专利名称：：一种芦苇生物质的综合应用方法
技术领域：
：本发明涉及一种芦苇生物质的活性成分提取、纤维素乙醇生产、秸秆蛋白饲料生产的技术方法。
背景技术：
：芦苇(Phragmitescommunis.)，多年生未本科芦苇属植物，具极强的抗逆性和生存竞争能力，广泛分布于全国各地，在水资源丰富的地区，如河边滩涂，芦苇生长旺盛，具有"第二森林"的美誉，自然条件下芦苇也很少受到病虫害的侵袭，因此推测其体内含有并释放出高活性的他感物质，可以控制侵袭它的病菌、害虫，并能抑制其他植物对其生存空间等的争夺。芦苇的快速生长已成为制约相应地区发展的一大难题，无法使它变为具有高附加值、高科技含量的工业原料。除用作编织和造纸材料外，大多被直接烧掉，既浪费资源又污染环境。而芦苇全身都是宝，产根、戸颈、芦荟、戸须含有大量的高蛋白、高纤维、多种氨基酸。基于上述实际现象的考察，对产苇有效成分的提取是一项具有划时代意义的深加工产业。对芦苇茎叶中生物活性物质的提取工艺进行研究，对提取液进行成分分析，并观测提取液对油脂的抗氧化性，对微生物的活性抑制性，为芦苇作为纯天然"绿色药品源"的研究奠定基础；对富含纤维素生物质的芦苇茎叶残渣进行相应的预处理后，用于生物燃料乙醇的研制，以芦苇代替粮食进行乙醇的生产，符合中国燃料乙醇生产要遵循"不与人争粮、不与粮争地"的原则，乙醇作为清洁能源，在将芦苇变废为宝的同时，也美化了我们的生活环境；经酵母菌发酵后的产苇残渣富含单细胞蛋白(SCP)，易于吸收利用，将其作为奶牛的饲料，研究了其饲用价值，同时也解决了发酵废物所引起的环境污染问题；为芦苇茎叶的综合生物利用提供了依据。李时珍在《本草纲目》中记载芦苇叶具有一定的医药功能，谢玉如等译的《黄酮类化合物》中揭示芦苇叶的食品保鲜、抗氧化作用，与其中含有一定量的黄酮类化合物有密切关系。戴军应用高效液相色谱法(HPLC)，在苯基柱上，成功地分离出芦苇叶的乙醇浸提液中10余种化合物，通过二极管阵列检测器检测和采集光谱，初步定性出其中有9种化合物为黄酮类；并用苯基柱制备得到其中8种黄酮纯品，经结构鉴定，有6种已确证为结构相近的黄酮贰类物质。以其中之一芦丁为标准，测定出了9种黄酮化合物在芦叶中的近似含量。郭庆彬以芦苇叶为材料，分别探讨了超声波辅助提取和酶解辅助提取两种方法对芦苇叶中总黄酮的提取效果，并与索氏提取法进行了对比，最终得到了对芦苇叶中黄酮类化合物进行提取的最佳工艺。从植物中寻找新的农药生物活性物质，是当今新农药研制开发的热点之一。冯俊涛等在对56种植物抑菌活性筛选试验中，也证实产苇具有抑菌活性。杨从军对芦苇水提取液的农药活性进行了初步研究，希望为进一步以戸苇为原料开发植物源杀菌剂、除草剂等提供依据。郑曦为探明是否可以把芦苇叶粉碎后直接施入农田以及芦苇叶施入农田后对作物的生长又会产生什么样的影响，在实验室条件下观测分析了芦苇叶水提物对几种农作物种子发芽及生长的影响。我国生态学工作者对芦苇资源分布、生态型、种群生态学等开展了研究，取得了不少研究成果。对芦苇的研究主要体现在以下几个方面①病虫害防治芦苇害虫与疾病的研究及其防治；②资源调査戸苇资源的分布与生长状况的调査；③在环境保护中的应用芦苇资源在污水处理等方面的应用；④基础理论的研究芦苇的生理、生态结构与过程研究；资源的开发利用芦苇资源开发利用方式(主要用于建材和造纸)；⑥加工设备的研究加工芦苇的设备的研究开发与改良；⑦杂草防治芦苇作为农田及河道杂草的治理与防除技术方法。而对戸苇生物质进行活性物质分离后，再降解用于乙醇发酵，发酵残渣用于饲料的综合应用研究还没有人开展。现代工业的迅速发展，对能源的需求急剧增加，当今世界各国消耗的能源大部份来自化石资源。化石能源的储量有限，而且会导致大量的N02、S02等有害气体以及C02、甲烷等温室气体排放，所以对环境友好的可再生资源的开发显得日益重要。目前较成熟的燃料乙醇的生物转化方法是以玉米为原料，但其原料成本高达总成本的70%—80%。最近各国的研究集中在以木质纤维素为原料上。由木质纤维素生物转化成的燃料乙醇越来越引起世界各国的广泛关注。目前世界各国研究利用木质纤维素发酵生产乙醇的科研机构都围绕着这几大技术关键进行攻关。一是预处理工艺，即通过各种方法，如气爆法、湿氧化法、稀酸法或几种方法的组合，破坏秸秆中的纤维素、半纤维素与木质素的结构，使之松散，亦可使半纤维素水解；二是水解工艺，即通过酶法或酸法把上述物质中的纤维素、半纤维素水解成六碳糖和五碳糖；三是发酵工艺，选用特殊的共酵菌种对上述六碳糖和五碳糖进行发酵，生产乙醇。但是目前世界上还没有一家工业规模利用纤维质原料生产燃料乙醇的企业。
发明内容本发明的目的寻找能够使芦苇生物质高附加值综合利用的技术方法。本发明的技术方案将芦苇进行自然晒干、粉碎，测定研究出芦苇茎叶中工业成分与化学组成，运用萃取法、色谱技术等先进技术手段，对芦苇中天然有效成分进行萃取和提纯分离；并将有效成分应用于油脂中考察其抗氧化性能，并进行抑菌性试验；研究芦苇中活性成分的药用价值，为芦苇作为纯天然"绿色药品源"的研究奠定基础；将,苇进行预处理，研究芦苇茎叶中纤维素的合适糖化工艺，采用湿法氧化、蒸汽爆破法、混酶法、酸解法、酶解法、酸酶法、酶酸法等预处理进行比较研究，寻求简便、廉价、环保的预处理工艺；研究芦苇糖化液进行乙醇发酵的低成本工艺条件，筛选产醇率较高的酵母、分离筛选能代谢木糖产乙醇的酵母；采用游离酵母细胞进行连续发酵、半连续发酵、间隙发酵；与固定化酵母细胞发酵进行比较，寻求低成本的发酵工艺；采用乙醇的发酵与提取耦合工艺，采用吸附固定化酵母细胞与膜分离耦合发酵一分离乙醇的方法，从而消除产物的反馈抑制作用，寻求高转化率的发酵工艺；最后，从环保理念出发，将芦苇茎叶发酵残渣用于饲料研究。经酵母菌发酵后的芦苇茎叶残渣中富含酵母单细胞蛋白(SCP)，在奶牛场进行奶牛饲喂试验，研究其饲用价值，同时又起到环保的生态效果。本发明的有益效果解决了芦苇的快速生长制约相应地区发展的一大难题；使它变为具有高附加值、高科技含量的工业原料；为芦苇作为纯天然"绿色药品源"的研究奠定了基础；以戸苇代替粮食进行乙醇的生产，符合中国燃料乙醇生产要遵循"不与人争粮、不与粮争地"的原则，乙醇作为清洁能源，在将芦苇变废为宝的同时，也美化了我们的生活环境；经酵母菌发酵后的芦苇残渣富含单细胞蛋白(SCP)，易于吸收利用，将其作为奶牛的饲料，饲用价值较高，同时也解决了发酵废物所引起的环境污染问题；为芦苇茎叶的综合生物利用提供了依据。具体实施例方式(1)芦苇茎叶中生物活性物质的提取工艺研究为了获得芦苇茎叶中生物活性物质的提取工艺，通过单因素与正交试验分别对超临界萃取、超声波辅助提取、索氏提取和酶解辅助提取工艺进行优化，研究其最佳工艺及参数条件。(2)提取液成分纯化、分析通过层析法、色谱法进行戸苇茎叶中生物活性物质的纯化和成分分析，包括柱层析法、薄层层析法、HPLC法。(3)提取液成分的药用功效确定①抗氧化性的确定用烘箱贮存法，以猪油、菜籽色拉油和二级豆油为底物，测定制取的芦苇中活性成分的抗氧化性能。②抑菌性的确定采用"菌丝生长速率法"测定芦苇中活性成分的无菌提取液的细菌、霉菌、酵母菌的抑菌性。(4)芦苇茎叶的最佳预处理工艺研究①湿法氧化预处理工艺研究；②蒸汽爆破法预处理研究；③稀酸法预处理工艺研究；④混酶法预处理工艺研究。(5)产苇纤维素乙醇的低成本发酵工艺研究①筛选产醇率较高的酵母；②分离筛选能代谢木糖产乙醇的酵母；③进行菌种固定化(提高发酵效率和便于重复使用)；④分批补料发酵(俗称"流加")(可使菌种始终处于高效的工作状态，同时缩短生产周期)；⑤乙醇的发酵与提取耦合工艺研宄。(6)芦苇茎叶发酵残渣的饲用价值研究在盐城泰来神乳业有限公司奶牛场进行奶牛词喂试验，研究其饲用价值。以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此-实施例1除烂叶、枯叶，洗净，自然晒干，用粉碎机粉碎，过60目筛子筛分。采用超临界C02萃取技术萃取芦苇叶总黄酮，对萃取温度、时间、压力和夹带剂用量四因素进行研究，并采用紫外分光光度法对萃取物中的总黄酮进行定量分析。确定了超临界C02萃取总黄酮的最佳工艺条件为:温度为65'C、时间为1.5h，压力为30MPa、夹带剂用量为4.5ml/g。黄酮提取率为70.48%。实施例2用涂布棒将培养基上生长良好的菌落与少量蒸馏水混合，然后将菌液倒入灭菌冷却的液体培养基内，放入摇床内(温度为37X:、转速为100r/min)培养24h测定其吸光度。向各菌悬液中加入10ml戸苇提取物后摇床培养24h再分别测定各菌悬液的吸光度，如表l所示；抑菌率％=(原菌液吸光度一加入提取物后菌液的吸光度)/原菌液吸光度><100%，抑菌率如表2所<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由此可初步判定一定量的芦苇提取液对大肠杆菌、酵母菌、黑曲霉、出芽短梗霉等菌种具有一定的抑制效果，对干酪乳杆菌的抑菌效果相对较差。实施例3芦苇提取物对油脂的抗氧化性测定称取30g油脂(鲁花花生油)4份置于烧杯中，l份为空白对照组(未加提取液)，3份分别按油重的0.05%、0.10%、0.50%加入提取物。混合均匀，置于(60i0.5)'C的恒温烘箱中，各烧杯加盖一表面皿，每隔12h搅拌l次，并交换其在烘箱中的位置。每隔几天取样测定花生油的过氧化值(POV),并以此来表示花生油的氧化速度，进而衡算提取物的抗氧化性。精确称取3g混匀样品(必要时过滤)，置于碘量瓶中加入30mL氯仿一一冰醋酸混合液，溶解样品，加入0.5mL饱和碘化钾溶液，立即加塞摇匀hnin，避光静置反应5min。取出加水50mL，再以O.OImol/L硫代硫酸钠标准溶液滴定至淡黄色时，加入0.5mL淀粉指示剂，继续滴定至蓝色消失为终点，同时做一空白实验，按公式计算过氧化值，POV-[Cx(F2-FOxl000]/伤，式中C为硫代硫酸钠溶液的浓度(mol/L);V2为试样用去的硫代硫酸钠溶液体积(ml):Vi为空白用去的硫代硫酸钠溶液体积(ml);m为试样的质量(g)。结果如表3所示。空白油样因未添加芦苇提取液，所以其POV值在6(TC下保存时，随时间变化幅度增大。而添加芦苇提取液的油样，其过氧化值则变化较为平缓。表明芦苇提取液具有一定的抗氧化性，且其抗氧化性与所添加剂量在一定范围呈正相关。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>实施例4以提取活性成分后的芦苇渣为原料，烘干后用间隙为0.5cm的粉碎机粉碎，过20-40目筛子筛分，水解制汁，添加酵母菌发酵生产乙醇。对芦苇秸秆进行酸解，在单因素实验的基础上进行正交实验，确定其酸解的最佳工艺条件为原料液浓度为60g/L、100mL原料液中加90mLlc/。稀硫酸、水解温度为120°C、水解时间为120min，水解液中还原糖含量为19.48%;通过正交实验确定乙醇发酵的最优条件为酵母接种量2%，发酵温度25'C，发酵时间60h。实施例5经酵母菌发酵后的芦苇茎叶残渣中富含酵母单细胞蛋白(SCP)，其粗蛋白含量大于45%，产品定位为中高档优质生物蛋白词料；戸苇秸秆中粗纤维、木质素降解效率较高，其中粗纤维的降解率高于50%;通过研究，饲料配方中的适宜添加量15%-20%;通过奶牛饲喂试验研究，产品中粗蛋白的消化率达到了80%，提高了动物对芦苇秸秆的利用及消化。权利要求1.一种芦苇生物质的综合应用方法，其特征是先进行芦苇茎叶中生物活性物质的提取分离，对提取液进行减压浓缩，将浓缩液作为油脂的抗氧化剂、微生物的抑菌剂，对提取生物活性物质后富含纤维素生物质的芦苇茎叶残渣进行相应的预处理后，糖化发酵，生产生物燃料乙醇，经酵母菌发酵后的芦苇残渣富含单细胞蛋白(SCP)，将其作为奶牛的饲料，形成了芦苇生物质的综合应用体系。2.根据权利要求1所述的一种芦苇生物质的综合应用方法，其特征是芦苇茎叶中生物活性物质的提取分离采用超临界萃取。3.根据权利要求l所述的一种芦苇生物质的综合应用方法，其特征是用碘量法分别测定添加0~10%提取液的油脂样品的过氧化值，分析芦苇提取物的抗氧化性，得出其抗氧化性与剂量呈正相关。4.根据权利要求l所述的一种芦苇生物质的综合应用方法，其特征是芦苇提取液的抑菌性通过各个菌种菌悬液的吸光度及各菌悬液制成的平板，两种方法相结合比较，得出芦苇提取物对各菌种抑制性的大小，菌种分别为酵母菌(S.cerevisiae);大肠杆菌(五"/jm'c力^co/z');黑曲霉(v4j/e/^〃ws出芽短梗霉(UweoZjas/必"m/n/〃"/aw5);干酪乳杆菌(Sfrai/is丄.cosez')。5.根据权利要求1所述的一种芦苇生物质的综合应用方法，其特征是对提取生物活性物质后富含纤维素生物质的芦苇茎叶残渣，置于12rC、并有1.53g/L的Na2C03溶液存在的高压蒸汽锅中处理1530min进行湿法氧化预处理。6.根据权利要求1所述的一种戸苇生物质的综合应用方法，其特征是采用酸解、酶解、酸酶、酶酸等方法对芦苇茎叶残渣的湿法氧化预处理液进行降解处理。7.根据权利要求1所述的一种芦苇生物质的综合应用方法，其特征是采用固定化酵母细胞与膜分离耦合发酵一分离乙醇的方法，以海藻酸钠和短根霉多糖固定化酵母发酵生产乙醇，用膜从发酵液中分离出乙醇。分离出产物乙醇后的发酵液返回反应器循环利用。从而消除产物的反馈抑制作用。8.根据权利要求1所述的一种芦苇生物质的综合应用方法，其特征是经酵母菌发酵后的芦苇残渣富含单细胞蛋白(SCP)，易于吸收利用，将其作为奶牛的饲料，其饲用价值较高。9.根据权利要求1所述的一种芦苇生物质的综合应用方法，其特征是形成了芦苇生物质的综合应用体系。全文摘要本发明涉及一种芦苇生物质综合应用的技术方法。本发明所述的芦苇生物质的综合应用方法，先采用超临界萃取进行芦苇茎叶中生物活性物质的提取分离，并得出了最佳工艺条件；对提取液进行减压浓缩，并形成浓缩液作为抗氧化剂、抑菌剂的应用方法；为芦苇作为纯天然“绿色药品源”的研究奠定了基础；对提取生物活性物质后富含纤维素生物质的芦苇茎叶残渣进行相应的预处理后，糖化发酵，形成了生物燃料乙醇的生产方法；经酵母菌发酵后的芦苇残渣富含单细胞蛋白(SCP)，易于吸收利用，将其作为奶牛的饲料，得出了其饲用价值；形成了芦苇生物质的综合应用体系，为芦苇的综合生物利用提供了依据。文档编号C11B5/00GK101649253SQ20091003506公开日2010年2月17日申请日期2009年9月15日优先权日2009年9月15日发明者余晓红,刘必前,锐董,伟许,荣邵申请人:盐城工学院