一种利用小麦麸皮水解糖发酵产苹果酸的方法
【专利摘要】本发明提供了一种利用小麦麸皮水解糖发酵产苹果酸的方法，通过酸解的方法制备小麦麸皮水解糖液，然后用活性炭对水解糖液中含有的发酵抑制剂进行脱毒处理，再选用具有很好适应性的曲霉（Aspergillusparasiticus）CICC40365以及配合优化的发酵营养物质混合发酵后，得到苹果酸发酵液。本发明小麦麸皮水解率高、反应速度快、工艺简单、成本低，并且水解糖液经过良好的脱毒处理，发酵过程糖损失低，所采用曲霉具有良好适应性，苹果酸转化率高。此外，本发明生产过程无毒无害，环保节能，适合工业化规模生产，能有效缓解我国及世界的能源危机，经济效益显著。
【专利说明】一种利用小麦麸皮水解糖发酵产苹果酸的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于发酵【技术领域】，尤其涉及一种利用小麦麸皮水解糖发酵产苹果酸的方法。
【背景技术】
[0002]L-苹果酸(L-malicacid)，又名羟基丁二酸，是一种饱和的二元酸。外观为白色结晶或结晶粉末，有较强的吸湿性，易溶于水、乙醇，有特殊的酸味，广泛存在于蔬菜和水果中的一种天然有机酸，其含量仅次于柠檬酸，并具有特殊的风味。另外，L-苹果酸也是人体代谢中的重要中间产物，易被人体吸收。因此，作为优良的酸味剂和保鲜剂被广泛应用于食品、化妆品、医药等领域。
[0003]小麦是我国的主要粮食作物之一，其年产量已经超过一亿多吨。小麦麸皮则是小麦制粉过程中的主要副产物，每年产量将近小麦加工量的20%，这是一项很大的资源。小麦麸皮中富含多糖、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质等成分。但是，国内基本将小麦麸皮用于饲料工业，利用率很低，小麦麸皮中富含纤维素和半纤维素，采用适宜的水解工艺，将其转化为可供微生物利用的单糖进而发酵制备有机酸，这对麸皮的高效综合利用及提高其附加值具有重要的意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种利用小麦麸皮水解糖发酵产苹果酸的方法，旨在解决现有小麦麸皮利用率低的问题。
[0005]本发明是这样实现的，1、一种利用小麦麸皮水解糖发酵产苹果酸的方法，包括以下步骤:
[0006](I)将小麦麸皮粉与质量浓度为2%~4%的硫酸溶液按质量体积比为Ig:(7.5~
12.5)ml混匀，在121°C下反应lh，冷却、过滤，取滤液；往滤液中加入过量Ca(0H)2调节pH至10~11,在8000r/min条件下离心IOmin,取上清液,往所述上清液中加酸液调节pH至中性，在8000r/min条件下离心IOmin,取上清液,得到小麦麸皮水解糖液；
[0007](2)往所述小麦麸皮水解糖液中加入为其质量10%的活性炭，在40°C水浴温度、120r/min振荡速度下脱毒lh，将反应液过滤，取滤液，得到发酵糖液，将所述发酵糖液蒸发浓缩至总糖浓度为100g/L ；
[0008](3)将步骤(2)得到的发酵糖液与营养物质混合后，在121°C温度下灭菌20min，得到发酵培养液；其中，所述发酵糖液与营养物质混合后总体积按IL计算，所述发酵糖液与各营养物质的质量分别为:发酵糖液100g~110g、硫酸铵1.9g~2.2g、酵母浸粉2.7g~
3.3g、磷酸二氢钾0.1g~0.15g、磷酸氢二钾0.2g~0.3g、硫酸镁0.1g~0.2g、硫酸猛0.1g~0.2g、七水合硫酸亚铁0.05g~0.07g、碳酸钙70g~100g ；
[0009](4)往步骤(3)中的发酵培养液加入(I~10) X 104CFU/mL曲霉菌种子培养液，在32°C、空气通气量2.5~30L/min、搅拌速度160r/min条件下发酵5天，收集发酵液，得到以钙盐的形式存在的苹果酸；其中，所述发酵培养液与曲霉菌种子培养液的体积比为1:10。
[0010]优选地，在步骤(1)中，所述小麦麸皮粉通过以下步骤制备:将小麦麸皮在80°C温度下烘干，将烘干后的小麦麸皮粉碎、过60目筛，得到小麦麸皮粉。
[0011]优选地，在步骤(1)中，所述添加Ca (OH) 2为固体粉末，分析纯，纯度> 95% ；所述酸液为质量浓度3%的硫酸。
[0012]优选地，在步骤(4)中，所述曲霉菌种子培养液制备方法如下:将浓度为
IX 106CFU/mL的曲霉孢子液接入到与其体积比为10:1~15:1种子培养基中，在30°C~32°C、180r/min~200r/min条件下培养16~18h ;其中，所述种子培养基按IL计算包括以下成分:葡萄糖30g、硫酸铵1.9g~2.2g、酵母浸粉2.7g~3.3g、磷酸二氢钾0.1g~
0.15g、磷酸氢二钾0.2g~0.3g、硫酸镁0.1g~0.2g、硫酸猛0.1g~0.2g、七水合硫酸亚铁 0.05g ~0.07g。
[0013]优选地,所述曲霉菌种为曲霉(Aspergillusparasiticus)CICC40365,购于中国工业微生物菌种保藏中心。
[0014]相比与现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果:
[0015](I)本发明采用酸解的方法制备小麦麸皮水解糖，该方法具有水解率高、反应速度快、工艺简单、成本低等特点。
[0016](2)本发明对 水解液进行了活性炭脱毒处理，所得到糖液中糠醛、乙酸等发酵抑制剂含量明显降低，能够被本发明中采用的曲霉(Aspergillusparasiticus) CICC40365很好适应；并且该方法造成的糖损失也比较低，使最终麸皮的转化率较高。大孔树脂也具有较好脱毒特性，但其材料本身具有毒性，只有通过乙醇和NaOH溶液反复清洗才能避免毒性物质残留，工序繁琐，并且其本身成本也很高。相比较大孔树脂脱毒，活性炭没有二次污染问题，并且价格低廉。
[0017](3)本发明中采用的菌种能够同时利用五、六碳糖，相比其他菌株而言，利用小麦麸皮水解液的效率更高。
[0018](4)本发明利用农副产物小麦麸皮为原料制备L-苹果酸，能够摆脱对石油基原料的过度依赖，进一步缓解我国及世界的能源危机。并且开辟了一条绿色、可持续、有潜力的生产途径，生产成本低，具有很好的经济性。
[0019](5)本发明利用微生物发酵的方法制备苹果酸。其优点在于生产过程中无毒无害，环保节能，适合工业化规模生产；主要产L-苹果酸，有利于产品的分离和提纯。
【具体实施方式】
[0020]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0021]实施例1
[0022]A、小麦麸皮水解液的制备
[0023]将小麦麸皮除杂，置于热风干燥箱中，于80°C烘干数小时。烘干后的小麦麸皮用植物粉碎机粉碎，过60目筛，将小麦麸皮粉装于密封袋中备用。
[0024]取小麦麸皮粉200g，加入质量浓度为3%的稀硫酸溶液2.0L，搅拌混匀，在121°C下反应lh,冷却、过滤,取滤液，向滤液中加入过量Ca (OH) 2调pH至10~11,在8000r/min条件下离心lOmin，取上清液，向上清液中加入质量浓度为3%的稀硫酸调pH至中性，在8000r/min条件下离心IOmin,取上清液,即获得小麦麸皮水解糖。
[0025]B、水解液脱毒处理
[0026]将200g活性炭添加至步骤A得到的小麦麸皮水解液中，置于水浴摇床中在40°C、120r/min振荡速度条件下脱毒lh，反应结束后，过滤得发酵糖液；将该发酵糖液用旋转蒸发仪蒸发浓缩至总糖浓度为100g/L。
[0027]C、培养基制备
[0028]在步骤B中浓缩后的发酵糖液中添加营养物质后得到发酵培养基，按IL计算，发酵培养基各组分浓度为:麸皮水解液糖100g/L，硫酸铵2g/L，酵母浸粉3g/L，磷酸二氢钾
0.lg/L，磷酸氢二钾0.2g/L，硫酸镁0.lg/L，硫酸锰0.lg/L，七水合硫酸亚铁0.05g/L，碳酸钙 70g/L。
[0029]将5L发酵培养基泵入7L规模的发酵罐内，直接121°C在位灭菌20min。
[0030]D、所述曲霉囷种子培养液制备
[0031]方法如下:将浓度为lX106CFU/mL的曲霉孢子液接入到与其体积比为10:1~15:1种子培养基中，在30°C~32°C、180r/min~200r/min条件下培养16~18h，得到浓度为(I~10) X 104CFU/mL的曲霉菌种子培养液；其中，所述种子培养基按IL计算包括以下成分:葡萄糖30g、硫酸铵1.9g~2.2g、酵母浸粉2.7g~3.3g、磷酸二氢钾0.1g~0.15g、磷酸氢二钾0.2g~0.3g、硫酸镁0.1g~0.2g、硫酸猛0.1g~0.2g、七水合硫酸亚铁0.05g~
0.07go
[0032]其中，所用发酵菌种为曲霉(AspergiIlusparasiticus)CICC40365，购于中国工业微生物菌种保藏中心。
[0033]E、发酵产苹果酸
[0034]将250mL曲霉菌种子培养液接入发酵罐中，在温度32°C、空气通气量2.5L/min、搅拌转速160r/min条件下发酵5天，所得发酵液中产物苹果酸以钙盐的形式存在，苹果酸浓度达到51.38g/L，5L发酵液中制备获得256.90g苹果酸。
[0035]实施例2
[0036]A、小麦麸皮水解液的制备
[0037]将小麦麸皮除杂，置于热风干燥箱中，于80°C烘干数小时。烘干后的小麦麸皮用植物粉碎机粉碎，过60目筛，将小麦麸皮粉装于密封袋中备用。
[0038]取小麦麸皮粉15kg，加入质量浓度为3%的稀硫酸溶液150L，搅拌混匀，在121°C下反应Ih,冷却、过滤,取滤液，向滤液中加入过量Ca (OH) 2调pH至10~11,在8000r/min条件下离心lOmin，取上清液，向上清液中加入质量浓度为3%的稀硫酸调pH至中性，在8000r/min条件下离心IOmin,取上清液,即获得小麦麸皮水解糖。
[0039]B、水解液脱毒处理
[0040]将15kg活性炭添加至步骤A得到的小麦麸皮水解液中，置于水浴摇床中在40°C、120r/min振荡速度条件下脱毒lh，反应结束后，过滤得发酵糖液；将该发酵糖液用旋转蒸发仪蒸发浓缩至总糖浓度为100g/L。
[0041]C、培养基制备[0042]在步骤B中浓缩后的发酵糖液中添加营养物质后得到发酵培养基，按IL计算，发酵培养基各组分浓度为:麸皮水解液糖100g/L，硫酸铵2g/L，酵母浸粉3g/L，磷酸二氢钾
0.lg/L，磷酸氢二钾0.2g/L，硫酸镁0.lg/L，硫酸锰0.lg/L，七水合硫酸亚铁0.05g/L，碳酸钙 70g/L。
[0043]将450L发酵培养基泵入500L规模的发酵罐内，直接121°C在位灭菌20min。
[0044]D、所述曲霉囷种子培养液制备
[0045]方法如下:将浓度为lX106CFU/mL的曲霉孢子液接入到与其体积比为10:1~15:1种子培养基中，在30°C~32°C、180r/min~200r/min条件下培养16~18h，得到浓度为(I~10) X 104CFU/mL的曲霉菌种子培养液；其中，所述种子培养基按IL计算包括以下成分:葡萄糖30g、硫酸铵1.9g~2.2g、酵母浸粉2.7g~3.3g、磷酸二氢钾0.1g~0.15g、磷酸氢二钾0.2g~0.3g、硫酸镁0.1g~0.2g、硫酸猛0.1g~0.2g、七水合硫酸亚铁0.05g~
0.07g。
[0046]其中，所用发酵菌种为曲霉(AspergiIlusparasiticus)CICC40365,购于中国工业微生物菌种保藏中心。
[0047]E、发酵产苹果酸
[0048]将22.5L曲霉菌种子培养液接入发酵罐中，在温度32°C、空气通气量30L/min、搅拌转速160r/min条件下发酵5天，所得发酵液中产物苹果酸以钙盐的形式存在，苹果酸浓度达到49.22g/L，450L发酵液中制备获得22.15kg苹果酸。
[0049]实施例3
[0050]A、小麦麸皮水解液的制备
[0051]将小麦麸皮除杂，置于热风干燥箱中，于80°C烘干数小时。烘干后的小麦麸皮用植物粉碎机粉碎，过60目筛，将小麦麸皮粉装于密封袋中备用。
[0052]取小麦麸皮粉100g，加入质量浓度为3%的稀硫酸溶液1.0L,搅拌混匀，在121°C下反应Ih,冷却、过滤,取滤液，向滤液中加入过量Ca (OH) 2调pH至10~11,在8000r/min条件下离心lOmin，取上清液，向上清液中加入质量浓度为3%的稀硫酸调pH至中性，在8000r/min条件下离心IOmin,取上清液,即获得小麦麸皮水解糖。
[0053]B、水解液脱毒处理
[0054]将100g活性炭添加至步骤A得到的小麦麸皮水解液中，置于水浴摇床中在40°C、120r/min振荡速度条件下脱毒lh，反应结束后，过滤得发酵糖液；将该发酵糖液用旋转蒸发仪蒸发浓缩至总糖浓度为100g/L。
[0055]C、培养基制备
[0056]在步骤B中浓缩后的发酵糖液中添加营养物质后得到发酵培养基，按IL计算，发酵培养基各组分浓度为:麸皮水解液糖100g/L，硫酸铵2g/L，酵母浸粉3g/L，磷酸二氢钾
0.lg/L，磷酸氢二钾0.2g/L，硫酸镁0.lg/L，硫酸锰0.lg/L，七水合硫酸亚铁0.05g/L，碳酸钙 70g/L。
[0057]将1000mL发酵培养基加入10个250mL三角瓶中，每个三角瓶100mL。放入灭菌锅121°C 下灭菌 20min。
[0058]D、所述曲霉囷种子培养液制备
[0059]方法如下:将浓度为IX 106CFU/mL的曲霉孢子液接入到与其体积比为10:1~15:1种子培养基中，在30°C~32°C、180r/min~200r/min条件下培养16~18h，得到浓度为(I~10) X 104CFU/mL的曲霉菌种子培养液；其中，所述种子培养基按IL计算包括以下成分:葡萄糖30g、硫酸铵1.9g~2.2g、酵母浸粉2.7g~3.3g、磷酸二氢钾0.1g~0.15g、磷酸氢二钾0.2g~0.3g、硫酸镁0.1g~0.2g、硫酸猛0.1g~0.2g、七水合硫酸亚铁0.05g~
0.07go
[0060]其中，所用发酵菌种为曲霉(Aspergi I lusparasi ticus)CICC40365，购于中国工业微生物菌种保藏中心。
[0061]E、发酵产苹果酸
[0062]将每个三角瓶中接入5mL曲霉菌种子培养液后，置于培养箱中，在温度32°C，转速200r/min条件下发酵5天，所得发酵液中产物苹果酸以钙盐的形式存在，苹果酸浓度达到52.14g/L。
[0063]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所 作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种利用小麦麸皮水解糖发酵产苹果酸的方法，其特征在于包括以下步骤: (1)将小麦麸皮粉与质量浓度为2%~4%的硫酸溶液按质量体积比为Ig: (7.5~12.5)ml混匀,在121 °C下反应Ih,冷却、过滤,取滤液；往滤液中加入过量Ca (OH)2调节pH至10~11,在8000r/min条件下离心IOmin,取上清液,往所述上清液中加酸液调节pH至中性,在8000r/min条件下离心IOmin,取上清液,得到小麦麸皮水解糖液； (2)往所述小麦麸皮水解糖液中加入为其质量10%的活性炭，在40°C水浴温度、120r/min振荡速度下脱毒lh，将反应液过滤，取滤液，得到发酵糖液，将所述发酵糖液蒸发浓缩至总糖浓度为100g/L ； (3)将步骤(2)得到的发酵糖液与营养物质混合后，在121°C温度下灭菌20min，得到发酵培养液；其中，所述发酵糖液与营养物质混合后总体积按IL计算，所述发酵糖液与各营养物质的质量分别为:发酵糖液100g~110g、硫酸铵1.9g~2.2g、酵母浸粉2.7g~3.3g、磷酸二氢钾0.1g~0.15g、磷酸氢二钾0.2g~0.3g、硫酸镁0.1g~0.2g、硫酸猛0.1g~0.2g、七水合硫酸亚铁0.05g~0.07g、碳酸钙70g~100g ； (4)往步骤(3)中的发酵培养液加入(I~10)X 104CFU/mL曲霉菌种子培养液，在32 °C、空气通气量2.5~30L/min、搅拌速度160r/min条件下发酵5天，收集发酵液，得到以钙盐的形式存在的苹果酸；其中，所述发酵培养液与曲霉菌种子培养液的体积比为1:10。
2.如权利要求1所述的利用小麦麸皮水解糖发酵产苹果酸的方法，其特征在于，在步骤(I)中，所述小麦麸皮粉通过以下步骤制备:将小麦麸皮在80°C温度下烘干，将烘干后的小麦麸皮粉碎、过60目筛，得到小麦麸皮粉。
3.如权利要求2所述的利用小麦麸皮水解糖发酵产苹果酸的方法，其特征在于，在步骤(I)中，所述添加Ca (OH) 2为固体粉末，分析纯，纯度> 95% ;所述酸液为质量浓度3%的硫酸。
4.如权利要求3所述的利用小麦麸皮水解糖发酵产苹果酸的方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述曲霉菌种子培养液制备方法如下:将浓度为I X 106CFU/mL的曲霉孢子液接入到与其体积比为10:1~15:1种子培养基中，在30°C~32°C、180r/min~200r/min条件下培养16~18h ;其中，所述种子培养基按IL计算包括以下成分:葡萄糖30g、硫酸铵1.9g~2.2g、酵母浸粉2.7g~3.3g、磷酸二氢钾0.1g~0.15g、磷酸氢二钾0.2g~0.3g、硫酸镁0.1g~0.2g、硫酸锰0.1g~0.2g、七水合硫酸亚铁0.05g~0.07g。
5.如权利要求4所述的利用小麦麸皮水解糖发酵产苹果酸的方法，其特征在于，所述曲霉菌种为曲霉(Aspergillusparasiticus) CICC40365,购于中国工业微生物菌种保藏中心。
【文档编号】C12P7/46GK103789359SQ201410036126
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2014年1月24日
【发明者】李兴江, 吴悦, 潘丽军, 姜绍通, 李硕, 刘亚, 孙婷 申请人:合肥工业大学