CN114032256A - 一种利用玉米麸皮联产乙醇和l-阿拉伯糖的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用玉米麸皮联产乙醇和L‑阿拉伯糖的方法，所述方法包括预处理、酶解、发酵、酒精蒸馏、脱色、离子交换、浓缩、结晶。本发明通过对玉米麸皮进行处理，获得酒精和L‑阿拉伯糖，能够进一步提高玉米麸皮的利用价值，提高收益。并且制得的酒精能够作为清洁燃料，符合环保需要，L‑阿拉伯糖作为保健功能糖市场广阔；本发明所述方法，相对于玉米麸皮干基，酒精收率达到22‑23%，L‑阿拉伯糖收率为15.5‑16%。

Description

一种利用玉米麸皮联产乙醇和L-阿拉伯糖的方法
技术领域
本发明涉及一种利用玉米麸皮联产乙醇和L-阿拉伯糖的方法，属于废物利用技术领域。
背景技术
玉米是世界三大粮食作物之一，同时又是重要的饲料和工业原料。我国是玉米消耗大国，在我国每年有10%以上的玉米被用做玉米淀粉，淀粉糖生产原料，产生大量副产物-玉米麸皮。玉米麸皮是玉米湿法加工中的主要副产物，玉米麸皮中含有丰富的半纤维素，纤维素，蛋白质，粗脂肪和少量灰分，酚类化合物等物质。CN101100685A公开了一种玉米麸皮制备L-阿拉伯糖的方法，该发明使用淀粉酶处理麸皮，将淀粉从麸皮中脱除，需淀粉酶成本及洗涤水浪费，脱除的淀粉浓度低，难以再利用，后续酸水解糖浓度低，微生物处理只能脱除单一葡萄糖，需要重复处理，造成成本较高，不经济,产品杂糖较高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种利用玉米麸皮联产乙醇和L-阿拉伯糖的方法，提高乙醇和L-阿拉伯糖的收率，制备的L-阿拉伯糖，纯度较高。
为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：
以下是对上述技术方案的进一步改进：
1.预处理
玉米麸皮中加入水配置反应体系，其中玉米麸皮干基的质量占比为15-20%，按照干基质量的0.3-1.0%（w/w）添加65-75%（w/v）的硫酸溶液，在105-130℃下处理1-2.5h，获得预处理糖液。
所述预处理糖液，葡萄糖的含量为1.65-1.7 g/dl，木糖的含量为2.7-2.75 g/dl，还原糖含量为6.5-6.7 g/dl，L-阿拉伯糖含量为1.3-1.5 g/dl。
2.酶解
将预处理糖液泵入酶解罐，调节至pH4.0-6.0，加入诺维信纤维素和真菌木聚糖酶，两种酶的用量均为40-50U/g干基，在温度55-65℃进行酶解24-48h，得到含有葡萄糖，木糖，L-阿拉伯糖的酶解糖液。
所述酶解糖液，葡萄糖的含量为3.9-4.0g/dl，木糖的含量为3.4-3.6g/dl，还原糖含量为9.6-9.8g/dl，L-阿拉伯糖含量为1.8-2.0g/dl。
3.乙醇发酵
乙醇发酵所用菌种为基因重组酿酒酵母，所述基因重组酿酒酵母能够利用酶解糖液中的葡萄糖和木糖生产酒精。
所述基因重组酿酒酵母由齐鲁工业大学提供，菌种保藏号为CGMCC No.11331；
具体过程如下：
A、平板划线
将上述基因重组酿酒酵母在酵母活化平板中进行划线培养，单菌落长出后备用；
所述酵母活化平板为YPX固体培养基。
B、摇瓶培养
将单菌落挑取接种至摇瓶培养，培养基为YPX培养基，待发酵液稀释10倍后的OD600nm值为0.29-0.32时备用。
C、种子培养
按照0.9-1.1%（体积比）接种量，将摇瓶培养的发酵液接种至种子罐中，待种子培养的发酵液稀释10倍后的OD600nm值为0.58-0.62时备用。
种子培养的培养基为YPX培养基。
D、发酵
按8-15%接种量（体积比）,将种子培养后的发酵液接入发酵罐，发酵培养基为酶解糖液，温度为28-35℃，厌氧发酵，该酿酒酵母能够利用葡萄糖和木糖发酵生产乙醇，发酵22-30h，发酵至葡萄糖的含量为0 g/dl，木糖残糖小于0.2g/dl以下时停止发酵。
所述发酵液中，葡萄糖的含量为0g/dl，木糖的含量为0.15-0.18g/dl，还原糖含量为2-2.5g/dl，L-阿拉伯糖含量为1.6-1.8g/dl，乙醇含量为2.6-3g/dl。
4. 酒精蒸馏：将发酵液经板框过滤机去除酵母菌体及杂质，通过蒸馏装置提取乙醇，剩余液体进入下一步骤。
5. 脱色：将糖液经精滤机过滤后，浓缩至糖浓度18-22%（w/v），添加0.9-1.2%（w/v）粉末活性炭进行脱色，脱色温度58-63℃，脱色时间0.9-1.1h，糖液透光率提高至80%以上。
6. 离子交换：将脱色后的L-阿拉伯糖糖液依次经过阳离子交换柱，阴离子交换柱，去除杂质离子，常温进料，进料速度为1.1-1.3倍柱体积/h，收集糖组分。
所述阳离子树脂为SepliteD001强酸大孔树脂，所述阴离子树脂为Seplite201*4强碱凝胶，能够有效去除糖液中的阴阳离子。
离子交换后糖液中，葡萄糖的含量为0g/dl，木糖的含量为0.1-0.15g/dl，还原糖含量为2-2.5g/dl，L-阿拉伯糖含量为1.6-1.8g/dl，硫酸根离子含量为0mg/dl，钠离子含量为0mg/dl，氯离子含量为0mg/dl。
7. 浓缩：将离子交换后的糖液进行浓缩，浓缩至糖液质量百分比浓度50-60%（w/v），浓缩温度为58-62℃。
8. 结晶：
A、第一次结晶
将浓缩后的L-阿拉伯糖糖液进行降温结晶，按1.4-1.6%（w/v）干物质加入晶种（L-阿拉伯糖），初始温度为58-62℃，开始降温，0.8-1.2℃/h，降至34-36℃，保温4.5-5.5h，过滤，烘干，得到L-阿拉伯糖粗晶体。
B、重结晶
用去离子水溶解得到的L-阿拉伯糖粗晶体，质量百分比浓度为72-77%，进行降温结晶，加入晶种（L-阿拉伯糖），晶种的加入量为L-阿拉伯糖糖液干物质量的0.28-0.32%（w/w），初始温度为58-62℃；降温速度为1.4-1.6℃/h，温度降至28-31℃，保温7.5-8.5h，离心分离，烘干，得到L-阿拉伯糖晶体，晶体质量含量98%，水分小于0.1%，灰分小于0.05%。
按照玉米麸皮干基计算L-阿拉伯糖的收率为15.5-16%。
本发明利用玉米纤维水解制备纤维糖液，利用纤维素酶和木聚糖酶水解，获得含有葡萄糖，木糖和L-阿拉伯糖的糖液，利用重组酵母消耗葡萄糖，木糖生产乙醇，蒸馏乙醇剩余发酵液处理后，经微滤净化和吸附脱色后，浓缩制备L-阿拉伯糖糖浆，经结晶或喷雾干燥后得到L-阿拉伯糖。该工艺将低附加值的玉米麸皮经过处理后变成价值较高的乙醇和L-阿拉伯糖，提高了玉米麸皮的利用价值。
本发明所述基因重组酿酒酵母，分类命名为：酿酒酵母Saccharomycescerevisiae，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所，保藏日期为2015年9月8日，保藏编号为CGMCC No.11331。
与现有技术相比，本发明取得有益效果在于：
本发明通过对玉米麸皮进行处理，获得酒精和L-阿拉伯糖，能够进一步提高玉米麸皮的利用价值，提高收益。并且制得的酒精能够作为清洁燃料，符合环保需要，L-阿拉伯糖作为保健功能糖市场广阔。
本发明所述方法，相对于玉米麸皮干基，酒精收率达到22-23%，L-阿拉伯糖收率为15.5-16%。
本发明制备的L-阿拉伯糖，晶体质量含量97.5-98.5%，水分小于0.1%，灰分小于0.05%。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应该理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
（1）预处理
取车间挤干玉米麸皮，水分60%（w/w），干基40%（w/w），玉米麸皮中加入水配置反应体系，其中玉米麸皮干基的质量占比为15%，按照干基质量的0.5%（w/w）添加70%（w/v）的硫酸溶液，将样品放入高温反应釜中，设置搅拌转速为200rpm，温度120℃，处理2h，获得预处理糖液。
所述预处理糖液中，葡萄糖的含量为1.68 g/dl，木糖的含量为2.72 g/dl，还原糖含量为6.61 g/dl，L-阿拉伯糖含量为1.4 g/dl。
（2）酶解
将处理后的糖液使用饱和氢氧化钠溶液调pH至5.0，按照40U/g干基分别添加纤维素酶和木聚糖酶，所述纤维素酶酶活单位为1.1万U/g，木聚糖酶酶活单位为9000U/g，反应体系中纤维素酶添加量为3.63mg/g干基麸皮，木聚糖酶酶添加量为4.44mg/g干基麸皮，于60℃酶解24h，获得含有葡萄糖，木糖，L-阿拉伯糖的酶解糖液；
所述酶解糖液，葡萄糖的含量为3.94g/dl，木糖的含量为3.5g/dl，还原糖含量为9.7g/dl，L-阿拉伯糖含量为1.9g/dl。
（3）乙醇发酵
乙醇发酵所用菌种为基因重组酿酒酵母，所述基因重组酿酒酵母能够利用酶解糖液中的葡萄糖和木糖生产酒精。
所述基因重组酿酒酵母由齐鲁工业大学提供，菌种保藏号为CGMCC No.11331；
具体过程如下：
A、平板划线
酵母活化平板为YPX固体培养基，其中酵母浸粉1g/dl,蛋白胨2g/dl，木糖2g/dl，ph6.0，琼脂2g/dl，使用接种环接种甘油罐菌种，划线平板，于30℃培养2天，单菌落长出后备用。
B、摇瓶培养
将单菌落挑取接种至摇瓶培养，培养基为YPX培养基，其中酵母浸粉1g/dl,蛋白胨2g/dl，木糖2g/dl， pH6.0，于30℃，200rpm培养24hr，待发酵液稀释10倍后的OD600nm值为0.3时备用。
C、种子培养
种子罐中培养基为YPX培养基，配方：酵母浸粉1g/dl,蛋白胨2g/dl，木糖2g/dl，按照1%（体积比）接种量，将摇瓶培养的发酵液接种至种子罐中，培养条件为30℃，200rpm，pH6.0，待种子培养的发酵液稀释10倍后的OD600nm值为0.6时备用。
D、发酵
按10%接种量（体积比）,将种子培养后的发酵液接入发酵罐，发酵培养基为酶解糖液。
发酵罐培养温度30℃，转速200rpm，厌氧发酵，发酵至木糖残糖在0.2g/dl以下时停罐；
检测发酵液中的各物质含量为：葡萄糖的含量为0g/dl，木糖的含量为0.16g/dl，还原糖含量为2.2g/dl，L-阿拉伯糖含量为1.7g/dl，乙醇含量为2.69g/dl。
将酵母发酵液经板框过滤机去除菌体和固形物后，所得滤液进行酒精蒸馏，蒸馏温度75℃，冷却罐温度10℃，所得酒精进入收集罐储存。
（4）脱色
将酒精蒸馏后的糖液经精滤机过滤，滤液经MVR蒸发器浓缩至糖浓度20%（w/v），添加1%（w/v）粉末活性炭，60℃脱色1h，糖液透光率提高至80%以上。
（5）离子交换
将脱色后的糖液依次经过阳离子交换柱、阴离子交换柱，常温进料，进料速度为1.2倍柱体积/h，收集糖组分。
所述阳离子树脂为SepliteD001强酸大孔树脂，所述阴离子树脂为Seplite201*4强碱凝胶，能够有效去除糖液中的阴阳离子。
离子交换后糖液中，葡萄糖的含量为0g/dl，木糖的含量为0.12g/dl，还原糖含量为2.1g/dl，L-阿拉伯糖含量为1.7g/dl，硫酸根离子含量为0mg/dl，钠离子含量为0mg/dl，氯离子含量为0mg/dl。
（6）真空浓缩
离子交换后的糖液进行真空浓缩，温度60℃，真空度-0.08Mpa，浓缩至糖含量55%（w/v）。
（7）降温结晶
A、第一次结晶
浓缩后糖液进行降温结晶，按照1.5%（w/v）添加晶种（L-阿拉伯糖），初始60℃，按照降温速度1℃/h，缓慢降温至35℃，维持5h，将L-阿拉伯糖晶体过滤，烘干，获得L-阿拉伯糖粗晶体。
B、重结晶
用去离子水溶解得到的L-阿拉伯糖粗晶体，质量百分比浓度为75%，进行降温结晶，加入晶种（L-阿拉伯糖），晶种的加入量为L-阿拉伯糖糖液干物质量的0.3%（w/w），初始温度为60℃；降温速度为1.5℃/h，温度降至30℃，保温8h，离心分离，烘干，烘干温度为60℃，得到L-阿拉伯糖晶体，晶体质量含量98%，水分小于0.1%，灰分小于0.05%。
按照玉米麸皮干基计算L-阿拉伯糖的收率为16%。
本发明经过酸解，酶解，酵母发酵后，纤维水解糖中的葡萄糖、木糖和一部分多糖被酵母发酵为酒精，酒精收率达到23%（相对于麸皮干基），经过蒸馏及过滤后，滤液中剩余少量木糖，多糖及产物L-阿拉伯糖。经离子交换吸附后，滤液中硫酸根离子，氯离子，钠离子含量基本检测不到，滤液纯度较高，颜色接近透明。再经过结晶，重结晶工艺，能够获得纯度较高的L-阿拉伯糖，且收率能够达到玉米麸皮干基的16%。使用本工艺，能够获得较高的产物价值，提高麸皮的使用价值。

Claims (10)

1.一种利用玉米麸皮联产乙醇和L-阿拉伯糖的方法，其特征在于：所述方法包括预处理、酶解、发酵、酒精蒸馏、脱色、离子交换、浓缩、结晶。
2.根据权利要求1所述的一种利用玉米麸皮联产乙醇和L-阿拉伯糖的方法，其特征在于：所述发酵，采用的菌种为基因重组酿酒酵母，菌种保藏号为CGMCC No.11331。
3.根据权利要求2所述的一种利用玉米麸皮联产乙醇和L-阿拉伯糖的方法，其特征在于：所述发酵，采用的培养基为酶解后的酶解糖液，所述酶解糖液，葡萄糖的含量为3.9-4.0g/dl，木糖的含量为3.4-3.6g/dl，还原糖含量为9.6-9.8g/dl，L-阿拉伯糖含量为1.8-2.0g/dl。
4.根据权利要求3所述的一种利用玉米麸皮联产乙醇和L-阿拉伯糖的方法，其特征在于：所述发酵，将基因重组酿酒酵母进行活化、培养至发酵液稀释10倍后的OD600nm值为0.58-0.62时，接入发酵罐，接种量为8-15%（体积比）。
5.根据权利要求1所述的一种利用玉米麸皮联产乙醇和L-阿拉伯糖的方法，其特征在于：所述发酵，温度为28-35℃，发酵至葡萄糖的含量为0 g/dl，木糖残糖小于0.2g/dl以下时停止发酵。
6.根据权利要求5所述的一种利用玉米麸皮联产乙醇和L-阿拉伯糖的方法，其特征在于：所述停止发酵时，发酵液中葡萄糖的含量为0g/dl，木糖的含量小于0.2g/dl，还原糖含量为2-2.5g/dl，L-阿拉伯糖含量为1.6-1.8g/dl，乙醇含量为2.6-3g/dl。
7.根据权利要求1所述的一种利用玉米麸皮联产乙醇和L-阿拉伯糖的方法，其特征在于：所述预处理，玉米麸皮中加入水配置反应体系，其中玉米麸皮干基的质量占比为15-20%，按照干基质量的0.3-1.0%（w/w）添加65-75%（w/v）的硫酸溶液，在105-130℃下处理1-2.5h，获得预处理糖液。
8.根据权利要求1所述的一种利用玉米麸皮联产乙醇和L-阿拉伯糖的方法，其特征在于：所述酶解，将预处理后的糖液，调节至pH4.0-6.0，加入诺维信纤维素和真菌木聚糖酶，两种酶的用量均为40-50U/g干基，在温度55-65℃进行酶解24-48h，得到含有葡萄糖，木糖，L-阿拉伯糖的酶解糖液。
9.根据权利要求1所述的一种利用玉米麸皮联产乙醇和L-阿拉伯糖的方法，其特征在于：所述脱色，将酒精蒸馏后的液体过滤后，浓缩至糖浓度18-22%（w/v），添加0.9-1.2%（w/v）粉末活性炭进行脱色，脱色温度58-63℃，脱色时间0.9-1.1h，糖液透光率提高至80%以上。
10.根据权利要求1所述的一种利用玉米麸皮联产乙醇和L-阿拉伯糖的方法，其特征在于：所述结晶，包括以下步骤：
A、第一次结晶
将浓缩后的50-60%（w/v）的L-阿拉伯糖糖液进行降温结晶，按1.4-1.6%（w/v）干物质加入晶种，初始温度为58-62℃，开始降温，0.8-1.2℃/h，降至34-36℃，保温4.5-5.5h，过滤，烘干，得到L-阿拉伯糖粗晶体；
B、重结晶
用去离子水溶解得到的L-阿拉伯糖粗晶体，质量百分比浓度为72-77%，进行降温结晶，加入晶种，晶种的加入量为L-阿拉伯糖糖液干物质量的0.28-0.32%（w/w），初始温度为58-62℃；降温速度为1.4-1.6℃/h，温度降至28-31℃，保温7.5-8.5h，分离，烘干，得到L-阿拉伯糖晶体。
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