大豆秸秆生物发酵制取L-乳酸的研究

摘要

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.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题研究的目的及意义

1.2农作物秸秆资源化技术国内外研究现状

1.2.1农作物秸秆的性质及预处理

1.2.2农作物秸秆的酶水解

1.2.3农作物秸秆的资源化利用

1.3乳酸制备的国内外研究现状

1.3.1乳酸的结构与性质

1.3.2乳酸的制取方法

1.3.3乳酸菌发酵法制取乳酸

1.3.4乳酸的供需情况及应用研究

1.3.5乳酸菌发酵法制取乳酸存在的问题及本文的主要研究内容

第2章实验材料与实验方法

2.1实验材料与设备

2.1.1实验材料与试剂

2.1.2实验设备及分析检测仪器

2.2实验方法

2.2.1实验流程

2.2.2大豆秸秆的预处理及酶水解方法

2.2.3大豆秸秆固体发酵培养方法

2.2.4乳酸菌的培养方法

2.2.5乳酸茵的固定化方法

2.3分析评价方法

2.3.1大豆秸秆结构与成分分析

2.3.2还原糖和有机酸含量及转化率测定

2.3.3乳酸菌数及细胞浓度测定

2.3.4大豆秸秆酶水解率及L-乳酸产率的测定

第3章大豆秸秆预处理及纤维素酶制剂降解研究

3.1大豆秸秆预处理条件的研究

3.1.1大豆秸秆成分分析

3.1.2不同预处理试剂对大豆秸秆成分的影响

3.1.3预处理条件对大豆秸秆酶解效果的影响

3.2预处理前后大豆秸秆的结构表征

3.2.1预处理对大豆秸秆化学结构的影响

3.2.2预处理对大豆秸秆结晶度的影响

3.2.3预处理对大豆秸秆表面形貌的影响

3.3纤维素酶制剂水解大豆秸秆的工艺条件优化

3.3.1纤维素酶制剂水解大豆秸秆的单因素条件初选

3.3.2纤维素酶制剂水解大豆秸秆的优化条件确定

3.4大豆秸秆酶解后的性能变化及水解产物的分析

3.4.1酶解后大豆秸秆的化学成分的变化

3.4.2酶解后大豆秸秆氨基酸营养成分的变化

3.4.3酶解后大豆秸秆表面形貌的变化

3.4.4酶解液中水解产物的分析

3.4.5纤维素酶的特性研究

3.5本章小结

第4章固态发酵法制取纤维素酶及酶解条件研究

4.1固态发酵制取纤维素酶的工艺条件研究

4.1.1产纤维素酶菌种的筛选

4.1.2固态发酵工艺条件对康氏木霉产酶的影响

4.1.3固态发酵后大豆秸秆的化学组成的变化

4.1.4康氏木霉固态发酵产酶特性的探讨

4.2固态发酵所产纤维素酶对大豆秸秆酶解的研究

4.2.1酶解时间及pH值对大豆秸秆酶水解的影响

4.2.2酶解温度及酶用量对大豆秸秆酶水解的影响

4.2.3酶解后大豆秸秆氨基酸营养成分的变化

4.2.4酶解后大豆秸秆表面形貌的变化

4.2.5酶解液中水解产物的分析

4.3纤维素酶制剂与康氏木霉所产纤维素酶酶解效果的比较

4.4纤维素酶的酶解机制

4.5本章小结

第5章大豆秸秆酶解液发酵制取L-乳酸的研究

5.1游离及固定化乳酸发酵的工艺研究

5.1.1不同乳酸菌种发酵产乳酸的比较研究

5.1.2乳酸菌种固定化试剂的筛选

5.1.3固定化乳酸菌的增殖

5.2游离与固定化乳酸菌发酵影响因素

5.2.1培养温度对游离及固定化乳酸菌发酵的影响

5.2.2接种量对游离及固定化乳酸菌发酵的影响

5.2.3 pH值对游离及固定化乳酸菌发酵的影响

5.2.4底物浓度对游离及固定化乳酸菌发酵的影响

5.2.5凝胶粒径对固定化乳酸菌发酵的影响

5.2.6固定化乳酸菌的多次循环发酵

5.3游离乳酸菌发酵与固定化乳酸茵发酵的比较

5.3.1游离与固定化乳酸发酵效果的比较

5.3.2固定化乳酸菌发酵的原理及优势

5.4发酵液中L-乳酸的提取及活性炭脱色工艺研究

5.4.1 L-乳酸溶液活性炭脱色优化条件的确定

5.4.2活性碳脱色后L-乳酸的纯度与结构分析

5.4.3四种作物秸秆酶解及L-乳酸发酵的比较

5.5本章小结

第6章大豆秸秆酶解液乳酸发酵过程动力学研究

6.1 L-乳酸发酵过程动力学分析

6.1.1干酪乳杆菌发酵混合纯糖过程分析

6.1.2干酪乳杆菌发酵大豆秸秆酶解液过程分析

6.2干酪乳杆菌细胞增长动力学研究

6.2.1乳酸菌细胞增长过程动力学方程

6.2.2干酪乳杆菌细胞浓度的测定

6.2.3干酪乳杆菌发酵过程动力学参数的推导

6.3干酪乳杆菌发酵生成L-乳酸动力学研究

6.3.1乳酸生成动力学方程

6.3.2干酪乳杆菌细胞增长与L-乳酸生成的关系

6.3.3干酪乳杆菌发酵生成L-乳酸动力学方程的确立

6.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士期间发表的论文及申请的专利

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历