專利名稱：一種用于微生物發酵培養原料的菊芋預處理方法
技術領域：
本發明涉及菊芋原料的預處理方法，具體地說是一種處理菊芋原料獲取培養微生
物原料的方法，屬于生物技術領域。
背景技術：
菊芋又名洋姜、鬼子姜，是多年生菊科草本植物，它適宜于在灘涂地、鹽堿地生長。 菊芋塊莖干物質畝產可達1. 2噸，塊莖中含有豐富的菊粉，占其干重的70%以上。菊粉是由 D-呋喃果糖經13 _2， 1-糖苷鍵連接而成的一種果聚糖，呈直鏈結構，其還原性末端有一分 子葡萄糖殘基，每個菊粉分子約含30 50個果糖殘基。與其它菊粉含量高的植物如大麗 花和菊苣相比，菊芋塊莖中菊粉的聚合度(DP值)在3 50表現(De Bates S， Vandamme EJ，Steinbuchel A.生物高分子.陳代杰，羅敏玉，譯。北京化學工業出版社，2004， 398 425)，是微生物發酵的潛在原料。 菊芋塊莖中含有少量單糖和二糖，可直接被微生物利用；但菊芋塊莖中主要碳水化 合物以低聚糖形式存在，微生物利用效率不及單糖和二糖。因此，雖然文獻報道部分微生物 可以直接利用菊芋汁或菊芋漿培養(葛向陽等.食品與生物技術學報，2006，25(2) :83 87; Bajpai P K， Bajpai P. Enzyme Microb. Technol. 1991， 13(4) ，359 362 ;華艷艷等.中國生 物工程雜志.2007,27(10) :59 63)，但存在菌體生長緩慢、目標產物得率不高、總糖利用度 低等問題，不利于大規模工業生產。菊芋原料中還含有其它成份，如蛋白質、凝集素、果膠、多 酚類化合物、粗纖維等，其中有的成份不利于微生物生長。因此，處理菊芋原料，使低聚糖成份 高效水解為單糖，降解原料中抑制微生物生長的物質，具有重要工業應用價值。
菊粉水解通常在酶催化或酸催化條件下實現。酶水解反應條件溫和但反應時間較 長(李俊剛等.食品科學.1999， (1) :34 36)，而且目前報道的菊粉酶活力尚不高(Singh R S等.Bioresource Technology. 2007， 98 :2518 2525)。而且，酶水解法處理菊芋成本較 高，對原料中其它抑制微生物生長的物質沒有滅活作用。文獻報道在酸性條件下處理菊芋， 是以獲取果糖或高果糖漿為目的，采用的操作溫度低于100攝氏度，酸解時間長，還原糖得 率低，并且由于使用的物料濃度低，不適宜應用于發酵工業(胡嘉琦等.廣州化學.2007， 32(3) :46 50)。因此，需要發展更高效的菊芋原料處理技術，使其過程更適應微生物發酵 工業的要求。 本發明將干菊芋粉或鮮菊芋漿與水以一定質量比混合，在酸性條件下加熱處理， 得到水解液，經中和得到用于培養微生物的原料。本發明處理時間短、簡便易行、能耗小、成 本低，并且可使原料處理和培養基滅菌同時進行，水解液單糖濃度高，用于微生物發酵菌體 生長快，目標產物產量高，發酵廢水中有機物含量低，為高效利用菊芋原料進行微生物培養 和生物煉制提供了經濟可行的新技術。

發明內容
本發明目的在于提供一種適合微生物發酵、成本低、簡單有效的菊芋原料預處理方法，促進應用新型原料菊芋獲取生物能源和生物基化學品的規?；l展。
為實現上述目的，本發明采用的技術方案為將干菊芋粉或鮮菊芋塊莖與水按質
量比為1 : 0. 25 1 : 10混合，調槳，加入酸調節pH至1 4，于101°C 14(TC下處理2
分鐘 20分鐘。水解液用堿中和，調節pH至5 8，得到用于微生物培養的原料。 本發明用于調節菊芋與水所得混合物料pH值的酸包括但不限于硫酸、鹽酸、磷
酸、甲酸和醋酸。 本發明用于調節菊芋水解液pH值的堿包括但不限于氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水、 碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、碳酸鈉、碳酸鉀和氨氣。 本發明所得中和后的菊芋水解液使用方式包括但不限于1)直接接種微生物，發 酵；或2)進行其它的固液分離操作，得到無固體殘渣的液體物料，接種微生物，發酵；或3) 添加其它必要成份，接種微生物，發酵。 本發明采用蒽酮硫酸法(黃偉坤.食品檢驗與分析.北京中國輕工業出版社， 2000. 32 34)測定菊芋漿及水解液中總糖濃度。本發明采用3， 5- 二硝基水楊酸法(DNS法)(Miller G L. AnalyticalChemistry，
1959,31 :426 428)測定菊芋水解液中總還原糖濃度，并經過離子色譜法(王建華等.理
化檢驗_化學分冊，2007，43 :558 563)對主要單糖進行定性和定量分析。 本發明具有如下優點 1.與酶水解方法相比，經濟成本較低； 2.與其它酸水解相比，本發明操作時間短、可適用于總固形物含量高的物料，原 料低聚糖水解充分、水解液單糖濃度高、粘度小，作為微生物培養原料有利于攪拌和氣體傳 質； 3.本發明處理菊芋原料的過程在酸性、加熱條件下實現，同時達到了物料滅菌的 效果，具有能耗低、處理時間短、提高設備產能的優勢； 4.本發明處理菊芋原料的過程在酸性、加熱條件下實現，還達到了破壞原料中其 它有害物質及促進大分子有機物(如蛋白質、核酸等)降解為可被微生物直接吸收的成份， 具有提高原料利用率和發酵目標產物產率，降低發酵廢水中殘余有機質的突出特點。
總之，本發明操作時間短、簡便易行、能耗小、成本低，并且可使原料處理和培養基 滅菌同時進行，可適用于總固形物含量高的物料，水解液單糖濃度和有效成份含量高，粘度 小，作為微生物培養原料有利于攪拌和氣體傳質，用于微生物發酵菌體生長快，目標產物產 量高，發酵廢水中殘余有機質含量低，是一種可提高菊芋原料微生物利用和生物煉制整體 效率的新技術，具有廣闊的應用前景。
具體實施例方式以下實施例有助于了解本專利，但不以任何形式限制本發明的應用。
對比實施例1 新鮮菊芋塊莖(總糖質量含量17% ) 100克，水100毫升，混合，粉碎勻漿，獲得固 液混合物(PH 6. 3)，攪拌條件下常壓蒸煮60分鐘。水解液用蒽酮法測得總糖濃度為93克 /升，用DNS法測得單糖濃度為7. 7克/升，水解率8% 。
對比實施例2
菊芋粉(總糖質量含量68% ) 13克，水100毫升，充分混合，用10摩爾/升硫酸調 節pH至1. 0，攪拌條件下常壓蒸煮30分鐘。分析表明，總糖濃度為85克/升，單糖濃度為 60克/升，水解率70%。
實施例1 新鮮菊芋塊莖(總糖質量含量17%)100克，水100毫升，混合，粉碎勻漿。將前述 所得菊芋漿用6mol/L硫酸調節pH至1. 0，在105t:處理15分鐘，冷卻后，取水解液樣品，分 析表明總糖濃度為93克/升，單糖濃度為91克/升，水解率97%。
實施例2 新鮮菊芋塊莖(總糖質量含量17%)100克，水100毫升，混合，粉碎勻漿。將前述 所得菊芋漿用6mol/L鹽酸調節pH至1. O，在135t:處理2分鐘，冷卻后，取水解液樣品，分 析表明總糖濃度為93克/升，單糖濃度為86克/升，水解率92% 。
實施例3 菊芋粉(總糖質量含量68 % ) 13克，水100毫升，用10摩爾/升硫酸調節pH至 3. O，在14(TC處理20分鐘，冷卻后，取水解液樣品，分析表明總糖濃度為85克/升，單糖濃 度為76克/升，水解率89%。
實施例4 菊芋粉(總糖質量含量68% )30克，水300毫升，充分混合，用5摩爾/升硫酸調 節pH至1.5，在12rC處理10分鐘，冷卻后，取水解液樣品，分析表明總糖濃度為65克/升， 單糖濃度為60克/升，水解率92%。
實施例5 菊芋粉(總糖質量含量68% )30克，水120毫升，充分混合，用5摩爾/升硫酸調 節pH至2.0，在14(TC處理8分鐘，冷卻后，取水解液樣品，分析表明總糖濃度為165克/升， 單糖濃度為159克/升，水解率96%。本實施例得到了糖濃度很高的菊芋水解液，可用于微 生物發酵培養的補料原料或適當稀釋后使用。
實施例6 新鮮菊芋塊莖(總糖質量含量17% ) 100克，水25毫升，混合，粉碎勻漿。將前述 所得菊芋漿用6mol/L鹽酸調節pH至1. 0，在13(TC處理5分鐘，冷卻后，取水解液樣品，分析 表明總糖濃度為148克/升，單糖濃度為137克/升，水解率92%。本實施例結果表明，即 使利用含水量很高的新鮮菊芋塊莖，按本發明專利處理，也可以得到糖濃度很高的水解液， 直接用作微生物發酵培養原料或用于補料原料。
實施例7 菊芋粉(總糖質量含量68 % ) 30克，水60毫升，充分混合，用5摩爾/升硫酸調 節pH至2. O，在13(TC處理15分鐘，冷卻后，取水解液樣品，分析表明總糖濃度為335克/ 升，單糖濃度為310克/升，水解率92%。實施例5 7雖然總固形物含量達到約20% 50%，但水解充分、水解液糖濃度很高，可用于微生物發酵培養的補料原料或適當稀釋后使 用。在傳統常壓酸水解條件下，由于操作溫度低、不能有效水解。因此，本發明表現出明顯 的優勢。 對比實施例3 取對比實施例1所得水解液，經200目無菌紗布過濾。取濾液25毫升，用濃氨水調節pH至7. 0，接種1. 5 X 106個/毫升大腸桿菌BL21 (菌株來源于北京鼎國生物技術公司)， 在37°C ， 200轉/分鐘條件下培養，分別于12和24小時測得培養樣品在600納米的光密度 值(0D6。。)為2.9和4.9。
實施例8 取實施例1所得水解液，經200目無菌紗布過濾。取濾液25毫升，用濃氨水調節 pH至7. 0，接種1. 5X 106個/毫升大腸桿菌HB101 (菌株來源于北京鼎國生物技術公司)， 在37°C ， 200轉/分鐘條件下培養，分別于12和24小時條件下測得0D6。。為3. 8和7. 6。與 對比實施例3相比，按本發明方法處理的水解液明顯促進了大腸桿菌的生長。因此，在其它 以獲取微生物菌體為目標的發酵過程中采取本發明的方法處理菊芋，也可能達到提高菌體 得率，降低成本的目的。
對比實施例4 取對比實施例2所得水解液25毫升，用5摩爾/升碳酸鈉溶液調節pH至8. 0，接 種3.0Xl(f個/毫升圓紅冬孢酵母AS 2. 1609(菌株來源于中國普通微生物菌種保藏管理 中心)，在3(TC，200轉/分鐘下培養96小時，參照文獻(李植峰，張玲，沈曉京，等.微生 物學通報，2001，28(6) :72-75)的方法分析，測得發酵液菌體為26克/升，菌體油脂含量為 20%。 實施例9 取實施例3所得水解液25毫升，用5摩爾/升碳酸鈉溶液調節pH至8. 0，接種 3.0Xl(f個/毫升圓紅冬孢酵母AS 2. 1609(菌株來源于中國普通微生物菌種保藏管理中 心)，在30°C ， 200轉/分鐘下培養96小時，參照文獻(李植峰，張玲，沈曉京，等.微生物學 通報，2001，2S(6) :72-75)的方法分析，測得菌體得率為35克/升，菌體油脂含量為31 % 。 與對比實施例4相比，按本發明方法處理的水解液顯著提高了油脂發酵菌體得率，菌體油 脂含量高。這是因為菊芋粉在較高溫度、較短時間下處理得到了更高濃度的糖和營養成份， 促進了微生物生長和代謝產物積累。
對比實施例4 取對比實施例2所得水解液25毫升，用5摩爾/升氫氧化鈉調節pH至6. 3，接種 2.6Xl(f個/毫升黃曲霉CICC 2242(菌株來源于中國工業微生物菌種保藏管理中心)的 包子，在30°C，200轉/分鐘下培養120小時，參照文獻(Bentley R. Methods Enzymology， 1957， 3 :238-241)的方法，分析表明發酵液中曲酸含量為3. 0克/升。
實施例10 取實施例3所得水解液25毫升，用5摩爾/升氫氧化鈉調節pH至6. 3，接種 2.6Xl(f個/毫升黃曲霉CICC 2242(菌株來源于中國工業微生物菌種保藏管理中心)的 包子，在30°C，200轉/分鐘下培養120小時，參照文獻(Bentley R. Methods Enzymology, 1957,3:238-241)的方法，分析表明發酵液中曲酸含量為10. 5克/升。實施結果表明，按 本發明方法處理的菊芋水解液用于曲酸發酵，明顯提高了發酵液中曲酸含量。因此，在其它 有機酸或氨基酸發酵工業中采用本專利的處理方法，應該也可以達到提高發酵液中產物濃 度的目的。 對比實施例5 取對比實施例1所得水解液25毫升，用5摩爾/升鹽酸調節pH至5. 0，接種2. 5X 106個/毫升彎曲隱球酵母ATCC 20509(菌株來源于美國典型菌種保藏中心)，在 28°C ， 200轉/分鐘下培養120小時，參照文獻(李植峰，張玲，沈曉京，等.微生物學通報， 2001,28(6) :72-75)的方法分析，測得菌體得率為10. 5克/升，菌體油脂含量為18%。
實施例11 取實施例1所得水解液25毫升，用5摩爾/升氫氧化鈉調節pH至5. 0，接種 2. 5X 106個/毫升彎曲隱球酵母ATCC 20509(菌株來源于美國典型菌種保藏中心)，在 28t:，200轉/分鐘下培養96小時，參照文獻(李植峰，張玲，沈曉京，等.微生物學通報， 2001,28(6) :72-75)的方法分析，測得菌體得率為35克/升，菌體油脂含量為51 % 。同對 比實施例5比，菌體得率和油脂含量增加非常顯著，并且發酵時間縮短了 24小時。這是因為 按本專利得到的菊芋水解液營養成份更加豐富，微生物生長和代謝產物合成速度更快。所 以，本發明可以使菊芋原料得到更充分地被微生物利用，降低發酵過程成本，減少發酵廢水 中有機質含量，具有顯著的經濟效益。
實施例12 取實施例5所得水解液10毫升，加入15毫升無菌液體培養基(酵母粉5g/L，蛋白 胨5g/L， pH 5. 8 6. 0)，用5摩爾/升氫氧化鈉調節pH至5. 0，接種2. 0 X 106個/毫升釀 酒酵母INV scl(菌株來源于美國Invitrogen公司)，在3(TC，200轉/分鐘下培養72小 時。離心，得到濕菌體45克。說明按本實施例方法處理的菊芋水解液在添加其它成份后也 可以用于生產微生物菌體或發酵產品。
權利要求
一種菊芋預處理獲取微生物發酵原料的方法，其特征在于以干菊芋粉為原料，與用量為原料質量2～10倍的水混合；或以鮮菊芋塊莖為原料，與用量為原料質量0.25～3倍的水混合，對上述混合物勻漿，用酸調勻漿液pH 1～4，在101～140℃下處理2分鐘～20分鐘，得到水解液，經中和，得到用于微生物培養的原料。
2. 按照權利要求l所述的方法，其特征還在于調節pH 1 4所用的酸為硫酸、鹽酸、磷酸、甲酸或醋酸。
3. 按照權利要求1所述的方法，其特征還在于所述中和操作是指用堿調節菊芋原料在酸性條件下處理得到水解液pH至5 8，得到用做微生物培養原料。
4. 按照權利要求3所述的方法，其特征還在于所述堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水、碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、碳酸鈉、碳酸鉀或氨氣。
5. 按照權利要求l中所述的方法，其特征還在于中和后的菊芋水解液使用方式為1)直接接種微生物，發酵；或2)進行其它的固液分離操作，得到無固體殘渣的液體物料，接種微生物，發酵；或3)添加其它必要成份，接種微生物，發酵。
全文摘要
本發明涉及菊芋原料的預處理方法，具體地說是一種處理菊芋塊莖，獲取微生物發酵培養原料的方法。干菊芋粉或鮮菊芋塊莖與水以一定質量比混合，勻漿，加入酸調節pH至1～4，于101℃～140℃處理2分鐘～20分鐘，得到水解液。水解液用堿中和，調節pH至5～8，得到用于微生物發酵培養的原料。本發明原料處理時間短、簡便易行、能耗小、成本低，并且可使原料處理和培養基滅菌同時進行，水解液單糖濃度高，用于微生物發酵菌體生長快，目標產物產量高，發酵廢水中有機物含量低，為高效利用菊芋原料進行微生物培養和生物煉制提供了經濟可行的新技術。
文檔編號C12R1/645GK101724654SQ200810228128
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月17日 優先權日2008年10月17日
發明者張素芳, 沈宏偉, 趙宗保, 趙金 申請人:中國科學院大連化學物理研究所