專利名稱：一種用于微生物發(fā)酵培養(yǎng)原料的菊芋預(yù)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及菊芋原料的預(yù)處理方法，具體地說是一種處理菊芋原料獲取培養(yǎng)微生
物原料的方法，屬于生物技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
菊芋又名洋姜、鬼子姜，是多年生菊科草本植物，它適宜于在灘涂地、鹽堿地生長。 菊芋塊莖干物質(zhì)畝產(chǎn)可達(dá)1. 2噸，塊莖中含有豐富的菊粉，占其干重的70%以上。菊粉是由 D-呋喃果糖經(jīng)13 _2， 1-糖苷鍵連接而成的一種果聚糖，呈直鏈結(jié)構(gòu)，其還原性末端有一分 子葡萄糖殘基，每個(gè)菊粉分子約含30 50個(gè)果糖殘基。與其它菊粉含量高的植物如大麗 花和菊苣相比，菊芋塊莖中菊粉的聚合度(DP值)在3 50表現(xiàn)(De Bates S， Vandamme EJ，Steinbuchel A.生物高分子.陳代杰，羅敏玉，譯。北京化學(xué)工業(yè)出版社，2004， 398 425)，是微生物發(fā)酵的潛在原料。 菊芋塊莖中含有少量單糖和二糖，可直接被微生物利用；但菊芋塊莖中主要碳水化 合物以低聚糖形式存在，微生物利用效率不及單糖和二糖。因此，雖然文獻(xiàn)報(bào)道部分微生物 可以直接利用菊芋汁或菊芋漿培養(yǎng)(葛向陽等.食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，25(2) :83 87; Bajpai P K， Bajpai P. Enzyme Microb. Technol. 1991， 13(4) ，359 362 ;華艷艷等.中國生 物工程雜志.2007,27(10) :59 63)，但存在菌體生長緩慢、目標(biāo)產(chǎn)物得率不高、總糖利用度 低等問題，不利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。菊芋原料中還含有其它成份，如蛋白質(zhì)、凝集素、果膠、多 酚類化合物、粗纖維等，其中有的成份不利于微生物生長。因此，處理菊芋原料，使低聚糖成份 高效水解為單糖，降解原料中抑制微生物生長的物質(zhì)，具有重要工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
菊粉水解通常在酶催化或酸催化條件下實(shí)現(xiàn)。酶水解反應(yīng)條件溫和但反應(yīng)時(shí)間較 長(李俊剛等.食品科學(xué).1999， (1) :34 36)，而且目前報(bào)道的菊粉酶活力尚不高(Singh R S等.Bioresource Technology. 2007， 98 :2518 2525)。而且，酶水解法處理菊芋成本較 高，對(duì)原料中其它抑制微生物生長的物質(zhì)沒有滅活作用。文獻(xiàn)報(bào)道在酸性條件下處理菊芋， 是以獲取果糖或高果糖漿為目的，采用的操作溫度低于100攝氏度，酸解時(shí)間長，還原糖得 率低，并且由于使用的物料濃度低，不適宜應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè)(胡嘉琦等.廣州化學(xué).2007， 32(3) :46 50)。因此，需要發(fā)展更高效的菊芋原料處理技術(shù)，使其過程更適應(yīng)微生物發(fā)酵 工業(yè)的要求。 本發(fā)明將干菊芋粉或鮮菊芋漿與水以一定質(zhì)量比混合，在酸性條件下加熱處理， 得到水解液，經(jīng)中和得到用于培養(yǎng)微生物的原料。本發(fā)明處理時(shí)間短、簡(jiǎn)便易行、能耗小、成 本低，并且可使原料處理和培養(yǎng)基滅菌同時(shí)進(jìn)行，水解液?jiǎn)翁菨舛雀?，用于微生物發(fā)酵菌體 生長快，目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量高，發(fā)酵廢水中有機(jī)物含量低，為高效利用菊芋原料進(jìn)行微生物培養(yǎng) 和生物煉制提供了經(jīng)濟(jì)可行的新技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種適合微生物發(fā)酵、成本低、簡(jiǎn)單有效的菊芋原料預(yù)處理方法，促進(jìn)應(yīng)用新型原料菊芋獲取生物能源和生物基化學(xué)品的規(guī)?；l(fā)展。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為將干菊芋粉或鮮菊芋塊莖與水按質(zhì)
量比為1 : 0. 25 1 : 10混合，調(diào)槳，加入酸調(diào)節(jié)pH至1 4，于101°C 14(TC下處理2
分鐘 20分鐘。水解液用堿中和，調(diào)節(jié)pH至5 8，得到用于微生物培養(yǎng)的原料。 本發(fā)明用于調(diào)節(jié)菊芋與水所得混合物料pH值的酸包括但不限于硫酸、鹽酸、磷
酸、甲酸和醋酸。 本發(fā)明用于調(diào)節(jié)菊芋水解液pH值的堿包括但不限于氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水、 碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、碳酸鈉、碳酸鉀和氨氣。 本發(fā)明所得中和后的菊芋水解液使用方式包括但不限于1)直接接種微生物，發(fā) 酵；或2)進(jìn)行其它的固液分離操作，得到無固體殘?jiān)囊后w物料，接種微生物，發(fā)酵；或3) 添加其它必要成份，接種微生物，發(fā)酵。 本發(fā)明采用蒽酮硫酸法(黃偉坤.食品檢驗(yàn)與分析.北京中國輕工業(yè)出版社， 2000. 32 34)測(cè)定菊芋漿及水解液中總糖濃度。本發(fā)明采用3， 5- 二硝基水楊酸法(DNS法)(Miller G L. AnalyticalChemistry，
1959,31 :426 428)測(cè)定菊芋水解液中總還原糖濃度，并經(jīng)過離子色譜法(王建華等.理
化檢驗(yàn)_化學(xué)分冊(cè)，2007，43 :558 563)對(duì)主要單糖進(jìn)行定性和定量分析。 本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn) 1.與酶水解方法相比，經(jīng)濟(jì)成本較低； 2.與其它酸水解相比，本發(fā)明操作時(shí)間短、可適用于總固形物含量高的物料，原 料低聚糖水解充分、水解液?jiǎn)翁菨舛雀?、粘度小，作為微生物培養(yǎng)原料有利于攪拌和氣體傳 質(zhì)； 3.本發(fā)明處理菊芋原料的過程在酸性、加熱條件下實(shí)現(xiàn)，同時(shí)達(dá)到了物料滅菌的 效果，具有能耗低、處理時(shí)間短、提高設(shè)備產(chǎn)能的優(yōu)勢(shì)； 4.本發(fā)明處理菊芋原料的過程在酸性、加熱條件下實(shí)現(xiàn)，還達(dá)到了破壞原料中其 它有害物質(zhì)及促進(jìn)大分子有機(jī)物(如蛋白質(zhì)、核酸等)降解為可被微生物直接吸收的成份， 具有提高原料利用率和發(fā)酵目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)率，降低發(fā)酵廢水中殘余有機(jī)質(zhì)的突出特點(diǎn)。
總之，本發(fā)明操作時(shí)間短、簡(jiǎn)便易行、能耗小、成本低，并且可使原料處理和培養(yǎng)基 滅菌同時(shí)進(jìn)行，可適用于總固形物含量高的物料，水解液?jiǎn)翁菨舛群陀行С煞莺扛?，粘?小，作為微生物培養(yǎng)原料有利于攪拌和氣體傳質(zhì)，用于微生物發(fā)酵菌體生長快，目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn) 量高，發(fā)酵廢水中殘余有機(jī)質(zhì)含量低，是一種可提高菊芋原料微生物利用和生物煉制整體 效率的新技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例有助于了解本專利，但不以任何形式限制本發(fā)明的應(yīng)用。
對(duì)比實(shí)施例1 新鮮菊芋塊莖(總糖質(zhì)量含量17% ) 100克，水100毫升，混合，粉碎勻漿，獲得固 液混合物(PH 6. 3)，攪拌條件下常壓蒸煮60分鐘。水解液用蒽酮法測(cè)得總糖濃度為93克 /升，用DNS法測(cè)得單糖濃度為7. 7克/升，水解率8% 。
對(duì)比實(shí)施例2
菊芋粉(總糖質(zhì)量含量68% ) 13克，水100毫升，充分混合，用10摩爾/升硫酸調(diào) 節(jié)pH至1. 0，攪拌條件下常壓蒸煮30分鐘。分析表明，總糖濃度為85克/升，單糖濃度為 60克/升，水解率70%。
實(shí)施例1 新鮮菊芋塊莖(總糖質(zhì)量含量17%)100克，水100毫升，混合，粉碎勻漿。將前述 所得菊芋漿用6mol/L硫酸調(diào)節(jié)pH至1. 0，在105t:處理15分鐘，冷卻后，取水解液樣品，分 析表明總糖濃度為93克/升，單糖濃度為91克/升，水解率97%。
實(shí)施例2 新鮮菊芋塊莖(總糖質(zhì)量含量17%)100克，水100毫升，混合，粉碎勻漿。將前述 所得菊芋漿用6mol/L鹽酸調(diào)節(jié)pH至1. O，在135t:處理2分鐘，冷卻后，取水解液樣品，分 析表明總糖濃度為93克/升，單糖濃度為86克/升，水解率92% 。
實(shí)施例3 菊芋粉(總糖質(zhì)量含量68 % ) 13克，水100毫升，用10摩爾/升硫酸調(diào)節(jié)pH至 3. O，在14(TC處理20分鐘，冷卻后，取水解液樣品，分析表明總糖濃度為85克/升，單糖濃 度為76克/升，水解率89%。
實(shí)施例4 菊芋粉(總糖質(zhì)量含量68% )30克，水300毫升，充分混合，用5摩爾/升硫酸調(diào) 節(jié)pH至1.5，在12rC處理10分鐘，冷卻后，取水解液樣品，分析表明總糖濃度為65克/升， 單糖濃度為60克/升，水解率92%。
實(shí)施例5 菊芋粉(總糖質(zhì)量含量68% )30克，水120毫升，充分混合，用5摩爾/升硫酸調(diào) 節(jié)pH至2.0，在14(TC處理8分鐘，冷卻后，取水解液樣品，分析表明總糖濃度為165克/升， 單糖濃度為159克/升，水解率96%。本實(shí)施例得到了糖濃度很高的菊芋水解液，可用于微 生物發(fā)酵培養(yǎng)的補(bǔ)料原料或適當(dāng)稀釋后使用。
實(shí)施例6 新鮮菊芋塊莖(總糖質(zhì)量含量17% ) 100克，水25毫升，混合，粉碎勻漿。將前述 所得菊芋漿用6mol/L鹽酸調(diào)節(jié)pH至1. 0，在13(TC處理5分鐘，冷卻后，取水解液樣品，分析 表明總糖濃度為148克/升，單糖濃度為137克/升，水解率92%。本實(shí)施例結(jié)果表明，即 使利用含水量很高的新鮮菊芋塊莖，按本發(fā)明專利處理，也可以得到糖濃度很高的水解液， 直接用作微生物發(fā)酵培養(yǎng)原料或用于補(bǔ)料原料。
實(shí)施例7 菊芋粉(總糖質(zhì)量含量68 % ) 30克，水60毫升，充分混合，用5摩爾/升硫酸調(diào) 節(jié)pH至2. O，在13(TC處理15分鐘，冷卻后，取水解液樣品，分析表明總糖濃度為335克/ 升，單糖濃度為310克/升，水解率92%。實(shí)施例5 7雖然總固形物含量達(dá)到約20% 50%，但水解充分、水解液糖濃度很高，可用于微生物發(fā)酵培養(yǎng)的補(bǔ)料原料或適當(dāng)稀釋后使 用。在傳統(tǒng)常壓酸水解條件下，由于操作溫度低、不能有效水解。因此，本發(fā)明表現(xiàn)出明顯 的優(yōu)勢(shì)。 對(duì)比實(shí)施例3 取對(duì)比實(shí)施例1所得水解液，經(jīng)200目無菌紗布過濾。取濾液25毫升，用濃氨水調(diào)節(jié)pH至7. 0，接種1. 5 X 106個(gè)/毫升大腸桿菌BL21 (菌株來源于北京鼎國生物技術(shù)公司)， 在37°C ， 200轉(zhuǎn)/分鐘條件下培養(yǎng)，分別于12和24小時(shí)測(cè)得培養(yǎng)樣品在600納米的光密度 值(0D6。。)為2.9和4.9。
實(shí)施例8 取實(shí)施例1所得水解液，經(jīng)200目無菌紗布過濾。取濾液25毫升，用濃氨水調(diào)節(jié) pH至7. 0，接種1. 5X 106個(gè)/毫升大腸桿菌HB101 (菌株來源于北京鼎國生物技術(shù)公司)， 在37°C ， 200轉(zhuǎn)/分鐘條件下培養(yǎng)，分別于12和24小時(shí)條件下測(cè)得0D6。。為3. 8和7. 6。與 對(duì)比實(shí)施例3相比，按本發(fā)明方法處理的水解液明顯促進(jìn)了大腸桿菌的生長。因此，在其它 以獲取微生物菌體為目標(biāo)的發(fā)酵過程中采取本發(fā)明的方法處理菊芋，也可能達(dá)到提高菌體 得率，降低成本的目的。
對(duì)比實(shí)施例4 取對(duì)比實(shí)施例2所得水解液25毫升，用5摩爾/升碳酸鈉溶液調(diào)節(jié)pH至8. 0，接 種3.0Xl(f個(gè)/毫升圓紅冬孢酵母AS 2. 1609(菌株來源于中國普通微生物菌種保藏管理 中心)，在3(TC，200轉(zhuǎn)/分鐘下培養(yǎng)96小時(shí)，參照文獻(xiàn)(李植峰，張玲，沈曉京，等.微生 物學(xué)通報(bào)，2001，28(6) :72-75)的方法分析，測(cè)得發(fā)酵液菌體為26克/升，菌體油脂含量為 20%。 實(shí)施例9 取實(shí)施例3所得水解液25毫升，用5摩爾/升碳酸鈉溶液調(diào)節(jié)pH至8. 0，接種 3.0Xl(f個(gè)/毫升圓紅冬孢酵母AS 2. 1609(菌株來源于中國普通微生物菌種保藏管理中 心)，在30°C ， 200轉(zhuǎn)/分鐘下培養(yǎng)96小時(shí)，參照文獻(xiàn)(李植峰，張玲，沈曉京，等.微生物學(xué) 通報(bào)，2001，2S(6) :72-75)的方法分析，測(cè)得菌體得率為35克/升，菌體油脂含量為31 % 。 與對(duì)比實(shí)施例4相比，按本發(fā)明方法處理的水解液顯著提高了油脂發(fā)酵菌體得率，菌體油 脂含量高。這是因?yàn)榫沼蠓墼谳^高溫度、較短時(shí)間下處理得到了更高濃度的糖和營養(yǎng)成份， 促進(jìn)了微生物生長和代謝產(chǎn)物積累。
對(duì)比實(shí)施例4 取對(duì)比實(shí)施例2所得水解液25毫升，用5摩爾/升氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH至6. 3，接種 2.6Xl(f個(gè)/毫升黃曲霉CICC 2242(菌株來源于中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心)的 包子，在30°C，200轉(zhuǎn)/分鐘下培養(yǎng)120小時(shí)，參照文獻(xiàn)(Bentley R. Methods Enzymology， 1957， 3 :238-241)的方法，分析表明發(fā)酵液中曲酸含量為3. 0克/升。
實(shí)施例10 取實(shí)施例3所得水解液25毫升，用5摩爾/升氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH至6. 3，接種 2.6Xl(f個(gè)/毫升黃曲霉CICC 2242(菌株來源于中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心)的 包子，在30°C，200轉(zhuǎn)/分鐘下培養(yǎng)120小時(shí)，參照文獻(xiàn)(Bentley R. Methods Enzymology, 1957,3:238-241)的方法，分析表明發(fā)酵液中曲酸含量為10. 5克/升。實(shí)施結(jié)果表明，按 本發(fā)明方法處理的菊芋水解液用于曲酸發(fā)酵，明顯提高了發(fā)酵液中曲酸含量。因此，在其它 有機(jī)酸或氨基酸發(fā)酵工業(yè)中采用本專利的處理方法，應(yīng)該也可以達(dá)到提高發(fā)酵液中產(chǎn)物濃 度的目的。 對(duì)比實(shí)施例5 取對(duì)比實(shí)施例1所得水解液25毫升，用5摩爾/升鹽酸調(diào)節(jié)pH至5. 0，接種2. 5X 106個(gè)/毫升彎曲隱球酵母ATCC 20509(菌株來源于美國典型菌種保藏中心)，在 28°C ， 200轉(zhuǎn)/分鐘下培養(yǎng)120小時(shí)，參照文獻(xiàn)(李植峰，張玲，沈曉京，等.微生物學(xué)通報(bào)， 2001,28(6) :72-75)的方法分析，測(cè)得菌體得率為10. 5克/升，菌體油脂含量為18%。
實(shí)施例11 取實(shí)施例1所得水解液25毫升，用5摩爾/升氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH至5. 0，接種 2. 5X 106個(gè)/毫升彎曲隱球酵母ATCC 20509(菌株來源于美國典型菌種保藏中心)，在 28t:，200轉(zhuǎn)/分鐘下培養(yǎng)96小時(shí)，參照文獻(xiàn)(李植峰，張玲，沈曉京，等.微生物學(xué)通報(bào)， 2001,28(6) :72-75)的方法分析，測(cè)得菌體得率為35克/升，菌體油脂含量為51 % 。同對(duì) 比實(shí)施例5比，菌體得率和油脂含量增加非常顯著，并且發(fā)酵時(shí)間縮短了 24小時(shí)。這是因?yàn)?按本專利得到的菊芋水解液營養(yǎng)成份更加豐富，微生物生長和代謝產(chǎn)物合成速度更快。所 以，本發(fā)明可以使菊芋原料得到更充分地被微生物利用，降低發(fā)酵過程成本，減少發(fā)酵廢水 中有機(jī)質(zhì)含量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
實(shí)施例12 取實(shí)施例5所得水解液10毫升，加入15毫升無菌液體培養(yǎng)基(酵母粉5g/L，蛋白 胨5g/L， pH 5. 8 6. 0)，用5摩爾/升氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH至5. 0，接種2. 0 X 106個(gè)/毫升釀 酒酵母INV scl(菌株來源于美國Invitrogen公司)，在3(TC，200轉(zhuǎn)/分鐘下培養(yǎng)72小 時(shí)。離心，得到濕菌體45克。說明按本實(shí)施例方法處理的菊芋水解液在添加其它成份后也 可以用于生產(chǎn)微生物菌體或發(fā)酵產(chǎn)品。
權(quán)利要求
一種菊芋預(yù)處理獲取微生物發(fā)酵原料的方法，其特征在于以干菊芋粉為原料，與用量為原料質(zhì)量2～10倍的水混合；或以鮮菊芋塊莖為原料，與用量為原料質(zhì)量0.25～3倍的水混合，對(duì)上述混合物勻漿，用酸調(diào)勻漿液pH 1～4，在101～140℃下處理2分鐘～20分鐘，得到水解液，經(jīng)中和，得到用于微生物培養(yǎng)的原料。
2. 按照權(quán)利要求l所述的方法，其特征還在于調(diào)節(jié)pH 1 4所用的酸為硫酸、鹽酸、磷酸、甲酸或醋酸。
3. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征還在于所述中和操作是指用堿調(diào)節(jié)菊芋原料在酸性條件下處理得到水解液pH至5 8，得到用做微生物培養(yǎng)原料。
4. 按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征還在于所述堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水、碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、碳酸鈉、碳酸鉀或氨氣。
5. 按照權(quán)利要求l中所述的方法，其特征還在于中和后的菊芋水解液使用方式為1)直接接種微生物，發(fā)酵；或2)進(jìn)行其它的固液分離操作，得到無固體殘?jiān)囊后w物料，接種微生物，發(fā)酵；或3)添加其它必要成份，接種微生物，發(fā)酵。
全文摘要
本發(fā)明涉及菊芋原料的預(yù)處理方法，具體地說是一種處理菊芋塊莖，獲取微生物發(fā)酵培養(yǎng)原料的方法。干菊芋粉或鮮菊芋塊莖與水以一定質(zhì)量比混合，勻漿，加入酸調(diào)節(jié)pH至1～4，于101℃～140℃處理2分鐘～20分鐘，得到水解液。水解液用堿中和，調(diào)節(jié)pH至5～8，得到用于微生物發(fā)酵培養(yǎng)的原料。本發(fā)明原料處理時(shí)間短、簡(jiǎn)便易行、能耗小、成本低，并且可使原料處理和培養(yǎng)基滅菌同時(shí)進(jìn)行，水解液?jiǎn)翁菨舛雀撸糜谖⑸锇l(fā)酵菌體生長快，目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量高，發(fā)酵廢水中有機(jī)物含量低，為高效利用菊芋原料進(jìn)行微生物培養(yǎng)和生物煉制提供了經(jīng)濟(jì)可行的新技術(shù)。
文檔編號(hào)C12R1/645GK101724654SQ200810228128
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2008年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月17日
發(fā)明者張素芳, 沈宏偉, 趙宗保, 趙金 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所