專利名稱:農(nóng)作物秸稈發(fā)酵同時制取乳酸和飼料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種農(nóng)作物秸稈發(fā)酵同時制取乳酸及優(yōu)質(zhì)飼料的方法。
背景技術(shù)：
乳酸不僅在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)中用途廣泛，還可作為工業(yè)原料用于皮革、纖維行業(yè)。特別是近年來聚乳酸作為生物降解性塑料，具有很多優(yōu)良性能，其原料乳酸的制造更為引人注目。以前，用于乳酸發(fā)酵的原料，一般是玉米、木薯、小麥、馬鈴薯等農(nóng)作物的淀粉。但這些農(nóng)作物，既是乳酸發(fā)酵的理想原料，同時又是寶貴的糧食。從資源有效利用和降低乳酸生產(chǎn)成本的角度看，利用其他廉價的碳源進行發(fā)酵是乳酸生產(chǎn)的研究熱點之一。農(nóng)作物秸稈是糧食生產(chǎn)的主要副產(chǎn)物，約占作物生物量的50％，是一類極豐富的能直接利用的生物資源。公開號為CN 1310949，CN 1294861，CN 1277813公開了由秸稈制作蛋白飼料的方法，這些方法只能從秸稈中得到一種飼料產(chǎn)物。日本特許公開2003-310243和1997-308494分別公開了利用廢紙和污水處理廠污泥發(fā)酵制乳酸的方法，還有利用玉米渣、土豆渣、麥糠、麩皮，以及廢棄的甜菜葉、甘蔗渣、制做馬鈴薯沙拉后的殘渣、干酪工廠的下腳料、面包廢棄物、造紙污泥以及貝類加工后的廢棄物等生產(chǎn)乳酸的研究。上述這些方法只能制取乳酸，但不能既制取乳酸同時又生產(chǎn)飼料，特別是用農(nóng)作物的秸稈制取乳酸同時生產(chǎn)飼料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種農(nóng)作物秸稈發(fā)酵同時制取乳酸和飼料的方法，它具有生產(chǎn)成本低、投資少、無污染、能耗低、無廢渣、無廢液，充分利用資源的特點。本發(fā)明所采取的步驟是(1)農(nóng)作物秸稈預(yù)處理將秸稈粉碎至80～140目后，用稀堿液浸泡12～36小時，過濾，洗滌至洗滌液為中性。預(yù)處理產(chǎn)生的廢液利用雙極膜電滲析法回收木質(zhì)素和堿液。(2)固態(tài)發(fā)酵制備纖維素酶曲選用產(chǎn)纖維素酶的木霉、真菌作為出發(fā)菌株，在25～30℃的條件下固態(tài)發(fā)酵60～108小時，發(fā)酵產(chǎn)生的纖維素酶曲直接利用到后續(xù)的同步發(fā)酵中。制備纖維素酶曲的具體步驟為a、將產(chǎn)纖維素酶的出發(fā)菌株，接種到斜面培養(yǎng)基培養(yǎng)，從活化的斜面刮幾環(huán)孢子接入帶玻璃珠的無菌水中，振蕩，分散孢子，測定孢子濃度，使孢子懸浮濃度達106～107個/mL；b、于容器中添加秸稈粉、麩皮(糖蜜，豆腐渣)、緩沖營養(yǎng)液配制成培養(yǎng)基，秸稈粉與麩皮重量比為1∶1～1.5∶1，固液重量比為1∶2～1∶3，緩沖營養(yǎng)液pH值為4.0～5.0，其中添加硫酸銨、磷酸二氫鉀、硫酸鎂，其濃度分別為2％、0.1％、0.05％；c、將b步驟中的培養(yǎng)基滅菌，冷卻后接種總重量的5～8％的孢子懸液，于25℃～30℃條件下培養(yǎng)60～108小時后得到纖維素酶曲。(3)乳酸菌活化選用能在45～50℃條件下產(chǎn)酸良好的耐高溫乳酸菌，用MRS培養(yǎng)基活化12～24小時。(4)同步糖化發(fā)酵在預(yù)處理后(未烘干)的秸稈中加入重量為固體底物2～3倍的水，121℃滅菌后，添加步驟(2)中制得的纖維素酶曲，使總底物中的纖維素酶曲酶活以纖維素濾紙酶活計達到42～50IU/g，接種活化后的耐高溫乳酸菌，接種量為總底物重量的5～10％，于45～50℃條件下發(fā)酵72～108小時，發(fā)酵期間調(diào)節(jié)發(fā)酵底物的pH值為5.0～6.0。(5)固液分離及產(chǎn)物的后處理固液分離，收集上清液中的乳酸，采用電滲析等方法進一步提純。提純?nèi)樗岷蟮臍堃嚎苫赜糜谕桨l(fā)酵過程。固液分離后得到的發(fā)酵殘渣直接作飼料，或進一步在發(fā)酵殘渣中，添加5～40％(wt％)的復(fù)合工程菌群和10～30％的輔料；在10～35℃條件下固態(tài)發(fā)酵48～240小時，將發(fā)酵產(chǎn)物在自然條件下或45℃條件下烘干，制得蛋白含量在10～40％的高蛋白飼料。本發(fā)明實現(xiàn)了秸稈同步發(fā)酵轉(zhuǎn)化并同時得到乳酸和飼料兩種產(chǎn)品，它具有如下優(yōu)點本發(fā)明利用產(chǎn)纖維素木霉、真菌等作為出發(fā)菌株，固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)纖維素，產(chǎn)酶量高，而且省去了純化、制備纖維素酶制劑的過程，同時產(chǎn)纖維素酶曲所利用的培養(yǎng)基以秸稈為主，僅添加少量低成本的麩皮和硫酸銨等，不僅利用了秸稈，而且大大降低了制備酶的成本；選用耐高溫的酵母，解決了酵母最適宜生長溫度與纖維素酶解的最適溫度不一致的技術(shù)難題，滿足了同步發(fā)酵的要求；通過對同步發(fā)酵條件的研究，得到了優(yōu)化的發(fā)酵工藝路線，大大縮短了發(fā)酵時間，提高了發(fā)酵效率，同步發(fā)酵72～108小時，即可得到每100g干秸稈產(chǎn)6～8g的乳酸和60～70g的優(yōu)質(zhì)飼料(干重)。利用本方法不僅可以將秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物同時轉(zhuǎn)化為乳酸和優(yōu)質(zhì)飼料，生產(chǎn)成本低、投資少，而且整個工藝過程能耗低、無二次污染，是綠色環(huán)保的農(nóng)作物秸稈利用方法。秸稈中含有豐富的纖維素類物質(zhì)，以秸稈作為原料發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，不僅可以從根本上改變目前乳酸以淀粉類物質(zhì)為原料的生產(chǎn)狀況，而且可以同時得到質(zhì)優(yōu)價廉的秸稈飼料，其中含有較豐富的蛋白質(zhì)和部分還原糖類，還富含活性乳酸菌(但使用非食品乳酸菌后飼料需滅菌)和各種消化酶以及纖維素酶，具有較大的經(jīng)濟效益和應(yīng)用前景。



圖1為本發(fā)明中纖維素酶曲的制備工藝流程圖，圖2為本發(fā)明用秸稈同步發(fā)酵生產(chǎn)乳酸和飼料的工藝流程圖。
具體實施方式
具體實施方式
一(參見圖1、圖2)本實施方式是按如下步驟實現(xiàn)的(1)農(nóng)作物秸稈預(yù)處理將秸稈粉碎至80～140目后，用稀堿液浸泡12～36小時，過濾，洗滌至洗滌液為中性。預(yù)處理產(chǎn)生的廢液利用雙極膜電滲析法回收木質(zhì)素和堿液。(2)固態(tài)發(fā)酵制備纖維素酶曲選用產(chǎn)纖維素酶的木霉、真菌作為出發(fā)菌株，在25～30℃的條件下固態(tài)發(fā)酵60～108小時，發(fā)酵產(chǎn)生的纖維素酶曲直接利用到后續(xù)的同步發(fā)酵中。制備纖維素酶曲的具體步驟為a、將產(chǎn)纖維素酶的出發(fā)菌株，接種到斜面培養(yǎng)基培養(yǎng)，從活化的斜面刮幾環(huán)孢子接入帶玻璃珠的無菌水中，振蕩，分散孢子，測定孢子濃度，使孢子懸浮濃度達106～107個/mL；b、于容器中添加秸稈粉、麩皮(糖蜜，豆腐渣)、緩沖營養(yǎng)液配制成培養(yǎng)基，秸稈粉與麩皮重量比為1∶1～1.5∶1，固液重量比為1∶2～1∶3，緩沖營養(yǎng)液pH值為4.0～5.0，其中添加硫酸銨、磷酸二氫鉀、硫酸鎂，其濃度分別為2％、0.1％、0.05％；c、將b步驟中的培養(yǎng)基滅菌，冷卻后接種總重量的5～8％的孢子懸液，于25℃～30℃條件下培養(yǎng)60～108小時后得到纖維素酶曲。(3)乳酸菌活化選用能在45～50℃條件下產(chǎn)酸良好的耐高溫乳酸菌，用MRS培養(yǎng)基活化12～24小時。(4)同步糖化發(fā)酵在預(yù)處理后(未烘干)的秸稈中加入重量為固體底物2～3倍的水，121℃滅菌后，添加步驟(2)中制得的纖維素酶曲，使總底物中的纖維素酶曲酶活以纖維素濾紙酶活計達到42～50IU/g，接種活化后的耐高溫乳酸菌，接種量為總底物重量的5～10％，于45～50℃條件下發(fā)酵72～108小時，發(fā)酵期間調(diào)節(jié)發(fā)酵底物的pH值為5.0～6.0。(5)固液分離及產(chǎn)物的后處理固液分離，收集上清液中的乳酸，采用電滲析等方法進一步提純。提純?nèi)樗岷蟮臍堃嚎苫赜糜谕桨l(fā)酵過程。固液分離后得到的發(fā)酵殘渣直接作飼料，或進一步在發(fā)酵殘渣中，添加5～40％(wt％)的復(fù)合工程菌群和10～30％的輔料；在10～35℃條件下固態(tài)發(fā)酵48～240小時，將發(fā)酵產(chǎn)物在自然條件下或45℃條件下烘干，制得蛋白含量在10～40％的高蛋白飼料。所述農(nóng)作物秸稈是玉米秸稈、大豆秸稈、水稻秸稈、高粱秸稈或小麥秸稈。所述纖維素酶曲制備過程中，所用產(chǎn)纖維素酶的菌種為康氏木霉、綠色木霉、土曲霉、嗜熱纖維梭狀芽孢桿菌中的任何一種或它們的混合菌群。所述步驟(4)中發(fā)酵期間調(diào)節(jié)發(fā)酵底物pH值所用的堿為氫氧化鈉、氫氧化鈣、氫氧化鉀或氨水其中的一種或兩種以上的混合物。為進一步制取高蛋白飼料而進行的固態(tài)發(fā)酵中，所添加的輔料是甜菜渣、甘蔗渣、豆渣、麥麩或谷糠中的至少一種。所述的復(fù)合工程菌群為熱帶假絲酵母菌、白地霉菌、康氏木霉菌和植物乳酸菌的混合物。
具體實施方式
二(參見圖1、圖2)本實施方式是按如下步驟實現(xiàn)的(1)將大豆秸稈粉碎至140目后，用10％濃度的氨水室溫浸泡24小時，過濾，洗滌至洗滌液為中性。預(yù)處理產(chǎn)生的廢液利用雙極膜電滲析法分離木質(zhì)素和堿液。(2)將康氏木霉接種到斜面培養(yǎng)基培養(yǎng)至菌絲生長旺盛，從斜面刮幾環(huán)孢子接入帶玻璃珠的無菌水中，振蕩，分散孢子，測定孢子濃度，使孢子懸浮濃度達107個/mL。(3)于容器中添加秸稈粉、麩皮、醋酸-醋酸鈉緩沖溶液等配制成培養(yǎng)基，使秸稈粉與麩皮重量比為1∶1，固液重量比為2∶5，醋酸-醋酸鈉緩沖溶液pH值為4.5，添加硫酸銨、磷酸二氫鉀、硫酸鎂，其濃度分別為2％、0.1％、0.05％，混合均勻，滅菌，冷卻后接種總重量的5％的孢子懸液，于30℃條件下固態(tài)發(fā)酵96小時后得到纖維素酶曲，其纖維素酶活力為798.84FPU/ml。(4)斜面保存的耐高溫乳酸菌株1環(huán)于MRS液體培養(yǎng)基中，50℃條件下120r/min培養(yǎng)16小時，然后按5％的接種量依次擴大培養(yǎng)。(5)在預(yù)處理后的濕秸稈中加入重量為固體底物2.5倍的水，121℃滅菌后，添加步驟(2)中制得的纖維素酶曲，使總底物中的纖維素酶曲酶活以纖維素濾紙酶活計達到42IU/g，接種活化后的耐高溫乳酸菌，接種量為總底物重量的5％，于50℃條件下發(fā)酵96小時，發(fā)酵期間調(diào)節(jié)發(fā)酵底物的pH值為5.0～6.0。(6)用高速離心機進行固液分離，分析發(fā)酵液中的乳酸含量，可得到每100g干秸稈產(chǎn)出的乳酸6.2g?？刹捎秒姖B析等方法進行的提純和精制。(7)分析固液分離所得發(fā)酵殘渣中的粗蛋白、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等含量見表1。若需要進一步提高蛋白含量可在所得發(fā)酵殘渣中，添加5～40％(wt％)的復(fù)合工程菌群和10～30％的輔料；在10～35℃條件下固態(tài)發(fā)酵48～240小時，將發(fā)酵產(chǎn)物在自然條件下或45℃條件下烘干，制得蛋白含量在15～40％的高蛋白飼料。
表1預(yù)處理和乳酸發(fā)酵過程對秸稈成分的影響


具體實施方式
三(參見圖1、圖2)本實施方式是按如下步驟實現(xiàn)的(1)將玉米秸稈粉碎，過80目的篩，室溫下用8％濃度的氨水浸泡24小時，固液比為1∶10，之后過濾，洗滌至洗滌液為中性。預(yù)處理產(chǎn)生的廢液利用雙極膜電滲析法分離木質(zhì)素和堿液。(2)將康氏木霉接種到斜面培養(yǎng)基培養(yǎng)至菌絲生長旺盛，從斜面刮幾環(huán)孢子接入帶玻璃珠的無菌水中，振蕩，分散孢子，測定孢子濃度，使孢子懸浮濃度達107個/mL。(3)于容器中添加預(yù)處理后的秸稈粉、麩皮、水、硫酸銨，使秸稈粉與麩皮的重量比為1∶1，固液重量比為1∶3，營養(yǎng)液中硫酸銨濃度為2％，混合均勻，滅菌，冷卻后接種總重量的5％的孢子懸液，于27℃條件下固態(tài)發(fā)酵96小時后得到纖維素酶曲，其產(chǎn)生的纖維素酶活力可達到1392.93FPU/(g.秸稈)。(4)斜面保存的耐高溫乳酸菌株1環(huán)于液體培養(yǎng)基中，50℃條件下120r/min培養(yǎng)16小時，然后按5％的接種量依次擴大。(5)在預(yù)處理后的秸稈粉中添加纖維素酶曲，使總底物中的纖維素酶曲酶活以纖維素濾紙酶活計達到50IU/g，加入固體底物2.5倍重量的水；接種活化后的耐高溫乳酸菌，接種量為總底物重量的5％。于50℃條件下發(fā)酵84小時。調(diào)節(jié)發(fā)酵底物的pH值為5.5～6.0。(6)用高速離心機進行固液分離，分析發(fā)酵液中的乳酸含量，可得到每100g預(yù)處理后的干秸稈產(chǎn)出的乳酸7.35g?？刹捎秒姖B析等方法進行的提純和精制。(7)分析固液分離所得發(fā)酵殘渣中各種成分的含量，得知乳酸發(fā)酵后殘渣粗蛋白含量提高，纖維素降低，并具有較高酶活。結(jié)果見表2。若需要進一步提高蛋白含量可在所得發(fā)酵殘渣中，添加5～40％(wt％)的復(fù)合工程菌群和10～30％的輔料；在10～35℃條件下固態(tài)發(fā)酵48～240小時，將發(fā)酵產(chǎn)物在自然條件下或45℃條件下烘干，制得蛋白含量在15～40％的高蛋白飼料。
表2預(yù)處理和乳酸發(fā)酵過程對秸稈成分的影響


權(quán)利要求
1.農(nóng)作物秸稈發(fā)酵同時制取乳酸和飼料的方法，其特征在于它的步驟是(1)農(nóng)作物秸稈預(yù)處理將秸稈粉碎至80～140目后，用稀堿液浸泡12～36小時，過濾，洗滌至洗滌液為中性，預(yù)處理產(chǎn)生的廢液利用雙極膜電滲析法回收木質(zhì)素和堿液；(2)固態(tài)發(fā)酵制備纖維素酶曲選用產(chǎn)纖維素酶的木霉、真菌作為出發(fā)菌株，在25～30℃的條件下固態(tài)發(fā)酵60～108小時，發(fā)酵產(chǎn)生的纖維素酶曲直接利用到后續(xù)的同步發(fā)酵中；(3)乳酸菌活化選用能在45～50℃條件下產(chǎn)酸良好的耐高溫乳酸菌，用MRS培養(yǎng)基活化12～24小時；(4)同步糖化發(fā)酵在預(yù)處理后的秸稈中加入重量為固體底物2～3倍的水，121℃滅菌后，添加步驟(2)中制得的纖維素酶曲，使總底物中的纖維素酶曲酶活以纖維素濾紙酶活計達到42～50IU/g，接種活化后的耐高溫乳酸菌，接種量為總底物重量的5～10％，于45～50℃條件下發(fā)酵72～108小時，發(fā)酵期間調(diào)節(jié)發(fā)酵底物的pH值為5.0～6.0；(5)固液分離及產(chǎn)物的后處理固液分離，收集上清液中的乳酸，采用電滲析方法進一步提純，提純?nèi)樗岷蟮臍堃嚎苫赜糜谕桨l(fā)酵過程，固液分離后得到的發(fā)酵殘渣直接作飼料。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的農(nóng)作物秸稈發(fā)酵同時制取乳酸和飼料的方法，其特征在于所述農(nóng)作物秸稈是玉米秸稈、大豆秸稈、水稻秸稈、高粱秸稈或小麥秸稈。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的農(nóng)作物秸稈發(fā)酵同時制取乳酸和飼料的方法，其特征在于所述纖維素酶曲制備過程中，所用產(chǎn)纖維素酶的菌種為康氏木霉、綠色木霉、土曲霉、嗜熱纖維梭狀芽孢桿菌中的任何一種或它們的混合菌群。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的農(nóng)作物秸稈發(fā)酵同時制取乳酸和飼料的方法，其特征在于所述步驟(4)中發(fā)酵期間調(diào)節(jié)發(fā)酵底物pH值所用的堿為氫氧化鈉、氫氧化鈣、氫氧化鉀或氨水其中的一種或兩種以上的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的農(nóng)作物秸稈發(fā)酵同時制取乳酸和飼料的方法，其特征在于在所得發(fā)酵殘渣中，添加wt5～40％的復(fù)合工程菌群和10～30％的輔料；在10～35℃條件下固態(tài)發(fā)酵48～240小時，將發(fā)酵產(chǎn)物在自然條件下或45℃條件下烘干，制得蛋白含量在15～40％的高蛋白飼料。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的農(nóng)作物秸稈發(fā)酵同時制取乳酸和飼料的方法，其特征在于固態(tài)發(fā)酵中，所添加的輔料是甜菜渣、甘蔗渣、豆渣、麥麩或谷糠中的至少一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的農(nóng)作物秸稈發(fā)酵同時制取乳酸和飼料的方法，其特征在于所述的復(fù)合工程菌群為熱帶假絲酵母菌、白地霉菌、康氏木霉菌和植物乳酸菌的混合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的農(nóng)作物秸稈發(fā)酵同時制取乳酸和飼料的方法，其特征在于制備纖維素酶曲的具體步驟為a、將產(chǎn)纖維素酶的出發(fā)菌株，接種到斜面培養(yǎng)基培養(yǎng)，從活化的斜面刮幾環(huán)孢子接入帶玻璃珠的無菌水中，振蕩，分散孢子，測定孢子濃度，使孢子懸浮濃度達106～107個/mL；b、于容器中添加秸稈粉、麩皮、緩沖營養(yǎng)液配制成培養(yǎng)基，秸稈粉與麩皮重量比為1∶1～1.5∶1，固液重量比為1∶2～1∶3，緩沖營養(yǎng)液pH值為4.0～5.0，其中添加硫酸銨、磷酸二氫鉀、硫酸鎂，其濃度分別為2％、0.1％、0.05％；c、將b步驟中的培養(yǎng)基滅菌，冷卻后接種總重量的5～8％的孢子懸液，于25℃～30℃條件下培養(yǎng)60～108小時后得到纖維素酶曲。
專利摘要
農(nóng)作物秸稈發(fā)酵同時制取乳酸和飼料的方法，它涉及一種農(nóng)作物秸稈發(fā)酵同時制取乳酸及優(yōu)質(zhì)飼料的方法。本發(fā)明同步糖化發(fā)酵在預(yù)處理后的秸稈中加入重量為固體底物2～3倍的水， 121℃滅菌后，添加步驟(2)中制得的纖維素酶曲，使總底物中的纖維素酶曲酶活以纖維素濾紙酶活計達到42～50IU/g，接種活化后的耐高溫乳酸菌，接種量為總底物重量的5～10％，于45～50℃條件下發(fā)酵72～108小時，發(fā)酵期間調(diào)節(jié)發(fā)酵底物的pH值為5.0～6.0。本發(fā)明大大縮短了發(fā)酵時間，提高了發(fā)酵效率，同步發(fā)酵72～108小時，即可得到每100g干秸稈產(chǎn)6～8g的乳酸和60～70g的優(yōu)質(zhì)飼料。具有生產(chǎn)成本低、投資少、無污染、能耗低、無廢渣、無廢液，充分利用資源的優(yōu)點。
文檔編號A23K1/14GKCN1594584SQ200410043698
公開日2005年3月16日 申請日期2004年7月9日
發(fā)明者汪群慧, 汲永臻, 孫曉紅, 徐忠 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan