以胡枝子和糠醛渣为原料发酵制备乳酸工艺研究

论文摘要

相比于传统法利用淀粉类原料发酵乳酸,木质纤维原料由于其价格低廉、可再生、无污染等优点已引起了越来越多的关注。本文以蒸汽爆破胡枝子和碱洗糠醛渣为实验原料,以提高乳酸产量和减少发酵成本为目的,探索乳酸发酵的最佳工艺条件。蒸汽爆破预处理研究结果表明,蒸汽爆破过程中主要是半纤维素降解,纤维素少许降解,对木素含量几乎没有影响；而且降解剧烈程度随爆破压力的升高而增大,在爆破压力为2.0 MPa时,胡枝子中半纤维含量仅为4.7%,相比于原料中的29.3%,半纤维素脱除率达到85%。正交设计实验结果表明蒸汽爆破胡枝子同步糖化发酵制备乳酸的最佳工艺条件为：温度43℃,纤维素酶加入量30FPU/g底物,碳酸钙加入量3%,底物浓度6%。且各因素的影响次序是底物浓度>温度>酶加入量>碳酸钙。不同蒸汽爆破条件下胡枝子同步糖化发酵制备乳酸结果表明,2.0MPa、4min的爆破条件胡枝子发酵乳酸产量最高,达到21.7g/L,是其理论产率的64.8%,相比于未处理的胡枝子发酵的乳酸产量8.0g/L,乳酸产率提高了1.7倍。胡枝子蒸汽爆破过程中产生的抑制物主要有甲酸、乙酸、糠醛和香草醛。研究表明甲酸严重影响糖化和发酵,当甲酸浓度为0.5g/L时,纤维素转化率和乳酸产率分别减少19%和16.4%。而乙酸对糖化没有影响,却明显抑制发酵,乳酸产率最大减少17.6%：糠醛和香草醛相比有机酸抑制作用较小,对乳酸产率几乎没有影响,主要是延长发酵周期,当糠醛浓度为2.0g/L时,乳酸生产周期被延长36h。皂荚皂素表面活性剂对糠醛渣糖化和发酵的研究结果表明,皂素最佳添加浓度为0.16g/L。皂荚皂素能轻微增加糠醛渣的水解率(4.4%),却明显促进乳酸发酵。首先提高最终乳酸产率,最大可以提高17.7%；其次减少纤维素酶用量,最大可以减少37.5%；此外可以维持发酵液中纤维素酶活力稳定和减少发酵周期；这对减少乳酸生产成本具有极大的指导意义。成本核算表明,加入皂荚皂素后,每生成lkg乳酸可减少成本0.513元,如果发酵液中的纤维素酶能够循环回收利用,那么每生成lkg乳酸可减少成本1.7元。所以用皂荚皂素来代替部分纤维素酶在经济上是可行的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 乳酸的性质及其生产方法
• 1.1.1 乳酸的性质
• 1.1.2 乳酸的制备
• 1.1.2.1 化学合成制备乳酸
• 1.1.2.2 酶法制备乳酸
• 1.1.2.3 发酵制备乳酸
• 1.1.2.4 乳酸制备方法比较
• 1.2 乳酸的应用
• 1.2.1 乳酸在食品中的应用
• 1.2.2 乳酸在医药中的应用
• 1.2.3 乳酸在工业中的应用
• 1.2.4 乳酸在化妆品中的应用
• 1.2.5 乳酸在农业中的应用
• 1.3 乳酸发酵微生物的代谢途径
• 1.3.1 同型乳酸发酵的代谢途径
• 1.3.2 异型乳酸发酵的代谢途径
• 1.3.3 混合型发酵乳酸的代谢途径
• 1.3.4 根霉发酵乳酸的代谢途径
• 1.4 木质纤维原料发酵制备乳酸
• 1.4.1 木质纤维原料的预处理方法
• 1.4.1.1 物理方法
• 1.4.1.2 化学处理
• 1.4.1.3 综合法
• 1.4.2 木质纤维原料的水解
• 1.4.2.1 稀酸水解
• 1.4.2.2 酶水解
• 1.4.3 发酵乳酸的菌种
• 1.4.4 乳酸发酵工艺
• 1.4.4.1 直接发酵法
• 1.4.4.2 分别糖化发酵法
• 1.4.4.3 同步糖化发酵法
• 1.4.5 木质纤维原料制备乳酸的研究现状
• 1.5 表面活性剂在木质纤维原料制备乳酸中的应用
• 1.6 本研究的研究内容及目标
• 1.6.1 研究内容
• 1.6.2 研究目标
• 2 胡枝子同步糖化发酵转化为乳酸的工艺研究
• 2.1 材料和方法
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.1.1 实验原料
• 2.1.1.2 实验试剂
• 2.1.2 分析方法
• 2.1.2.1 DNS法测定发酵液中剩余还原糖浓度
• 2.1.2.2 高效液相色谱法测定发酵液中乳酸含量
• 2.1.2.3 乳酸菌的直接计数法
• 2.1.2.4 离子色谱测量爆破后原料中单糖含量
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 原料预处理
• 2.2.2 原料化学成分测定
• 2.2.2.1 纤维素成分测定
• 2.2.2.2 木素成分测定
• 2.2.2.3 综纤维素含量测定
• 2.2.2.4 苯醇抽提物含量测定
• 2.2.2.5 纤维素结晶度分析
• 2.2.3 胡枝子同步糖化发酵乳酸工艺优化
• 2.2.4 不同蒸汽爆破条件下胡枝子同步糖化发酵乳酸工艺研究
• 2.2.5 水洗胡枝子同步糖化发酵乳酸的工艺研究
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 化学组成分析
• 2.3.2 纤维素结晶度分析
• 2.3.3 胡枝子同步糖化发酵正交实验结果
• 2.3.3.1 底物浓度对胡枝子同步糖化发酵的影响
• 2.3.3.2 反应温度对胡枝子同步糖化发酵的影响
• 2.3.3.3 纤维素酶加入量对胡枝子同步糖化发酵乳酸的影响
• 2.3.3.4 碳酸钙加入量对胡枝子同步糖化发酵的影响
• 2.3.4 不同蒸汽爆破条件下胡枝子同步糖化发酵乳酸的实验结果
• 2.3.5 水洗对胡枝子同步糖化发酵的影响
• 2.3.6 蒸汽爆破预处理工艺的评价
• 2.4 小结
• 3 抑制物对胡枝子酶解糖化和同步糖化发酵的影响
• 3.1 实验材料
• 3.1.1 实验原料
• 3.1.2 实验药品
• 3.1.3 实验仪器
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 抑制物的选定
• 3.2.1.1 抑制物种类的确定
• 3.2.1.2 抑制物含量的确定
• 3.2.2 抑制物对水洗胡枝子酶解糖化的影响
• 3.2.3 抑制物对水洗胡枝子同步糖化发酵的影响
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 抑制物种类及浓度选定
• 3.3.1.1 抑制物种类的选定
• 3.3.1.2 抑制物浓度的选定
• 3.3.2 抑制物对水洗胡枝子酶解糖化的影响
• 3.3.2.1 甲酸、乙酸对水洗胡枝子酶解糖化的影响
• 3.3.2.2 糠醛对水洗胡枝子酶解糖化的影响
• 3.3.2.3 香草醛对水洗胡枝子酶解糖化的影响
• 3.3.3 抑制物对水洗胡枝子同步糖化发酵的影响
• 3.3.3.1 甲酸、乙酸对水洗胡枝子同步糖化发酵的影响
• 3.3.3.2 糠醛对水洗胡枝子同步糖化发酵的影响
• 3.3.3.3 香草醛对水洗胡枝子同步糖化发酵的影响
• 3.4 小结
• 4 皂荚皂素（GS）对糠醛渣酶解糖化和同步糖化发酵制乳酸影响
• 4.1 实验材料
• 4.1.1 实验原材料
• 4.1.2 实验试剂
• 4.1.3 实验仪器
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 糠醛渣预处理
• 4.2.2 皂荚皂素的提取方法
• 4.2.3 纤维素酶活的测定
• 4.2.3.1 纤维素滤纸酶活力的测定
• 4.2.3.2 纤维二糖酶活的测定
• 4.2.4 糠醛渣同步糖化发酵乳酸的工艺优化
• 4.2.5 GS最适浓度的确定
• 4.2.6 GS对糠醛渣酶解糖化的影响
• 4.2.7 GS对糠醛渣同步糖化发酵的影响
• 4.2.8 GS对发酵液中剩余酶活的影响
• 4.2.9 经济核算
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 糠醛渣同步糖化发酵乳酸最佳工艺研究结果
• 4.3.2 GS最适添加浓度的确定
• 4.3.3 GS对糠醛渣酶解糖化的影响
• 4.3.4 GS对糠醛渣同步糖化发酵的影响
• 4.3.5 发酵液中剩余酶活的测定结果
• 4.3.6 经济核算结果
• 4.4 小结
• 5 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 获得成果目录清单
• 致谢