CN112646843B - 一种以水葫芦为原料制备乳酸的方法 - Google Patents

一种以水葫芦为原料制备乳酸的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以水葫芦为原料制备乳酸的方法，所述方法包括如下步骤：将水葫芦粉碎、离心，固形物用碱溶液处理，加入蛋白酶进行水解，灭菌，加入纤维素酶进行糖化，加入乳酸菌进行发酵，得到乳酸。本发明的方法利用外来入侵物种水葫芦作为原料，将其通过微生物的处理生成乳酸，不但合理利用了这一丰厚的资源，减少了由水葫芦导致的危害，而且对生产过程中产生的废水进一步合理利用，节约水资源，起到变废为宝、保护生态环境、节约资源的作用，同时又为生产乳酸提供了新的原料。本发明在乳酸的生产领域具有重要的意义。

Description

一种以水葫芦为原料制备乳酸的方法
技术领域
本发明属于生物发酵技术领域，具体涉及一种以水葫芦为原料制备乳酸的方法。
背景技术
水葫芦的中文学名为凤眼莲，拉丁学名为Eichhornia crassipes(Mart.)Solms，英文名：water hyacinth。水葫芦原产于南美，能在5～39℃的环境下生长，生长繁殖速度极快，能在5日植株数目翻一倍。我国于上世纪30年代引入水葫芦，主要用于处理水体污染，也曾用作饲料、肥料和燃料。近年来，由于水体富营养化严重，水葫芦在我国华南、华东、华中和华北地区生长泛滥，被视为一种污染环境的有害生物，造成了严重的环境和社会问题，包括阻断航道，影响航运和排泄；限制水体流动，破坏水生生态环境；破坏饮水资源；加大水的蒸发量，造成水源流失等。水葫芦中含有丰富的纤维素，且木质素含量较低，具有生物质能源化的可能性。目前水葫芦的处理方法，多数为粉碎压榨法，压榨后的残渣作为有机肥使用，未经处理的汁液直接排放后易造成水体富营养化，导致二次污染。
乳酸又名α-羟基丙酸，是公认的三大有机酸之一，广泛应用于食品、医药、工业、农业、日化等多个领域和行业。目前，乳酸的生产方法主要有化学合成法、酶法合成、发酵法。现有技术中，工业生产乳酸方法主要是发酵法，多数以玉米、葡萄糖等作为主要原料，并添加有机氮、无机盐等辅料。目前的乳酸周期长，产酸及转化率较低。高光学纯L-乳酸可以作为聚乳酸生产原料。聚乳酸作为一种新型可降解材料可用作包装材料、纤维和非织造物等，用途广泛。
目前还没有利用水葫芦这种纤维植物通过微生物作用制备乳酸的技术。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种以水葫芦为原料生产乳酸的方法，并对在原料处理时产生的废水、废弃碱液、固型物进行二次利用，节约资源，减少污染。
本发明提供一种以水葫芦为原料制备乳酸的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将水葫芦粉碎、离心，得到固形物A和清液A；
(2)固形物A用碱溶液处理，然后离心，得到固形物B和清液B；
(3)将固形物B与清液A混合，调节pH，加入蛋白酶进行水解；
(4)加热灭菌；
(5)降温，调节pH，加入纤维素酶进行糖化；
(6)加入乳酸菌进行发酵，加入Ca(OH)2溶液维持pH，至Ca(OH)2溶液不再消耗时，发酵结束，得到乳酸。
作为本发明的一种实施方案，步骤(1)中，采用新鲜水葫芦，优选地，所述新鲜水葫芦为夏季干旱时生长的水葫芦。将水葫芦洗净，粉碎至粘稠状物。
作为本发明的一种实施方案，步骤(2)中，所述固形物A与所述碱溶液的固液比为1:18～22；优选为1:20。
作为本发明的一种实施方案，步骤(2)中，所述碱溶液的浓度为0.5％～0.9％，优选为0.7％。
作为本发明的一种实施方案，步骤(2)中，所述碱溶液为NaOH溶液。
作为本发明的一种实施方案，步骤(2)中，所述碱溶液处理的温度为110～130℃，优选为120℃。
作为本发明的一种实施方案，步骤(2)中，所述碱溶液处理的时间为40～80分钟，优选为60分钟。
作为本发明的一种实施方案，步骤(2)中，降温至39～42℃，优选为40℃。
作为本发明的一种实施方案，步骤(3)中，所述固形物B与所述清液A的固液比为1:2.85～4，优选为1:2.85～3.85，更优选为1:3.33或1:(10/3)。
作为本发明的一种实施方案，步骤(3)中，使用H3PO4调节pH为6.0～7.0，优选为pH6.5。
作为本发明的一种实施方案，步骤(3)中，所述蛋白酶的加酶量为料液总体积的0.005％～0.015％，优选为0.010％。
作为本发明的一种实施方案，步骤(3)中，加入蛋白酶后，维持温度38～42℃，优选为40℃；维持时间3～7小时，优选为5小时。
作为本发明的一种实施方案，步骤(4)中，加热灭菌的温度为110～120℃，优选为115℃；加热灭菌的时间为15～25分钟，优选为20分钟。
作为本发明的一种实施方案，步骤(5)中，将温度降至48～52℃，优选为50℃；使用H3PO4调节pH为5.0～6.0，优选为pH 5.5。
作为本发明的一种实施方案，步骤(5)中，所述纤维素酶的加酶量为55000～65000U/L，优选为60000U/L；糖化温度为48～52℃，优选为50℃；糖化时间为8～16小时，优选为12小时。
作为本发明的一种实施方案，步骤(6)中，所述乳酸菌的加入量为料液总体积的13％～17％，优选为15％；保持温度为48～52℃，优选为50℃。
作为本发明的一种实施方案，步骤(6)中，所述Ca(OH)2溶液通过Ca(OH)2与清液B以1:1～2.5、优选为1:1.5～2.5、更优选为1:2的固液比混合进行配制。维持料液pH 5.0～6.0，优选为pH 5.5。
本发明的有益效果如下：
本发明充分利用步骤(1)中所产生的清液，该清液中含有丰富的营养物质并具有生物活性。在步骤(3)中使用水葫芦的清液对滤渣进行调浆，通过对该清液的再次利用，避免了直接排放该清液至环境中时带来的二次污染。
本发明充分利用步骤(2)中所产生的清液，该清液中含有丰富的营养物质及NaOH。利用该清液与Ca(OH)2混合配制Ca(OH)2溶液，通过对该清液的再次利用，避免了直接排放该清液至环境中时带来的污染，充分利用了清液中的营养物质，避免了浪费。
本发明通过添加蛋白酶对步骤(2)所得的固形物进行水解，将固形物中的大分子蛋白降解为更容易利用的氨基酸、小分子肽，使得本发明中步骤(6)发酵所用培养基的营养更加丰富，便于利用。
本发明充分利用泛滥成灾的水上纤维植物水葫芦来作为主原料，通过微生物的处理生成乳酸，所以不但合理地开发利用了自然资源，减少了由其产生的灾害，起到变废为宝、保护环境与生态平衡作用,同时又为生产乳酸提供了新的原料。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供以水葫芦为原料制备乳酸的方法，包括如下步骤：
(1)收集新鲜水葫芦100kg并将其洗净切碎，使用粉碎机粉碎，再使用离心机使其固液分离，并分别收集固形物与清液；
(2)原料的碱处理：按固液比1:20将步骤(1)所得固形物和0.7％NaOH溶液加入到反应器中，充分混合均匀，并维持温度120℃，维持时间60分钟，随后降至40℃，将所得的混合料使用离心机使其固液分离，并分别收集固形物与清液；
(3)向发酵罐内加入蛋白酶进行水解：按固液比3:10将步骤(2)所得的固形物和步骤(1)所得的清液加入到发酵罐中，充分混合均匀，使用H3PO4调节发酵罐内pH为6.5，向发酵罐内添加中性蛋白酶，所加酶量为发酵罐内的混合料体积的0.01％，并维持温度40℃，维持时间5小时；
(4)加热灭菌：所述发酵罐中温度为115℃，加热灭菌时间为20分钟；
(5)向发酵罐内加入纤维素酶进行糖化：将步骤(4)所得料液温度降至50℃，使用H3PO4调节发酵罐内pH为5.5，向发酵罐内添加纤维素酶，所加酶量为60000U/L，保持发酵罐内温度为50℃，维持时间12小时；
(6)向发酵罐内加入乳酸菌进行发酵：向步骤(5)的所得料液中加入体积为发酵罐内料液总体积的15％的乳酸菌，保持温度为50℃，搅拌，通过加入Ca(OH)2溶液维持料液pH为5.5，该Ca(OH)2溶液通过将Ca(OH)2与步骤(2)所得的清液以1:2的固液比配制得到；当Ca(OH)2溶液不再消耗时，发酵结束。
(7)发酵结果：
发酵周期40小时，乳酸含量10.81％，光学纯度99.5％，转化率89.19％。
实施例2
本实施例提供以水葫芦为原料制备乳酸的方法，包括如下步骤：
(1)收集新鲜水葫芦150kg并将其洗净切碎，使用粉碎机粉碎，再使用离心机使其固液分离，并分别收集固形物与清液；
(2)原料的碱处理：按固液比1:22将步骤(1)所得固形物和0.9％NaOH溶液加入到反应器中，充分混合均匀，并维持温度120℃，维持时间80分钟，随后降至42℃，将所得的混合料使用离心机使其固液分离，并分别收集固形物与清液；
(3)向发酵罐内加入蛋白酶进行水解：按固液比1:2.85将步骤(2)所得的固形物和步骤(1)所得的清液加入到发酵罐中，充分混合均匀，使用H3PO4调节反应器内pH为6.0，向发酵罐内添加中性蛋白酶，所加酶量为发酵罐内的混合料体积的0.015％，并维持温度42℃，维持时间7小时；
(4)加热灭菌：所述发酵罐中温度为115℃，加热灭菌时间为20分钟；
(5)向发酵罐内加入纤维素酶进行糖化：将步骤(4)所得料液温度降至48℃，使用H3PO4调节发酵罐内pH为5.0，向发酵罐内添加纤维素酶，所加酶量为65000U/L，保持发酵罐内温度为48℃，维持时间16小时；
(6)向发酵罐内加入乳酸菌进行发酵：向步骤(5)的所得料液中加入体积为发酵罐内料液总体积的15％的乳酸菌，保持温度为48℃，搅拌，通过加入Ca(OH)2溶液维持料液pH为6.0，该Ca(OH)2溶液通过将Ca(OH)2与步骤(2)所得的清液以1:2.5的固液比配制得到；当Ca(OH)2溶液不再消耗时，发酵结束。
(7)发酵结果：
发酵周期40小时，乳酸含量10.53％，光学纯度99.5％，转化率86.9％。
实施例3
本实施例提供以水葫芦为原料制备乳酸的方法，包括如下步骤：
(1)收集新鲜水葫芦50kg并将其洗净切碎，使用粉碎机粉碎，再使用离心机使其固液分离，并分别收集固形物与清液；
(2)原料的碱处理：按固液比1:18将步骤(1)所得固形物和0.5％NaOH溶液加入到反应器中，充分混合均匀，并维持温度120℃，维持时间40分钟，随后降至39℃，将所得的混合料使用离心机使其固液分离，并分别收集固形物与清液；
(3)向发酵罐内加入蛋白酶进行水解：按固液比1:3.85将步骤(2)所得的固形物和步骤(1)所得的清液加入到发酵罐中，充分混合均匀，使用H3PO4调节反应器内pH为7.0，向发酵罐内添加中性蛋白酶，所加酶量为发酵罐内的混合料体积的0.005％，并维持温度38℃，维持时间3小时；
(4)加热灭菌：所述发酵罐中温度为115℃，加热灭菌时间为20分钟；
(5)向发酵罐内加入纤维素酶进行糖化：将步骤(4)所得料液温度降至52℃，使用H3PO4调节发酵罐内pH为6.0，向发酵罐内添加纤维素酶，所加酶量为55000U/L，保持发酵罐内温度为52℃，维持时间8小时；
(6)向发酵罐内加入乳酸菌进行发酵：向步骤(5)的所得料液中加入体积为发酵罐内料液总体积的15％的乳酸菌，保持温度为52℃，搅拌，通过加入Ca(OH)2溶液维持料液pH为6.0，该Ca(OH)2溶液通过将Ca(OH)2与步骤(2)所得的清液以1:1.5的固液比配制得到；当Ca(OH)2溶液不再消耗时，发酵结束。
(7)发酵结果：
发酵周期40小时，乳酸含量10.44％，光学纯度99.5％，转化率86.3％。
对比例1
本对比例提供以水葫芦为原料制备乳酸的方法，与实施例1相比，区别仅在于：步骤(3)中将蛋白酶替换为脂肪酶，未调节pH。
发酵结果：
发酵周期52小时，乳酸含量7.63％，光学纯度99.2％，转化率62.3％。
对比例2
本对比例提供以水葫芦为原料制备乳酸的方法，与实施例1相比，区别仅在于：步骤(3)和(6)中，将水葫芦清液替换为水。
发酵结果：
发酵周期45小时，乳酸含量10.02％，光学纯度99.5％，转化率83.2％。
由以上实施例与对比例的结果对比可知，本发明的方法发酵周期短，乳酸含量高，光学纯度高，而且转化率明显提高。这表明，本发明的方法充分利用了水葫芦资源，变废为宝，不仅保护了生态环境，而且为生产乳酸提供了新的原料。
以上实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明所做的修改和替换，均属于本发明的范围。

Claims (5)

1.一种以水葫芦为原料制备乳酸的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）将水葫芦粉碎、离心，得到固形物A和清液A；
（2）固形物A用浓度为0.5%~0.9%的NaOH溶液处理，然后离心，得到固形物B和清液B，其中所述固形物A与所述NaOH溶液的固液比为1:18~22；
（3）将所述固形物B与所述清液A以固液比为1:2.85~4混合，使用H3PO4调节pH为6.0~7.0，加入料液总体积的0.005%~0.015%的蛋白酶，维持温度38~42℃，维持时间3~7小时进行水解；
（4）加热灭菌；
（5）降温至48~52℃，使用H3PO4调节pH为5.0~6.0，加入55000~65000U/L的纤维素酶进行糖化；
（6）加入料液总体积的13%~17%的乳酸菌，保持温度为48~52℃进行发酵，加入Ca(OH)2溶液维持pH，至Ca(OH)2溶液不再消耗时，发酵结束，得到乳酸。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述NaOH溶液处理的温度为110~130℃，时间为40~80分钟，随后降温至39~42℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，加热灭菌的温度为110~120℃，加热灭菌的时间为15~25分钟。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（5）中，糖化温度为48~52℃，糖化时间为8~16小时。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（6）中，所述Ca(OH)2溶液通过Ca(OH)2与清液B以1:1~2.5的固液比混合进行配制。
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