碎到长度为2cm以下。然后使用LB-X系列电脑数控全自动汽爆机低压气爆预处理。原料直接加入设备中，在压力为1MPa下，停留150秒后爆出。对预处理后的原料进行同步酶解发酵，以干生物质量为基准，同步糖化发酵时反应体系的固液比为1∶10，纤维素酶的添加量为10IU/g纤维素，木聚糖酶的添加量为0.005g/g木聚糖，淀粉酶的用量为15IU/g淀粉，安琪耐高温活性酵母的用量为生物质干重的0.1％。反应体系的温度根据三种酶和酵母的最适合温度适当调节在45℃。pH值调节为5.0，同步酶解发酵时间为50h。发酵完成后，发酵液首先通过过滤去除酶解渣，然后利用蒸馏获得乙醇，蒸馏剩余的发酵液利用活性炭吸附其中的阿魏酰寡糖，然后洗脱得到高纯度的阿魏酰寡糖。乙醇产量为25.1g/100g原料，阿魏酰寡糖的产量为16.2g/100g原料。
Claims (6)
1.一种联产阿魏酰寡糖和乙醇的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)采用特定生长期的小麦全株作为生产原料；(2)对小麦全株进行粉碎前处理；(3)对前处理后的原料进行低压气爆预处理；(4)同步酶解发酵；(5)分离纯化得到阿魏酰寡糖和乙醇。
2.如权利要求1所述的一种联产阿魏酰寡糖和乙醇的方法，其特征在于，所述的小麦全株是指生长期处于灌浆期和成熟期之间的小麦地上部分，包括茎、叶、麦穗和未成熟的麦籽，灌浆期是指50％以上的植株麦穗中的籽粒尺度达到最大长度的80％，并且从籽粒中可以挤出白色汁液的日期，成熟期是指50％以上植株的籽粒变硬，呈现该品种固有特征的日期。
3.如权利要求1所述的一种联产阿魏酰寡糖和乙醇的方法，其特征在于，所述的前处理是指利用粉碎机将收获的小麦全株切碎到长度为1-2cm以下。
4.如权利要求1所述的一种联产阿魏酰寡糖和乙醇的方法，其特征在于，所述的低压气爆预处理是指将粉碎后的小麦全株使用气爆设备在压力为0.8-1.0MPa下，停留30-300秒后爆出。
5.如权利要求1所述的一种联产阿魏酰寡糖和乙醇的方法，其特征在于，所述的同步酶解发酵，是指在添加纤维素降解酶，木聚糖降解酶，淀粉酶和单纯利用葡萄糖发酵产乙醇的酵母的条件下同步将淀粉，纤维素降解为葡萄糖，半纤维素降解为阿魏酰寡糖并将葡萄糖转化为乙醇的过程。
6.如权利要求1所述的一种联产阿魏酰寡糖和乙醇的方法，其特征在于，所述的分离纯化是指利用过滤技术去除酶解渣，利用蒸馏获得乙醇，最后利用活性炭吸附获得阿魏酰寡糖。
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