专利名称：一种开放式发酵食品废物生产l-乳酸的调控方法
技术领域：
本发明涉及生物发酵领域，尤指一种开放式发酵食品废物生产L-乳酸的调控方法。
背景技术：
食品废物是指在食品加工过程中和食用过程中产生的废物，包括 食品工业废物、务改业废物及家庭排除的菜叶瓜皮、残渣剩菜(泔水) 等，而食品工业废物的种类繁多，来源于原料清洗、生产加工、成品 等工序，如酿酒工业的酒糟、淀粉加工业的淀粉渣(如玉米渣、薯渣 等)、发酵工业的各种菌渣(如酱渣、柠檬酸渣等)、制糖工业的废糖 蜜、肉食和果蔬加工业的动植物残渣等。这些食品废物的共同特点是 含水率高(有些高达85%-90%以上)、有4几质比例高(占干物质的95% 以上)、营养元素丰富和易腐烂。
食品废物含水率较高，不适用于焚烧处理；流动性较大，容易泄 漏，是垃圾填埋场渗滤液的主要来源；并且容易变质，生活垃圾堆放 场周围吃了腐烂变质食物的"垃圾猪"和畜禽，是引起各种疾病和传染 病的纟艮源。
乳酸是一种需求量仅次于柠檬酸的有机酸，广泛应用于食品、医药 和化学工业，是市场畅销产品。乳酸分子具有旋光性，有光学异构体， 分为D-型，L-型，DL-型。D-型乳酸不能被人体所代谢，因此限制了 它在食品加工等领域的应用，而以L-乳酸为原料合成的聚乳酸具有生 物降解性,更显示出L-乳酸在包装材料、緩释剂、农用地膜等方面的巨 大潜力，也说明L-乳酸比D-乳酸和DL-乳酸具有更大的经济价值。当 前国际上常常采用乳酸生产原料主要是玉米、红薯、大米等淀粉质农 产品，生产成本较高。厨房垃圾具有丰富营养的特点，适合作为乳酸 的发酵原料，中国发明专利ZL02138136.4报道了一种酒糟综合利用生 产乳酸及青贮飼料的方法，但需在酒糟中加入葡萄糖或淀粉原料、玉米浆以及氮源等营养物质，需将酒糟灭菌后进行乳酸发酵，且得到的
是DL-型乳酸。
目前，现有的L-乳酸生产，都必须采用原料灭菌，接种L-乳酸菌 后进行生物发酵而获得。本发明将此采用原料不灭菌且不接种L-乳酸 菌的开放式发酵食品废物制取-乳酸，以提高L-乳酸占乳酸总产量的比 例，从而省略灭菌操作和接种搡作所需的成本，简化乳酸发酵工艺。但 由于底物不经任何灭菌措施，废物中的土著菌群会对L-乳酸的产量和 纯度产生影响。因此，必须采取一定调控措施，使土著的L-乳酸菌成 为优势菌种。而如何在开发式发酵过程中达到以上目的，目前国内外 尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、乳酸产量高的开放式发酵 食品废物制取L-乳酸的调控方法。
为实现上述目的，本发明的开放式发酵食品废物生产L-乳酸的调 控方法包括以下步骤(1 )将食品废物原料混合破碎成碎粒；(2)破 碎后的食品废物与水按照质量比1:0 ~1:5混合，作为发酵初始原料； (3 )将发酵初始原料的起始PH调节到6 ~ 7; (4)发酵初始原料在搅 拌的条件下进行开放式发酵100h~ 120h，发酵过程中进行30-70。C范 围的变动控温和pH值4 7范围的振动调控；(5)分离、提纯，即得 发酵产物。
进一步，步骤(1 )中粉碎的碎粒为1 ~5mm3。
进一步，步骤(4)中发酵初始原料在20 40rpm的条件下搅拌。
进一步，步骤(4)中变动控温方法为发酵前期的24h，温度保持 在70。C,发酵后期的24h~ 126h,温度保持在30。C。
进一步，步骤(4)中pH值4~7范围的振动调控为每隔10~14h 用5%~20% ( w/v)氨水将下降的pH值调回至7。
进一步，步骤(4)中pH值4 7范围的振动调控为发酵前期的24h， 每隔10h 14h用5%~20% ( w/v)氨水将下降的pH值调回至7,发酵 36h后用5%~20% (w/v)氨水调节使之保持pH值为6。
进一步，步骤(4)中温度调控方式为发酵前期的24h，温度保持在70。C;发酵24h以后，将温度下调至30。C,并维持24 h 48h;然 后再将温度上调至7(TC,并维持6h 24h后，再将温度下调至30。C，并 维持12h 36h。
本发明的开放式发酵食品废物生产L-乳酸的调控方法，无需高温 灭菌和添加任何营养物，无需严格的无菌操作，工艺筒单、节能，大 大降低了 L-乳酸的生产成本，并且通过该方法制取出的L-乳酸产量高， 其纯度可达到95°/。以上。
图1 (a)是在不同的发酵温度下餐厨垃圾中的总乳酸浓度随时间 的变化关系图1 (b)是在不同的发酵温度下餐厨垃圾中的L-乳酸占总乳酸的 比例随时间的变化关系图2餐厨垃圾开放式发酵中微生物菌群数量和pH的变化:(■)金黄 色葡萄球菌，(x)总活菌数量，(〇)乳酸菌，(□)大肠菌，(△)梭 状杆菌，(* ) pH;
图3是实施例1的温度和pH值调控图4是实施例1的L-乳酸和D-乳酸浓度随时间的变化图5是实施例2的温度和pH值调控图6是实施例2的L-乳酸和D-乳酸浓度随时间的变化图7是实施例3的温度和pH值调控图8是实施例3的L-乳酸和D-乳酸浓度随时间的变化图9是实施例4的温度和pH值调控图10是实施例4的L-乳酸和D-乳酸浓度随时间的变化图。
图11是实施例5的温度和pH值调控图12是实施例5的L-乳酸和D-乳酸浓度随时间的变化图。
具体实施例方式
本发明的开放式发酵食品废物生产L-乳酸的调控方法的依据之一 如图1所示，在不同温度下进行恒温发酵，70。C时总乳酸浓度较低， 但L-乳酸占总乳酸的比例很高；相反3(TC时总乳酸浓度较高，但L-乳酸占总乳酸的比例很低。即70。C有利于土著L-乳酸菌的生长并成为 优势菌群，而土著D-乳酸菌及其他杂菌的活性受到抑制甚至死亡。因 此，可维持温度70。C,发酵24h后再降低温度至30。C，就能使已成为 优势菌群的土著L-乳酸菌迅速增殖，从而提高L-乳酸产量和纯度。
本发明的开放式发酵食品废物生产L-乳酸的调控方法的依据之二 如图2所示。乳酸菌一般耐酸性很强，但pH值6 ~ 7的环境最适宜其 生长繁殖。因此，可在发酵初期降低pH值，使餐厨垃圾中原有的不耐 酸杂菌(如大肠杆菌、梭状芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌等致病菌)逐 渐衰亡直至未检出，从而使体系中的土著乳酸菌成为优势菌群。然后， 将pH值维持在6-7，就能使土著乳酸菌迅速增殖，从而提高乳酸产 量。
实施例1:
(一)将餐厨垃圾破碎为lmn^的碎粒；(二)破碎后的食品废物 与水按照质量比1:0 ~ 1:5混合，作为发酵初始原料；(三)将发酵初始 原料的起始pH调节到7;(四)发酵初始原料在30 rpm搅拌的条件下 进行开放式发酵100h~ 120h,发酵过程中进行温度30。C -70。C范围的 变动控温，发酵前期的24h，温度保持在70°C，发酵后期的24h - 126h， 温度保持在30°C ,并且每隔12h用10% ( w/v)氨水将下降的pH值调 回至7;(五)分离、提纯，即得发酵产物。 实施例2:
本实施例与实施例1的不同点为步骤(四)的pH调控方式改为 发酵前24h，每隔12h用10% (w/v)氨水将下降的pH值调回至7,发 酵36h后用10% (w/v)氨水调节使之保持pH值为6。其它步骤与实 施例1相同。
实施例3:
本实施例与实施例1的不同点为步骤(四)温度调控方式改为 发酵前24h,温度保持在70°C;发酵24h以后，将温度下调至30°C , 并维持48h (即发酵72h)后，又将温度上调至70。C,并维持12h后， 再将温度下调至30。C,并维持12h。其它步骤与实施例l相同。
实施例4:
本实施例与实施例1的不同点为步骤(四)发酵过程中保持温度为3(TC。其它步骤与实施例l相同。 实施例5:
( 一 )将白酒酒糟与水按照质量比1: 2混合并且进行破碎，作为发酵 初始原料；(二)将发酵初始原料的起始pH调节到6;(三)在发酵初始 原料中以0.2g (菌体湿重)/100mL (酒糟和水混合物)的接种量加入 千酪乳杆菌(Lactobacillus casei),并且以1.2g/100mL (酒糟和水混合 物)的比例加入纤维素酶；(四)发酵初始原料在30 rpm搅拌的条件下 进行开放式发酵100h 120h,发酵过程中进行温度30。C 5(TC范围的变 动控温，并且每隔12h用10% (w/v)氨水将下降的pH值调回至6;
(五)分离、提纯，即得发酵产物。本发明中所使用的干酪乳杆菌
(Lactobacillus casei)分离自酸牛奶。
需要指出的是根据本发明的具体实施方式
所做出的任何变形，均 不脱离本发明的精神以及权利要求记栽的范围。
权利要求
1.一种开放式发酵食品废物生产L-乳酸的调控方法，包括以下步骤(1)将食品废物原料混合破碎成碎粒；(2)破碎后的食品废物与水按照质量比1∶0～1∶5混合，作为发酵初始原料；(3)将发酵初始原料的起始pH调节到6～7；(4)发酵初始原料在搅拌的条件下进行开放式发酵100h～120h，发酵过程中进行30～70℃范围的变动控温和pH值4～7范围的振动调控；(5)分离、提纯，即得发酵产物。
2. 如权利要求1所述的开放式发酵食品废物生产L-乳酸的调控方法，其 特征在于，步骤(1)中粉碎的碎粒为1 5mm3。
3. 如权利要求1所述的开放式发酵食品废物生产L-乳酸的调控方法，其 特征在于，步骤(4)中发酵初始原料在20 40rpm的条件下搅拌。
4. 如权利要求1所述的开放式发酵食品废物生产L-乳酸的调控方法，其 特征在于，步骤(4)中变动控温方法为发酵前期的24h，温度保持在 70°C,发酵后期的24h 120h,温度保持在30。C。
5. 如权利要求1所述的开放式发酵食品废物生产L-乳酸的调控方法，其 特征在于，步骤(4)中pH值4 7范围的振动调控为每隔10 14h用 5%~20°/。 ( w/v)氨水将下降的pH值调回至7。
6. 如权利要求1所述的开放式发酵食品废物生产L-乳酸的调控方法，其 特征在于，步骤(4 )中pH值4~7范围的振动调控为发酵前期的24h, 每隔10~14h用5%~20% ( w/v)氨水将下降的pH值调回至7,发酵 36h后用5%~20% (w/v)氨水调节使之保持pH值为6。
7. 如权利要求1所述的开放式发酵食品废物生产L-乳酸的调控方法，其 特征在于，步骤(4)中温度调控方式为发酵前期的24h，温度保持 在70。C;发酵24h以后，将温度下调至30。C，并维持24 h 48h;然后 再将温度上调至70。C ，并维持6h~24 h后，再将温度下调至30°C ,并 维持12h 36h。
全文摘要
本发明公开了一种开放式发酵食品废物生产L-乳酸的调控方法，包括以下步骤(1)将食品废物原料混合破碎成碎粒；(2)破碎后的食品废物与水按照质量比1∶0～1∶5混合，作为发酵初始原料；(3)将发酵初始原料的起始pH调节到6～7；(4)发酵初始原料在搅拌的条件下进行开放式发酵100h～120h，发酵过程中进行30～70℃范围的变动控温和pH值4～7范围的振动调控；(5)分离、提纯，即得发酵产物。本发明的开放式发酵食品废物生产L-乳酸的调控方法，无需高温灭菌和添加任何营养物，无需严格的无菌操作，工艺简单、节能，大大降低了L-乳酸的生产成本，并且通过该方法制取出的L-乳酸产量高，其纯度可达到95％以上。
文档编号C12R1/245GK101671701SQ20091009360
公开日2010年3月17日 申请日期2009年10月14日 优先权日2009年10月14日
发明者刘瑛颖, 汪群慧, 惠 邹, 瑾 郑 申请人:北京科技大学