專利名稱：小麥麩皮提取蛋白并全水解發酵生產丙酮、丁醇及乙醇的方法
技術領域：
本發明涉及一種小麥麩皮提取蛋白并全水解發酵生產丙酮、丁醇及乙醇的方法。
背景技術：
小麥麩皮是小麥粉碎生產面粉過程中的副產品，在我國儲量100萬噸/年，其中殘留淀粉含量約25%，蛋白含量15-20%，纖維素含量約10%，半纖維素約15%，木質素約3%，目前小麥麩皮主要用作飼料，綜合利用效率不高。從小麥麩皮的原料組成來分析，首先其蛋白含量較高，而且麩皮蛋白和小麥蛋白相比，具有更高的清蛋白和球蛋白含量以及賴氨酸含量，比小麥蛋白的營養價值和生理價值更高，可以用作多種食品添加劑，如飲料、肉制品、冰淇淋等。其次，小麥麩皮中的碳水化合物(殘留淀粉、纖維素、半纖維素)含量約占50%，將其 全水解為可發酵糖，非常適合丙酮丁醇發酵。丁醇是新一代的生物燃料，與現有的生物燃料相比，丁醇與汽油的混合比更高，無需對車輛進行改造，同時具有顯著的環境效益，能降低溫室氣體的排放，在未來的運輸燃料結構中將會占有重要的比重，同時丁醇還是一種大宗化工原料；丙酮可作為制造醋酸纖維素膠片薄膜、塑料和涂料的溶劑，又可用于生產甲基丙烯酸甲酯(MMA)、雙酚A、醇醛縮合物等化工產品。乙醇是良好的有機溶劑和消毒劑，其殺菌作用較快，消毒效果可靠，對人刺激性小，無毒，對物品無損害，多用于皮膚消毒以及醫療器械臨床的消毒。丙酮丁醇的生產方法有化學合成法和微生物發酵法，微生物發酵法主要利用糧食為原料，由于糧食成本高，微生物發酵法生產丙酮丁醇在90年代初，被日益成熟、成本低廉的石油化工法所取代。近年來隨著石油資源的日趨減少和環境問題的不斷惡化，利用可再生資源微生物發酵生產丙酮丁醇等大宗化工能源產品，重新引起世界各國的普遍關注。目前利用麩皮中的殘留淀粉發酵丙酮丁醇或者堿法提取小麥麩皮蛋白已有報道，但是未見利用小麥麩皮中的纖維質糖進行發酵丙酮丁醇的報道，更未見超微氣流粉碎技術在小麥麩皮綜合開發中的應用，尤其是經過超微氣流粉碎后提取小麥麩皮蛋白并聯產丙酮丁醇的綜合開發技術更為鮮見。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服現有技術中的缺陷，提供一種小麥麩皮提取蛋白并全水解發酵生產丙酮、丁醇及乙醇的方法。本發明將小麥麩皮經超微氣流粉碎后堿法提取蛋白，殘渣全水解后發酵生產丙酮、丁醇及乙醇。本發明所要解決的技術問題由以下技術方案來實現一種小麥麩皮提取蛋白并全水解發酵生產丙酮、丁醇及乙醇的方法，包括如下步驟
A.超微氣流粉碎小麥麩皮經超微氣流粉碎至粒徑為500-4000目；B.堿提酸沉法提取小麥麩皮蛋白；C.全水解堿提酸沉法提取小麥麩皮蛋白后的殘渣按照水解后總糖重量體積百分比濃度為4-6%(4-6g總糖/IOOml水解液)加水混合，加入高溫淀粉酶、糖化酶、纖維素酶、木聚糖酶和β_葡萄糖苷酶對殘渣中的淀粉、纖維素、半纖維素進行全水解，得到水解液；D.發酵水解液接種丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum), 33_38°C厭氧培養35-55小時獲得發酵產物； E.從發酵后的水解液中分離丙酮、丁醇及乙醇。在步驟A中粉碎粒徑優選2000-4000目。在步驟B中，所述堿提酸沉法提取小麥麩皮蛋白包括下列步驟I)堿提超微氣流碎得到的麩皮按照固液比1:1-1:20，加入濃度不高于lmol/L的堿液，20-90°C下浸泡O. 1-20小時；2)將堿提產物進行固液分離獲得液體與固形物；3)酸沉將經步驟2)分離得到的液體加酸進行沉淀，洗滌沉淀物；4)干燥沉淀物干燥處理獲得小麥麩皮蛋白；步驟I)中固液比1:1-1:20即指固體與液體的混合重量體積比例為lg固體1ml液體-Ig固體20ml液體。所述固液比優選1:6-1:12，具體可選1:6，1:8，1:10，1:12。所述堿濃度優選O. 01-0. lmol/L,更優選 O. 03-0. 07mol/L,具體可選 O. 03mol/L,O.04mol/L,O. 05mol/L,O. 06mol/L。所述堿液可為堿提中常用堿液，包含但不限于氫氧化鈉。所述堿提溫度優選30-70 V，具體可選30°C，40 V，50°C，60 V，70°C。所述堿提時間優選O. 5-8小時，更優選1-6小時，具體可選O. 5，1，2，3，4，5，7小時；步驟2)中固液分離的方式可采用常規方法。一般可采用離心分離。在5000-10000轉/分鐘離心1-20分鐘的離心條件下，即可實現堿提產物的固液分離。步驟3)中，酸沉可采用常規堿提酸沉法提取小麥麩皮中蛋白的酸沉方法。具體的，可在步驟2)分離得到的液體中滴加稀酸進行沉淀。所述稀酸可選自各種常規稀酸水溶液，優選稀鹽酸和稀硫酸水溶液等。所述酸沉中的終點pH優選4. 5-5. 5。較佳的，酸沉中產生的廢水可用于步驟3。步驟4)中，沉淀物可采用氣流干燥。 干燥后的沉淀物還可進一步粉碎獲得小麥麩皮蛋白粉。
步驟C中，堿提酸沉法提取小麥麩皮蛋白后的殘渣是指小麥麩皮經堿提步驟后固液分離獲得的固形物。所述水解用水可以是普通工業用水和/或堿法提取小麥麩皮蛋白時酸沉產生的廢水。所述總糖重量體積百分比濃度是指水解后，水解液中所有葡萄糖和木糖的總重量在水解液中的重量體積百分比濃度。加入的高溫淀粉酶、糖化酶、纖維素酶、木聚糖酶和β -葡萄糖苷酶可對殘渣中的淀粉、纖維素、半纖維素進行全水解，得到的水解液主要含有己糖和戊糖。較佳的，所用各種酶用量為高溫淀粉酶10_50IU/g物料，優選15_50IU/g物料；
糖化酶100_300IU/g 物料，優選 150_300IU/g 物料；纖維素酶10_30IU/g物料，優選15_30IU/g物料；木聚糖酶O. 1-1. 0IU/g物料；β -葡萄糖苷酶I. 0-10. 0IU/g物料，優選2. O-lOIU/g物料。物料重量以小麥麩皮的重量計。水解條件為溫度50-55°C，時間36-60小時較佳為40_60小時，pH 5. 0-5. 5。步驟D中，步驟D 所述發酵菌株包含但不限于 NCMB8052，CICC8016, CICC8008。NCIMB8052可自英國食品工業與海洋細菌菌種保藏中心(NCMB)購買獲得，CICC8016, CICC8008可自中國工業微生物菌種保藏管理中心(CICC)購買獲得。所述水解液發酵前需要添加營養物，包含但不限于硫酸銨、醋酸銨、氯化銨中的一種或多種。所述營養物質的添加量以銨根離子(NH4+)計，一般為O. 01-0. 08mol/L水解液，較佳為O. 02-0. 05mol/L水解液。優選的，所述發酵溫度35-38 °C。優選的，所述發酵時間為40-55小時。步驟E中，可采用常規方法，如精餾的方法從發酵液中分離出丙酮、丁醇及乙醇。進一步的，發酵液分離出丙酮、丁醇及乙醇后的廢醪，可進一步進行固液分離，固體用于制備飼料，液體用于制備沼氣、沼液及沼渣。以上各步驟所述及的優選條件可以任意組配。本發明應用超微氣流粉碎技術提高小麥麩皮中的蛋白提取率以及碳水化合物(淀粉、纖維素、半纖維素等)的水解率；本發明進一步應用多酶協同酶解小麥麩皮中的碳水化合物，以提高可發酵糖濃度，最終提高丙酮丁醇發酵產量。本發明的方法，在小麥麩皮提取蛋白后，殘渣全水解發酵丙酮、丁醇及乙醇，充分利用麩皮中的殘留淀粉，以及纖維素、半纖維素等非淀粉質多糖，不僅提高了小麥麩皮的綜合利用價值，而且為丙酮丁醇發酵提供了一種更廉價的原料，實現了小麥麩皮蛋白提取、麩皮全水解、丙酮丁醇發酵聯合開發。
圖I顯示為本發明實施例的工藝流程圖。
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。須知，下列實施例中未具體注明的工藝設備或裝置均采用本領域內的常規設備或
>J-U ρ α裝直。此外應理解，本發明中提到的一個或多個方法步驟并不排斥在所述組合步驟前后 還可以存在其他方法步驟或在這些明確提到的步驟之間還可以插入其他方法步驟，除非另有說明；而且，除非另有說明，各方法步驟的編號僅為鑒別各方法步驟的便利工具，而非為限制各方法步驟的排列次序或限定本發明可實施的范圍，其相對關系的改變或調整，在無實質變更技術內容的情況下，當亦視為本發明可實施的范疇。當實施例給出數值范圍時，應理解，除非本發明另有說明，每個數值范圍的兩個端點以及兩個端點之間任何一個數值均可選用。除非另外定義，本發明中使用的所有技術和科學術語與本技術領域技術人員通常理解的意義相同。除實施例中使用的具體方法、設備、材料外，根據本技術領域的技術人員對現有技術的掌握及本發明的記載，還可以使用與本發明實施例中所述的方法、設備、材料相似或等同的現有技術的任何方法、設備和材料來實現本發明。實施例列舉的經超微氣流粉碎后提取小麥麩皮蛋白并聯產丙酮丁醇的方法流程如圖I所示，包括將小麥麩皮經過超微氣流粉碎至粒徑為500-4000目，按照固液比1:6-1:12稱取小麥麩皮，加入到O. 01-0. lmol/L的氫氧化鈉溶液中，30_70°C浸泡O. 5-8小時，離心，取清液酸沉蛋白，再離心并洗滌得蛋白固體，干燥粉碎得蛋白粉；堿提蛋白后的殘渣按照全水解后總糖濃度4-6%加水混合，分別加入高溫淀粉酶、糖化酶、纖維素酶、木聚糖酶、葡萄糖苷酶對淀粉、纖維素、半纖維素全水解，得到含己糖和戊糖的水解液；水解液接種并于35-38°C下厭氧培養40-50小時，發酵結束分析產物濃度。實施例I稱取經超微氣流粉碎至粒徑為500目的小麥麩皮10克，加入到60ml、0. 03mol/L氫氧化鈉溶液中，70°C浸泡O. 5小時，8000轉/分鐘離心10分鐘，取清液酸沉至終點pH4. 5，再離心并洗滌得蛋白固體，50°C氣流干燥粉碎得到蛋白粉。堿提蛋白后的殘渣加提取蛋白后的廢水，調節pH至5. 5，分別加入高溫淀粉酶15IU/g物料、糖化酶150IU/g物料、纖維素酶25IU/g物料、木聚糖酶O. lIU/g物料、β -葡萄糖苷酶2. 0IU/g物料50°C下全水解40小時，對淀粉、纖維素、半纖維素進行全水解，得到含葡萄糖和木糖共計36. 21g/L的水解液；水解液中添加O. 02mol/L醋酸銨，接NCIMB8052，在37°C下厭氧培養48小時。所得小麥麩皮蛋白蛋白提取率37. 67% (小麥麩皮蛋白提取率％=提取的蛋白質量*蛋白純度*100%/(小麥麩皮質量*麩皮中蛋白含量))，純度83. 71% ;發酵產物丁醇6. 29g/L，總溶劑8. 99g/L (發酵產物共計250ml)，殘留葡萄糖2.01g/L，木糖6. 97g/L。(總溶劑為丁醇、丙酮、乙醇三者之和，總溶劑含量8. 99g/L是指IL發酵液中所含丁醇、丙酮、乙醇的總量為8. 99g)。實施例2稱取經超微氣流粉碎至粒徑為1000目的小麥麩皮10克，加入到80ml，O. 04mol/L氫氧化鈉溶液中，60°C浸泡I小時，8000轉/分鐘離心10分鐘，取清液酸沉至終點pH5. O,再離心并洗滌得蛋白固體，50°C氣流干燥粉碎得到蛋白粉。堿提蛋白后的殘渣加提取蛋白后的廢水，加高溫淀粉酶20IU/g物料、糖化酶250IU/g物料、纖維素酶25IU/g物料、木聚糖酶O. 3IU/g物料、β -葡萄糖苷酶5. 0IU/g物料50°C下全水解48小時，對淀粉、纖維素、半纖維素全水解，得到含葡萄糖和木糖共計36. 15g/L的水解液；得到的水解液添加O. 03mol/L硫酸銨后接NCIMB8052在36°C下厭氧培養50小時，發酵結束分析檢測發酵產物濃度；所得 小麥麩皮蛋白蛋白純度82. 65%，提取率45. 77% ;發酵產物丁醇6. 54g/L，總溶劑9. 39g/L(發酵產物共計250ml)，殘留葡萄糖O. 07g/L，木糖4. 93g/L。實施例3稱取經超微氣流粉碎至粒徑為2500目的小麥麩皮10克，加入到100ml、0. 05mol/L氫氧化鈉溶液中，50°C浸泡2小時，8000轉/分鐘離心10分鐘，取清液酸沉至終點pH5. 5，再離心并洗滌得蛋白固體，50°C氣流干燥粉碎得到蛋白粉。堿提蛋白后的殘渣加提取蛋白后的廢水，調節PH至5. 0，分別加高溫淀粉酶30IU/g物料、糖化酶300IU/g物料、纖維素酶20IU/g物料、木聚糖酶O. 5IU/g物料、β -葡萄糖苷酶8. 0IU/g物料55°C下全水解55小時，對淀粉、纖維素、半纖維素進行全水解，得到含葡萄糖和木糖共計46. 73g/L的水解液；水解液補加O. 05mol/L硫酸銨后，接NCMB8052，在38°C下厭氧培養42小時。所得小麥麩皮蛋白蛋白提取率52. 95%，純度80. 52% ;發酵產物丁醇9. 22g/L，總溶劑13. 17g/L(發酵產物共計250ml)，殘留葡萄糖2. 15g/L，木糖4. 68g/L。實施例4稱取經超微氣流粉碎至粒徑為3000目的小麥麩皮10克，加入到120ml、0. 06mol/L氫氧化鈉溶液中，40°C浸泡5小時，8000轉/分鐘離心10分鐘，取清液酸沉至終點pH5. 0，再離心并洗滌得蛋白固體，50°C氣流干燥粉碎得到蛋白粉。堿提蛋白后的殘渣加提取蛋白后的廢水，調節PH至5. 0，分別加高溫淀粉酶40IU/g物料、糖化酶150IU/g物料、纖維素酶15IU/g物料、木聚糖酶O. 8IU/g物料、β -葡萄糖苷酶10. 0IU/g物料50°C下全水解60小時，對淀粉、纖維素、半纖維素進行全水解，得到含葡萄糖和木糖共計46. 85g/L的水解液；水解液添加O. 07mol/L氯化銨，接NCMB8052，在35°C下厭氧培養55小時。所得小麥麩皮蛋白蛋白提取率56. 62%，純度80. 58% ;發酵產物丁醇8. 73g/L，總溶劑12. 27g/L(發酵產物共計250ml)，殘留葡萄糖O. 45g/L，木糖5. 45g/L。實施例5稱取經超微氣流粉碎至粒徑為4000目的小麥麩皮10克，加入到120ml、0. 07mol/L氫氧化鈉溶液中，30°C浸泡6小時，8000轉/分鐘離心10分鐘，取清液酸沉至終點pH5. 0，再離心并洗滌得蛋白固體，50°C氣流干燥粉碎得到蛋白粉。堿提蛋白后的殘渣加普通工業用水，調節PH至5. 0，分別加高溫淀粉酶50IU/g物料、糖化酶200IU/g物料、纖維素酶30IU/g物料、木聚糖酶1.0IU/g物料、β-葡萄糖苷酶8.0IU/g物料55°C下全水解55小時，對淀粉、纖維素、半纖維素進行全水解，得到含葡萄糖和木糖共計46. 73g/L的水解液；水解液添加0.08mol/L醋酸銨，接CICC8016，在37°C下厭氧培養48小時。所得小麥麩皮蛋白蛋白提取率51. 51%，純度77. 23% ;發酵產物丁醇7. 35g/L，總溶劑12. 25g/L (發酵產物共計250ml),殘留葡萄糖 O. 56g/L,木糖 11. 30g/L。對比例稱取普通粉碎的麩皮10克小麥麩皮加入到60ml，0. 03mol/L氫氧化鈉溶液中，70°C浸泡O. 5小時，8000轉/分鐘離心10分鐘，取清液酸沉至終點pH4. 5，再離心并洗滌得蛋白固體，50°C氣流干燥粉碎得到蛋白粉。堿提蛋白后的殘渣加提取蛋白后的廢水，調節pH至5. 5，分別加入高溫淀粉酶15IU/g物料、糖化酶150IU/g物料、纖維素酶25IU/g物料、木聚糖酶O. lIU/g物料、β -葡萄糖苷酶2. 0IU/g物料，50°C下全水解40小時，對淀粉、纖 維素、半纖維素進行全水解，得到含葡萄糖和木糖共計33. 15g/L的水解液；水解液中添加
O.02mol/L醋酸銨，接NCMB8052，在37°C下厭氧培養48小時。所得小麥麩皮蛋白提取率34. 58%，蛋白純度78. 71% ;發酵產物丁醇3. 87g/L，總溶劑4. 70g/L(發酵產物共計250ml )，殘留葡萄糖14. 01g/L，木糖7. 12g/L。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
1.一種小麥麩皮提取蛋白并全水解發酵生產丙酮、丁醇及乙醇的方法，包括如下步驟 A.超微氣流粉碎小麥麩皮經超微氣流粉碎至粒徑為500-4000目； B.堿提酸沉法提取小麥麩皮蛋白； C.全水解堿提酸沉法提取小麥麩皮蛋白后的殘渣按照水解后總糖重量體積百分比濃度為4-6%加水混合，加入高溫淀粉酶、糖化酶、纖維素酶、木聚糖酶和3 -葡萄糖苷酶對殘渣中的淀粉、纖維素、半纖維素進行全水解，得到水解液； D.發酵水解液接種丙酮丁醇梭菌，33-38°C厭氧培養35-55小時獲得發酵產物； E.從發酵后的水解液中分離丙酮、丁醇及乙醇。
2.如權利要求I所述小麥麩皮提取蛋白并全水解發酵生產丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，在步驟A中，小麥麩皮經超微氣流粉碎至粒徑為2000-4000目。
3.如權利要求I所述小麥麩皮提取蛋白并全水解發酵生產丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，在步驟B中，所述堿提酸沉法提取小麥麩皮蛋白包括下列步驟 1)堿提超微氣流粉碎得到的麩皮按照固液比1:1-1:20，加入濃度不高于lmol/L的堿液，20-90°C下浸泡0. 1-20小時； 2)將堿提產物進行固液分離獲得液體與固形物； 3)酸沉將經步驟2)分離得到的液體加酸進行沉淀，洗滌沉淀物； 4)干燥沉淀物干燥處理獲得小麥麩皮蛋白。
4.如權利要求3所述小麥麩皮提取蛋白并全水解發酵生產丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，步驟I)中，所述固液比為1:6-1:12 ;所述堿濃度為0. 01-0. lmol/L ;堿提溫度為30-70°C ;所述堿提時間為0. 5-8小時。
5.如權利要求4所述小麥麩皮提取蛋白并全水解發酵生產丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，步驟I)中，所述堿濃度為0. 03-0. 07mol/L，所述堿提時間為1_6小時。
6.如權利要求3所述小麥麩皮提取蛋白并全水解發酵生產丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，步驟3)中，酸沉的終點pH為4. 5-5. 5。
7.如權利要求I所述小麥麩皮提取蛋白并全水解發酵生產丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，步驟C中，全水解所用的水為普通工業用水和/或堿提酸沉法提取小麥麩皮蛋白時酸沉產生的廢水。
8.如權利要求I所述小麥麩皮提取蛋白并全水解發酵生產丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，步驟C中，所用各種酶用量為 高溫淀粉酶10_50IU/g物料； 糖化酶100-300IU/g物料； 纖維素酶10_30IU/g物料； 木聚糖酶0. 1-1. 0IU/g物料； ^ -葡萄糖苷酶I. 0-10. 0IU/g物料， 物料重量以小麥麩皮的重量計。
9.如權利要求I所述小麥麩皮提取蛋白并全水解發酵生產丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，步驟C中，水解條件為溫度50-55°C，時間36-60小時。
10.如權利要求I所述小麥麩皮提取蛋白并全水解發酵生產丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，步驟D中，所述丙酮丁醇梭菌選自NCMB8052，CICC8016和CICC8008。
11.如權利要求I所述小麥麩皮提取蛋白并全水解發酵生產丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，步驟D中，所述水解液發酵前要添加營養物，所述營養物選自硫酸銨、醋酸銨、氯化銨中的一種或多種。
12.如權利要求11所述小麥麩皮提取蛋白并全水解發酵生產丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，所述營養物質的添加量以銨根離子計，為0. 01-0. 08mol/L水解液。
13.如權利要求I所述小麥麩皮提取蛋白并全水解發酵生產丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，步驟D中，所述發酵溫度35-38°C，發酵時間為40-55小時。
全文摘要
本發明公開了一種小麥麩皮提取蛋白并全水解發酵生產丙酮、丁醇及乙醇的方法，包括(1)小麥麩皮經超微氣流粉碎至粒徑為500-4000目；(2)堿法提取小麥麩皮蛋白；(3)堿法提取小麥麩皮蛋白后的殘渣加入水和酶，全水解得到水解液；(4)水解液接種丙酮丁醇梭菌發酵獲得發酵產物；(5)從發酵后的水解液中分離丙酮、丁醇及乙醇。本發明可應用于工業上大規模提取小麥麩皮蛋白并聯產丙酮丁醇，不僅提高了麩皮的綜合利用價值，也為丙酮丁醇發酵開發了一種廉價原料。
文檔編號C12R1/145GK102766192SQ20121027158
公開日2012年11月7日 申請日期2012年8月1日 優先權日2012年8月1日
發明者劉莉, 史吉平, 姜標, 孫俊松, 林增祥, 沈兆兵, 王建平 申請人:上海中科高等研究院