一种秀珍菇废菌糠粗酶制剂及其在发酵生产乙醇上的应用 |
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| 申请号 | CN201611234544.X | 申请日 | 2016-12-28 | 公开(公告)号 | CN106636018A | 公开(公告)日 | 2017-05-10 |
| 申请人 | 福建农林大学; | 发明人 | 孙淑静; 赖春芬; 林辉; 艾柳英; 张海洋; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种秀珍菇废菌糠粗酶制剂及其在 发酵 生产 乙醇 上的应用；公开了一种利用秀珍菇废菌糠制备粗酶制剂的方法，该酶制剂中含有漆酶、木聚糖酶、 纤维 素酶，可协同降解 甘蔗 渣。本发明同时公开了一种利用该粗酶制剂发酵生产乙醇的工艺，其工艺流程为：用稀 硫酸 对甘蔗渣进行酸解后，用上述制剂酶解20 h，以酸解所得 水 解 液配制发酵培养基，最后接入 酵母 发酵生产乙醇。该方法发酵生产乙醇产量可高达8 g/L，乙醇转化率达到80.1%。本发明将稀酸处理与酶处理相结合，能够产生综合性的效果，大大提高甘蔗渣 纤维素 的水解转化效率，对于乙醇产量的提高具有十分重要的意义，具有良好的经济应用价值。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种秀珍菇废菌糠粗酶制剂，其特征在于：该粗酶制剂中含有漆酶、木聚糖酶、纤维素酶，其制备工艺为： |
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| 说明书全文 | 一种秀珍菇废菌糠粗酶制剂及其在发酵生产乙醇上的应用技术领域[0001] 本发明属于食用菌废弃物再利用研究领域，具体涉及一种秀珍菇废菌糠粗酶制剂及其在发酵生产乙醇上的应用。 背景技术[0002] 乙醇被认为是最有发展前景的可再生能源之一，由于其燃烧污染小、容易运输和贮藏，在能源大量消耗的今天，乙醇有望部分代替石化能源，减轻环境污染，有效减缓能源危机，发展前景十分广阔。目前乙醇生产多以谷物为原料，通过酶的作用转化成糖，后经发酵而成。利用谷物生产乙醇，生产成本偏高，同时我国是人口大国，粮食问题是首要的问题，目前国家针对谷物酿造乙醇具有严格的限定，因此利用价格低廉的纤维类物质（如甘蔗渣）发酵生产乙醇就具有非常重大的实际意义。 [0003] 甘蔗渣是甘蔗经压榨提取甘蔗汁后的副产物，具有价格低、可再生及纤维素含量高等特点，因而在发酵生产乙醇方面的应用得到许多研究者的广泛关注。目前国内外甘蔗渣利用途径主要有：①作为燃料：在把甘蔗渣直接作为锅炉燃料，能够解决制糖厂的能源供应，但是每年都会燃烧掉很多甘蔗渣，利用率低，同时产生大量烟尘造成空气污染。②制浆造纸：甘蔗渣与木材化学成分相近，因此很多纸厂都应用甘蔗渣制浆造纸。但用甘蔗渣制浆造出的各类纸的质量没有用木材制浆造出的纸柔韧性好，相比之下用甘蔗渣制造的纸品档次显低。③生产动物饲料：甘蔗渣除含有木质纤维素外，还具有蛋白、可溶性糖、淀粉等营养物质，因而也被用作动物饲料。④生产人造板：甘蔗渣的化学成分与木材相似，是很好的制板原料，广泛用于建筑、贴面、包装、中高档家具制造、室内装修、音响板、活动房屋等。⑤发酵生产乙醇：甘蔗渣主要成分包括纤维素与半纤维素，将甘蔗渣降解能产生己糖以及戊糖，糖类的进一步发酵就可以转化为乙醇，在乙醇制备过程中，其关键在于对木质素降解的控制，以获得更多的单糖，甘蔗渣的成本低易收集，将其应用于乙醇生产能够获得明显的经济效益。 [0004] 甘蔗渣的内部结构复杂，其纤维素常常与木质素、半纤维素等物质以镶嵌形式存在，在常温下不易直接降解糖化，必须进行适当的预处理；预处理的主要目的是通过破坏木质素和半纤维素，降低纤维素的结晶度；去除木质素以防止抑制发酵过程的副产物的产生。稀酸（硫酸）处理相较于物理处理法能耗低，同时可以减少毒副产物的生成，但糖得率较低； 酶处理较其他处理法降解效果好，能耗低，糖的得率高，但成本较高。秀珍菇废菌糠来源广、价格低，利用废菌糠制备粗酶制剂工艺简单，制得的固体酶制剂含有多种木质素降解酶类，利用多种酶对木质纤维素协同降解作用处理能够大大降低蔗渣整体结构的紧密度，提高酵母的利用效率，从而降低纤维素发酵乙醇的成本。因此，将稀酸处理与酶处理相结合，能够产生综合性的效果，对于乙醇产量的提高具有十分重要的现实意义与应用价值。本发明既可解决秀珍菇生产过程中产生的大量废菌糠再处理再利用问题，避免其对环境造成的潜在污染，又可使秀珍菇废菌糠利用价值提高，达到生态效益和经济效益双丰收，具有较强的推广应用前景。目前，尚无相关研究，本发明可填补相关领域研究空白。 发明内容[0005] 本发明主要针对上述乙醇生产中所存在的生产成本较高的问题，提供一种秀珍菇废菌糠粗酶制剂及其在发酵生产乙醇上的应用，以提高纤维素降解效率从而提高乙醇得率。 [0006] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种秀珍菇废菌糠粗酶制剂，其中含有漆酶、木聚糖酶、纤维素酶，其制备工艺为： （1）将秀珍菇废菌糠按以下条件浸提：取废菌料，粉碎后，加水震荡浸提，料水重量比为 1:12，转速为180 r/min，浸提温度为25℃，浸提时间为20 min，然后离心，得粗酶液； （2）喷雾干燥制粗酶制剂：喷雾干燥参数为风机设定26.0 kW，通针设定5.0 s/次，蠕动泵设定55.0 mL/h，热风流量3.5 m3/min，进风温度105℃，进料速度23 mL/min。 [0007] 本发明的另一目的在于提供一种利用所述的秀珍菇废菌糠粗酶制剂发酵生产乙醇的方法，包括如下具体步骤：（1）甘蔗渣粉碎：利用超微粉碎机将甘蔗渣粉碎成毫米数量级大小； （2）酸解：称取上述甘蔗渣，按固液比1:5加入1.5%wt的稀硫酸，121℃高压处理60 min后，置于室温冷却，用氢氧化钠将pH调至4.5，分离固液两相； （3）酶解：步骤（2）所得甘蔗渣水清洗后烘干，将烘干后甘蔗渣用pH4.5的醋酸钠缓冲液悬浮；按固液比1：200加入秀珍菇废菌糠粗酶制剂，30℃、200 rpm振荡反应24h，每4 h取一次样测葡萄糖、木糖浓度； （4）发酵液配制：取酸解所得水解液1.25倍稀释后，加入5%vol酶解所得甘蔗渣作为发酵液基质，发酵液中还含有如下物质： 2.0 g/L (NH4)2SO4、4.0 g/L KH2PO4、1.0 g/L MgSO4和0.2 g/L CaCl2；121℃灭菌30 min作为发酵液使用； （5）乙醇发酵：接入1.0%vol活化后的酵母菌发酵乙醇，发酵结束后分别测定葡萄糖、木糖及乙醇浓度，计算相应的糖消耗量及乙醇得率。 [0008] 其中，所述步骤（5）中所使用的秀珍菇粗酶制剂酶活为0.5 U/mL。 [0009] 本发明的优点在于：其一，目前工厂化生产的乙醇绝大多数都是以粮食作物为原料，从长远看具有不可持续性，以甘蔗渣等纤维素材料降解发酵生产乙醇具有巨大的潜力。我国是世界甘蔗生产第一大国，每年产生大量废弃的蔗渣，这就为发酵乙醇提供了价格低廉、来源广泛的原料，同时解决了废弃甘蔗渣污染环境的问题。 [0010] 其二，受限于木质素前处理技术的限制，自然条件下木质素结构紧密很难被破坏使得酵母菌难以利用，导致现有的木质纤维素制备乙醇工艺存在产量较低、成本较高等问题，还达不到大规模工业化运用的要求。本发明将酸处理与酶处理结合，综合了两种处理工艺的优点，保证木质纤维素高效降解、能耗低、毒副产物少、效率高、糖得率高，使得发酵乙醇理论产量和实际产量都得到大幅度提高，秀珍菇废菌糠粗酶制剂中所含漆酶、木聚糖酶及纤维素酶对木质纤维素的协同降解作用大大降低了纤维素制乙醇的生产成本，显示了大规模工业化运用实现的可能性。附图说明 [0011] 图1 稀硫酸浓度对糖浓度的影响图2 酶浓度及酶解时间对木糖浓度的影响 图3 酶浓度及酶解时间对葡萄糖浓度的影响 图4水解液浓度对乙醇得率和糖耗量的影响 图5 1.0%vol酵母发酵乙醇体系糖耗量图 图6 1.0%vol酵母发酵乙醇体系乙醇浓度变化图。 具体实施方式[0012] 实施例1秀珍菇废菌糠漆酶粗酶制剂及其制备利用秀珍菇废菌糠制备粗酶制剂，该粗酶制剂含有漆酶、木聚糖酶以及纤维素酶。其制备工艺为： （1）将秀珍菇废菌糠按以下条件浸提：取废菌料，粉碎后，加水震荡浸提，料水重量比为 1:12，转速为180 r/min，浸提温度为25℃，浸提时间为20 min，然后离心，得粗酶液； （2）喷雾干燥制粗酶制剂：喷雾干燥参数为风机设定26.0KW，通针设定5.0s/次，蠕动泵设定55.0mL/h，热风流量3.5 m3/min，进风温度105℃，进料速度23 mL/min。 [0013] 对秀珍菇废菌糠粗酶制剂的酶活进行测定，结果如表1。 [0014] 表1 粗酶制剂酶活测定实施例2 酸解糖化的优化 利用稀硫酸对甘蔗渣进行酸解，其具体步骤为： （1）利用超微粉碎机将甘蔗渣粉碎成毫米数量级大小； （2）称取上述甘蔗渣，按固液比1:5加入1.5%wt的稀硫酸，121℃高压处理60 min后，置于室温冷却，测定其中的葡萄糖及木糖的浓度；其结果如图1所示。 [0015] 由图1 可知稀硫酸可初步水解甘蔗渣，提高其中葡萄糖和木糖的含量；其中，当硫酸浓度为1.5%时，得到的葡萄糖及木糖的浓度最高。 [0016] 实施例3 发酵时间及酶制剂浓度对糖耗量的影响（1）甘蔗渣粉碎：利用超微粉碎机将甘蔗渣粉碎成毫米数量级大小； （2）酸解：称取上述甘蔗渣，按固液比1:5加入1.5%的稀硫酸121℃高压处理60 min后，置于室温冷却，用氢氧化钠将pH调至4.5，分离固液两相； （3）酶解：步骤（2）所得甘蔗渣水清洗后烘干，将烘干后甘蔗渣用pH4.5的醋酸钠缓冲液悬浮；按固液比1:200加入不同酶活力的秀珍菇废菌糠漆酶粗酶制剂，30℃、200 rpm振荡反应24 h，每4 h取一次样测葡萄糖、木糖浓度；其结果如图2、3所示。 [0017] 由图2和图3可知，酶解程度随粗酶浓度提高而上升，在酶解反应进行20 h后基本酶解完成；其中，当漆酶浓度为0.5 U/mL酶解20 h后，蔗渣的酶解基本达到平衡。 [0018] 实施例4 水解液浓度对糖耗量及乙醇得率的影响（1）甘蔗渣粉碎：利用超微粉碎机将蔗渣粉碎成毫米数量级大小； （2）酸解：称取上述甘蔗渣，按固液比1:5加入1.5%wt的稀硫酸121℃高压处理60 min后，置于室温冷却，用氢氧化钠将pH调至4.5，分离固液两相； （3）酶解：步骤（2）所得甘蔗渣水清洗后烘干，将烘干后甘蔗渣用pH4.5的醋酸钠缓冲液悬浮。按固液比1：200加入漆酶活力为0.5 U/mL的秀珍菇废菌糠粗酶制剂，30℃水浴24 h，在摇瓶中200 rpm振荡反应，每4 h取一次样测葡萄糖、木糖浓度。 [0019] （4）发酵液配制：取酸解所得水解液5倍稀释液，加入5%vol酶解所得甘蔗渣作为发酵液基质，发酵液中还含有如下物质： 2.0 g/L(NH4)2SO4、4.0 g/LKH2PO4、1.0 g/L MgSO4和0.2 g/L CaCl2；121℃灭菌30 min作为发酵液使用。 [0020] （5）乙醇发酵：接入1.0%vol活化后的酵母菌发酵乙醇，发酵结束后测定葡萄糖、木糖及乙醇浓度，计算相应的糖消耗量及乙醇得率；其结果如图4所示。 [0021] 由图4可知，水解液浓度为80%时，糖的转化效率最大。 [0022] 实施例5 优化后的条件下发酵乙醇（1）甘蔗渣粉碎：利用超微粉碎机将甘蔗渣粉碎成毫米数量级大小； （2）酸解：称取上述甘蔗渣，按固液比1:5加入1.5%wt的稀硫酸，121℃高压处理60 min后，置于室温冷却，用氢氧化钠将pH调至4.5，分离固液两相； （3）酶解：步骤（2）所得甘蔗渣水清洗后烘干，将烘干后甘蔗渣用pH4.5的醋酸钠缓冲液悬浮；按固液比1：200加漆酶活力为0.5 U/mL的秀珍菇废菌糠粗酶制剂，进行酶解20 h； （4）发酵液配制：取酸解所得水解液1.25倍稀释液，加入5%vol酶解所得甘蔗渣作为发酵液基质，发酵液中还含有如下物质： 2.0 g/L(NH4)2SO4、4.0 g/LKH2PO4、1.0 g/L MgSO4和 0.2 g/L CaCl2；121℃灭菌30 min作为发酵液使用； （5）乙醇发酵：接入1.0%vol活化后的酵母发酵乙醇，以未用酶制剂酶解的为对照，测定并计算得糖消耗量及乙醇浓度；其结果如图5、6所示。 [0023] 由图6可知，水解液发酵乙醇产量最高，高达8 g/L，乙醇转化率达到80.1%。使用酶处理后的样品乙醇得率得到了提升，其中水解液乙醇浓度提高10%，甘蔗渣提高15%，混合发酵提高6%。 |
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