一種高效提取海藻中營養物質的方法
【專利摘要】本發明公開了一種高效提取海藻中營養物質的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步驟：（1）原料預處理（2）水浴浸泡（3）纖維酶解（4）蛋白酶解（5）鹽水消化（6）稀釋過濾（7）脫色（8）CaCl2溶液處理（9）離子交換（10）制褐藻酸鈉（11）制乙醇（12）制海藻有機肥。本發明以蛋白酶、果膠酶、纖維素酶按科學的配比制成復合酶，對原料進行預處理，有利于提高褐藻酸鈉的提取率；同時利用富含纖維素的海帶加工廢棄物制備燃料乙醇；加工過程中剩余的廢液及廢渣，通過濃縮、噴干、造粒制造海藻有機肥，實現了海帶的高值化綜合利用，開發了海洋生物能源。
【專利說明】一種高效提取海藻中營養物質的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及海藻利用領域，具體涉及一種高效提取海藻中營養物質的方法。
【背景技術】
[0002]當前世界面臨著能源短缺和環境污染的巨大壓力，開發清潔的可再生能源已經成為解決石化資源和能源危機的重要手段。生物乙醇作為一種清潔燃料及汽油添加劑而受到廣泛關注。目前，我國制備燃料乙醇主要側重于秸桿、甘蔗渣、木屑和木薯等陸源原料，但對海洋生物資源制備生物乙醇的研究較少，在海藻生物質能源開發方面的技術研究相對落后，還未見利用海藻加工廢棄物制備生物乙醇的研究成果。
[0003]海洋面積巨大，蘊藏著豐富的海藻資源，其種類繁多、光合作用效率高、生長周期短，每年可通過光合作用產生的生物質總量就達550x10s噸，是一種巨大的可再生資源，也是產生生物質能源的潛在資源。利用現有的經濟海藻資源優勢生產生物質能源，對緩解人類面臨的糧食、能源、環境三大危機有巨大的潛力。在海帶工業生產過程中，產生大量的海帶工業廢棄物，這些工業廢棄物的主要成分是纖維素、海帶多糖、甘露醇等；其中纖維素可以利用不同的方式轉化為可被利用的單糖和寡糖，甘露醇和大部分海藻多糖類物質均可以經發酵轉化為乙醇。利用富含纖維素、海帶多糖、甘露醇的海帶加工廢棄物制備燃料乙醇，不僅可使海帶加工廢棄物變廢為寶，解決環境污染問題，還可為制備生物乙醇提供充足和廉價的原料供應，促進海洋生物質能源的技術開發。
[0004]海藻酸鈉，一種天然多糖，具有藥物制劑輔料所需的穩定性、溶解性、粘性和安全性。1881年，英國化學家E.C.Stanford首先對褐色海藻中的海藻酸鹽提取物進行科學研究。他發現該褐藻酸的提取物具有幾種很有趣的特性，它具有濃縮溶液、形成凝膠和成膜的能力。基于此，他提出了幾項工業化生產的申請。但是，海藻酸鹽直到50年之后才進行大規模工業化生產。商業化生產始于1927年，現在全世界每年約生產30000噸，其中30%用于食品工業，剩下的用于其它工業，制藥業和牙科。
[0005]目前，世界范圍內提取海藻酸鈉方法可分為四種工藝，分別為:酸凝酸化法、鈣凝酸化法、鈣凝離子交換法、酶解提取法，目前國內絕大部分廠家采用鈣凝酸化法。其中前二種方法為純化學方法，在提取過程中由于較高濃度的碳酸鈉消化，致使生產出的海藻酸鈉粘度由于降解普遍較低，產率一般在20%左右，并且大量的酸堿化學藥品對環境的污染較大。而酶作為一種特殊的以蛋白質形式存在的生物催化劑，在啤酒、果汁果酒、紡織、飼料、皮革、酒精生產等行業得到了廣泛的應用，并以其特異、高效、綠色環保等特點而備受青瞇。目前酶解提取法提取海藻酸鈉還不夠成熟，往往都只是采用了單一的纖維素酶進行水解，但組成植物細胞壁的有纖維素酶、半纖維素酶、果膠、木質素等成分，他們之間的鏈接方式或者鑲嵌，或者抱合，所以用單一的酶很難徹底破解植物的細胞壁，不能使內容物完全釋放。
[0006]如何徹底破解植物的細胞壁，使內容物完全釋放。又要避免受到其它人分子物質，如果膠、蛋白質等的干擾，本發明考慮以蛋白酶、果膠酶、纖維素酶按科學的配比制成復合酶，對原料進行預處理，然后再提取海藻酸鈉的基礎上，充分利用海藻原料生產乙醇和海藻有機肥。
【發明內容】
[0007]為解決上述技術中存在的技術難題，本發明的目的是提供一種高效提取海藻中營養物質的方法，實現了提高海藻酸鈉的提取率及其粘度，降低化學藥品的用量，也是乙醇的開發和海帶清潔化、高值化、綜合利用的新方法。
[0008]為達到上述目的，本發明提供了一種高效提取海藻中營養物質的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步驟:
(1)原料預處理:將海藻原料去除泥沙，于60-70°C烘干或曬干，粉碎；
(2)水浴浸泡:向上述海藻粉加入原料重量7-8倍的新鮮飲用水，50-60°C水浴中浸泡2-2.5h ；
(3)纖維酶解:并用HCl調液體pH值至3-6，加入由內切β-葡聚糖酶45%、外切β-葡聚糖酶35%、β-葡萄糖苜酶20%組成的纖維素酶0.3-0.5%，酶解6-101!;
(4)蛋白酶解:加入由中性蛋白酶50%、木瓜蛋白酶50%組成的蛋白酶0.2-0.3%，由果膠裂解酶60%、果膠酯酶40%組成的果膠酶0.2-0.4%,繼續酶解3-5h，攪拌，酶解后離心分離；
(5)鹽水消化:向上述離心后的海帶中加入12-15倍海帶重量的1-3%Na2CO3溶液，在50-60°C水浴中消化2-3h ；
(6)稀釋過濾:然后加入體積4-7倍50-60°C的新鮮飲用水進行稀釋l_2h，充分稀釋均勻后，通過280-350目的絹網過濾；
(7)脫色:濾液加入0.2-0.3%的雙氧水，在60°C脫色l_2h，然后升溫到85_90°C保持10-25min，用280-350目的絹網過濾；
(8)CaCl2溶液處理；濾液緩慢加入體積比1-3%濃度10%的CaCl2溶液，靜置1-1.5h，然后過濾，用新鮮的飲用水清洗褐藻酸鈣纖維中殘留的CaCl2溶液及其它雜質；
(9)離子交換:褐藻酸鈣加入12-14倍的純化水，然后用1.5-2倍10% NaCl溶液，在50°C水浴中進行離子交換，使褐藻酸鈣纖維完全轉化為褐藻酸鈉溶液；
(10)制褐藻酸鈉:然后用95%的酒精沉淀，獲得褐藻酸鈉，褐藻酸鈉經脫水、烘干、粉碎得到成品；
(11)制乙醇:步驟(4)中的離心濾液高壓滅菌，冷卻后，加入已經活化的酵母菌，接種比例為15-20%，27-35°C密封并繼續培養4_8天發酵，發酵液蒸餾生產乙醇；
(12)制海藻有機肥:蒸餾乙醇后剩余的液體中含有大量的蛋白質、氮、磷、鉀等成分，蒸發乙醇后的液體，經濃縮到45-60%濃度后，噴干、造粒，制備海藻有機肥。
[0009]上述的一種高效提取海藻中營養物質的方法，其特征在于:所述步驟(11)中發酵生產乙醇，酶解液滅菌后，接入已經活化的工業酵母菌種CICC31447，進行發酵培養。
[0010]上述的一種高效提取海藻中營養物質的方法，其特征在于:所述步驟(11)發酵生產乙醇，酶解液經過活化的酵母菌在30°C下，發酵培養7天，所獲得的生物乙醇量最大。
[0011]本發明的有益效果:
本發明以蛋白酶、果膠酶、纖維素酶按科學的配比制成復合酶，避免受到其它人分子物質，如果膠、蛋白質等的干擾，對原料進行預處理，徹底破解植物的細胞壁，將海帶中的纖維素、蛋白質等主要成分分離出來，并轉化為微生物可利用的單糖、寡糖及游離蛋白質，有利于提高褐藻酸鈉的提取率；同時利用富含纖維素的海帶加工廢棄物制備燃料乙醇；加工過程中剩余的廢液及廢渣，通過濃縮、噴干、造粒制造海藻有機肥，實現了海帶的高值化綜合利用，開發了海洋生物能源。
【具體實施方式】
[0012]實施例1:
將海藻原料去除泥沙，于60°C烘干，準確稱取烘干粉碎后的10g海帶，加入原料重量700ml的新鮮飲用水，50°C水浴中浸泡2h ;然后用HCl調節pH值至3，加入由內切β -葡聚糖酶45 %、外切β-葡聚糖酶35 %、β-葡萄糖苜酶20%組成的纖維素酶0.3%，酶解6h ;然后，加入由中性蛋白酶50 %、木瓜蛋白酶50 %組成的蛋白酶0.2%，由果膠裂解酶60 %、果膠酯酶40%組成的果膠酶0.2%，繼續酶解3h，酶解過程不斷攪拌，酶解結束后離心分離，得到預處理后的海帶和酶解液。
[0013]預處理后的海帶加入1200ml的1% Na2CO3溶液，在50°C水浴中消化2h，然后加入體積4000ml的50°C的新鮮飲用水進行稀釋lh，充分稀釋均勻后，通過280目的絹網過濾；濾液加入6ml的雙氧水，在60°C脫色lh，然后升溫到85°C保持lOmin，用280目的絹網過濾；濾液緩慢加入60ml濃度10%的CaCl2溶液，將其中的褐藻酸鈉轉化為褐藻酸鈣析出，靜置lh，然后過濾，用新鮮的飲用水清洗褐藻酸鈣纖維中殘留的CaCl2溶液及其它雜質；褐藻酸鈣加入2400ml純化水，然后用2000ml的10% NaCl溶液，在50°C水浴中進行離子交換，使褐藻酸鈣纖維完全轉化為褐藻酸鈉溶液，然后用95%的酒精沉淀，獲得褐藻酸鈉，褐藻酸鈉經脫水、烘干、粉碎得到成品23.3克。
[0014]先將工業酵母置于培養液中培養活化，培養基成分為1%酵母膏、2%蛋白胨、2%葡萄糖，以上原料加水溶解，于121°C滅菌15min，然后在潔凈操作臺中接種，30°C培養I天，將海帶預處理后的酶解液高壓滅菌，冷卻后，加入已經活化的酵母菌，接種比例為10%，28°C密封并繼續培養3天發酵，發酵液蒸餾生產乙醇，培養結束后，測定其中的乙醇濃度約為3.2%，蒸餾后，獲得生物乙醇。蒸餾乙醇后剩余的液體中含有大量的蛋白質、氮、磷、鉀等成分，蒸發乙醇后的液體通過濃縮作為生產海藻有機肥的原料
生物乙醇發酵蒸餾出乙醇后，剩余的發酵殘液濃縮到濃度為50%，然后噴干，粉碎，制成海藻有機肥，肥料中的氮磷鉀的含量約為12%，總有機質的含量為42%。
[0015]實施例2:
將海藻原料去除泥沙，于70°C烘干，準確稱取烘干粉碎后的10g海帶，加入原料重量800ml的新鮮飲用水，60°C水浴中浸泡2.5h ;然后用HCl調節pH值至6，加入由內切β-葡聚糖酶45 %、外切β-葡聚糖酶35%、β-葡萄糖苜酶20%組成的纖維素酶0.5%，酶解1h ;然后，加入由中性蛋白酶50 %、木瓜蛋白酶50 %組成的蛋白酶0.3%，由果膠裂解酶60%、果膠酯酶40%組成的果膠酶0.4%，繼續酶解5h，酶解過程不斷攪拌，酶解結束后離心分離，得到預處理后的海帶和酶解液。
[0016]預處理后的海帶加入1500ml的3% Na2CO3溶液，在60°C水浴中消化3h，然后加入體積7000ml的60°C的新鮮飲用水進行稀釋2h，充分稀釋均勻后，通過350目的絹網過濾；濾液加入9ml的雙氧水，在60°C脫色2h，然后升溫到90°C保持25min，用350目的絹網過濾；濾液緩慢加入60ml濃度10%的CaCl2溶液，將其中的褐藻酸鈉轉化為褐藻酸鈣析出，靜置1.5h，然后過濾，用新鮮的飲用水清洗褐藻酸鈣纖維中殘留的CaCl2溶液及其它雜質；褐藻酸鈣加入2800ml純化水，然后用3500ml的10% NaCl溶液，在50°C水浴中進行離子交換，使褐藻酸鈣纖維完全轉化為褐藻酸鈉溶液，然后用95%的酒精沉淀，獲得褐藻酸鈉，褐藻酸鈉經脫水、烘干、粉碎得到成品26.3克。
[0017]先將工業酵母置于培養液中培養活化，培養基成分為1%酵母膏、2%蛋白胨、2%葡萄糖，以上原料加水溶解，于121°C滅菌15min，然后在潔凈操作臺中接種，30°C培養I天，將海帶預處理后的酶解液高壓滅菌，冷卻后，加入已經活化的酵母菌，接種比例為10%，28°C密封并繼續培養3天發酵，發酵液蒸餾生產乙醇，培養結束后，測定其中的乙醇濃度約為3.2%，蒸餾后，獲得生物乙醇。蒸餾乙醇后剩余的液體中含有大量的蛋白質、氮、磷、鉀等成分，蒸發乙醇后的液體通過濃縮作為生產海藻有機肥的原料
生物乙醇發酵蒸餾出乙醇后，剩余的發酵殘液濃縮到濃度為50%，然后噴干，粉碎，制成海藻有機肥，肥料中的氮磷鉀的含量約為12%，總有機質的含量為42%。
【權利要求】
1.一種高效提取海藻中營養物質的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步驟: (1)原料預處理:將海藻原料去除泥沙，于60-70°C烘干或曬干，粉碎； (2)水浴浸泡:向上述海藻粉加入原料重量7-8倍的新鮮飲用水，50-60°C水浴中浸泡2-2.5h ； (3)纖維酶解:并用HCl調液體pH值至3-6，加入由內切β-葡聚糖酶45%、外切β-葡聚糖酶35%、β-葡萄糖苜酶20%組成的纖維素酶0.3-0.5%，酶解6-101!; (4)蛋白酶解:加入由中性蛋白酶50%、木瓜蛋白酶50%組成的蛋白酶0.2-0.3%，由果膠裂解酶60%、果膠酯酶40%組成的果膠酶0.2-0.4%,繼續酶解3-5h，攪拌，酶解后離心分離； (5)鹽水消化:向上述離心后的海帶中加入12-15倍海帶重量的1-3%Na2CO3溶液，在50-60°C水浴中消化2-3h ； (6)稀釋過濾:然后加入體積4-7倍50-60°C的新鮮飲用水進行稀釋l_2h，充分稀釋均勻后，通過280-350目的絹網過濾； (7)脫色:濾液加入0.2-0.3%的雙氧水，在60°C脫色l_2h，然后升溫到85_90°C保持10-25min，用280-350目的絹網過濾； (8)CaCl2溶液處理:濾液緩慢加入體積比1-3%濃度10%的CaCl2溶液，靜置1-1.5h，然后過濾，用新鮮的飲用水清洗褐藻酸鈣纖維中殘留的CaCl2溶液及其它雜質； (9)離子交換:褐藻酸鈣加入12-14倍的純化水，然后用1.5-2倍10% NaCl溶液，在50°C水浴中進行離子交換，使褐藻酸鈣纖維完全轉化為褐藻酸鈉溶液； (10)制褐藻酸鈉:然后用95%的酒精沉淀，獲得褐藻酸鈉，褐藻酸鈉經脫水、烘干、粉碎得到成品； (11)制乙醇:步驟(4)中的離心濾液高壓滅菌，冷卻后，加入已經活化的酵母菌，接種比例為15-20%，27-35°C密封并繼續培養4_8天發酵，發酵液蒸餾生產乙醇； (12)制海藻有機肥:蒸餾乙醇后剩余的液體中含有大量的蛋白質、氮、磷、鉀等成分，蒸發乙醇后的液體，經濃縮到45-60%濃度后，噴干、造粒，制備海藻有機肥。
2.根據權利要求1所述的一種高效提取海藻中營養物質的方法，其特征在于:所述步驟(11)中發酵生產乙醇，酶解液滅菌后，接入已經活化的工業酵母菌種CICC31447，進行發酵培養。
3.根據權利要求1所述的一種高效提取海藻中營養物質的方法，其特征在于:所述步驟(11)發酵生產乙醇，酶解液經過活化的酵母菌在30°c下，發酵培養7天，所獲得的生物乙醇量最大。
【文檔編號】C08B37/04GK104341536SQ201310341395
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年8月8日 優先權日:2013年8月8日
【發明者】朱鳳 申請人:青島博研達工業技術研究所(普通合伙)