專利名稱：一種利用小麥麩皮生產2,3-丁二醇發酵液的方法
技術領域：
本發明屬于農產品加工副產物綜合利用領域，具體地說是通過發酵技術將小麥加工面粉后的副產物小麥麩皮轉化為2，3- 丁二醇的方法。
背景技術：
2，3- 丁二醇也稱2，3-雙羥基丁烷或二亞甲基二醇，2，3_ 丁二醇可以作為一種潛在的平臺化合物，替代傳統的平臺化合物-碳四烴，用于大規模的合成優良溶劑甲乙酮，并廣泛應用于合成橡膠、聚酯和聚亞胺酯等領域的1，3-丁二烯。除此之外，2，3-丁二醇還可用于制備油墨、香水、熏蒸劑、增濕劑、軟化劑、增塑劑、炸藥、藥物手性載體、食用香料及燃料添加劑等。目前，生物轉化法生產2，3- 丁二醇大多數用葡萄糖作為碳源，而葡萄糖的價格較高，且存在與人爭糧、與糧爭地的問題。此外，由于2，3-丁二醇具有較強的親水性和較高的沸點，且發酵液成分復·雜，因而該產品下游分離比較困難。原料成本高、產品分離困難已經成為2，3- 丁二醇大規模工業化生產的瓶頸。因而迫切需要采用新的工藝，并且利用新的廉價的非糧底物進行發酵。我國是小麥生產大國，近年來，小麥的年產量已超過I億噸，小麥麩皮是小麥面粉廠主要的加工副產品，每年加工出的小麥麩皮可達2000萬噸以上，大部分小麥麩皮作為粗飼料，纖維類物質在腸道不能被吸收利用。將小麥麩皮的組分進行分級，高效預處理各組分，獲得微生物可利用的營養因子是高附加值利用的前提和關鍵。小麥麩皮中灰分含量
5.41 %、木質素含量6.01 %、淀粉含量25.9%、脂肪含量3.45%、戊聚糖含量19.42%、綜纖維素含量46.05%及總糖含量89.62%，因此小麥麩皮是一種優良碳源，將小麥麩皮中的淀粉、纖維素和戊聚糖等碳水化合物轉化為可利用的單糖，減少對玉米、水稻等淀粉類糧食的過度依賴。
發明內容
為了減少對玉米、水稻等淀粉類糧食的過度依賴，本發明提供一種利用小麥麩皮發酵生產高含量2，3- 丁二醇發酵液的方法。本發明的具體操作步驟如下:
1.1小麥麩皮糖的制備
將小麥麩皮去除雜物，烘干，用粉碎機粉碎，過20目篩，獲得小麥麩皮淀粉，收集沒通過20目篩子的淺褐色的小麥殼,獲得小麥麩皮殼；
將小麥麩皮淀粉20(T300 g，水500 550 g，a -淀粉酶3 6 g, 280^300 rpm攪拌:T5分鐘，溫度7(T80°C保溫20 25分鐘，升溫至90 92°C，保溫時間10 12小時，過濾，收集上清液，獲得小麥麩皮淀粉糖；
將小麥麩皮殼粉碎，過20目篩子，獲得小麥麩皮殼粉末，將小麥麩皮殼粉末9(Tl20 g和濃度I 2%的硫酸450 500 mL混合，溫度121°C保溫1 1.5小時，過濾，用濃度20%的氫氧化鈉調PH至中性，獲得小麥麩皮半纖維素糖；將殘渣用水沖洗至pH中性，獲得小麥麩皮纖維素；
將小麥麩皮纖維素10(Tl20 g，纖維素酶5 8 g，果膠酶:T5 g，緩沖液30(T350 g，溫度50°C保溫61小時，過濾，收集上清液，獲得小麥麩皮纖維素糖；其中，纖維素酶的活性為10000 IU/g，果膠酶的活性為50000 U/mL，緩沖液為pH 5.0的濃度0.05 mol/L的檸檬酸溶液；
將小麥麩皮淀粉糖、小麥麩皮半纖維素糖和小麥麩皮纖維素糖按質量比1:2:1混合，用旋轉蒸發儀減壓蒸發水分，至總糖濃度為10 15%，獲得小麥麩皮糖；
1.2發酵產2，3-丁二醇
將克雷伯氏桿菌pneumoniaey夜、子般\ 2 g、小麥麩皮糖100 120 g和發酵營養因子2.8 3.3 g混合，在溫度36 40°C、攪拌轉速150 180 rpm、通氣量2.5 3升/分鐘條件下，發酵4(T48小時；所得發酵液中2，3-丁二醇的含量為85.5^90.2 g/L,乙偶姻的含量為2廣35 g/L, 2，3- 丁二醇的得率為0.21^0.25 g /g小麥麩皮糖，2，3- 丁二醇的生產強度 2.9 3.5 g /L/h ；
其中，發酵營養因子的組分為:酵母粉2 3 g，硫酸銨0.2、.3 g，磷酸二氫鉀0.2、.3g，七水硫酸鎂0.2 0.3 g0
本發明的有益技術效果體現在以下方面:
1.本發明對小麥加工面粉后的副產物小麥麩皮的組分進行分級，由于小麥麩皮的組成復雜，分級的目的是針對各組分的性質進行區別預處理，如用a -淀粉酶水解淀粉，纖維素酶和果膠酶水解纖維素和果膠，顯著提高水解效率，以低成本獲得高質量的小麥麩皮糖，提高小麥麩皮的綜合利用率。目前的主要方法大都采用直接復合酶水解或酸水解，導致處理過程中戊聚糖和淀粉糖的損失過大；此外，由于戊聚糖在堿溶液中溶解度大，部分采用的堿預處理方法會損失小麥麩皮中大部分的戊聚糖，降低小麥麩皮糖的得率。本發明首先對小麥麩皮殼粉末進行硫酸處理，將戊聚糖直接酸解轉化為單糖，減少糠醛等發酵抑制物的形成，降低戊聚糖的損失，獲得小麥麩皮糖的得率為70 75%，剩余的殘渣主要為微晶纖維素等極難分解的碳水化合物；
2.本發明在500L規模發酵罐進行發酵生產，本發明的發酵液中2，3-丁二醇的含量為85.5 90.2 g/L，乙偶姻的含量為21 35 g/L，2，3-丁二醇的得率為0.21、.25 g /g小麥麩皮糖，2，3-丁二醇的生產強度2.擴3.5 g /L/h;與以葡萄糖和木糖混合糖發酵的效率接近，而原料成本遠低于葡萄糖和木糖。因此，采用本發明發酵生產2，3-丁二醇具有明顯經濟性，能夠擺脫對淀粉類糧食的過度依賴。
具體實施例方式下面通過實施例，對本發明作進一步地描述。以下實施例所用的材料來源:小麥是市場上流通的普通小麥品種；粉碎機為搖擺式粉碎機型號;纖維素酶和果膠酶均為廣西南寧東恒華道生物科技公司生產；硫酸、酵母粉、硫酸銨、磷酸二氫鉀、七水硫酸鎂、a-淀粉酶為國藥集團生產；克雷伯氏桿菌{Klebsiella pneumoniae) CICC10011購自中國工業微生物菌種保藏管理中心。實施例1:
利用小麥麩皮生產2，3- 丁二醇發酵液的具體操作步驟如下:將小麥麩皮去除雜物，烘干，用粉碎機粉碎，過20目篩，獲得小麥麩皮淀粉，收集沒通過20目篩子的淺褐色的小麥殼,獲得小麥麩皮殼；
將小麥麩皮淀粉200 g，水500 g，a-淀粉酶3 g，280 rpm攪拌3分鐘，溫度70°C保溫20分鐘，升溫至90°C，保溫12小時，過濾，收集上清液，獲得小麥麩皮淀粉糖；
將小麥麩皮殼粉碎，過20目篩子,獲得小麥麩皮殼粉末，將小麥麩皮殼粉末120 g和濃度1%的硫酸450 mL混合，溫度121 °C保溫I小時，過濾，用濃度20%的氫氧化鈉調pH至中性，獲得小麥麩皮半纖維素糖；將殘渣用水沖洗至PH中性，獲得小麥麩皮纖維素；
將小麥麩皮纖維素100 g，纖維素酶5 g，果膠酶3 g，緩沖液300 g，溫度50°C保溫6小時，過濾，收集上清液，獲得小麥麩皮纖維素糖；其中，纖維素酶的活性為10000 IU/g，果膠酶的活性為50000 U/mL，緩沖液為pH 5.0的濃度0.05 mol/L的檸檬酸溶液；
將小麥麩皮淀粉糖、小麥麩皮半纖維素糖和小麥麩皮纖維素糖按質量比1:2:1混合，用旋轉蒸發儀減壓蒸發水分，至總糖濃度為10%，獲得小麥麩皮糖；
將克雷伯氏桿菌凍干粉2 g、小麥麩皮糖120 g和發酵營養因子3.3 g混合，在溫度36°C、攪拌轉速150 rpm、通氣量2.5升/分鐘條件下，發酵40小時；所得發酵液中2，3-丁二醇的含量為85.5 g/L，乙偶姻的含量為21 g/L，2，3_ 丁二醇的得率為0.21 g /g小麥麩皮糖，2，3- 丁二醇的生產強度2.9 g /L/h ；
其中，發酵營養因子的組分為:酵母粉2 g，硫酸銨0.2 g，磷酸二氫鉀0.2 g，七水硫酸鎂 0.2 g。實施例2:
利用小麥麩皮生產2，3- 丁二醇發酵液的具體操作步驟如下:
將小麥麩皮去除雜物， 烘干，用粉碎機粉碎，過20目篩，獲得小麥麩皮淀粉，收集沒通過20目篩子的淺褐色的小麥殼,獲得小麥麩皮殼；
將小麥麩皮淀粉300 g，水550 g，a-淀粉酶6 g,300 rpm攪拌5分鐘，溫度80°C保溫25分鐘，升溫至92°C，保溫時間12小時，過濾，收集上清液，獲得小麥麩皮淀粉糖；
將小麥麩皮殼粉碎，過20目篩子,獲得小麥麩皮殼粉末，將小麥麩皮殼粉末120 g和濃度1%的硫酸450 mL混合，溫度121 °C保溫I小時，過濾，用濃度20%的氫氧化鈉調pH至中性，獲得小麥麩皮半纖維素糖；將殘渣用水沖洗至PH中性，獲得小麥麩皮纖維素；
將小麥麩皮纖維素120 g，纖維素酶8 g，果膠酶5 g，緩沖液350 g，溫度50°C保溫8小時，過濾，收集上清液，獲得小麥麩皮纖維素糖；其中，纖維素酶的活性為10000 IU/g，果膠酶的活性為50000 U/mL，緩沖液為pH 5.0的濃度0.05 mol/L的檸檬酸溶液；
將小麥麩皮淀粉糖、小麥麩皮半纖維素糖和小麥麩皮纖維素糖按質量比1:2:1混合，用旋轉蒸發儀減壓蒸發水分，至總糖濃度為15%，獲得小麥麩皮糖；
將克雷伯氏桿菌凍干粉I g、小麥麩皮糖120 g和發酵營養因子3.3 g混合，在溫度40°C、攪拌轉速180 rpm、通氣量3升/分鐘條件下，發酵48小時；所得發酵液中2，3-丁二醇的含量為90.2 g/L，乙偶姻的含量為35 g/L，2，3-丁二醇的得率為0.25 g /g小麥麩皮糖，2，3- 丁二醇的生產強度3.5 g /L/h ；
其中，發酵營養因子的組分為:酵母粉3 g，硫酸銨0.3 g，磷酸二氫鉀0.3 g，七水硫酸鎂 0.3 g。實施例3:利用小麥麩皮生產2，3- 丁二醇發酵液的具體操作步驟如下:
將小麥麩皮去除雜物，烘干，用粉碎機粉碎，過20目篩，獲得小麥麩皮淀粉，收集沒通過20目篩子的淺褐色的小麥殼,獲得小麥麩皮殼；
將小麥麩皮淀粉250 g，水520 g，a-淀粉酶4 g，290 rpm攪拌4分鐘，溫度75 °C保溫22分鐘，升溫至90°C，保溫11小時，過濾，收集上清液，獲得小麥麩皮淀粉糖；
將小麥麩皮殼粉碎，過20目篩子,獲得小麥麩皮殼粉末，將小麥麩皮殼粉末100 g和濃度1.5%的硫酸480 mL混合，溫度121 °C保溫I小時，過濾，用濃度20%的氫氧化鈉調pH至中性，獲得小麥麩皮半纖維素糖；將殘渣用水沖洗至PH中性，獲得小麥麩皮纖維素；
將小麥麩皮纖維素110 g，纖維素酶6 g，果膠酶4 g，緩沖液320 g，溫度50°C保溫7小時，過濾，收集上清液，獲得小麥麩皮纖維素糖；其中，纖維素酶的活性為10000 IU/g，果膠酶的活性為50000 U/mL，緩沖液為pH 5.0的濃度0.05 mol/L的檸檬酸溶液；
將小麥麩皮淀粉糖、小麥麩皮半纖維素糖和小麥麩皮纖維素糖按質量比1:2:1混合，用旋轉蒸發儀減壓蒸發水分，至總糖濃度為12%，獲得小麥麩皮糖；
將克雷伯氏桿菌凍干粉1.5 g、小麥麩皮糖110 g和發酵營養因子3 g混合，在溫度38°C、攪拌轉速160 rpm、通氣量3升/分鐘條件下，發酵45小時；所得發酵液中2，3-丁二醇的含量為88.2 g/L，乙偶姻的含量為29 g/L，2，3-丁二醇的得率為0.23 g /g小麥麩皮糖，2，3- 丁二醇的生產強度3.1 g /L/h ；
其中，發酵營養因子的組分為:酵母粉2.5 g，硫酸銨0.2 g，磷酸二氫鉀0.3 g，七水硫酸鎂0.3 g。 實施例4:
利用小麥麩皮生產2，3- 丁二醇發酵液的具體操作步驟如下:
將小麥麩皮去除雜物，烘干，用粉碎機粉碎，過20目篩，獲得小麥麩皮淀粉，收集沒通過20目篩子的淺褐色的小麥殼,獲得小麥麩皮殼；
將小麥麩皮淀粉200 g，水550 g，a-淀粉酶6 g,300 rpm攪拌4分鐘，溫度75 °C保溫25分鐘，升溫至92°C，保溫12小時，過濾，收集上清液，獲得小麥麩皮淀粉糖；
將小麥麩皮殼粉碎，過20目篩子,獲得小麥麩皮殼粉末，將小麥麩皮殼粉末90g和濃度2%的硫酸500 mL混合，溫度121 °C保溫I小時，過濾，用濃度20%的氫氧化鈉調pH至中性，獲得小麥麩皮半纖維素糖；將殘渣用水沖洗至PH中性，獲得小麥麩皮纖維素；
將小麥麩皮纖維素120 g，纖維素酶8 g，果膠酶3 g，緩沖液350 g，溫度50°C保溫7小時，過濾，收集上清液，獲得小麥麩皮纖維素糖；其中，纖維素酶的活性為10000 IU/g，果膠酶的活性為50000 U/mL，緩沖液為pH 5.0的濃度0.05 mol/L的檸檬酸溶液；
將小麥麩皮淀粉糖、小麥麩皮半纖維素糖和小麥麩皮纖維素糖按質量比1:2:1混合，用旋轉蒸發儀減壓蒸發水分，至總糖濃度為10 15%，獲得小麥麩皮糖；
將克雷伯氏桿菌凍干粉2 g、小麥麩皮糖120 g和發酵營養因子3.3 g混合，在溫度36°C、攪拌轉速150 rpm、通氣量2.5升/分鐘條件下，發酵40小時；所得發酵液中2，3-丁二醇的含量為89.3 g/L，乙偶姻的含量為33 g/L，2，3_ 丁二醇的得率為0.22g /g小麥麩皮糖，2，3- 丁二醇的生產強度3.4 g /L/h ；
其中，發酵營養因子的組分為:酵母粉3 g，硫酸銨0.2 g，磷酸二氫鉀0.3 g，七水硫酸鎂 0.2g。
權利要求
1.一種利用小麥麩皮生產2，3- 丁二醇發酵液的方法，其特征在于具體操作步驟如下: 1.1小麥麩皮糖的制備 將小麥麩皮去除雜物，烘干，用粉碎機粉碎，過20目篩，獲得小麥麩皮淀粉，收集沒通過20目篩子的淺褐色的小麥殼,獲得小麥麩皮殼； 將小麥麩皮淀粉20(T300 g，水500 550 g，a -淀粉酶3 6 g, 280^300 rpm攪拌:T5分鐘，溫度7(T80°C保溫20 25分鐘，升溫至9(T92°C，保溫時間10 12小時，過濾，收集上清液，獲得小麥麩皮淀粉糖； 將小麥麩皮殼粉碎，過20目篩子，獲得小麥麩皮殼粉末，將小麥麩皮殼粉末9(Tl20 g和濃度I 2%的硫酸450 500 mL混合，溫度121°C保溫1 1.5小時，過濾，用濃度20%的氫氧化鈉調PH至中性，獲得小麥麩皮半纖維素糖；將殘渣用水沖洗至pH中性，獲得小麥麩皮纖維素； 將小麥麩皮纖維 素10(Tl20 g，纖維素酶5 8 g，果膠酶:T5 g，緩沖液30(T350 g，溫度50°C保溫61小時，過濾，收集上清液，獲得小麥麩皮纖維素糖；其中，纖維素酶的活性為10000 IU/g，果膠酶的活性為50000 U/mL，緩沖液為pH 5.0的濃度0.05 mol/L的檸檬酸溶液； 將小麥麩皮淀粉糖、小麥麩皮半纖維素糖和小麥麩皮纖維素糖按質量比1:2:1混合，用旋轉蒸發儀減壓蒸發水分，至總糖濃度為10 15%，獲得小麥麩皮糖； 1.2發酵產2，3-丁二醇 將克雷伯氏桿菌pneumoniaeY街、:\ 2 g、小麥麩皮糖100 120 g和發酵營養因子2.8 3.3 g混合，在溫度36 40°C、攪拌轉速150 180 rpm、通氣量2.5 3升/分鐘條件下，發酵4(T48小時；所得發酵液中2，3-丁二醇的含量為85.5^90.2 g/L，乙偶姻的含量為2廣35 g/L, 2，3- 丁二醇的得率為0.21^0.25 g /g小麥麩皮糖，2，3- 丁二醇的生產強度 2.9 3.5 g /L/h ； 其中，發酵營養因子的組分為:酵母粉2 3 g，硫酸銨0.2、.3 g，磷酸二氫鉀0.2、.3g，七水硫酸鎂0.2 0.3 g0
全文摘要
本發明涉及一種利用小麥麩皮生產2,3-丁二醇發酵液的方法。具體操作步驟分為兩大步驟1.利用小麥麩皮制備小麥麩皮糖；2.將克雷伯氏桿菌凍干粉、小麥麩皮糖和發酵營養因子混合發酵，所得發酵液中2,3-丁二醇的含量為85.5~90.2g/L，乙偶姻的含量為21~35g/L，2,3-丁二醇的得率為0.21~0.25g/g小麥麩皮糖，2,3-丁二醇的生產強度2.9~3.5g/L/h；與以葡萄糖和木糖混合糖發酵的效率接近，而原料成本遠低于葡萄糖和木糖。本發明用α-淀粉酶水解淀粉，纖維素酶和果膠酶水解纖維素和果膠，顯著提高水解效率，以低成本獲得高質量的小麥麩皮糖，提高小麥麩皮的綜合利用率。
文檔編號C12P7/26GK103146767SQ20131009922
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月26日 優先權日2013年3月26日
發明者楊培周, 姜紹通, 羅水忠, 鄭志, 潘麗軍 申請人:合肥工業大學