CN114369627A - 一种黑曲霉促进餐厨垃圾和菌糠共发酵产乳酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种餐厨垃圾和木质纤维素类废物共发酵产乳酸的方法,具体包括:(1)将木质纤维素类废物与碱溶液,按照固液比1:5‑1:20混合,在100‑130℃下反应0.5‑2h,离心分离,滤渣为碱处理后的木质纤维素,滤液为碱处理后废液;(2)将餐厨垃圾、碱处理后的木质纤维素按1:1‑1:6混合,按固液比1:1‑1:15加入混合液体,所述混合液体为水和碱处理废液的混合液,碱处理废液占混合液体的0‑100%体积,混合均匀得到发酵底物;(3)按10‑15%接种量向发酵底物中接种乳酸菌,发酵12‑72h后,再按25‑35U/g碱处理后的木质纤维素的量加入黑曲霉粗酶液,在35‑45℃下继续发酵12‑72h;(4)发酵产物固液分离,液体为乳酸,固体残渣用作动物饲料。本发明在餐厨垃圾发酵制备乳酸的过程中,通过添加不同的木质纤维素类废物缓解发酵过程中的酸化问题,提高了乳酸产量,减少发酵过程中碱中和剂的使用,降低了整体的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及工业微生物发酵工程技术领域,具体为一种餐厨垃圾和木质纤维素类废物共发酵产乳酸的方法。
背景技术
乳酸作为重要的有机酸之一,近几年由于可以作为合成聚乳酸的原材料,因此市场对其的需求量大大增加。全世界90%的乳酸都是通过乳酸菌生物发酵制得,在这个过程中,发酵底物以淀粉基(玉米、木薯等)和糖基原料(甘蔗、甜菜等)为主,价格昂贵,因此利用有机废物发酵生产制备乳酸得到了广泛的关注。
以餐厨垃圾为底物发酵制备乳酸的过程已经被广泛研究过,但是单一餐厨垃圾因为其本身碳氮比较低且易酸化的特点使得乳酸发酵的产率不高,为了解决这个问题,一些研究将餐厨垃圾和木质纤维素类物质混合共发酵去制备乳酸,但发酵体系容易出现酸化问题,影响乳酸产量,同时还容易产生大量废水,造成环境污染。
发明内容
本发明的目的在于提供一种餐厨垃圾和木质纤维素类废物共发酵产乳酸的方法,具体包括:
(1)将木质纤维素类废物与碱溶液,按照固液比1:5-1:20混合,在100-130℃下反应0.5-2h,离心分离,滤渣为碱处理后的木质纤维素,滤液为碱处理后废液;
(2)将餐厨垃圾、碱处理后的木质纤维素按1:1-1:6混合,按固液比1:1-1:15加入混合液体,所述混合液体为水和碱处理废液的混合液,碱处理废液占混合液体的0-100%体积,混合均匀得到发酵底物;
(3)按10-15%接种量向发酵底物中接种乳酸菌,发酵12-72h后,再按25-35U/g碱处理后的木质纤维素的量加入黑曲霉粗酶液,在35-45℃下继续发酵12-72h;所述的黑曲霉粗酶液的获取步骤为:将黑曲霉活化种子液按1-15%的接种量接入到黑曲霉产纤维素酶培养基中,25-35℃、100-200rpm条件下培养6-10天后,离心分离,上清液为黑曲霉粗酶液;
(4)发酵产物固液分离,液体为乳酸,固体残渣用作动物饲料。
本发明优选的技术方案中,所述的餐厨垃圾是指餐馆、饭店、单位食堂的饮食剩余物经过分拣除杂粉碎之后得到的垃圾。
本发明优选的技术方案中,所述的木质纤维素类废物为菌糠、小麦秸秆、水稻秸秆、花生壳、玉米秸秆、甘蔗秸秆中的任一种或其组合。
本发明优选的技术方案中,所述碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾中的任一种或其组合。
本发明优选的技术方案中,所述木质纤维素类废物与碱溶液的固液比为1:8-1:10。
本发明优选的技术方案中,所述木质纤维素类废物与碱溶液的反应温度为110-120℃,反应时间为1-1.5h。
本发明优选的技术方案中,餐厨垃圾和经过碱预处理的木质纤维素的质量比为1:2-1:5。
本发明优选的技术方案中,步骤(2)中所述固液比为1:5-1:8,碱处理废液占混合液体的50-100%体积。
本发明优选的技术方案中,所述乳酸菌为蒙氏肠球菌、干酪乳杆菌、芽孢乳酸菌、双岐乳杆菌中的任一种或其组合。
本发明优选的技术方案中,所述蒙氏肠球菌为Enterococcus mundtii CGMCC22227,保藏单位为:中国普通微生物菌种保藏管理中心,保藏地址为:北京市朝阳区北辰西路1号院3号,保藏日期为2021年4月22日。
本发明优选的技术方案中,所述乳酸菌为乳酸菌的富集种子液,制备方法为,将冷藏下的乳酸菌种按1-10%的量接入乳酸菌培养基,35-45℃下培养12-24h后作为活化种子液,之后再将1-10%的活化种子液接入到乳酸菌培养基中,35-45℃下培养1-10h作为富集种子液。
本发明优选的技术方案中,所述的乳酸菌培养基的配方为:每升去离子水中加入蛋白胨10.0g,牛肉膏8.0g,酵母粉4.0g,葡萄糖20.0g,三水合乙酸钠5.0g,柠檬酸三铵2.0g,Tween 80 1.0mL,K2HPO42.0g,MgSO4.7H2O 0.2g,MnSO4.H2O 0.05g,pH 7.0。
本发明优选的技术方案中,所述接入乳酸菌的发酵时间为24-48h。
本发明优选的技术方案中,所述整个发酵过程中pH控制在6.0-7.0。
本发明优选的技术方案中,所用的黑曲霉菌株为Aspergillusniger CGMCC3.316,购买自中国普通微生物菌种保藏管理中心。
本发明优选的技术方案中,所述的黑曲霉活化种子液的制备方法为:将保藏在马铃薯葡萄糖琼脂培养基上的黑曲霉菌株按1-10%的量加入到黑曲霉活化培养基中,在28-30℃、180-200rpm条件下培养24-30h,得到黑曲霉活化种子液。
本发明优选的技术方案中,所述的黑曲霉活化培养基的配方为:每升去离子水中加入马铃薯浸粉5.0g,葡萄糖20.0g,氯霉素0.1g。
本发明优选的技术方案中,所述的黑曲霉产纤维素酶培养基的配方为:小麦秸秆与去离子水按照固液比1:5-1:8混合,补充2.0-3.0g/L的蛋白胨,pH值用3mol/L的HCl溶液调节成4.0-4.5,121℃下高温高压灭菌15min。
除非另有说明,本发明涉及液体与液体之间的百分比时,所述的百分比为体积/体积百分比;本发明涉及液体与固体之间的百分比时,所述百分比为体积/重量百分比;本发明涉及固体与液体之间的百分比时,所述百分比为重量/体积百分比;其余为重量/重量百分比。
除非另有说明,本发明采用以下方式检测发酵产物含量:
(1)乳酸浓度的测定采用高效液相色谱法,利用Shodex Sugar SH1011液相色谱柱(8.0mm×300mm)分离样品,然后进入RID检测器检测。色谱条件为:柱温60℃;流动相5mMH2SO4;流速1.0mL/min;进样体积10μL。
(2)乳酸产率:乳酸产率=最大乳酸浓度/总糖浓度
总糖浓度的测定采用的是苯酚硫酸法。先用标准的葡萄糖做标准曲线,具体的方法如下:准确称取标准葡萄糖10mg于250mL容量瓶中,加水至刻度,分别吸取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8及1.0mL,然后用蒸馏水补至1.0mL,然后加入5%苯酚溶液1.0mL及浓硫酸5.0mL,摇匀冷却,室温放置20min于490nm测光密度,以1.0mL水按同样显色操作为空白,横坐标为总糖的微克数,纵坐标为光密度值,得标准曲线。样品的处理与上面操作一致,按照标准曲线最终得出样品中总糖的含量。
(3)L-乳酸的光学纯度:L乳酸光学纯度=L-乳酸浓度/总乳酸浓度*100%
L-乳酸浓度的测定采用高效液相色谱法,利用Sumichiral OA 5000液相色谱柱(4.6mm×150mm)分离样品,然后进入RID检测器检测。色谱条件为:柱温30℃;流动相1mMCuSO4;流速1.0mL/min;进样体积2μL。
与现有技术相比,本发明具有下述有益技术效果:
本发明同现有技术相比具有以下优势:
1.本发明在餐厨垃圾发酵制备乳酸的过程中,通过添加碱预处理后的木质纤维素类废物,并将碱预处理废液回用至发酵阶段,实现了营养均衡、缓解酸化,提高了乳酸产量和收率,提高了L-乳酸的光学纯度,降低了副产物的产生和发酵过程中中和剂的使用,同时实现了三废的利用,降低了整体的生产成本。
2.本发明通过乳酸菌和黑曲霉的顺序使用,可避免同步接入乳酸菌和黑曲霉时,黑曲霉菌丝对乳酸菌的抑制作用,便于乳酸菌优先利用底物本身存在的可溶性糖迅速增殖而成为优势菌种,提高了乳酸产量和收率。
3.本发明实现了三废处理和资源化利用,操作简单,适用于工业化生产。
附图说明
图1对照例、实施例1-3的乳酸浓度比较
图2对照例、实施例1-3的乳酸产率比较
图3对照例、实施例1-3的L-乳酸的光学纯度比较
图4对照例、实施例1-3的发酵结束后单位底物的NaOH用量比较
具体实施方式
下面结合实例对本发明的实施方式进行详细说明。但此实例仅用作说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
取学校食堂后厨的餐厨垃圾100g,分拣剔除大块杂物、粉碎,检测餐厨垃圾中成分(%,干重)如下:淀粉,54.71%;脂肪14.77%;葡萄糖,1.20%;总糖65.5%。
木质纤维素废物碱预处理步骤为:取木质纤维素废物小麦秸秆55g和香菇菌糠25g,分别与1.2%(w/v)NaOH溶液按照固液比1:10混合,在120℃下反应60min,然后离心分离,滤渣经去离子水洗至中性、干燥,即得碱预处理后小麦秸秆31g和碱预处理后菌糠15g,两部分滤液混合即为碱预处理后废液700ml。
所用的乳酸菌菌株为Enterococcus mundtii(CGMCC 22227)。所述的乳酸菌富集种子液培养步骤为:-80℃条件保藏下的Enterococcus mundtii CGMCC 22227菌种,按接种量10%接入乳酸菌培养基,43℃下培养12h后作为活化种子液,之后再将10%的Enterococcus mundtii CGMCC 22227活化种子液接入到乳酸菌培养基中,43℃下培养9h作为富集种子液。
所述的乳酸菌培养基的配方为:每升去离子水中加入蛋白胨10.0g,牛肉膏8.0g,酵母粉4.0g,葡萄糖20.0g,三水合乙酸钠5.0g,柠檬酸三铵2.0g,Tween 80 1.0mL,K2HPO42.0g,MgSO4.7H2O 0.2g,MnSO4.H2O 0.05g,pH 7.0。
所用的黑曲霉菌株为Aspergillus niger CGMCC 3.316。所述的黑曲霉粗酶液的获取步骤为:将保藏在马铃薯葡萄糖琼脂培养基上的黑曲霉菌株在28℃、180rpm条件下,接入黑曲霉活化培养基中培养24h进行活化。之后将10%的活化种子液中接入到黑曲霉产纤维素酶培养基中,28℃、180rpm条件下培养6天之后进行离心分离,上清液为黑曲霉粗酶液。测定黑曲霉粗酶液中纤维素酶活为15.63U/g。
所述黑曲霉活化培养基的配方为:每升去离子水中加入马铃薯浸粉5.0g,葡萄糖20.0g,氯霉素0.1g。
所述的黑曲霉产纤维素酶培养基的配方为:碱预处理后的小麦秸秆与去离子水按照固液比1:6混合,补充2.5g/L的蛋白胨,得培养基,用3mol/L的HCl溶液将培养基pH值调节成4.0,121℃下高温高压灭菌15min。
对照例1
称取餐厨垃圾(干重)12.92g,加入160mL去离子水后,总糖浓度为52.89g/L。接种10%乳酸菌富集种子液,在43℃条件下发酵72h。发酵过程中每12h用8mol/L的NaOH调节pH到7.0。测定和计算最终的乳酸浓度、乳酸产率、L-乳酸的光学纯度、发酵结束后单位底物的NaOH用量,见图1-4。
实施例1
称取餐厨垃圾(干重)6.7g和碱预处理小麦秸秆(干重)14.66g,加入160mL去离子水后,总糖浓度为52.89g/L。接种10%乳酸菌富集种子液,在乳酸发酵进行到24h接入黑曲霉粗酶液25U/g木质纤维素废物,在43℃条件下发酵72h。发酵过程中每12h用8mol/L的NaOH调节pH到7.0。测定和计算最终的乳酸浓度、乳酸产率、L-乳酸的光学纯度、发酵结束后单位底物的NaOH用量,见图1-4。
实施例2
称取餐厨垃圾(干重)6.7g、碱预处理小麦秸秆(干重)7.33g和碱预处理菌糠(干重)6.97g,加入160mL去离子水后,总糖浓度为52.89g/L。接种10%乳酸菌富集种子液,在乳酸发酵进行到24h接入黑曲霉粗酶液25U/g木质纤维素废物,在43℃条件下发酵72h。发酵过程中每12h用8mol/L的NaOH调节pH到7.0。测定和计算最终的乳酸浓度、乳酸产率、L-乳酸的光学纯度、发酵结束后单位底物的NaOH用量,见图1-4。
实施例3
称取餐厨垃圾(干重)6.7g、碱预处理小麦秸秆(干重)7.33g和碱预处理菌糠(干重)6.97g,加入160mL碱预处理废液,总糖浓度为55.54g/L。接种10%乳酸菌富集种子液,在乳酸发酵进行到24h接入黑曲霉粗酶液25U/g木质纤维素废物,在43℃条件下发酵72h。发酵过程中每12h用8mol/L的NaOH调节pH到7.0。测定和计算最终的乳酸浓度、乳酸产率、L-乳酸的光学纯度、发酵结束后单位底物的NaOH用量,见图1-4。
以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明,本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形,只要不脱离本发明的精神,均应属于本发明权利要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种餐厨垃圾和木质纤维素类废物共发酵产乳酸的方法,其特征在于,具体包括:
(1)将木质纤维素类废物与碱溶液,按照固液比1:5-1:20混合,在100-130℃下反应0.5-2h,离心分离,滤渣为碱处理后的木质纤维素,滤液为碱处理后废液;
(2)将餐厨垃圾、碱处理后的木质纤维素按1:1-1:6混合,按固液比1:1-1:15加入混合液体,所述混合液体为水和碱处理废液的混合液,碱处理废液占混合液体的0-100%体积,混合均匀得到发酵底物;
(3)按10-15%接种量向发酵底物中接种乳酸菌,发酵12-72h后,再按25-35U/g碱处理后的木质纤维素的量加入黑曲霉粗酶液,在35-45℃下继续发酵12-72h;所述的黑曲霉粗酶液的获取步骤为:将黑曲霉活化种子液按1-10%的接种量接入到黑曲霉产纤维素酶培养基中,25-35℃、100-200rpm条件下培养6-10天后,离心分离,上清液为黑曲霉粗酶液;
(4)发酵产物固液分离,液体为乳酸,固体残渣用作动物饲料。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的木质纤维素类废物为菌糠、小麦秸秆、水稻秸秆、花生壳、玉米秸秆、甘蔗秸秆中的任一种或其组合。
3.如权利要求1-2任一项所述的方法,其特征在于,所述碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾中的任一种或其组合。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法,其特征在于,所述乳酸菌为蒙氏肠球菌、干酪乳杆菌、芽孢乳酸菌、双岐乳杆菌中的任一种或其组合,优选所述蒙氏肠球菌为Enterococcusmundtii CGMCC 22227。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法,其特征在于,所述乳酸菌为乳酸菌的富集种子液,制备方法为,将冷藏下的乳酸菌种接入乳酸菌培养基,35-45℃下培养12-24h后作为活化种子液,之后再按1-10%的接种量将活化种子液接入到乳酸菌培养基中,35-45℃下培养1-10h作为富集种子液。
6.如权利要求1-5任一项所述的方法,其特征在于,所述的乳酸菌培养基的配方为:每升去离子水中加入蛋白胨10.0g,牛肉膏8.0g,酵母粉4.0g,葡萄糖20.0g,三水合乙酸钠5.0g,柠檬酸三铵2.0g,Tween 80 1.0mL,K2HPO4 2.0g,MgSO4.7H2O 0.2g,MnSO4.H2O 0.05g,pH 7.0。
7.如权利要求1-6任一项所述的方法,其特征在于,所用的黑曲霉菌株为Aspergillusniger CGMCC 3.316,购买自中国普通微生物菌种保藏管理中心。
8.如权利要求1-7任一项所述的方法,其特征在于,所述的黑曲霉活化种子液的制备方法为:将保藏在马铃薯葡萄糖琼脂培养基上的黑曲霉菌株加入到黑曲霉活化培养基中,在28-30℃、180-200rpm条件下培养24-30h,得到黑曲霉活化种子液。
9.如权利要求1-8任一项所述的方法,其特征在于,所述的黑曲霉活化培养基的配方为:每升去离子水中加入马铃薯浸粉5.0g,葡萄糖20.0g,氯霉素0.1g。
10.如权利要求1-9任一项所述的方法,其特征在于,所述的黑曲霉产纤维素酶培养基的配方为:小麦秸秆与去离子水按照固液比1:5-1:8混合,补充2.0-3.0g/L的蛋白胨,pH值用3mol/L的HCl溶液调节成4.0-4.5,121℃下高温高压灭菌15min用于后续的黑曲霉产纤维素酶的过程中。
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