一种大麦麦芽渣高效发酵产乳酸的方法

本发明涉及生物质废弃物资源化，尤其涉及一种大麦麦芽渣发酵高效产乳酸的方法。

背景技术：

1、大麦麦芽渣(bsg)为工业生产过程中使用大麦产生的废弃生物质原料，包括工业酿酒、饮料加工、食品生产等过程的残渣及其加工剩余物。目前每生产100l啤酒，大约会产生20kg的bsg作为副产品。据估计，全球每年产生超过3000万吨的废弃bsg，预计随着微型啤酒厂市场的蓬勃发展，这一数字将进一步增加。当前大部分bsg被直接丢弃到垃圾填埋场或用作动物饲料。bsg富含不溶性纤维，即外壳、种皮和果皮，以及胚乳细胞的贮藏蛋白，它们分别占其成分的70％和20％左右。纤维主要由纤维素、半纤维素(即阿拉伯木聚糖)和木质素组成。由于其高碳水化合物含量(高达50％干重)，废弃bsg生物质原料对能源和生物燃料、沼气、抗生素、酶制剂和一些重要的有机酸等生物发酵生产工艺具有吸引力，是一种极具潜力的木质纤维素生物质原料，可用于各种高附加值平台化学品的生物转化生产。

2、现有研究中有利用bsg制备乳酸，仍存在技术瓶颈：一是需要添加外源营养物质如氮源、金属离子和微量元素等，和额外添加β-葡萄糖苷酶来维持较高的底物水解效率，导致成本提高；二是目前的bsg发酵主要采用同步水解糖化模式，体系初始可发酵糖浓度过低，导致乳酸菌生长代谢缓慢，不利于乳酸生物转化；三是bsg的水解产物不仅由六碳糖(如葡萄糖和纤维二糖等)组成，还释放出浓度相当的五碳糖(如木糖和阿拉伯糖等)，葡萄糖等六碳糖作为首选碳源被乳酸菌优先利用并抑制其他糖类如五碳糖的分解代谢，导致乳酸生产延迟及发酵时间长，生产速率及产量低。因此需要研究更高效、经济的bsg乳酸发酵方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种大麦麦芽渣高效发酵产乳酸的方法，具体包括如下步骤：

2、(1)向碱预处理后的大麦麦芽渣中，加水调节发酵生产体系含固率10％-15％，按添加量为5-10fpu/g大麦麦芽渣添加纤维素酶，在50℃-60℃、ph为4.5-5.2条件下水解20-48小时，得到预水解底物；

3、(2)向步骤(1)制得的水解液中按接种量10-15％(v/v)接种活菌数为1×108-1×1010cfu/ml的乳酸菌种子液，在40-55℃、ph6.0-7.2条件下发酵72-96小时，得到发酵液。

4、本发明优选的技术方案中，所述大麦麦芽渣为工业生产过程中使用大麦产生的废弃生物质原料，包括工业酿酒、饮料加工、食品生产过程的残渣及其加工剩余物。

5、本发明优选的技术方案中，所述碱预处理后的大麦麦芽渣中，纤维素含量为大麦麦芽渣干基的15％-30％，半纤维素含量为大麦麦芽渣干基的20％-40％。

6、本发明优选的技术方案中，所述步骤(1)中，碱预处理后的大麦麦芽渣的制备方法为，向大麦麦芽渣中按固液重量比为1:5-1:10，加入浓度为0.5-3.0wt％的碱液，在100℃-120℃下蒸煮10-20min，固液分离，固渣并水洗至中性，即得。

7、本发明优选的技术方案中，所述碱液为naoh、koh中的任一种或其组合。

8、本发明优选的技术方案中，所述步骤(2)中，乳酸菌种子液的制备方法为，将enterococcus mundtii cgmcc 22227甘油冻存菌转移到mrs培养基中，孵育24-48小时获得活化种子液，然后将活化种子液按接种量10-15％移入mmrs培养基中，40℃-45℃厌氧培养8-12小时，制得活菌数为1×108-1×1010cfu/ml的乳酸菌种子液。

9、本发明优选的技术方案中，所述mmrs培养基的组成为：每升去离子水包含10g蛋白胨、8g啤酒提取物、5g ch3coona·3h2o、4g酵母提取物、2g k2hpo4、2g柠檬酸铵、0.2gmgso4·7h2o、0.05g mnso4·4h2o、1ml吐温80、10g纤维二糖和10g木糖，调节初始ph值为7.0，在115℃下灭菌15min。

10、本发明优选的技术方案中，所述步骤(2)中，发酵温度为40℃-45℃。

11、本发明优选的技术方案中，所述发酵液中乳酸浓度不低于45g/l，优选不低于50g/l。

12、本发明优选的技术方案中，底物可发酵糖的乳酸转化率不低于0.60g/g，优选不低于0.7g/g。

13、本发明优选的技术方案中，乳酸生产速率不低于3.0g/h/l，优选不低于3.5g/h/l。

14、本发明优选的技术方案中，所述发酵液中乙酸浓度小于2.0g/l，优选小于1.3g/l。

15、本发明优选的技术方案中，投加单位酶制剂的乳酸产量大于9(g-lac/fpu)，优选大于10(g-lac/fpu)。

16、除非另有说明，本发明涉及液体与液体之间的百分比时，所述的百分比为体积/体积百分比；本发明涉及液体与固体之间的百分比时，所述百分比为体积/重量百分比；本发明涉及固体与液体之间的百分比时，所述百分比为重量/体积百分比；其余为重量/重量百分比。

17、除非另有说明，本发明采用以下方式检测发酵产物含量：

18、(1)乳酸、乙酸的浓度测定采用高效液相色谱法，利用shodex sugar sh1011液相色谱柱(8.0mm×300mm)分离样品，然后进入rid检测器检测。色谱条件为：柱温60℃；流动相5mm h2so4；流速1.0ml/min；进样体积10μl。

19、(2)底物可发酵糖乳酸转化率＝最大乳酸浓度/总糖浓度

20、总糖浓度的测定采用的是苯酚硫酸法。先用标准的葡萄糖做标准曲线，具体的方法如下：准确称取标准葡萄糖10mg于250ml容量瓶中，加水至刻度，分别吸取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8及1.0ml，然后用蒸馏水补至1.0ml，然后加入5％苯酚溶液1.0ml及浓硫酸5.0ml，摇匀冷却，室温放置20min于490nm测光密度，以1.0ml水按同样显色操作为空白，横坐标为总糖的微克数，纵坐标为光密度值，得标准曲线。样品的处理与上面操作一致，按照标准曲线最终得出样品中总糖的含量。

21、(3)乳酸生产速率＝发酵过程中乳酸浓度变化量/发酵时间

22、(4)投加单位酶制剂的乳酸产量＝最大乳酸浓度/投加纤维素量

23、(5)纤维素、半纤维素含量测定采用美国国家可再生能源实验室(nrel)方法定量分析。

24、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

25、1.本发明采用碱预处理后的大麦麦芽渣为原料，仅添加较低含量纤维素酶进行预水解，使原料中50％以上纤维素在此过程中转化为葡萄糖和纤维二糖，随后直接接种乳酸菌进行同步发酵，解决了酶解过程的反馈抑制作用，提高了底物乳酸转化率，实现了木糖与阿拉伯糖(五碳糖)、葡萄糖(六碳糖)、纤维二糖的混合底物同步乳酸生物转化，提高了乳酸生产速率。

26、2.本发明无需添加β-葡萄糖苷酶和其他营养物质，商业纤维素酶投加量较低，乳酸生产速率及转化率高，其生产成本比常规预处理-酶解糖化-发酵的乳酸生产方式降低20％-40％，为乳酸的廉价工业生产提供了一条新途径。

27、3.本发明工艺简单，成本低廉，环保效益，可工业化生产。