CN111455011A - 一种梯度酶解餐厨固渣提取多肽的方法 - Google Patents

一种梯度酶解餐厨固渣提取多肽的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种梯度酶解餐厨固渣提取多肽的方法，属于餐厨垃圾资源化利用领域。本发明采用梯度酶解法提取回收餐厨固渣中的蛋白类物质，定向地将固相中的蛋白类物质分解转化可溶于水的多肽。本发明采用梯度酶解餐厨固渣获得的多肽提取液中多肽浓度和含量都较高且组成氨基酸种类齐全，可以用作液态肥料、多肽培养基添加剂和土壤改良剂等。此外，梯度酶解餐厨固渣，使餐厨固渣的体积减少，在分离回收餐厨中有机质的同时，也使得餐厨垃圾减量化。

Description

一种梯度酶解餐厨固渣提取多肽的方法
技术领域
本发明涉及一种梯度酶解餐厨固渣提取多肽的方法，属于餐厨垃圾资源化利用领域。
背景技术
餐厨垃圾主要包括餐饮垃圾(剩饭剩菜等)和厨余垃圾(烹饪余料等)，收集后采用湿热-离心预处理实现油脂、水、固三相分离，三相分离的餐厨固渣含丰富的有机质(主要为碳水化合物、蛋白质、粗纤维)。一方面，其组成特征导致其极易发生腐烂，会对环境造成恶劣的影响。另一方面，餐厨固渣中含有丰富的有机质，有很高的资源回收和利用价值。在当今能源、资源紧缺的现状下，餐厨垃圾的回收利用可以有效缓解这些问题，并取得良好的经济效益。
餐厨固渣是一个由水、多种有机物和无机盐组成的复杂多元多相体系，而有机质主要以固态形式存在于其中，传统的物理方法难以将其分离回收。
因此，急需一种可以分利用餐厨垃圾中丰富的资源，使之变废为宝的方法
发明内容
为了解决上述至少一个问题，本发明提供了餐厨垃圾资源化的一种新途径，本发明可以直接分离回收餐厨中蛋白类有机质并实现餐厨垃圾减量化。
酶处理技术是指利用酶的催化作用将大分子物质分解为小分子物质的转化技术，酶处理能够增强物质溶解性，酶具有特异性、所需条件较温和、效率高以及节约能源等优点。本发明通过梯度酶解技术，高效定向地将餐厨固渣中蛋白质分离提取多肽，实现餐厨固渣的高附加值利用。本发明为餐厨固渣的减量化处理、处置开辟了新的资源化途径，同时还能缓和蛋白质市场供不应求的现状。
本发明提供了一种分离提取餐厨固渣蛋白类有机质的方法，通过梯度酶解技术，高效定向地将餐厨固渣中蛋白质分离提取多肽，实现餐厨固渣的高附加值利用。本发明获得的多肽提取液经过加工后可以作为液态肥料、多肽培养基添加剂或土壤改良剂使用。
本发明的第一个目的是提供一种梯度酶解餐厨固渣提取多肽的方法，包括如下步骤：
(1)将餐厨固渣进行预处理，得到预处理之后的餐厨固渣；
(2)利用复合淀粉酶对预处理之后的餐厨固渣进行一次酶解；
(3)将一次酶解产物进行固液分离，得到一次酶解之后的固渣；
(4)利用酸性蛋白酶对步骤(3)所得固渣进行二次酶解；
(5)将二次酶解产物进行固液分离，得到二次酶解之后的上清液；即为多肽提取液。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的预处理包括灭菌和破碎，灭菌是为了杀灭餐厨垃圾含有的沙门氏菌、结核杆菌等有强烈感染性的致病菌，破碎是为了使餐厨固渣的颗粒变小，使其能够与酶充分结合，提高酶解效率，节约酶解时间。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的复合淀粉酶为中温α-淀粉酶与淀粉葡萄糖苷酶，其中，中温α-淀粉酶与淀粉葡萄糖苷酶的质量比为2-6：1。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的一次酶解过程中，需要调节含水率至75-80％。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的一次酶解过程中，调节含水率之后需要进行糊化，糊化的条件为：将含水率为75-80％的餐厨固渣置于恒温振荡摇床，在温度55-60℃、转速150-180r/min条件下振荡60-90min。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的一次酶解过程中，糊化后需要调节pH为5-7，具体是采用6mol/L的NaOH调节pH。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的一次酶解过程中，糊化后需要调节pH为6。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的一次酶解过程中，糊化之后进行酶解，酶解过程中复合酶的用量为0.4％-1％(E：S)，这里的％指的是复合淀粉酶与糊化处理后的餐厨固渣干重的质量比。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的一次酶解过程中，糊化之后进行酶解，酶解过程中中温α-淀粉酶与淀粉葡萄糖苷酶的质量比为3：1，复合淀粉酶(中温α-淀粉酶与淀粉葡萄糖苷酶的总和)的添加量为0.8％(E：S)，这里的％指的是复合淀粉酶与糊化处理后的餐厨固渣干重的质量比。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的一次酶解过程中，糊化之后进行酶解，酶解的条件为：在温度为55-60℃、转速150-180r/min条件下反应4-6h，优选的反应时间为5h。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的一次酶解过程具体为：称取20g灭菌的餐厨固渣加入锥形瓶，按4:1的料液比向锥形瓶中加水，调节含水率至80％，置于恒温振荡摇床，在温度60℃、转速150r/min条件下糊化60min；糊化后取出调节pH值至6，采用复合淀粉酶(中温α-淀粉酶+淀粉葡萄糖苷酶)酶解，酶解条件为：复合淀粉酶的添加量为0.8％(％指复合淀粉酶与糊化处理后的餐厨固渣干重的质量比)、中温α-淀粉酶：淀粉葡萄糖苷酶的质量比为3：1、温度为60℃、酶解时间为5h、搅拌速度为150r/min。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述的固液分离具体为：一次酶解结束后，取出置于90℃水浴锅中15min，将复合淀粉酶灭活；在转速为5000-6000r/min条件下离心10-15分钟，分离上清液和沉淀。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述的二次酶解过程中，先调节含水量为86％。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述的二次酶解过程中，调节含水率之后调节pH为2-7。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述的二次酶解过程中，调节含水率之后调节pH为3-5。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述的二次酶解过程中，调节含水率之后调节pH为4。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述的二次酶解过程中，调节pH之后采用酸性蛋白酶进行酶解。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述的二次酶解的条件为：酸性蛋白酶的添加量为1-9％(E：S)，其中％代表酶与步骤(3)所得固渣干重的质量比。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述的二次酶解的条件为：酸性蛋白酶的添加量为3％(E：S)，其中％代表酶与步骤(3)所得固渣干重的质量比。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述的二次酶解的条件为：酶解温度为40-60℃。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述的二次酶解的条件为：酶解温度为50-55℃。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述的二次酶解的条件为：酶解温度为50℃。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述的二次酶解的条件为：酶解时间为2-10h。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述的二次酶解的条件为：酶解时间为4-10h。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述的二次酶解的条件为：酶解时间为4h。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述的二次酶解的条件为：搅拌速度为150-180r/min。
在本发明的一种实施方式中，步骤(5)所述将二次酶解产物进行固液分离具体为：二次酶解结束后，取出置于90℃水浴锅中15min，将蛋白酶灭活；在转速为5000r/min，温度为4℃条件下离心10分钟，分离上清液和沉淀，上清液即为多肽提取液。
在本发明的一种实施方式中，所述的餐厨固渣为取自张家港某公司的餐厨垃圾经过机械分拣、制浆、三相分离等预处理后的固体残渣(经过了除油处理)。
在本发明的一种实施方式中，提取过程中所用的化学药剂均为分析纯；所使用的中温α-淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶、酸性蛋白酶购买于酷尔化学科技(北京)有限公司；中温α-淀粉酶提取自枯草芽孢杆菌，适用pH为4-6，适用温度为50-60℃，酶活为4U/mg；淀粉葡萄糖苷酶提取自黑曲霉，适用pH为3.5-5，适用温度为50-60℃，酶活为100U/mg；酸性蛋白酶提取自黑曲霉，适用pH为2-6，适用温度为30-50℃，酶活为50U/mg。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)一次酶解的目的是：复合淀粉酶能有效地定向酶解餐厨固渣中的淀粉，去除餐厨固渣中大部分糖类物质，能够显著减少蛋白酶酶解过程中多糖组分的溶出，避免发生美拉德反应而影响提取多肽的纯度和质量。此外，利用复合淀粉酶对餐厨固渣进行一次酶解能够破坏糖类与蛋白间的内部连接，将餐厨固渣中部分与蛋白结合的糖类分离出来，有助于二次酶解中蛋白质的分离提取。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)一次酶解之后固液分离的目的是：离心分离一次酶解溶出的糖类有机质，留下固渣进行二次酶解。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)二次酶解的目的是：利用酸性蛋白酶对步骤(3)所得分离固渣中蛋白质进一步酶解，分离餐厨固渣中的蛋白质。经过酸性蛋白酶酶解后，固渣中的大分子蛋白质转化成小分子多肽溶于液体中，从而获得多肽提取液。
本发明的第二个目的是本发明所述的一种梯度酶解餐厨固渣提取多肽的方法得到的多肽提取液。
本发明的第三个目的是本发明所述的多肽提取液在液态肥料、多肽培养基添加剂或土壤改良剂等中的应用。
在本发明的一种实施方式中，所述在液态肥料中的应用方法具体为：将本方法得到的多肽提取液直接或者浓缩后加入到液态肥料中可以加强肥料功效，促进农作物发育、生长，促进根系发达，具有明显的抗倒伏性、抗寒性、抗旱性、抗碱性和抗异常天气的作用。
在本发明的一种实施方式中，所述在多肽培养基添加剂中的应用方法具体为：将本方法得到的多肽提取液经冷冻干燥或者喷雾干燥后可获得多肽粉剂，根据用量加入到培养基作为多肽营养物质，也可以将多肽粉剂直接使用于土壤，可改良土壤。
本发明的有益效果：
(1)本发明为餐厨垃圾的处理、处置开辟了新的资源化途径，同时还能缓和蛋白质市场供不应求的现状。本发明通过梯度酶解餐厨固渣获取的多肽提取液中多肽浓度和含量分别为27±1.5g/L和77％。经检测，多肽提取液中含有17种氨基酸，其中必需氨基酸占总氨基酸的34.24％，梯度酶解餐厨固渣获得的多肽提取液多肽浓度和含量都较高且氨基酸种类齐全，可以用作液态肥料、多肽培养基添加剂和土壤改良剂等。
(2)本发明可以实现餐厨垃圾减量化处理。本发明采用梯度酶解餐厨固渣，定向地将固相中的淀粉和蛋白质等大分子有机质转化为可溶于水的小分子物质，使餐厨固渣的体积减少，在分离回收餐厨固渣中有机质的同时，也使得餐厨垃圾减量化。
附图说明
图1为实施例1的工艺流程图。
图2为实施例1中多肽提取液中氨基酸组成与占比分布图。
图3为实施例1中多肽提取液中必需氨基酸组成与占比分布图。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。
碳水化合物的测定：苯酚-硫酸法GB/T 15672-2009
粗蛋白的测定：凯氏定氮法GB/T 6432-2018
粗脂肪的测定：索氏抽提法GB 5009.6-2016
多肽含量的测定：Lowry法(Folin-酚法)GB/T 21870-2008
总固体(TS)与总挥发性固体(VS)的测定：烘干恒重法HJ 613-2011
Figure BDA0002512667150000051
Figure BDA0002512667150000052
Figure BDA0002512667150000053
实施例1：
分析餐厨固渣(取自张家港某公司的餐厨垃圾经过机械分拣、制浆、三相分离等预处理后的固体残渣)原料成分组成，固渣主要由蛋白质、糖类、油脂及其它杂质组成，其它杂质主要为粗纤维，具体如表1所示：
表1餐厨主要组成成分(g/100g干重)
Figure BDA0002512667150000054
一种梯度酶解餐厨固渣提取多肽的方法(如图1所示)，包括如下步骤：
(1)原料预处理；
取餐厨固渣原料放入研钵研磨约5min，经研磨破碎后餐厨固渣平均粒径约为99.19μm；再将破碎后的固渣放入锥形瓶，用封口膜密封，置于120℃高温灭菌锅中灭菌20min。
(2)利用复合淀粉酶对预处理之后的餐厨固渣进行一次酶解；
称取20g灭菌的餐厨固渣加入锥形瓶，按4:1的料液比向锥形瓶中加水，调节含水率至80％，置于恒温振荡摇床，在温度60℃、转速150r/min条件下糊化60min；糊化后取出调节pH值至6，采用复合淀粉酶(中温α-淀粉酶+淀粉葡萄糖苷酶)酶解，酶解条件为：复合淀粉酶添加量为0.8％(E：S)(％是指复合淀粉酶与糊化处理后的餐厨固渣的干重质量比)、中温α-淀粉酶与淀粉葡萄糖苷酶的质量比为3：1、温度60℃、酶解时间5h、搅拌速度150r/min；得到酶解产物；
(3)对步骤(2)所得产物进行固液分离；
一次酶解结束后，取出置于90℃水浴锅中15min，将复合淀粉酶灭活(将反应物置于90℃水浴锅中15min)。在转速为5000r/min条件下离心10分钟，分离上清液和沉淀。
(4)利用酸性蛋白酶对步骤(3)所得分离固渣进行二次酶解；
将步骤(3)所得分离沉淀加入锥形瓶，向锥形瓶中加水，调节含水率至86％，调节pH值至4，采用酸性蛋白酶酶解，酶解条件为：酸性蛋白酶的添加量为3％(E：S)(％指酶与步骤(3)所得固渣干重的质量比)、温度50℃、酶解时间4h、搅拌速度150r/min；得到酶解产物；
(5)对步骤(4)所得产物进行固液分离；
二次酶解结束后，取出置于90℃水浴锅中15min，将蛋白酶灭活。在转速为5000r/min，温度为4℃条件下离心10分钟，分离上清液和沉淀，上清液即为多肽提取液。
将得到的多肽提取液进行性能测试，测试结果为：多肽浓度和碳水化合物浓度分别为27±1.5g/L和8±0.5g/L，碳水化合物的去除率约为80％；多肽含量约为77％，餐厨固渣蛋白质水解率约为50％。经检测，多肽提取液中含有17种氨基酸，其中必需氨基酸占总氨基酸的34.24％(见图2、3)。经过梯度酶解后餐厨固渣总体积减少了约53％。
实施例2一次酶解中酶的比例
调整实施例1中的步骤(2)的中温α-淀粉酶与淀粉葡萄糖苷酶的质量比为表2所示，其他参数与实施例1保持一致，得到多肽提取液。将得到的多肽提取液进行性能测试，测试结果如表2所示：
表2不同的中温α-淀粉酶与淀粉葡萄糖苷酶的质量比得到的多肽提取液的性能测试
Figure BDA0002512667150000061
实施例3一次酶解中的pH
调整实施例1中的步骤(2)的pH为表3所示，其他参数与实施例1保持一致，得到多肽提取液。将得到的多肽提取液进行性能测试，测试结果如表3所示：
表3不同pH得到的多肽提取液的性能测试
pH 碳水化合物去除率(％) 多肽浓度(g/L) 餐厨固渣蛋白质水解率(％)
3 47 24±1 45
4 52 25±1 47
5 66 26±1 49
7 66 26±1 49
8 58 25±1 47
实施例4一次酶解中酶的添加量
调整实施例1中的步骤(2)的复合淀粉酶的添加量为表4所示，其他参数与实施例1保持一致，得到多肽提取液。将得到的多肽提取液进行性能测试，测试结果如表4所示：
表4不同复合淀粉酶的添加量得到的多肽提取液的性能测试
Figure BDA0002512667150000071
实施例5二次酶解中酶的添加量
调整实施例1中的步骤(4)的酸性蛋白酶的添加量为表5所示，其他参数与实施例1保持一致，得到多肽提取液。将得到的多肽提取液进行性能测试，测试结果如表5所示：
表5不同的酸性蛋白酶的添加量得到的多肽提取液的性能测试
Figure BDA0002512667150000072
实施例6二次酶解中pH
调整实施例1中的步骤(4)的pH为表6所示，其他参数与实施例1保持一致，得到多肽提取液。将得到的多肽提取液进行性能测试，测试结果如表6所示：
表6不同的pH得到的多肽提取液的性能测试
Figure BDA0002512667150000081
实施例7二次酶解中酶解的温度
调整实施例1中的步骤(4)的酶解温度为表7所示，其他参数与实施例1保持一致，得到多肽提取液。将得到的多肽提取液进行性能测试，测试结果如表7所示：
表7不同的酶解温度得到的多肽提取液的性能测试
Figure BDA0002512667150000082
实施例8二次酶解中酶解的时间
调整实施例1中的步骤(4)的酶解时间为表8所示，其他参数与实施例1保持一致，得到多肽提取液。将得到的多肽提取液进行性能测试，测试结果如表8所示：
表8不同的酶解时间得到的多肽提取液的性能测试
Figure BDA0002512667150000083
对照例1：
省略实施例1的一次酶解步骤(省略步骤(2)与(3))，其他参数与实施例1保持一致，得到多肽提取液。
将得到的多肽提取液进行性能测试，测试结果为：多肽浓度和碳水化合物浓度分别为37±2.0g/L和28±1.5g/L，多肽含量约为57％，餐厨固渣蛋白质水解率约为44％。
省略一次酶解步骤，蛋白酶直接水解餐厨固渣过程中会有大量可溶性糖溶出，得到的多肽提取液中含有大量杂质，多肽含量降低至57％，且由于餐厨固渣中部分蛋白质与糖类物质结合，使得固渣蛋白无法与蛋白酶活性中心结合，固渣蛋白的水解效率降低。
对照例2
调整实施例1中的步骤(4)的酸性蛋白酶为表9所示，其他参数与实施例1保持一致，得到多肽提取液。将得到的多肽提取液进行性能测试，测试结果如表9所示：
表9不同的蛋白酶种类得到的多肽提取液的性能测试
Figure BDA0002512667150000091
酶对底物的专一性显著地影响着酶解效率，同一底物蛋白用不同蛋白酶酶解时，酶解效果可能完全不同。如果用中性或碱性蛋白酶替代酸性蛋白酶，测试结果表明多肽提取液中的多肽浓度和固渣蛋白的水解效率都明显降低。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种梯度酶解餐厨固渣提取多肽的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将餐厨固渣进行预处理，得到预处理之后的餐厨固渣；
(2)利用复合淀粉酶对预处理之后的餐厨固渣进行一次酶解；
(3)将一次酶解产物进行固液分离，得到一次酶解之后的固渣；
(4)利用酸性蛋白酶对步骤(3)所得固渣进行二次酶解；
(5)将二次酶解产物进行固液分离，得到二次酶解之后的上清液；即为多肽提取液。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述的二次酶解中，酸性蛋白酶相对于步骤(3)所得固渣干重的添加量为1-9％。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述的二次酶解的酶解温度为40-60℃。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述的二次酶解的酶解时间为2-10h。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述的一次酶解中复合淀粉酶相对于餐厨固渣干重的添加量为0.4％-1％。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述的一次酶解中所述的复合淀粉酶为中温α-淀粉酶与淀粉葡萄糖苷酶，其中，中温α-淀粉酶与淀粉葡萄糖苷酶的质量比为2-6：1。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述的一次酶解中复合淀粉酶相对于餐厨固渣干重的添加量为0.8％；所述的复合淀粉酶为中温α-淀粉酶与淀粉葡萄糖苷酶，其中，中温α-淀粉酶与淀粉葡萄糖苷酶的质量比为3：1。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，酸性蛋白酶相对于步骤(3)所得固渣干重的添加量为3％，酶解温度为50℃，酶解时间为4h。
9.权利要求1-8任一项所述的方法得到的多肽提取液。
10.权利要求9所述的多肽提取液在液态肥料、多肽培养基添加剂或土壤改良剂中的应用。
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