专利名称：小麦麸皮提取蛋白并全水解发酵生产丙酮、丁醇及乙醇的方法
技术领域：
本发明涉及一种小麦麸皮提取蛋白并全水解发酵生产丙酮、丁醇及乙醇的方法。
背景技术：
小麦麸皮是小麦粉碎生产面粉过程中的副产品，在我国储量100万吨/年，其中残留淀粉含量约25%，蛋白含量15-20%，纤维素含量约10%，半纤维素约15%，木质素约3%，目前小麦麸皮主要用作饲料，综合利用效率不高。从小麦麸皮的原料组成来分析，首先其蛋白含量较高，而且麸皮蛋白和小麦蛋白相比，具有更高的清蛋白和球蛋白含量以及赖氨酸含量，比小麦蛋白的营养价值和生理价值更高，可以用作多种食品添加剂，如饮料、肉制品、冰淇淋等。其次，小麦麸皮中的碳水化合物(残留淀粉、纤维素、半纤维素)含量约占50%，将其 全水解为可发酵糖，非常适合丙酮丁醇发酵。丁醇是新一代的生物燃料，与现有的生物燃料相比，丁醇与汽油的混合比更高，无需对车辆进行改造，同时具有显著的环境效益，能降低温室气体的排放，在未来的运输燃料结构中将会占有重要的比重，同时丁醇还是一种大宗化工原料；丙酮可作为制造醋酸纤维素胶片薄膜、塑料和涂料的溶剂，又可用于生产甲基丙烯酸甲酯(MMA)、双酚A、醇醛缩合物等化工产品。乙醇是良好的有机溶剂和消毒剂，其杀菌作用较快，消毒效果可靠，对人刺激性小，无毒，对物品无损害，多用于皮肤消毒以及医疗器械临床的消毒。丙酮丁醇的生产方法有化学合成法和微生物发酵法，微生物发酵法主要利用粮食为原料，由于粮食成本高，微生物发酵法生产丙酮丁醇在90年代初，被日益成熟、成本低廉的石油化工法所取代。近年来随着石油资源的日趋减少和环境问题的不断恶化，利用可再生资源微生物发酵生产丙酮丁醇等大宗化工能源产品，重新引起世界各国的普遍关注。目前利用麸皮中的残留淀粉发酵丙酮丁醇或者碱法提取小麦麸皮蛋白已有报道，但是未见利用小麦麸皮中的纤维质糖进行发酵丙酮丁醇的报道，更未见超微气流粉碎技术在小麦麸皮综合开发中的应用，尤其是经过超微气流粉碎后提取小麦麸皮蛋白并联产丙酮丁醇的综合开发技术更为鲜见。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的缺陷，提供一种小麦麸皮提取蛋白并全水解发酵生产丙酮、丁醇及乙醇的方法。本发明将小麦麸皮经超微气流粉碎后碱法提取蛋白，残渣全水解后发酵生产丙酮、丁醇及乙醇。本发明所要解决的技术问题由以下技术方案来实现一种小麦麸皮提取蛋白并全水解发酵生产丙酮、丁醇及乙醇的方法，包括如下步骤
A.超微气流粉碎小麦麸皮经超微气流粉碎至粒径为500-4000目；B.碱提酸沉法提取小麦麸皮蛋白；C.全水解碱提酸沉法提取小麦麸皮蛋白后的残渣按照水解后总糖重量体积百分比浓度为4-6%(4-6g总糖/IOOml水解液)加水混合，加入高温淀粉酶、糖化酶、纤维素酶、木聚糖酶和β_葡萄糖苷酶对残渣中的淀粉、纤维素、半纤维素进行全水解，得到水解液；D.发酵水解液接种丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum), 33_38°C厌氧培养35-55小时获得发酵产物； E.从发酵后的水解液中分离丙酮、丁醇及乙醇。在步骤A中粉碎粒径优选2000-4000目。在步骤B中，所述碱提酸沉法提取小麦麸皮蛋白包括下列步骤I)碱提超微气流碎得到的麸皮按照固液比1:1-1:20，加入浓度不高于lmol/L的碱液，20-90°C下浸泡O. 1-20小时；2)将碱提产物进行固液分离获得液体与固形物；3)酸沉将经步骤2)分离得到的液体加酸进行沉淀，洗涤沉淀物；4)干燥沉淀物干燥处理获得小麦麸皮蛋白；步骤I)中固液比1:1-1:20即指固体与液体的混合重量体积比例为lg固体1ml液体-Ig固体20ml液体。所述固液比优选1:6-1:12，具体可选1:6，1:8，1:10，1:12。所述碱浓度优选O. 01-0. lmol/L,更优选 O. 03-0. 07mol/L,具体可选 O. 03mol/L,O.04mol/L,O. 05mol/L,O. 06mol/L。所述碱液可为碱提中常用碱液，包含但不限于氢氧化钠。所述碱提温度优选30-70 V，具体可选30°C，40 V，50°C，60 V，70°C。所述碱提时间优选O. 5-8小时，更优选1-6小时，具体可选O. 5，1，2，3，4，5，7小时；步骤2)中固液分离的方式可采用常规方法。一般可采用离心分离。在5000-10000转/分钟离心1-20分钟的离心条件下，即可实现碱提产物的固液分离。步骤3)中，酸沉可采用常规碱提酸沉法提取小麦麸皮中蛋白的酸沉方法。具体的，可在步骤2)分离得到的液体中滴加稀酸进行沉淀。所述稀酸可选自各种常规稀酸水溶液，优选稀盐酸和稀硫酸水溶液等。所述酸沉中的终点pH优选4. 5-5. 5。较佳的，酸沉中产生的废水可用于步骤3。步骤4)中，沉淀物可采用气流干燥。 干燥后的沉淀物还可进一步粉碎获得小麦麸皮蛋白粉。
步骤C中，碱提酸沉法提取小麦麸皮蛋白后的残渣是指小麦麸皮经碱提步骤后固液分离获得的固形物。所述水解用水可以是普通工业用水和/或碱法提取小麦麸皮蛋白时酸沉产生的废水。所述总糖重量体积百分比浓度是指水解后，水解液中所有葡萄糖和木糖的总重量在水解液中的重量体积百分比浓度。加入的高温淀粉酶、糖化酶、纤维素酶、木聚糖酶和β -葡萄糖苷酶可对残渣中的淀粉、纤维素、半纤维素进行全水解，得到的水解液主要含有己糖和戊糖。较佳的，所用各种酶用量为高温淀粉酶10_50IU/g物料，优选15_50IU/g物料；
糖化酶100_300IU/g 物料，优选 150_300IU/g 物料；纤维素酶10_30IU/g物料，优选15_30IU/g物料；木聚糖酶O. 1-1. 0IU/g物料；β -葡萄糖苷酶I. 0-10. 0IU/g物料，优选2. O-lOIU/g物料。物料重量以小麦麸皮的重量计。水解条件为温度50-55°C，时间36-60小时较佳为40_60小时，pH 5. 0-5. 5。步骤D中，步骤D 所述发酵菌株包含但不限于 NCMB8052，CICC8016, CICC8008。NCIMB8052可自英国食品工业与海洋细菌菌种保藏中心(NCMB)购买获得，CICC8016, CICC8008可自中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)购买获得。所述水解液发酵前需要添加营养物，包含但不限于硫酸铵、醋酸铵、氯化铵中的一种或多种。所述营养物质的添加量以铵根离子(NH4+)计，一般为O. 01-0. 08mol/L水解液，较佳为O. 02-0. 05mol/L水解液。优选的，所述发酵温度35-38 °C。优选的，所述发酵时间为40-55小时。步骤E中，可采用常规方法，如精馏的方法从发酵液中分离出丙酮、丁醇及乙醇。进一步的，发酵液分离出丙酮、丁醇及乙醇后的废醪，可进一步进行固液分离，固体用于制备饲料，液体用于制备沼气、沼液及沼渣。以上各步骤所述及的优选条件可以任意组配。本发明应用超微气流粉碎技术提高小麦麸皮中的蛋白提取率以及碳水化合物(淀粉、纤维素、半纤维素等)的水解率；本发明进一步应用多酶协同酶解小麦麸皮中的碳水化合物，以提高可发酵糖浓度，最终提高丙酮丁醇发酵产量。本发明的方法，在小麦麸皮提取蛋白后，残渣全水解发酵丙酮、丁醇及乙醇，充分利用麸皮中的残留淀粉，以及纤维素、半纤维素等非淀粉质多糖，不仅提高了小麦麸皮的综合利用价值，而且为丙酮丁醇发酵提供了一种更廉价的原料，实现了小麦麸皮蛋白提取、麸皮全水解、丙酮丁醇发酵联合开发。
图I显示为本发明实施例的工艺流程图。
具体实施例方式以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式
加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或
>J-U ρ α装直。此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后 还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。实施例列举的经超微气流粉碎后提取小麦麸皮蛋白并联产丙酮丁醇的方法流程如图I所示，包括将小麦麸皮经过超微气流粉碎至粒径为500-4000目，按照固液比1:6-1:12称取小麦麸皮，加入到O. 01-0. lmol/L的氢氧化钠溶液中，30_70°C浸泡O. 5-8小时，离心，取清液酸沉蛋白，再离心并洗涤得蛋白固体，干燥粉碎得蛋白粉；碱提蛋白后的残渣按照全水解后总糖浓度4-6%加水混合，分别加入高温淀粉酶、糖化酶、纤维素酶、木聚糖酶、葡萄糖苷酶对淀粉、纤维素、半纤维素全水解，得到含己糖和戊糖的水解液；水解液接种并于35-38°C下厌氧培养40-50小时，发酵结束分析产物浓度。实施例I称取经超微气流粉碎至粒径为500目的小麦麸皮10克，加入到60ml、0. 03mol/L氢氧化钠溶液中，70°C浸泡O. 5小时，8000转/分钟离心10分钟，取清液酸沉至终点pH4. 5，再离心并洗涤得蛋白固体，50°C气流干燥粉碎得到蛋白粉。碱提蛋白后的残渣加提取蛋白后的废水，调节pH至5. 5，分别加入高温淀粉酶15IU/g物料、糖化酶150IU/g物料、纤维素酶25IU/g物料、木聚糖酶O. lIU/g物料、β -葡萄糖苷酶2. 0IU/g物料50°C下全水解40小时，对淀粉、纤维素、半纤维素进行全水解，得到含葡萄糖和木糖共计36. 21g/L的水解液；水解液中添加O. 02mol/L醋酸铵，接NCIMB8052，在37°C下厌氧培养48小时。所得小麦麸皮蛋白蛋白提取率37. 67% (小麦麸皮蛋白提取率％=提取的蛋白质量*蛋白纯度*100%/(小麦麸皮质量*麸皮中蛋白含量))，纯度83. 71% ;发酵产物丁醇6. 29g/L，总溶剂8. 99g/L (发酵产物共计250ml)，残留葡萄糖2.01g/L，木糖6. 97g/L。(总溶剂为丁醇、丙酮、乙醇三者之和，总溶剂含量8. 99g/L是指IL发酵液中所含丁醇、丙酮、乙醇的总量为8. 99g)。实施例2称取经超微气流粉碎至粒径为1000目的小麦麸皮10克，加入到80ml，O. 04mol/L氢氧化钠溶液中，60°C浸泡I小时，8000转/分钟离心10分钟，取清液酸沉至终点pH5. O,再离心并洗涤得蛋白固体，50°C气流干燥粉碎得到蛋白粉。碱提蛋白后的残渣加提取蛋白后的废水，加高温淀粉酶20IU/g物料、糖化酶250IU/g物料、纤维素酶25IU/g物料、木聚糖酶O. 3IU/g物料、β -葡萄糖苷酶5. 0IU/g物料50°C下全水解48小时，对淀粉、纤维素、半纤维素全水解，得到含葡萄糖和木糖共计36. 15g/L的水解液；得到的水解液添加O. 03mol/L硫酸铵后接NCIMB8052在36°C下厌氧培养50小时，发酵结束分析检测发酵产物浓度；所得 小麦麸皮蛋白蛋白纯度82. 65%，提取率45. 77% ;发酵产物丁醇6. 54g/L，总溶剂9. 39g/L(发酵产物共计250ml)，残留葡萄糖O. 07g/L，木糖4. 93g/L。实施例3称取经超微气流粉碎至粒径为2500目的小麦麸皮10克，加入到100ml、0. 05mol/L氢氧化钠溶液中，50°C浸泡2小时，8000转/分钟离心10分钟，取清液酸沉至终点pH5. 5，再离心并洗涤得蛋白固体，50°C气流干燥粉碎得到蛋白粉。碱提蛋白后的残渣加提取蛋白后的废水，调节PH至5. 0，分别加高温淀粉酶30IU/g物料、糖化酶300IU/g物料、纤维素酶20IU/g物料、木聚糖酶O. 5IU/g物料、β -葡萄糖苷酶8. 0IU/g物料55°C下全水解55小时，对淀粉、纤维素、半纤维素进行全水解，得到含葡萄糖和木糖共计46. 73g/L的水解液；水解液补加O. 05mol/L硫酸铵后，接NCMB8052，在38°C下厌氧培养42小时。所得小麦麸皮蛋白蛋白提取率52. 95%，纯度80. 52% ;发酵产物丁醇9. 22g/L，总溶剂13. 17g/L(发酵产物共计250ml)，残留葡萄糖2. 15g/L，木糖4. 68g/L。实施例4称取经超微气流粉碎至粒径为3000目的小麦麸皮10克，加入到120ml、0. 06mol/L氢氧化钠溶液中，40°C浸泡5小时，8000转/分钟离心10分钟，取清液酸沉至终点pH5. 0，再离心并洗涤得蛋白固体，50°C气流干燥粉碎得到蛋白粉。碱提蛋白后的残渣加提取蛋白后的废水，调节PH至5. 0，分别加高温淀粉酶40IU/g物料、糖化酶150IU/g物料、纤维素酶15IU/g物料、木聚糖酶O. 8IU/g物料、β -葡萄糖苷酶10. 0IU/g物料50°C下全水解60小时，对淀粉、纤维素、半纤维素进行全水解，得到含葡萄糖和木糖共计46. 85g/L的水解液；水解液添加O. 07mol/L氯化铵，接NCMB8052，在35°C下厌氧培养55小时。所得小麦麸皮蛋白蛋白提取率56. 62%，纯度80. 58% ;发酵产物丁醇8. 73g/L，总溶剂12. 27g/L(发酵产物共计250ml)，残留葡萄糖O. 45g/L，木糖5. 45g/L。实施例5称取经超微气流粉碎至粒径为4000目的小麦麸皮10克，加入到120ml、0. 07mol/L氢氧化钠溶液中，30°C浸泡6小时，8000转/分钟离心10分钟，取清液酸沉至终点pH5. 0，再离心并洗涤得蛋白固体，50°C气流干燥粉碎得到蛋白粉。碱提蛋白后的残渣加普通工业用水，调节PH至5. 0，分别加高温淀粉酶50IU/g物料、糖化酶200IU/g物料、纤维素酶30IU/g物料、木聚糖酶1.0IU/g物料、β-葡萄糖苷酶8.0IU/g物料55°C下全水解55小时，对淀粉、纤维素、半纤维素进行全水解，得到含葡萄糖和木糖共计46. 73g/L的水解液；水解液添加0.08mol/L醋酸铵，接CICC8016，在37°C下厌氧培养48小时。所得小麦麸皮蛋白蛋白提取率51. 51%，纯度77. 23% ;发酵产物丁醇7. 35g/L，总溶剂12. 25g/L (发酵产物共计250ml),残留葡萄糖 O. 56g/L,木糖 11. 30g/L。对比例称取普通粉碎的麸皮10克小麦麸皮加入到60ml，0. 03mol/L氢氧化钠溶液中，70°C浸泡O. 5小时，8000转/分钟离心10分钟，取清液酸沉至终点pH4. 5，再离心并洗涤得蛋白固体，50°C气流干燥粉碎得到蛋白粉。碱提蛋白后的残渣加提取蛋白后的废水，调节pH至5. 5，分别加入高温淀粉酶15IU/g物料、糖化酶150IU/g物料、纤维素酶25IU/g物料、木聚糖酶O. lIU/g物料、β -葡萄糖苷酶2. 0IU/g物料，50°C下全水解40小时，对淀粉、纤 维素、半纤维素进行全水解，得到含葡萄糖和木糖共计33. 15g/L的水解液；水解液中添加
O.02mol/L醋酸铵，接NCMB8052，在37°C下厌氧培养48小时。所得小麦麸皮蛋白提取率34. 58%，蛋白纯度78. 71% ;发酵产物丁醇3. 87g/L，总溶剂4. 70g/L(发酵产物共计250ml )，残留葡萄糖14. 01g/L，木糖7. 12g/L。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
权利要求
1.一种小麦麸皮提取蛋白并全水解发酵生产丙酮、丁醇及乙醇的方法，包括如下步骤 A.超微气流粉碎小麦麸皮经超微气流粉碎至粒径为500-4000目； B.碱提酸沉法提取小麦麸皮蛋白； C.全水解碱提酸沉法提取小麦麸皮蛋白后的残渣按照水解后总糖重量体积百分比浓度为4-6%加水混合，加入高温淀粉酶、糖化酶、纤维素酶、木聚糖酶和3 -葡萄糖苷酶对残渣中的淀粉、纤维素、半纤维素进行全水解，得到水解液； D.发酵水解液接种丙酮丁醇梭菌，33-38°C厌氧培养35-55小时获得发酵产物； E.从发酵后的水解液中分离丙酮、丁醇及乙醇。
2.如权利要求I所述小麦麸皮提取蛋白并全水解发酵生产丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，在步骤A中，小麦麸皮经超微气流粉碎至粒径为2000-4000目。
3.如权利要求I所述小麦麸皮提取蛋白并全水解发酵生产丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，在步骤B中，所述碱提酸沉法提取小麦麸皮蛋白包括下列步骤 1)碱提超微气流粉碎得到的麸皮按照固液比1:1-1:20，加入浓度不高于lmol/L的碱液，20-90°C下浸泡0. 1-20小时； 2)将碱提产物进行固液分离获得液体与固形物； 3)酸沉将经步骤2)分离得到的液体加酸进行沉淀，洗涤沉淀物； 4)干燥沉淀物干燥处理获得小麦麸皮蛋白。
4.如权利要求3所述小麦麸皮提取蛋白并全水解发酵生产丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，步骤I)中，所述固液比为1:6-1:12 ;所述碱浓度为0. 01-0. lmol/L ;碱提温度为30-70°C ;所述碱提时间为0. 5-8小时。
5.如权利要求4所述小麦麸皮提取蛋白并全水解发酵生产丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，步骤I)中，所述碱浓度为0. 03-0. 07mol/L，所述碱提时间为1_6小时。
6.如权利要求3所述小麦麸皮提取蛋白并全水解发酵生产丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，步骤3)中，酸沉的终点pH为4. 5-5. 5。
7.如权利要求I所述小麦麸皮提取蛋白并全水解发酵生产丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，步骤C中，全水解所用的水为普通工业用水和/或碱提酸沉法提取小麦麸皮蛋白时酸沉产生的废水。
8.如权利要求I所述小麦麸皮提取蛋白并全水解发酵生产丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，步骤C中，所用各种酶用量为 高温淀粉酶10_50IU/g物料； 糖化酶100-300IU/g物料； 纤维素酶10_30IU/g物料； 木聚糖酶0. 1-1. 0IU/g物料； ^ -葡萄糖苷酶I. 0-10. 0IU/g物料， 物料重量以小麦麸皮的重量计。
9.如权利要求I所述小麦麸皮提取蛋白并全水解发酵生产丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，步骤C中，水解条件为温度50-55°C，时间36-60小时。
10.如权利要求I所述小麦麸皮提取蛋白并全水解发酵生产丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，步骤D中，所述丙酮丁醇梭菌选自NCMB8052，CICC8016和CICC8008。
11.如权利要求I所述小麦麸皮提取蛋白并全水解发酵生产丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，步骤D中，所述水解液发酵前要添加营养物，所述营养物选自硫酸铵、醋酸铵、氯化铵中的一种或多种。
12.如权利要求11所述小麦麸皮提取蛋白并全水解发酵生产丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，所述营养物质的添加量以铵根离子计，为0. 01-0. 08mol/L水解液。
13.如权利要求I所述小麦麸皮提取蛋白并全水解发酵生产丙酮、丁醇及乙醇的方法，其特征在于，步骤D中，所述发酵温度35-38°C，发酵时间为40-55小时。
全文摘要
本发明公开了一种小麦麸皮提取蛋白并全水解发酵生产丙酮、丁醇及乙醇的方法，包括(1)小麦麸皮经超微气流粉碎至粒径为500-4000目；(2)碱法提取小麦麸皮蛋白；(3)碱法提取小麦麸皮蛋白后的残渣加入水和酶，全水解得到水解液；(4)水解液接种丙酮丁醇梭菌发酵获得发酵产物；(5)从发酵后的水解液中分离丙酮、丁醇及乙醇。本发明可应用于工业上大规模提取小麦麸皮蛋白并联产丙酮丁醇，不仅提高了麸皮的综合利用价值，也为丙酮丁醇发酵开发了一种廉价原料。
文档编号C12R1/145GK102766192SQ20121027158
公开日2012年11月7日 申请日期2012年8月1日 优先权日2012年8月1日
发明者刘莉, 史吉平, 姜标, 孙俊松, 林增祥, 沈兆兵, 王建平 申请人:上海中科高等研究院