CN111808297A - 一种蒲公英橡胶的发酵提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蒲公英橡胶的发酵提取方法。包括：(1)蒲公英橡胶草干根洗净、干燥、磨成粉末；(2)将步骤(1)得到的蒲公英橡胶草干根粉末放入反应釜中，加入稀硫酸进行预处理；然后水洗至中性后抽滤，将滤渣放入烘箱中进行干燥；(3)滤渣在纤维素酶的作用下进行水解；(4)步骤(3)得到的酶解液在微生物酿酒酵母的作用下进行发酵；(5)橡胶与发酵液的分离。本发明方法解决了溶剂法提取橡胶过程中有机溶剂的使用，降低了毒害，并且充分利用了蒲公英橡胶草中的非胶组分，使最终发酵后的橡胶纯度达到95.24％，乙醇浓度达到10.29g/L,而且发酵过后的残渣可以作为肥料，从而可以降低蒲公英橡胶提取的工艺成本。

Description

一种蒲公英橡胶的发酵提取方法

技术领域

本发明涉及橡胶技术领域，具体是涉及一种蒲公英橡胶的发酵提取方法。

背景技术

随着工业技术的不断创新革命，市场上天然橡胶制品的数量越来越多，因此对天然橡胶产量的需求也与日俱增。天然橡胶、石油、钢铁以及煤炭被称为世界四大工业原料，作为四大工业原料之一的天然橡胶在各行各业中都受到青睐，其源于天然橡胶在常温下有较好的弹性，当对天然橡胶施加的外力被解除时，天然橡胶能够恢复到原有的状态，以及天然橡胶有优异的力学性能，正是由于如此，天然橡胶能够广泛的应用到我们日常生活中，在今日这个经济快速发展的时代，天然橡胶的广泛利用则引发了我国天然橡胶产量供不应求的市场危机，我国的天然橡胶主要分布在云南、广东、广西、福建以及海南等低纬度省份，而在我国适于种植天然橡胶的土地有1800万亩，但已经开发了1700多万亩，进一步增长的空间有限，这使得我国天然橡胶有80％多的进口量，所以目前寻找第二天然橡胶对我国的橡胶工业将会有重大的意义，而目前可产天然橡胶的植物达到两千多种，但大多数含胶量较低，而蒲公英橡胶草却能够有效的解决天然橡胶产量不足这一危机问题。

蒲公英橡胶草(TKS)起源于中国与哈萨克斯坦边界的天山地区，早期名为俄罗斯蒲公英，归于蒲公英属，进而亦为菊科类植物，在新鲜的蒲公英根里，橡胶以胶乳粒子的形式存在于橡胶草根部的乳汁管和维管束中，而在干燥的蒲公英根里，橡胶以丝状的形式与植物组织缠结在一起，掰断后有明显的拉丝现象，蒲公英橡胶的化学结构为顺式-1,4-聚异戊二烯，和三叶橡胶有相同的结构，而两者的差异仅体现在非胶组分的化学成分和含量不同，因此蒲公英橡胶普遍被公认为最接近三叶天然橡胶的天然橡胶，是三叶天然橡胶的重要替代和补充。

此外，蒲公英橡胶草的根部除了含有橡胶之外，还有丰富的多糖组分，可以用来发酵制备乙醇，用作生物能源，提胶之后的植物残渣还可以制作有机肥，蒲公英橡胶草的叶子还可以作饲料或者饲料添加剂，这些副产品的效益可以完全抵掉蒲公英橡胶的生产成本，从而可以大力发展蒲公英橡胶，而目前最为引人注目的问题是如何将蒲公英橡胶提取。

目前蒲公英橡胶多用溶剂法进行提取，溶剂法是利用相似相容的原理利用橡胶的良溶剂将橡胶从植物组织中提取出来。一般萃取天然橡胶常用的良溶剂为甲苯、石油醚以及氯仿，由于氯仿腐蚀金属容器，因此一般更为常用的溶剂是甲苯和石油醚。但溶剂法所用的有机溶剂都有一定的毒性，不但对操作人员的身体健康有一定的危害，而且对环境也有很大的污染，虽然溶剂法能够提取纯度较高的橡胶，但橡胶草中的非胶组分并没有得到充分利用，而且所用到的有机溶剂成本都很高，这使得橡胶提取的成本变高。

发明内容

为了解决现有技术中出现的问题，本发明提供了一种蒲公英橡胶的发酵提取方法。本发明的方法不但无毒无害，而且能够充分利用蒲公英橡胶草中的非胶组分，同时能够得到高纯度的橡胶。

蒲公英橡胶草中含有丰富的木质纤维素，这些非胶组分本身就是一种多糖，而现有技术在提胶的同时并没有将其中的多糖成分有效利用，橡胶草中的多糖成分虽然难以被人体消化利用，但是可以通过水解将多糖变成单糖，单糖作为微生物生命活动中的一种碳源，可以通过微生物的生成代谢，将水解后得到的单糖作为一种营养物质吸收，从而代谢出乙醇，乙醇作为一种生物燃料，燃烧后对环境无污染，此外发酵后的植物残渣可以作为肥料，所以在整个处理过程中环保、无污染、无残渣，不浪费。

本发明的目的是提供一种蒲公英橡胶的发酵提取方法。

包括：

样品的准备、样品预处理、水解、发酵和分离。

步骤如下：

(1)蒲公英橡胶草干根洗净、干燥，磨成粉末；

(2)将步骤(1)得到的蒲公英橡胶草干根粉末放入反应釜中，加入稀硫酸进行预处理；然后水洗至中性后抽滤，将滤渣放入烘箱中进行干燥；

(3)滤渣在纤维素酶的作用下进行水解；

(4)步骤(3)得到的酶解液在微生物酿酒酵母的作用下进行发酵；

(5)橡胶与发酵液的分离。

其中，优选，

步骤(1)中，粉末的细度在80目到200目之间。

步骤(2)中，预处理温度为120℃～160℃；更优选为120℃～140℃；

预处理时间为20min～60min；更优选为30min～45min.

步骤(2)中，固液比为1:5～1:15；更优选为1:8～1:10；

稀硫酸浓度为1％～6％；更优选为1.5％～3.5％。

步骤(3)中，

滤渣与纤维素酶的用量比为：1g：(0.1～0.3)ml；

水解温度为45℃～55℃。

纤维素酶的活力越高则纤维素酶的水解效果越好，酶的活力随着温度有一定的变化，如45℃到55℃之间，纤维素酶的活力先增大后减小，其活力在50℃时最高，随后随着温度升高呈下降趋势，综合考虑可选取45℃到55℃之间。

步骤(4)，

微生物酿酒酵母的体积为酶解液体积的0.5％到3％之间；

发酵温度为20℃～30℃，发酵时间为36～48小时。

发酵温度也就是在发酵过程中酿酒酵母的生长温度，其酵母菌有其自身最适应的温度体系，一般在20℃到30℃之间，对于发酵时间来说，发酵时间的长短对酒精的产量有一定的影响，当发酵36h后，其酒精含量增加缓慢，由于是糖类大多数被消耗完，酵母菌缺乏一定的营养物质，当其发酵48h后，酒精含量可能会有一定的下降趋势，其原因是当酵母菌缺乏营养物质时，将所产生的乙醇当做一种碳源进行营养物质补充，若发酵时间过短，则水解液中的糖分得不到充分利用，因此可选取36h到48h之间。

本发明具体可采用以下技术方案：

蒲公英橡胶草作为一种木质纤维素原料，其发酵过程包括四个基本步骤，样品的准备、样品预处理、水解、以及发酵。

(1)蒲公英橡胶草干根，清洗干净、室温干燥；

(2)室温干燥后的蒲公英根通过搅拌机磨成粉末；

(3)粉末状的蒲公英根，放入不锈钢反应釜中进行预处理；

(4)预处理后的蒲公英根，水洗至中性后抽滤，将滤渣放入烘箱中进行干燥；

(5)烘干后的滤渣在纤维素酶的作用下进行水解；

(6)酶解液在微生物酿酒酵母的作用下进行发酵；

(7)橡胶与发酵液的分离；

提胶原理：本发明提出的发酵法提胶工艺，通过四部分组成：样品的准备、样品预处理、水解和发酵，其根本原理是利用发酵原理，分解木质纤维素，使橡胶与植物组织分离，橡胶密度比水轻，漂浮于水面，植物组织残渣比水重沉底，中间为发酵液，实现橡胶的提取和副产品乙醇的制备。

本发明具体可采用以下技术方案：

样品的准备：采用一批蒲公英橡胶草干根，用清水不断的冲洗根部，直到清洗过后的水不在浑浊为止，然后在室温下放置干燥，将干燥后的蒲公英根通过搅拌机磨成粉末。

样品的预处理:在整个发酵工艺中，样品的预处理是最为重要的一步，其预处理的效果则影响了后续工艺指标的高低，预处理的目的主要体现在三个方面，其一是去除阻碍水解和发酵的生物质内在结构；其二是粉碎木质素对纤维素的保护,瓦解纤维素的晶体结构；其三是使之与生物酶充分接触,取得良好的水解效果。

预处理的工艺探索：蒲公英橡胶草干根的预处理是在不锈钢反应釜中进行的，首先我们要确定实验的系统变量，通过初步单因素实验发现反应温度、反应时间、固液比和酸浓度对我们的实验结果产生很大的影响，根据单因素的实验结果，我们分别对反应温度选取120℃至160℃之间；对反应时间选取20min至60min之间；对固液比选取1:5至1:15之间；对酸浓度选取1％至6％之间；通过对预处理后的样品进行水解实验，我们测定了样品水解后葡萄糖单糖的浓度，根据葡萄糖浓度的大小可反映出我们前期预处理效果的好坏，而葡萄糖的浓度则决定了我们后期发酵后副产品乙醇浓度的大小，同时样品预处理的效果对我们的橡胶纯度也有很大的影响。

预处理样的水解：将在反应釜中处理后的蒲公英根进行水洗，洗至中性后抽滤，将滤渣放入烘箱中烘干，将烘干后的样品取出供下步水解使用，在水解过程中我们选取纤维素酶来实现纤维素多糖的水解，而影响水解效果的因素主要有酶解环境的温度、酶解时间、纤维素酶的用量、酶解环境的PH值以及渣子与水的比例，由于纤维素酶对环境温度以及环境PH值都有其自身的适应条件，依次我们选取酶解温度为50℃，环境PH值为4.8，而对酶解时间、纤维素酶的用量以及渣子与水的比例我们进行了更深一步的探索，而在水解实验中，首先我们配备PH值为4.8的柠檬酸-氢氧化钠缓冲溶液，取50ml的缓冲液倒入100ml三角瓶中，随后加入5g的预处理样，盖上封口膜用皮筋扎好，然后在115℃灭菌锅中灭菌25min，随后在超净工作台上加入0.75ml纤维素酶，最后放入50℃的震荡培养箱酶解72h，当酶解结束后，首先捞取漂浮在酶解液上方的粗橡胶，然后将渣子和酶解液进行抽滤，收集滤液和粗橡胶以供下步发酵使用，而对纤维素酶的用量和渣子与水的比例我们进行了多次试验探索比对，对纤维素酶的用量我们选取1g样品加入0.1至0.3ml，对料水比我们选取1:5至1:20之间。

酶解样的发酵：对于酶解后的样品我们选取微生物酿酒酵母进行厌氧发酵，酿酒酵母具有良好的产酒精能力，其原理是将酶解液中的糖分当做营养物质吸收，经过生命活动从而代谢出乙醇，在发酵过程中酵母菌需要一定的生长条件，除了在发酵过程中需添加供酵母菌生长的营养物质外，还要严格控制发酵的环境温度和环境PH值，一般最适合酵母菌生长的温度为30℃左右，环境PH值在5.0至6.0左右，而对目标产物乙醇浓度的影响除了上述因素外还有发酵时间以及酵母的接种量等因素，在摇瓶发酵过程中，首先我们将酶解液和粗橡胶倒入三角瓶中，调节PH值为5.4，然后添加酶解液体积2％的蛋白胨和1％的yeast为酵母菌生长提供营养物质，随后盖上封口膜用橡皮筋扎好，在115℃的灭菌锅中灭菌25min后，然后在超净工作台上进行酵母菌的接种，最后将摇瓶放入30℃的水浴摇床中发酵48h，在最终发酵后，首先我们对漂浮在发酵液上方的橡胶进行捞取，然后对发酵液和发酵残渣进行抽滤分离，最后将发酵液中的乙醇进行蒸馏收集，对于酵母菌的接种量，我们选取酶解液体积的0.5％至3％的酵母进行发酵。

发明效果

通过对蒲公英干根进行预处理、水解和发酵等流程，在提取橡胶的同时成功实现了副产品乙醇的制备。本发明方法解决了溶剂法提取橡胶过程中有机溶剂的使用，降低了实验过程中的毒害，并且充分利用了蒲公英橡胶草中的非胶组分，使最终发酵后的橡胶纯度达到95.24％，乙醇浓度达到10.29g/L,而且发酵过后的残渣可以作为肥料，从而可以降低蒲公英橡胶提取的工艺成本。

附图说明

图1实施例提取的蒲公英橡胶红外图。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

实施例1

(1)蒲公英橡胶草干根，清洗干净、室温干燥；通过搅拌机磨成粉末，粉末细度为80目。

(2)蒲公英橡胶草干根粉末放入反应釜中，加入稀硫酸(浓度为6％)进行预处理；固液比为1:5，反应温度为120℃，反应时间为60min,然后水洗至中性后抽滤，将滤渣放入烘箱中进行干燥。

(3)滤渣在纤维素酶的作用下进行水解；

滤渣与纤维素酶的用量比为：1g:0.1ml；水解温度为45℃；

(4)步骤(3)得到的酶解液在微生物酿酒酵母的作用下进行发酵；

微生物酿酒酵母的体积为酶解液体积的1％；

发酵温度为20℃，发酵时间为36h；

(5)橡胶与发酵液的分离。由于橡胶密度比水轻，所以橡胶最终是漂浮在发酵液上层的，捞取即可分离。最终发酵后的橡胶纯度达到92.36％，乙醇浓度达到6.42g/L。

实施例2

(1)蒲公英橡胶草干根，清洗干净、室温干燥；通过搅拌机磨成粉末，粉末细度为100目。

(2)蒲公英橡胶草干根粉末放入反应釜中，加入稀硫酸(浓度为2％)进行预处理；固液比为1:10，反应温度为140℃，反应时间为40min,然后水洗至中性后抽滤，将滤渣放入烘箱中进行干燥。

(3)滤渣在纤维素酶的作用下进行水解；

滤渣与纤维素酶的用量比为：1g:0.2ml；水解温度为50℃；

(4)步骤(3)得到的酶解液在微生物酿酒酵母的作用下进行发酵；

微生物酿酒酵母的体积为酶解液体积的2％；

发酵温度为25℃，发酵时间为42h；

(5)橡胶与发酵液的分离。由于橡胶密度比水轻，所以橡胶最终是漂浮在发酵液上层的，捞取即可分离。最终发酵后的橡胶纯度达到93.25％，乙醇浓度达到7.34g/L。

实施例3

(1)蒲公英橡胶草干根，清洗干净、室温干燥；通过搅拌机磨成粉末，粉末细度为120目。

(2)蒲公英橡胶草干根粉末放入反应釜中，加入稀硫酸(浓度为1％)进行预处理；固液比为1:15，反应温度为160℃，反应时间为20min,然后水洗至中性后抽滤，将滤渣放入烘箱中进行干燥。

(3)滤渣在纤维素酶的作用下进行水解；

滤渣与纤维素酶的用量比为：1g:0.3ml；水解温度为55℃；

(4)步骤(3)得到的酶解液在微生物酿酒酵母的作用下进行发酵；

微生物酿酒酵母的体积为酶解液体积的3％；

发酵温度为30℃，发酵时间为48h；

(5)橡胶与发酵液的分离。由于橡胶密度比水轻，所以橡胶最终是漂浮在发酵液上层的，捞取即可分离。最终发酵后的橡胶纯度达到94.52％，乙醇浓度达到8.35g/L。

Claims (9)

1.一种蒲公英橡胶的发酵提取方法，其特征在于所述方法包括：

样品的准备、样品预处理、水解、发酵和分离。

2.如权利要求1所述的蒲公英橡胶的发酵提取方法，其特征在于所述方法包括：

(1)蒲公英橡胶草干根洗净、干燥、磨成粉末；

(2)将步骤(1)得到的蒲公英橡胶草干根粉末放入反应釜中，加入稀硫酸进行预处理；然后水洗至中性后抽滤，将滤渣放入烘箱中进行干燥；

(3)滤渣在纤维素酶的作用下进行水解；

(4)步骤(3)得到的酶解液在微生物酿酒酵母的作用下进行发酵；

(5)橡胶与发酵液的分离。

3.如权利要求2所述的蒲公英橡胶的发酵提取方法，其特征在于：

步骤(1)中，粉末的细度在80目到200目之间。

4.如权利要求2所述的蒲公英橡胶的发酵提取方法，其特征在于：

步骤(2)中，预处理温度为120℃～160℃；预处理时间为20min～60min。

5.如权利要求4所述的蒲公英橡胶的发酵提取方法，其特征在于：

预处理温度为120℃～140℃；预处理时间为30min～45min。

6.如权利要求2所述的蒲公英橡胶的发酵提取方法，其特征在于：

步骤(2)中，固液比为1:5～1:15；稀硫酸浓度为1％～6％。

7.如权利要求6所述的蒲公英橡胶的发酵提取方法，其特征在于：

固液比为1:8～1:10；酸浓度为1.5％～3.5％。

8.如权利要求2所述的蒲公英橡胶的发酵提取方法，其特征在于：

步骤(3)中，

滤渣与纤维素酶的用量比为：1g：(0.1～0.3ml)；

水解温度为45℃～55℃。

9.如权利要求2所述的蒲公英橡胶的发酵提取方法，其特征在于：

步骤(4)，

微生物酿酒酵母的体积为酶解液体积的0.5％到3％之间；

发酵温度为20℃～30℃，发酵时间为36～48小时。

Images