CN111574311A - 一种环保酵素及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及酵素生产技术领域，具体公开一种环保酵素及其制备方法和应用。所述环保酵素，包括如下质量份数的原料组分：果蔬垃圾3～6份；甘蔗1～2份；水10～20份和发酵催化剂0.03～0.10份，所述发酵催化剂为酸性氨基酸与糖类化合物制备而成的离子液体。本发明提供的环保酵素发酵效率高、发酵时间短且产量高，含有总糖、多酚、黄酮等生物活性成分，可明显改善土壤肥力，提高土壤中全氮和有机质含量。

Description

一种环保酵素及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及酵素生产技术领域，尤其涉及一种环保酵素及其制备方法和应用。
背景技术
环保酵素是一种带有酸性气味的红棕色液体，一般由蔬果市场、果园等地区的大量赘余蔬果鲜垃圾经过厌氧发酵处理后得到。环保酵素的生产极大程度上实现了生物质垃圾的二次利用，减少了资源浪费，并降低了环境污染。
目前，以果园或蔬菜市场中的赘余蔬果、果皮或蔬菜皮为原料制备环保酵素的工艺，需要经过为期三个月左右的密闭发酵处理才能得到产品。该工艺发酵时间较长且效率偏低，容易导致大量果蔬垃圾的堆存问题。因此，开发高效生产环保酵素的方法至关重要。
发明内容
针对现有环保酵素制备工艺中存在的上述技术问题，本发明提供一种环保酵素及其制备方法和应用。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种环保酵素，包括如下质量份数的原料组分：果蔬垃圾3～6份；甘蔗1～2份；水10～20份和发酵催化剂0.03～0.10份，
所述发酵催化剂为酸性氨基酸与糖类化合物制备而成的离子液体。
相对于现有技术，本发明提供的环保酵素，以果蔬垃圾和甘蔗为主要原料，采用由酸性氨基酸与糖类化合物制备而成的离子液体作为发酵催化剂，该离子液体具有良好的生物相容性，通过酸性氨基酸改善发酵环境，协助和促进微生物破坏生物质细胞壁结构及胞外聚合物，同时，在发酵过程中能够与果蔬垃圾和甘蔗中的大量结晶态的纤维素反应，促进纤维素的去结晶化，加快纤维素糖转化速率，得到更适合微生物生长的环境条件。离子液体与厌氧发酵过程中自然产生的微生物相互配合，提高发酵效率、缩短发酵时间，并提高酵素产量。本发明所得环保酵素含有总糖、多酚、黄酮等生物活性成分。
进一步地，所述离子液体中酸性氨基酸与糖类化合物的质量比为3～8:1。
进一步地，所述酸性氨基酸为天冬氨酸或谷氨酸，具有较好的生物相容性，且对发酵具有良好的催化效果。
进一步地，所述糖类化合物为果糖、葡萄糖或乳糖中的至少一种，具有良好的生物相容性，与酸性氨基酸形成离子液体，对发酵起到更好的催化效果。
进一步地，所述离子液体的制备方法为：将所述酸性氨基酸与所述糖类化合物混合后，升温至50-120℃，恒温反应0.5～3h至体系均一透明，得到离子液体。该离子液体具有良好的生物相容性，且能够促进纤维素的去结晶化，作为发酵催化剂提升发酵效率。
进一步地，果蔬垃圾为果园或蔬菜市场中的赘余蔬果、果皮或蔬菜皮，如菠萝皮、香蕉、大葱叶和茴香等，原料廉价易得。
进一步地，所述甘蔗为白甘蔗、红甘蔗、黑皮甘蔗和上高紫皮甘蔗中的至少一种，采用了原生甘蔗来取代现有工艺中的红糖，减少了能源的消耗，降低成本。
本发明还提供了上述环保酵素的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将所述甘蔗和果蔬垃圾进行破碎处理后，与水和发酵催化剂进行混料，得到发酵预混料；
步骤2、将所得发酵预混料进行厌氧发酵，发酵结束后，分离得到环保酵素。
进一步地，所述厌氧发酵的时间为30～75天。
进一步地，所述厌氧发酵的时间为65～75天。
进一步地，所述厌氧发酵的温度为25～30℃，保证发酵效率和酵素产量。
相对于现有技术，本发明提供的环保酵素的制备方法，工艺简单，操作方便，无污染物产生，绿色环保，且以果蔬垃圾和甘蔗为原料，廉价易得，应用范围广，具有很好的经济、环境和社会效益。
本发明还提供了上述环保酵素在有机肥料中的应用，将环保酵素稀释后作为有机肥料用于改善土壤肥力，提高土质中全氮和有机质含量。
附图说明
图1是本发明实施例5中环保酵素的红外谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种环保酵素，包括质量份数如下的原料组分：果蔬垃圾3～6份；甘蔗1～2份；水10～20份和发酵催化剂0.03～0.10份，
所述发酵催化剂为酸性氨基酸与糖类化合物制备而成的离子液体。
由于果蔬垃圾和甘蔗中含有大量结晶态的纤维素，其中大多不溶于水，必须首先被发酵性细菌所分泌的胞外酶分解为可溶性的糖、氨基酸和脂肪酸后，才能被微生物吸收利用。然而，在此过程中，酶的催化活性不强，很难将结晶态的纤维素转化为淀粉和糖类物质，导致生成乙酸、丙酸、丁酸和醇类等，同时产生一定量的氢气及二氧化碳，影响发酵效率并降低酵素产量。
采用由酸性氨基酸与糖类化合物制备而成的离子液体作为发酵催化剂，不仅具有良好的生物相容性，还具有良好的催化活性，在发酵过程中能够与果蔬垃圾和甘蔗中的大量结晶态的纤维素反应，促进纤维素的去结晶化，加快纤维素糖转化速率，同时配合厌氧发酵过程中自然产生的菌种提高发酵效率、缩短发酵时间，减少气体产生，并提高酵素产量。
为了更好的说明本发明实施例提供的环保酵素，下面通过实施例做进一步的举例说明。
实施例1
一种环保酵素，包括如下质量份数的原料组分：菠萝皮3kg；白甘蔗1kg；水10kg和发酵催化剂0.03kg，
其中，发酵催化剂为质量比3:1的天冬氨酸和果糖制备而成的离子液体。
上述环保酵素的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、将天冬氨酸和果糖混合后，升温至90℃，恒温反应2h至体系均一透明，得到离子液体，即发酵催化剂；
步骤2、采用粉碎机对上述白甘蔗和菠萝皮进行破碎处理后，得到果蔬浆料，与水和发酵催化剂进行混料，得发酵预混料；
步骤3、将所得发酵预混料于25℃厌氧发酵67天，发酵过程中采用自动压力放气装置放气，发酵结束后，过滤分离，得液体即为环保酵素。
实施例2
一种环保酵素，包括如下质量份数的原料组分：菠萝皮4.5kg；香蕉1.5kg；黑皮甘蔗1.5kg；水20kg和发酵催化剂0.08kg，
其中，发酵催化剂为质量比5:1的谷氨酸和葡萄糖制备而成的离子液体。
上述环保酵素的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、将谷氨酸和葡萄糖混合后，升温至110℃，恒温反应3h至体系均一透明，得到离子液体，即发酵催化剂；
步骤2、采用粉碎机对上述菠萝皮、香蕉和黑皮甘蔗进行破碎处理后，与水和发酵催化剂进行混料，得发酵预混料；
步骤3、将所得发酵预混料于30℃厌氧发酵72天，发酵过程中采用自动压力放气装置放气，发酵结束后，过滤分离，得液体即为环保酵素。
实施例3
一种环保酵素，包括如下质量份数的原料组分：大葱叶6kg；红甘蔗1.5kg；水15kg和发酵催化剂0.05kg，
其中，发酵催化剂为质量比3:1的天冬氨酸和果糖制备而成的离子液体。
上述环保酵素的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、将天冬氨酸和果糖混合后，升温至120℃，恒温反应0.5h至体系均一透明，得到离子液体，即发酵催化剂；
步骤2、采用粉碎机对上述红甘蔗和大葱叶进行破碎处理后，与水和发酵催化剂进行混料，得发酵预混料；
步骤3、将所得发酵预混料于25℃厌氧发酵73天，发酵过程中采用自动压力放气装置放气，发酵结束后，过滤分离，得液体即为环保酵素。
实施例4
一种环保酵素，包括如下质量份数的原料组分：果蔬垃圾为质量比为3:1的大葱叶和茴香混合物5.8kg；红甘蔗2kg；水12.6kg和发酵催化剂0.07kg，
其中，发酵催化剂为质量比5:1的谷氨酸和葡萄糖制备而成的离子液体。
上述环保酵素的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、将谷氨酸和葡萄糖混合后，升温至50℃，恒温反应3h至体系均一透明，得到离子液体，即发酵催化剂；
步骤2、采用粉碎机对上述红甘蔗、大葱叶和茴香进行破碎处理后，与水和发酵催化剂进行混料，得发酵预混料；
步骤3、将所得发酵预混料于30℃厌氧发酵69天，发酵过程中采用自动压力放气装置放气，发酵结束后，过滤分离，得液体即为环保酵素。
实施例5
一种环保酵素，包括如下质量份数的原料组分：大葱叶4.5kg；菠萝皮1.5kg；上高紫皮甘蔗3kg；水20kg和发酵催化剂0.10kg，
其中，发酵催化剂为质量比8:1的天冬氨酸和乳糖制备而成的离子液体。
上述环保酵素的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、将天冬氨酸和乳糖混合后，升温至60℃，恒温反应1.5h至体系均一透明，得到离子液体，即发酵催化剂；
步骤2、采用粉碎机对上述大葱叶、菠萝皮和上高紫皮甘蔗进行破碎处理后，与水和发酵催化剂进行混料，得发酵预混料；
步骤3、将所得发酵预混料于27℃厌氧发酵74天，发酵过程中采用自动压力放气装置放气，发酵结束后，过滤分离，得环保酵素。
为了更好的说明本发明的技术方案，下面还通过对比例和本发明的实施例做进一步的对比。
对比例1
一种环保酵素，包括如下质量份数的原料组分：菠萝皮3kg；白甘蔗1kg和水10kg，即在实施例1的基础上未添加发酵催化剂，
上述环保酵素的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、采用粉碎机对上述白甘蔗和菠萝皮进行破碎处理后，与水进行混料，得发酵预混料；
步骤2、将所得发酵预混料于25℃厌氧发酵90天，发酵过程中采用自动压力放气装置放气，发酵结束后，过滤分离，得环保酵素。
对比例2
在实施例1基础上，将天冬氨酸替换为等量的碱性氨基酸赖氨酸，与果糖形成离子液体并作为发酵催化剂，采用实施例1中的制备方法，发酵82天得环保酵素。
对比例3
在实施例1基础上，将发酵催化剂替换为等量的由摩尔比1:1的四乙基氢氧化铵与天冬氨酸制备得到四乙铵-天冬氨酸盐离子液体，采用实施例1中的制备方法，发酵85天得环保酵素。
对比例4
在实施例2基础上，将发酵催化剂替换为等量的1-丁基-3-甲基咪唑谷氨酸盐离子液体[Bmim][Glu]，采用实施例2中的制备方法，发酵86天得环保酵素。
对比例5
在实施例2基础上，将发酵催化剂替换为等量的[胆碱][谷氨酸]离子液体([Ch][Glu]IL)，采用实施例2中的制备方法，发酵84天得环保酵素。
为了更好的说明本发明实施例提供的环保酵素的特性，下面将实施例5中得到的环保酵素进行红外测试，结果如图1所示。由图1分析表明，环保酵素在3448cm-1处的吸收峰归属于-OH伸缩振动的特征峰，2894cm-1处的吸收峰归属于-CH2-伸缩振动的特征峰，1650cm-1处的吸收峰归属于羧酸中的C＝O特征吸收峰，1375cm-1处的吸收峰归属于酚羟基的-OH伸缩振动的特征峰，1268cm-1处的吸收峰归属于羧酸中的C-O特征吸收峰，1064cm-1处的吸收峰归属于酚的C-O吸收峰。说明本发明实施例提供的环保酵素中包含有总糖、多酚、黄酮等生物活性成分。
同时，将实施例1至5及对比例1至5的发酵时间、发酵一周的产生的气体在发酵过程中产生的气体总量中的占比以及酵素产率进行了统计，结果如表1所示，其中，酵素产率采用如下公式计算得到。
Figure BDA0002473376870000071
其中，V产物：产物酵素的体积(/L)；V水：初始加入水的体积(L)；V果蔬浆料：果蔬垃圾经破碎所得果蔬浆料的体积(L)。
表1
Figure BDA0002473376870000072
Figure BDA0002473376870000081
由表1可知，本发明实施例提供的环保酵素通过添加发酵催化剂，有助于改善发酵效率，能够大大缩短发酵周期，由原来的90天减少到70天左右，同时产气量也比原来有所降低，减少原料的损失，进而增加环保酵素的产量。
此外，将本发明实施例1及对比例1至5提供的环保酵素应用于改善土壤肥力。
首先分别配制环保酵素和水体积比为1:800的环保酵素稀释液，然后连续浇灌土壤样品3个月，其中，土壤原样的全氮背景值为0.985g/kg，土壤养分等级为4级；有机质含量为22.58g/kg，土样有机质水平同样为3级。最后根据《土壤有机质测定》(NY/T 85-1988)和《土壤质量全氮的测定凯氏法》(HJ 717-2014)，测定土壤中全氮和有机质含量，结果如表2所示。
表2
全氮含量(g/kg) 等级 有机质含量(g/kg) 等级
实施例1 2.695 一级 50.31 一级
对比例1 1.793 二级 35.84 二级
对比例2 1.327 三级 27.90 三级
对比例3 1.891 二级 37.26 二级
对比例4 1.638 二级 34.59 二级
对比例5 1.542 二级 28.45 三级
由以上数据可得，与对比例相比，在添加本发明实施例提供的环保酵素后的土壤中全氮含量2.695g/kg，达到一级水平，有机质含量为50.31g/kg，同样达到一级水平，结果表明本发明实施例提供的环保酵素作为有机肥料，可明显改善土壤肥力，提高土质中全氮和有机质含量。
本发明实施例2-5中制备的环保酵素同样可以达到与实施例1基本相当的改善土壤肥力，提高土壤中全氮和有机质含量的效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种环保酵素，其特征在于：包括如下质量份数的原料组分：果蔬垃圾3～6份；甘蔗1～2份；水10～20份和发酵催化剂0.03～0.10份，
所述发酵催化剂为酸性氨基酸与糖类化合物制备而成的离子液体。
2.如权利要求1所述的环保酵素，其特征在于：所述离子液体中酸性氨基酸与糖类化合物的质量比为3～8:1。
3.如权利要求1所述的环保酵素，其特征在于：所述酸性氨基酸为天冬氨酸或谷氨酸。
4.如权利要求1所述的环保酵素，其特征在于：所述糖类化合物为果糖、葡萄糖或乳糖中的至少一种。
5.如权利要求1至4任一项所述的环保酵素，其特征在于，所述离子液体的制备方法包括如下步骤：将所述酸性氨基酸与所述糖类化合物混合后，升温至50-120℃，恒温反应至体系均一透明，得到离子液体。
6.如权利要求1所述的环保酵素，其特征在于：所述甘蔗为白甘蔗、红甘蔗、黑皮甘蔗和上高紫皮甘蔗中的至少一种。
7.一种权利要求1至6任一项所述的环保酵素的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、将所述甘蔗和果蔬垃圾进行破碎处理后，与水和发酵催化剂进行混料，得到发酵预混料；
步骤2、将所得发酵预混料进行厌氧发酵，发酵结束后，分离得到环保酵素。
8.如权利要求7所述的环保酵素的制备方法，其特征在于：所述厌氧发酵的时间为30～75天。
9.如权利要求8所述的环保酵素的制备方法，其特征在于：所述厌氧发酵的温度为25～30℃。
10.一种权利要求1至6任一项所述的环保酵素在有机肥料中的应用。
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