高比例酶解玉米生产淀粉的综合工艺及其设备的制作方法

高比例酶解玉米生产淀粉的综合工艺及其设备的制作方法
【专利摘要】本发明属于酶发酵【技术领域】，其提供了酶解玉米深加工的方法，其包括在亚硫酸水溶液中加入高比例的耐酸性纤维素酶，其能提高玉米深加工的生产效率。另外，本发明还提供了基于上述方法的酶解制备玉米淀粉的方法以及耐酸性纤维素酶和脱硫处理系统等。
【专利说明】高比例酶解玉米生产淀粉的综合工艺及其设备
【技术领域】
[0001]本发明属于酶发酵【技术领域】，具体而言，本发明涉及酶解玉米生产淀粉的综合工艺流程以及其中所用的设备。
【背景技术】
[0002]玉米是世界上主要粮食作物之一，我国玉米产量为I亿吨左右。玉米最有价值的部分是其子粒。子粒的表面覆盖着皮层，在皮层的下面是胚芽和胚乳，其中胚芽含油量高，韧性强；而胚乳的外层包裹着糊粉层(渣皮)，而里面充满淀粉颗粒。玉米子粒营养成分丰富，除了淀粉之外，还包括蛋白质、油脂、纤维素、可溶性糖、矿物质等。
[0003]为了有效利用玉米中的各营养成分，目前国内玉米淀粉加工中大多采用的是如图1所示的综合加工流程，通过各个工序分别得到玉米浆、玉米胚芽及胚芽油、玉米纤维、玉米蛋白和玉米淀粉。这些工序及其设备除了表述方式略有不同之外，在中国专利02144742和中国专利申请200510135112中都有详细内容的介绍，而且这两个专利文献还详细阐述了工艺中废水的循环利用，但 是没有对浸泡工艺和干燥后废气排放及综合利用方面有所启
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[0004]在上述过程中，首先的步骤是浸泡，即将玉米子粒在50°C左右的约0.3% (w/w)亚硫酸水溶液中常压浸泡72小时左右。这一步骤对充分分离玉米浆和其他产物来说至关重要，但是由于使用了亚硫酸，造成在后续步骤中的液体和气体中不可避免的会产生二氧化硫污染物。为此，中国专利申请200810051296公开了一种新的玉米淀粉生产中的浸泡方法，其中在加压环境中浸泡玉米，浸泡液中使用了高浓度的蛋白酶和纤维素酶。该方法的特点是不使用而且也不能使用亚硫酸浸泡，因为其中所使用的市场销售的蛋白酶和纤维素酶在PH中性乃至碱性的环境中才有高活性，在加了亚硫酸的pH酸性环境中活性很低乃至丧失，因而其具有减少二氧化硫污染和浸泡时间短的优点。
[0005]但是，该方法也有如下缺点:浸泡需要使用加压容器，这对于该专利申请中以IOL规模进行的试验室测试来说是可行的，但是现在工厂生产中动辄以吨计的常压浸泡罐，几乎无法改造成加压容器，需要全部更换，成本不菲而且造成了原有浸泡罐的浪费；加压需要的运行和维护成本较高，而且加压后比常压运行多了一个事故隐患，即随着设备的老化，加压会引起压力容器的爆炸，这对于安全生产被日益重视的今天，也是不容易推广的；其中使用的蛋白酶的用量较大，成本较高，而且这是长期的运行成本；其中使用了蛋白酶，造成蛋白质降解为水溶性多肽和氨基酸而流失，从而使得后续的玉米蛋白质产量大幅降低，极大减少了一个较高利润的产品的产量。另外，虽然该方法浸泡时间短，但是由于目前国内玉米淀粉加工业普遍在较偏远地区，场地充足，加之常压浸泡罐便宜而且易于维护，目前已经普遍采用大量浸泡罐并行运行来克服浸泡时间长的缺点。
[0006]本发明人经过长期的研究并结合目前国内玉米淀粉加工业的实践，发现采用亚硫酸浸泡的现有玉米深加工技术都只着重于治理液体中的二氧化硫，而无论胚芽的处理、蛋白的制备，还是最终获得淀粉成品，都需要干燥机来干燥，干燥蒸发出的气体含有较多二氧化硫被排除污染环境，因而发明了一套新的技术方案，在无需更换目前使用的浸泡罐等设备的情况下，首先，在浸泡过程中使用了本发明人发现的高比例的耐酸性纤维素酶，可以有效降低浸泡过程中亚硫酸的使用量，更进一步降低所需浸泡的时间，提高了生产效率；其次，在保持浸泡效果的情况下，减少干燥蒸发出的气体中二氧化硫的含量；再次，收集干燥蒸发出的气体，通过本发明人组合设计的尾气处理设备，不但使得气体的热能得到有效利用，而且进一步脱除气体中的二氧化硫，使得气体排放中的二氧化硫浓度低于5mg/立方米。

【发明内容】

[0007]本发明的目的在于提供新的酶解玉米深加工的方法，其在使用常压浸泡设备的情况下，通过加入新的耐酸性纤维素酶，减少了亚硫酸的用量，从源头上控制了二氧化硫气体的产生，而且添加了新的干燥尾气处理设备，不但充分利用了尾气的热能，而且基本上消除尾气中的二氧化硫，使得对环境友好。另外，本发明还提供了新的耐酸性纤维素酶和新的干燥尾气处理设备。
[0008]具体而言，在第一 个方面，本发明提供了酶解玉米深加工的方法，其包括在亚硫酸水溶液中浸泡清除杂质后的玉米子粒并将浸泡液经蒸发器蒸发成玉米浆，粗磨破碎浸泡得到的固体物并将粗磨破碎出的胚芽依次进行洗涤、脱水、干燥和榨油处理，精磨筛洗粗磨破碎出的胚乳并弃去精磨筛洗出的渣皮，经分离机分离精磨筛洗得到的粗淀粉乳并将分离出的麸质水依次进行浓缩和干燥从而获得蛋白粉，以及将分离出的淀粉依次进行洗涤、脱水和干燥从而获得淀粉成品，其特征在于，
所述亚硫酸水溶液中加入高加入量的如下(a)或(b)的耐酸性纤维素酶，
Ca)由SEQ ID NO:2所示的氨基酸序列组成的纤维素酶；
(b)上述(a)中的氨基酸序列经过取代、缺失和/或添加一个或几个氨基酸而得到的耐酸性的纤维素酶；
和，所述干燥步骤之任一、任何组合或全部所蒸发出的尾气经过脱硫处理。优选其中，所述将分离出的淀粉依次进行洗涤、脱水和干燥从而获得淀粉成品的过程中干燥步骤所蒸发出的尾气不经过脱硫处理。因为耐酸性纤维素酶的加入，尽管中间步骤产生的仍旧会含有较多的二氧化硫，但是将分离出的淀粉依次进行洗涤、脱水和干燥从而获得淀粉成品的过程中产生的尾气中二氧化硫已经非常少了。
[0009]在本文中，废水的处理可以根据【背景技术】部分公开的专利文献来进行。然而，能用于工业生产的现有技术仅仅启示了对玉米深加工中产生的废水中二氧化硫污染物的处理，没有研究和实践对废气中的二氧化硫污染物处理问题。而本发明人经长期研究和实践发现，在浸泡罐中浸泡，只要浸泡罐是密封的，就不会往外排出气体，即使不密封，也可以将浸泡罐排出的尾气通过管道直接通入本发明的脱硫处理系统的脱硫塔中脱硫；其他除了干燥步骤产生的尾气之外，其他部件如果不是密封的，由于温度低，尾气蒸发慢而数量少，尾气也可通过管道直接通入本发明的脱硫处理系统的脱硫塔中脱硫，只是由于直接蒸发含亚硫酸的浸泡液，蒸发器蒸发的水蒸气中二氧化硫的浓度很高，直接脱硫不损失亚硫酸太多，因此通常经冷凝后通过管道回流入浸泡罐；但是，干燥步骤中产生的尾气量大，而且干燥蒸发出的尾气中二氧化硫未达到可有效循环利用的含量。[0010]因此，本发明人首先通过在浸泡过程中加入新的耐酸性纤维素酶，来有效降低亚硫酸的使用量，并且减少了浸泡的时间；而且，在不降低产品质量和产量的情况下，降低了尾气中二氧化硫的含量；另外，通过脱硫处理来进一步脱除尾气中的二氧化硫，达到环境友好的效果。由于尾气中二氧化硫的含量从源头已经减少，因此脱硫处理中的运行成本降低了，例如诸如NaOH溶液等碱液的消耗就减少了。
[0011]在本文中，干燥步骤之任一、任何组合或全部所蒸发出的尾气指的是，粗磨破碎出的胚芽依次进行洗涤、脱水、干燥和榨油处理的过程中，分离出的麸质水依次进行浓缩和干燥的过程中，以及分离出的淀粉依次进行洗涤、脱水和干燥的过程中，任何一个、两个或全部过程中的干燥步骤所蒸发出的尾气。分离出的淀粉依次进行洗涤、脱水和干燥的过程中，干燥蒸发出的尾气中二氧化硫含量已经低于一些非常严格的排放标准，因此可以不经过脱硫处理。因此，在本发明中，干燥步骤之任一、任何组合或全部所蒸发出的尾气优选指的是，除了分离出的淀粉依次进行洗涤、脱水和干燥的过程中干燥步骤所蒸发出的尾气之外的其余两个过程的干燥步骤所蒸发出的尾气的汇聚。
[0012]本发明的耐酸性纤维素酶活性高，而且耐酸性环境而显效。高比例地加入耐酸性纤维素酶尽管会较大程度上降低玉米纤维的产量以及品质，但是可以大大加速玉米深加工中最耗时的浸泡时间，提高生产效率。优选在本发明的第一个方面的方法中，所述耐酸性纤维素酶的加入量为2(T50IU/g玉米子粒，优选为25~40IU/g玉米子粒，更优选为28~35IU/g玉米子粒。
[0013]本发明的耐酸性纤维素酶的加入可以有效减少亚硫酸的含量。优选在本发明的第一个方面的方法中，所述亚硫酸水溶液中亚硫酸的浓度为0.1-0.28% (w/w)，优选为
0.12~0.2% (w/w)，更优选为 0.15~0.18% (w/w)。
[0014]延续使用目前已经在国内企业推广使用的设备，则能大幅降低改造成本，也便于本发明的推广。优选在本发明的第一个方面的方法中，所述浸泡的压强为常压。这样，可以延续使用包括现有浸泡罐在内的常压设备。
[0015]本发明的耐酸性纤维素酶的加入可以有效降低浸泡所需的温度和时间，提供了浸泡效率，并节约了能源。优选在本发明的第一个方面的方法中，所述浸泡的温度为38飞(TC，优选为45~55°C，更优选为48飞3°C。也优选在本发明的第一个方面的方法中，所述浸泡的时间为24~48小时，优选为30-40小时，更优选为32~38小时。
[0016]尾气可以直接通入脱硫塔脱硫，但是由于尾气中含有尘埃，而且尾气温度较高，容易造成下游设备老化，直接进入脱硫塔将浪费能源，而且容易堵塞脱硫塔。因此，在本发明的第一个方面的方法中，所述脱硫处理包括将所述尾气依次通过洗涤塔、风机、所述蒸发器的蒸气管和脱硫塔。洗涤塔通过喷淋水，吸收尘埃。尾气经过风机调节速度够通入蒸发器的蒸气管中，而浸泡液流过蒸气管表面，从而加热将浸泡液蒸发成玉米浆。因此也优选，所述蒸发器将从其排出的尾气温度降低至30-60°C，优选为40-55°C，更优选为45。这样可以更有效率地节约能源。
[0017]在第二个方面，本发明提供了如下(a)或(b)的耐酸性纤维素酶，
Ca)由SEQ ID NO:2所示的氨基酸序列组成的纤维素酶；
(b)上述(a)中的氨基酸序列经过取代、缺失和/或添加一个或几个氨基酸而得到的耐酸性的纤维素酶。该酶可以在本发明第一个方面的方法中应用。[0018]优选本发明第二个方面提供的是由SEQ ID NO:2所示的氨基酸序列组成的纤维素酶。
[0019]在第三个方面，本发明提供了编码本发明第二个方面所述的耐酸性纤维素酶的基因。根据DNA重组技术，根据已知的氨基酸序列可以容易地设计出基因。在本发明的【具体实施方式】中，优选所述基因的多核苷酸序列如SEQ ID N0:1所示。
[0020]在第四个方面，本发明提供了包含本发明第三个方面所述的基因的载体，优选是表达载体。当前已经有许多载体商品化了，通过转化、转染或者其他基因重组手段可以将本发明第三个方面所述的基因导入载体中。在本发明的【具体实施方式】中，优选的载体是pPICZ a A质粒，其是酵母表达载体。
[0021]在第五个方面，本发明提供了转化或转染了本发明第四个方面所述的载体的宿主细胞。该宿主细胞可用于表达本发明第二个方面所述的耐酸性纤维素酶。本发明第五个方面的宿主细胞优选是酵母，更优选是毕赤酵母，最优先是毕赤酵母GS115。
[0022]在第六个方面，本发明提供了制备本发明第二个方面所述的耐酸性纤维素酶的方法，其包括在适宜表达的条件下，培养本发明第五个方面所述的细胞，并纯化表达出的本发明第二个方面所述的耐酸性纤维素酶。
[0023]在第七个方面，本发明提供了用于玉米深加工中的脱硫处理系统，其包括洗涤塔、风机、蒸发器和脱硫塔，其特征在于，所述洗涤塔包括，能通入玉米深加工中干燥步骤之任一、任何组合或全部所蒸发出的尾气的通入孔、能通入冷凝水的喷淋孔、筛板、排水孔和与所述风机的进气口通过管道相连的排气孔；所述风机的出气口与所述蒸发器的蒸气管的进气口通过管道相连；和，脱硫塔包括与所述蒸发器的蒸气管的出气口通过管道相连的进气孔，能通入碱液的通水孔，排水孔和排气孔。
[0024]优选在本发明第七个发面的脱硫处理系统中，通入孔位于洗涤塔下半部分，排气孔位于洗涤塔上半部分，这样有利于尾气通过筛板接触喷淋下来的水；喷淋孔优选位于洗涤塔的顶部，这样有利于水自上而下更有效地与尾气接触；筛板上有孔，优选均匀分布有孔，另外洗涤塔中有一个或多个(如，两个、三个、四个、五个)平行排列的筛板，优选筛板排列在通入孔和排气孔之间的位置上，这样有利于水均匀下落从而更有效地与尾气接触；和/或，排水孔位于洗涤塔下半部分比通入孔低的位置，优选位于洗涤塔的底部，这样当洗涤塔中的水面要淹过通入孔时，可以将其中的水排出，如排到现有技术所述的废水处理系统中去。
[0025]优选在本发明第七个发面的脱硫处理系统中，蒸发器的蒸气管呈迂回形状，这样更利于扩大接触面而增加蒸发效率。
[0026]优选在本发明第七个发面的脱硫处理系统中，进气孔位于脱硫塔中碱液(如，NaOH溶液)液面的下面，优选位于脱硫塔下半部分，从而使尾气通过碱液脱硫；排气孔位于脱硫塔中碱液(如，NaOH溶液)液面的上面，优选位于脱硫塔上半部分，防止碱液从排气孔流出；和/或，排水孔位于脱硫塔下半部分，优选位于脱硫塔的底部，这样在碱液液面过高或者碱液PH值被中和成7左右的时候，排出液体，通过通水孔补充碱液。
[0027]本发明第七个方面的脱硫处理系统可以用在玉米深加工中。因此，在第八个方面，本发明提供了本发明第七个方面的脱硫处理系统在玉米深加工方法中的应用，优选在本发明第一个方面的方法中的应用。[0028]本发明的有益效果在于:降低气体中二氧化硫的排放，对环境有益；减少亚硫酸的用量，降低成本；显著提高浸泡的效率，节约时间和能源；能够工业规模使用，除了产值较低的纤维素之外，不降低其他产品的产量和质量；可以延用当前国内企业使用的设备，降低设备更新成本，更便于推广。
[0029]为了便于理解，以下将通过具体的附图和实施例对本发明进行详细地描述。需要特别指出的是，具体实例和附图仅是为了说明，并不构成对本发明范围的限制。显然本领域的普通技术人员可以根据本文说明，在本发明的范围内对本发明做出各种各样的修正和改变，这些修正和改变也纳入本发明的范围内。另外，本发明引用了公开文献，这些文献也是为了更清楚地描述本发明，它们的全文内容均纳入本发明进行参考，就好像它们的全文已经在本发明说明书中重复叙述过一样。
[0030]
【专利附图】

【附图说明】
[0031]图1显示了玉米深加工过程的流程图。
[0032]图2显示了本发明的脱硫处理过程的流程图。
[0033]图3显示了本发明的脱硫处理系统的示意图，其中，洗涤塔I包括，能通入尾气A的通入孔11、能通入冷凝水B的喷淋孔12、筛板13、排水孔14和与风机2的进气口 21通过管道相连的排气孔15 ;风机2的出气口 22与蒸发器3的蒸气管31的进气口 32通过管道相连；而且，脱硫塔4包括与蒸发器3的蒸气管31的出气口 33通过管道相连的进气孔42，能通入碱液D的通水孔42，排出经中和而对环境无害的废液F的排水孔43和高于液面E的排气孔44,其能排出对环境无害的废气G。
[0034]
【具体实施方式】
[0035]以下本文将通过具体的实施例来描述发明。如未特别指明之处，可根据本领域技术人员所熟悉的《分子克隆实验指南》(第三版)(Cold Spring Harbor laboratory Press)、《玉米淀粉工业手册》(中国轻工业出版社)等手册以及本文所引用的参考文献中所列的方法来实施。另外，实施例中所使用的材料和设备及其部件除有特别说明外，均可通过商业途径从市场上购买。
[0036]实施例1耐酸性纤维素酶的克隆和纯化
根据本发明人长期筛选得到的一株耐酸性青霉菌(Penicillium purporogenum),通过商业途径委托中国科学院微生物研究所克隆出了多核苷酸序列如SEQ ID NO:1所示的纤维素酶基因，其编码氨基酸序列如SEQ ID NO:2所示的纤维素酶，并根据常规方法按照正常读框克隆到酵母分泌表达载体pPICZ a A (可购自Invitrogen公司)上并转化入毕赤酵母GS115株(可购自Invitrogen公司)，经PCR和测序检验正确后，将表达阳性的酵母克隆返还本发明人。
[0037]根据Invitrogen的厂商说明，将酵母克隆(单菌落)接种于25mL BMGH培养基,于30°C、250rpm振摇培养至0D600达到5。然后离心，弃上清，将酵母菌体重悬于IOOmL BMMH培养基中，于30°C、250rpm振摇培养，期间每24个小时加入终浓度为1% (v/v)的甲醇，共进行3天。
[0038]然后，离心收集上清液(约IOOmL),冰浴加入硫酸铵达到80%饱和度，冰浴盐析6小时，15000rpm离心15分钟，沉淀重溶于20mL 25mM Bis-tris缓冲液(pH5.5)，在25mMBis-tris缓冲液(pH5.5)中透析过夜。将透析过的液体上样于Q Sepharose Fast Flow层析柱(购自GE Healthcare)，以含0-0.3M NaCl的Bis-tris缓冲液(ρΗ5.5)进行梯度洗脱，收集其中最大的峰，经SDS-PAGE检测分子量正确并进行蛋白定量，由此获得耐酸性纤维素酶液。
[0039]将颜色标记的AZCL-HE-纤维素(可购自 Megazyme International Ireland,Ltd.)悬浮于0.1M不同pH值(ρΗ4.0-6.5)的柠檬酸缓冲液中，配成含AZCL-HE-纤维素0.2%(w/w)的溶液。向200ul新鲜配制的AZCL-HE-纤维素的溶液中加入2oul不同稀释度的上述纯化的酶液，于50°C、500rpm震荡孵育20分钟，，然后以3000rpm离心5分钟，取上清液间彻595nm处的吸光度，以纤维素酶标准品为对照，计算酶活性。结果如表I所示，表明本发明的酶能够耐酸起效。
[0040]表I本发明的酶对不同pH的纤维素的酶活性
【权利要求】
1.酶解玉米深加工的方法，其包括在亚硫酸水溶液中浸泡清除杂质后的玉米子粒并将浸泡液经蒸发器蒸发成玉米浆，粗磨破碎浸泡得到的固体物并将粗磨破碎出的胚芽依次进行洗涤、脱水、干燥和榨油处理，精磨筛洗粗磨破碎出的胚乳并弃去精磨筛洗出的渣皮，经分离机分离精磨筛洗得到的粗淀粉乳并将分离出的麸质水依次进行浓缩和干燥从而获得蛋白粉，以及将分离出的淀粉依次进行洗涤、脱水和干燥从而获得淀粉成品，其特征在于，所述亚硫酸水溶液中加入高加入量的如下(a)或(b)的耐酸性纤维素酶，Ca)由SEQ ID NO:2所示的氨基酸序列组成的纤维素酶；(b)上述(a)中的氨基酸序列经过取代、缺失或添加一个或几个氨基酸而得到的耐酸性的纤维素酶；和，所述干燥步骤之任一、任何组合或全部所蒸发出的尾气经过脱硫处理，所述脱硫处理包括将所述尾气依次通过洗涤塔、风机、蒸发器的蒸气管和脱硫塔。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述耐酸性纤维素酶由SEQID N0:2所示的氨基酸序列组成的纤维素酶。
3.权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述耐酸性纤维素酶的加入量为2(T50IU/g玉米子粒，优选为25~40IU/g玉米子粒，更优选为28~35IU/g玉米子粒；和/或，所述亚硫酸水溶液中亚硫酸的浓度为0.1-0.28% (w/w)，优选为0.12-0.2% (w/w)，更优选为 0.15~0.18% (w/w)。
4.权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述浸泡的压强为常压；所述浸泡的温度为38飞(TC，优选为45~55°C，更优选为48飞3°C ;和/或，所述浸泡的时间为24~48小时，优选为30-40小时，更优选为32~38小时。
5.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脱硫处理使用用于玉米深加工中的脱硫处理系统，其包括洗涤塔、风机、蒸发器和脱硫塔，其特征在于，所述洗涤塔包括，能通入玉米深加工中干燥步骤之任一、任何组合或全部所蒸发出的尾气的通入孔、能通入冷凝水的喷淋孔、筛板、排水孔和与所述风机的进气口通过管道相连的排气孔；所述风机的出气口与所述蒸发器的蒸气管的进气口通过管道相连；和，脱硫塔包括与所述蒸发器的蒸气管的出气口通过管道相连的进气孔，能通入碱液的通水孔，排水孔和排气孔。
6.如下(a)或(b)的耐酸性纤维素酶在酶解玉米深加工的方法(优选权利要求1飞之任一所述的方法)中的应用，Ca)由SEQ ID NO:2所示的氨基酸序列组成的纤维素酶；(b)上述(a)中的氨基酸序列经过取代、缺失或添加一个或几个氨基酸而得到的耐酸性的纤维素酶。
7.用于玉米深加工中的脱硫处理系统，其包括洗涤塔、风机、蒸发器和脱硫塔，其特征在于，所述洗涤塔包括，能通入玉米深加工中干燥步骤之任一、任何组合或全部所蒸发出的尾气的通入孔、能通入冷凝水的喷淋孔、筛板、排水孔和与所述风机的进气口通过管道相连的排气孔；所述风机的出气口与所述蒸发器的蒸气管的进气口通过管道相连；和，脱硫塔包括与所述蒸发器的蒸气管的出气口通过管道相连的进气孔，能通入碱液的通水孔，排水孔和排气孔。
8.权利要求7所述的脱硫处理系统，其特征在于，通入孔位于洗涤塔下半部分，排气孔位于洗涤塔上半部分；喷淋孔位于洗涤塔的顶部；筛板排列在通入孔和排气孔之间的位置上，且筛板上均匀分布有孔；和/或，排水孔位于洗涤塔下半部分且比通入孔低的位置。
9.权利要求7所述的脱硫处理系统，其特征在于，洗涤塔中有一个或多个平行排列的筛板；和/或，蒸发器的蒸气管呈迂回形状。
10.权利要求7、之任一所述的处理系统在玉米深加工方法(优选权利要求1飞之任一所述的方法)中的应用。`
【文档编号】B01D53/50GK103450327SQ201310403478
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2011年11月8日 优先权日:2011年11月8日
【发明者】马吉银, 刘鸿, 曹洪, 刘鑫 申请人:宁夏伊品生物科技股份有限公司