大豆秸秆生物发酵制取L-乳酸的研究

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农作物秸秆是潜在的、丰富的可再生资源,其深加工及资源化利用对促进农业的发展、保护环境等具有重要的意义.本论文首次以大豆秸秆为原料,采用生物发酵制取有广泛用途的L.乳酸,对工艺条件进行了优化,并对其发酵动力学进行了探讨.通过SEM、XRD、IR分析了预处理及酶水解前后大豆秸秆的表面形貌、结晶度及化学结构变化,采用氨基酸分析仪及蛋白质分析仪对酶解前后大豆秸秆的氨基酸成分进行了分析,使用HPLC法分析了酶解液和发酵液中还原糖和有机酸的种类及含量,利用旋光法及分光光度法检测了L.乳酸的纯度,大豆秸秆经过预处理、酶水解、L一乳酸发酵及纯化得到含量为80%,光学纯度为96%的L.乳酸.提出了粉碎结合氨水浸泡对大豆秸秆进行预处理的方法.在单因素试验的基础上优化了纤维素酶制剂水解大豆秸秆工艺,在底物浓度5mass%,加酶量50IU/g(秸秆),温度50℃,pH值4.8,时间36h的条件下酶解率达到26%.研究表明酶解液的主要成分为葡萄糖、木糖及纤维二糖,三种糖的比例分别为68%、21%和11%,较高的葡萄糖含量有利于后续乳酸菌发酵.以大豆秸秆为原料,利用康氏木霉固态发酵产纤维素酶,并用所产纤维素酶对大豆秸秆进行了酶解.实验发现康氏木霉具有较高的产纤维素酶活性,所产纤维素酶活力最高达799IU/mL.康氏木霉所产纤维素酶降解大豆秸秆,酶解率达到19%.研究表明大豆秸秆的酶解为多酶协同作用机制,酶解过程中纤维素及半纤维素同时发生降解,酶解过程纤维素降解规律符合Ghose一级反应动力学方程.确立了由大豆秸秆酶解产物发酵制取L.乳酸的工艺,实验发现乳酸菌固定化后产酸能力提高,并可连续发酵10次以上且产酸稳定,L一乳酸的转化率和产酸率分别可达到83%和80%.研究发现大豆秸秆酶解液成分中葡萄糖可为干酪乳杆菌完全利用,木糖及纤维二糖只能部分被利用.大豆秸秆酶解液L-乳酸发酵的细胞增长及L-乳酸生成的动力学方程的分析表明,乳酸菌细胞增长规律符合Monod动力学方程,游离细胞及固定化细胞生长与L-乳酸生成的关联关系符合混合生长偶联型Gaden动力学方程,由实验数据拟合确定了大豆秸秆酶解液游离及固定化干酪乳杆菌发酵过程细胞增长及L-乳酸生成的动力学方程.
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