專利名稱：一種利用玉米皮發酵丁醇并聯產膳食纖維的方法
技術領域：
本發明涉及生物能源領域，具體涉及一種利用玉米皮發酵生產丁醇并聯產膳食纖維的方法。
背景技術：
丁醇是一種重要的C4平臺化合物，主要用于鄰苯二甲酸正丁酯、磷酸丁酯、丙烯酸丁酯及醋酸丁酯等的合成，還可用作油脂、醫藥和香料的提取溶劑以及醇酸樹脂的添加劑等領域。隨著生物質能源的多元化發展，由于丁醇具有能量密度高、親水性低、蒸汽壓低、 辛烷值高等特點，因此被認為是最有發展潛力的新型液體燃料之一。
傳統的發酵法生產丁醇是以糧食原料(如玉米、小麥等)為底物，較高的糧食價格致使原料費用占溶劑生產總成本的比例偏高(60%以上)，這不僅限制了丁醇產品的市場競爭力，制約了生物丁醇作為燃料的推廣使用，也有悖于我國的糧食安全戰略。也正是基于上述原因，國家發改委已于2007年底暫停了利用糧食來生產生物能源項目的備案及核準，鼓勵發展非糧生物質能源。因此，以木質纖維素原料生物轉化生產丁醇是今后發展的必然趨勢。
玉米皮是玉米淀粉加工的副產物，產量一般占玉米總量的14-20%。含有10-20%的淀粉、30-50%的半纖維素、10-20%的纖維素以及少量的蛋白質，幾乎不含木質素。目前我國玉米皮利用率較低，只有部分被用作飼料，是一種潛在的廉價生物質資源。
目前一些產丁醇的菌株，可以利用葡萄糖、木糖等作為碳源。因此，利用玉米皮水解生成的葡萄糖、木糖、阿拉伯糖的混合糖液作為碳源，用于厭氧發酵制備丁醇，將有效減少丁醇發酵碳源對淀粉類原料的依賴性，并可降低原料成本。采用稀酸水解玉米皮中的淀粉和 半纖維素成單糖，再將單糖發酵生產丁醇。如將剩余的纖維素也降解成單糖再用于發酵，則需要很高成本。因此，剩余的纖維素制造膳食纖維等高附加值產品，既充分利用了這些原料組分，又降低了成本。企業因地制宜利用玉米加工淀粉的副產品玉米皮為原料發酵丁醇，既可實現廢物利用，有利于環保，也為玉米深加工提高產品附加值，增加企業經濟效益開辟一條新的途徑。發明內容
本發明的目的在于提供一種利用玉米皮中的淀粉和半纖維素發酵丁醇并聯產膳食纖維的方法，利用我國玉米加工中大量的副產品玉米皮生產丁醇和膳食纖維，使玉米皮得到綜合利用，不僅降低丁醇生產的原料成本，還可以獲得高附加值的膳食纖維產品，極具市場前景。
本發明的技術方案為一種利用玉米皮中的淀粉和半纖維素發酵丁醇并聯產膳食纖維的方法，具體步驟如下
I)預處理玉米皮粉碎獲得玉米皮粉后，將玉米皮粉與水或稀硫酸混合，在120 160°C溫度下預處理10 30min，獲得預處理產物；
2)酶解調節前一步預處理產物的pH值為4. 5 5. 5，然后向預處理產物中加入糖化酶和木聚糖酶進行酶解反應，獲得酶解產物；
3)固液分離將前一步驟的酶解產物固液分離，固液分離后得到的固體為膳食纖維；固液分離后得到的液體為酶解液；
4)脫毒采用活性炭對步驟3)的酶解液進行脫毒，獲得脫毒后的酶解液；
5)向脫毒后的酶解液中補充氮源制備發酵培養基,利用滅菌后的發酵培養基厭氧條件下發酵培養丁醇生產菌株，獲得發酵產物；
6)發酵產物精餾，收集丁醇。
較優的，步驟I)所述粉碎為研磨粉碎或者超微氣流粉碎。
較優的，步驟I)所述玉米皮粉的粒徑為10 200目。
較優的，步驟I)所述稀硫酸的濃度小于等于2wt%。本發明所述稀硫酸為硫酸的水溶液，并且其中硫酸的質量百分比大于0，小于等于2。
較優的，步驟I)所述竹粉與預處理液混合的固液比為1:6 1:12，優為選1:6 1:10。
較優的，步驟I)所述預處理的溫度條件為130 150°C。
較優的，步驟2)所述糖化酶用量為糖化酶100-300IU/g底物，木聚糖酶用量為O.l-1.0IU/g底物。本發明所述底物為用于反應的玉米粉的質量。
較優的，步驟2)所述酶解反應的條件為45 55°C，酶解36 60h，轉速為120 180rpmo
更優的，步驟2)所述酶解反應的條件為50°C，酶解48h，轉速為150rpm。
較優的，步驟3)所述固液分離的方法為離心法或過濾。
步驟3)固液分離后，固體成分為膳食纖維；液體為酶解液，其主要成分為淀粉和半纖維素的降解產物葡萄糖、木糖和阿拉伯糖。酶解液用于進一步的丁醇發酵；本發明得到的膳食纖維為粗膳食纖維，既可以通過水洗、烘干步驟直接獲得膳食纖維產品用于食品等的工業生產；或者根據實際需要進一步除雜，例如除去其中的蛋白、木質素等，經水洗、 脫色、干燥、粉碎等步驟后獲得不同等級及標準的膳食纖維，用于飼料、食品、保健品及藥物坐寸ο
較優的,步驟4)所述脫毒反應中，活性炭的用量為O. 5 3w/v%。
較優的，步驟4)所述脫毒反應的條件為40 60°C，轉速120 180rpm，脫毒O. 5 3h。
較優的，步驟5)所述氮源選自玉米漿、硫酸銨、醋酸銨或氯化銨。氮源可以選擇現有的任意有機氮源或無機氮源，包括但不限于玉米漿、硫酸銨、醋酸銨和氯化銨。
較優的，步驟5)所述氮源的添加量為O. I lw/v%，即每IOOml培養基內添加O.I Ig氮源。
較優的，步驟5)所述丁醇生產菌株為能同時利用五碳糖和六碳糖作為碳源的菌株。優選的，所述丁醇生產菌株為NCMB8052或ATCC55025。
制備的培養基105°C滅菌15min后接入丁醇生產菌株。
較優的，步驟5)所述厭氧條件的發酵溫度為35 38°C，發酵時間為40 50h。
本發明利用玉米加工中的副產品玉米皮加工生產生物燃料丁醇和膳食纖維，利用玉米皮中含量豐富的淀粉和半纖維素，將其水解之后可以得到含有葡萄糖、木糖和阿拉伯糖等單糖的混合碳源，用于生物丁醇菌株的生長和發酵，是過去糧食發酵丁醇的理想替代原料，有效減少丁醇發酵碳源對淀粉類原料的依賴性；另一方法，本發明方法獲得的纖維素可用于制造膳食纖維，獲得高附加值的膳食纖維產品。
總之，本發明從降低生產成本和簡化工藝布置出發，得到了原料來源廣、成本低、 制備工藝簡單，轉化效率高的非糧生物質能源丁醇的制備方法。本發明因地制宜利用玉米皮為原料發酵丁醇，既可實現廢物利用，有利于環保，也為玉米深加工提高產品附加值，開辟了企業增加經濟效益的途徑。


圖I :利用利用玉米皮中的淀粉和半纖維素發酵丁醇并聯產膳食纖維的生產流程圖具體實施方式
下面結合具體實施例進一步闡述本發明，應理解，實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的保護范圍。
實施例I
稱取經超微氣流粉碎至粒徑為200目的玉米皮5g,加入50mL>0. 5% (w/w)的硫酸溶液(玉米皮粉與稀硫酸的固液比為 1:10)，140°C反應20min，調節水解液pH值為4. 8，加入糖化酶200IU/g底物，木聚糖酶1.0IU/g底物，50°C酶解48h，搖床轉速為150r/min。酶解液過濾，固體殘渣即為膳食纖維，干重為I. 75g，溶脹性為I. 83g/mL，持水力為195. 7% ;取酶解液加入l%(w/v)活性炭50°C脫毒lh，濾去活性炭后清液加入O. 5%(w/v)玉米漿粉，接 NCIMB8052菌株，37°C厭氧培養48h。氣相色譜法分析發酵產物成分，為丁醇10. 03g/L,總溶劑 12. 35g/L。
實施例2
稱取經超微氣流粉碎至粒徑為100目的玉米皮5g,加入40mL、l% (w/w)的硫酸溶液，150°C反應20min (玉米皮粉與稀硫酸的固液比為1:8)，調節水解液pH值為5.0，加入糖化酶250IU/g底物，木聚糖酶0.8IU/g底物，50°C酶解48h，搖床轉速為150r/min。酶解液過濾，固體殘渣即為膳食纖維，干重為I. 86g，溶脹性為I. 71g/mL，持水力為191. 5% ;取酶解液加入2%(w/v)活性炭120rpm,60°C脫毒O. 5h,濾去活性炭后清液加入O. 3%(w/v)硫酸銨， 接NCMB8052菌株，37°C厭氧培養48h。氣相色譜法分析產物成分，為丁醇8. 64g/L，總溶劑 10. 38g/L。
實施例3
稱取經普通粉碎至粒徑為10目的玉米皮5g,加入60mL、l. 5% (w/w)的硫酸溶液， 120°C反應30min(玉米皮粉與稀硫酸的固液比為1:12)，調節水解液pH值為4. 8，加入糖化酶300IU/g底物，木聚糖酶1.0IU/g底物，50°C酶解48h，搖床轉速為150r/min。酶解液過濾，固體殘渣即為膳食纖維，干重為I. 91g，溶脹性為I. 55g/mL，持水力為182. 6% ;取酶解液加入O. 5% (w/v)活性炭180rpm,4(TC脫毒lh,濾去活性炭后清液加入O. 3% (w/v)玉米衆,接 NCIMB8052菌株，37°C厭氧培養48h。發酵產物氣相色譜法分析產物成分，為丁醇6. 87g/L，總溶劑 8. 96g/L。
實施例4
稱取經普通粉碎至粒徑為50目的玉米皮5g，加入30mL、0. 5% (w/w)的硫酸溶液， 120 V反應20min(玉米皮粉與稀硫酸的固液比為1:6)，調節水解液pH值為5. O，加入糖化酶 300IU/g底物，木聚糖酶0.6IU/g底物，50°C酶解48h，搖床轉速為150r/min。酶解液過濾， 固體殘渣即為膳食纖維，干重為I. 85g，溶脹性為I. 61g/mL，持水力為183. 3% ;取酶解液加入I. 5%(w/v)活性炭50°C脫毒2h，濾去活性炭后清液加入O. 3%(w/v)玉米漿，接ATCC55025 菌株，37°C厭氧培養48h。發酵產物氣相色譜法分析產物成分，為丁醇7. 95g/L，總溶劑 9.84g/L。
實施例5
稱取經超微氣流粉碎至粒徑為200目的玉米皮5g，加入50mL蒸餾水，160°C反應 20min (玉米皮粉與水的固液比為1:10)，調節水解液pH值為5. 0，加入糖化酶250IU/g底物，木聚糖酶0.8IU/g底物，50°C酶解48h，搖床轉速為150r/min。酶解液過濾，固體殘渣即為膳食纖維，干重為I. 93g，溶脹性為I. 86g/mL，持水力為196. 4% ;取酶解液加入l%(w/v) 活性炭120rpm，50°C脫毒2h，濾去活性炭后清液加入O. 3%(w/v)硫酸銨，接NCMB8052菌株，37°C厭氧培養48h。氣相色譜法分析產物成分，為丁醇6. llg/L，總溶劑8. 63g/L。
總結由實施例1-5可知，本發明的利用玉米皮發酵丁醇并聯產膳食纖維的方法， 可以充分利用農業廢棄物玉米皮中的纖維素、半纖維素和淀粉，發酵制備丁醇并獲得附加值較高的膳食纖維。每噸玉米皮可以發酵獲得O. I噸的丁醇，O. 12噸總溶劑，O. 3噸膳食纖維，O. 2噸飼料，經過本發明的方法，每千克玉米皮的經濟效益為800元。以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。
權利要求
1.一種利用玉米皮發酵丁醇并聯產膳食纖維的方法，具體步驟如下 1)預處理玉米皮粉碎獲得玉米皮粉后，將玉米皮粉與水或稀硫酸混合，在120 160°C溫度下預處理10 30min，獲得預處理產物； 2)酶解調節前一步預處理產物的pH值為4.5 5. 5，然后向預處理產物中加入糖化酶和木聚糖酶進行酶解反應，獲得酶解產物； 3)固液分離將前一步驟的酶解產物固液分離，固液分離后得到的固體為膳食纖維；固液分離后得到的液體為酶解液； 4)脫毒采用活性炭對步驟3)的酶解液進行脫毒，獲得脫毒后的酶解液； 5)向脫毒后的酶解液中補充氮源制備發酵培養基，利用滅菌后的發酵培養基厭氧條件下發酵培養丁醇生產菌株，獲得發酵產物； 6)發酵產物精餾，收集丁醇。
2.如權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟I)所述稀硫酸的濃度小于等于2wt%。
3.如權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟I)所述竹粉與預處理液混合的固液比為 1:6 1:12。
4.如權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟2)所述糖化酶用量為糖化酶100 300IU/g底物，木聚糖酶用量為O. I 1.0IU/g底物。
5.如權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟2)所述酶解反應的條件為45 55°C，酶解36 60h，轉速為120 180rpm。
6.如權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟4)所述脫毒反應中，活性炭的用量為O. 5 3w/v%。
7.如權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟4)所述脫毒反應的條件為40 60°C，轉速120 180rpm，脫毒O. 5 3h。
8.如權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟5)所述氮源選自玉米漿、硫酸銨、醋酸銨或氯化銨；所述氮源的添加量為O. I Iw/v%。
9.如權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟5)所述丁醇生產菌株為能同時利用五碳糖和六碳糖作為碳源的菌株。
10.如權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟5)所述厭氧條件的發酵溫度為35 ,38 °C，發酵時間為40 50h。
全文摘要
本發明涉及生物能源領域，具體涉及一種利用玉米皮發酵丁醇并聯產膳食纖維的方法。具體步驟如下1)預處理；2)酶解；3)固液分離，獲得膳食纖維和酶解液；4)酶解液脫毒；5)向脫毒后的酶解液中補充氮源制備發酵培養基，利用滅菌后的發酵培養基厭氧條件下發酵培養丁醇生產菌株，獲得發酵產物；6)發酵產物精餾，收集丁醇。本發明因地制宜利用玉米加工副產物玉米皮為原料發酵丁醇，既可實現廢物利用，有利于環保，也為玉米深加工提高產品附加值，開辟了企業增加經濟效益的途徑。
文檔編號C12P19/14GK102978245SQ20121054168
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月13日 優先權日2012年12月13日
發明者劉莉, 史吉平, 林增祥, 張麗麗, 姜標 申請人:上海中科高等研究院