專利名稱：一種蒸汽爆破與微生物發(fā)酵聯(lián)合處理秸稈的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種秸稈的處理方法，具體涉及一種蒸汽爆破與微生物發(fā)酵聯(lián)合處理 秸稈的方法。
背景技術(shù)：
國內(nèi)外大量的研究證實(shí)，利用生物技術(shù)來充分地挖掘和利用農(nóng)作物秸桿的潛在價 值，是緩解全球糧食資源短缺的最有效手段之一。據(jù)初步估計，如果用10 20%的生物發(fā) 酵秸桿來替代谷物類糧食用于養(yǎng)豬業(yè)生產(chǎn)，全國每年就可節(jié)省糧食近3000 5000萬噸，可 完全解決我國每年3000萬噸谷物類飼料糧食的缺口問題，具有特別重要社會和經(jīng)濟(jì)意義。秸稈的主要成分為粗纖維，包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，而纖維素大分子的高 度聚合和結(jié)晶性以及半纖維素、木質(zhì)素與其交互纏繞的保護(hù)作用，使得利用傳統(tǒng)的水解和 生物發(fā)酵等方法來降解粗纖維，效率較低。目前，秸稈的預(yù)處理方法有物理、化學(xué)、生物及多 種處理相結(jié)合的處理方法。生物預(yù)處理方法因能夠提高秸稈的利用效率且不會對環(huán)境造成 污染，越來越受到人們的重視，但是其也存在著缺點(diǎn)即生物轉(zhuǎn)化效率較低。傳統(tǒng)的物理處 理采用減少木質(zhì)纖維素尺寸和晶體結(jié)構(gòu)來增加特定的表面積和降低纖維的聚合度，一般需 要較多的能耗。目前在物理處理方面，蒸汽爆破預(yù)處理是一種革新的最有前景的預(yù)處理方 法，其利用飽和水蒸汽將秸稈原料加熱至一定的壓力，高壓蒸汽滲入纖維內(nèi)部，以氣流的方 式從封閉的孔隙中釋放出來，使纖維發(fā)生一定的機(jī)械斷裂，然后驟然減壓至大氣壓對秸稈 進(jìn)行預(yù)處理的一種物理手段。如可以在爆破過程中用160°C ^0°C飽和水蒸汽將秸稈加 熱至0. 69 4. 83MPa，作用時間為幾秒到幾分鐘，然后驟然減壓至大氣壓，在爆破的過程中 使纖維素從復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中分離出來，縮短了纖維的長度，有利于后續(xù)纖維素酶對纖維素的 進(jìn)攻，使纖維更容易受到酶和微生物的作用，規(guī)模化的生產(chǎn)可以大大節(jié)省能耗和成本。但是 目前國內(nèi)外將秸稈的爆破技術(shù)應(yīng)用到動物飼料生產(chǎn)方面的研究較少。堿預(yù)處理可以在常溫 下進(jìn)行，并且有效地降低秸稈中的木質(zhì)素含量，但在處理的過程中會造成部分可發(fā)酵糖的 損失。酸處理可以降解木質(zhì)纖維原料中的半纖維素，使纖維素更容易被微生物利用，但高濃 度的酸堿在實(shí)際生產(chǎn)中增加了回收的成本，不適合工業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)。本研究綜合考慮生物和物理學(xué)處理方法，對秸稈先進(jìn)行爆破處理再進(jìn)行微生物發(fā) 酵，篩選出一種經(jīng)濟(jì)有效，安全可行的秸稈預(yù)處理方法，為秸稈資源的規(guī)?；_發(fā)及在畜牧 業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種蒸汽爆破與微生物發(fā)酵聯(lián)合處理秸稈的方法，利用該方 法得到的發(fā)酵秸稈中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量低，濾紙?zhí)敲?、CMC酶、淀粉酶和蛋白酶 活力高。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種蒸汽爆破與微生物發(fā)酵聯(lián)合處理秸稈的方法，其包括如下步驟①秸稈蒸汽爆破預(yù)處理將粉碎過10 20目篩、含水率<15wt%的秸稈進(jìn)行蒸汽爆破 處理，然后將其自然晾干得爆破秸稈；
②制備米曲霉/康氏木霉種子液將米曲霉或康氏木霉接種到由PDA培養(yǎng)基制成的培 養(yǎng)皿中，觀 32°C靜止培養(yǎng)3 5d，孢子成熟后用滅菌生理鹽水沖洗培養(yǎng)皿，將培養(yǎng)皿中的 孢子轉(zhuǎn)移至滅菌三角瓶中，配制濃度1 X IO6 IO8個/mL的孢子懸液，即為孢子種子液；所 述的PDA培養(yǎng)基預(yù)先于121°C、0. 15MI^壓力下滅菌處理15min，然后在無菌條件下制成含 15 20 mL PDA培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿；
③微生物發(fā)酵取18g爆破秸稈與2g麩皮、30mL礦物元素營養(yǎng)液混合均勻，用Ca(OH)2 調(diào)至PH為7. 0，然后在121°C、0. 15MPa壓力下滅菌15min得固體發(fā)酵培養(yǎng)基；按2 4%(體 積/質(zhì)量百分比)的接種量將孢子種子液接種于固體發(fā)酵培養(yǎng)基中，28 32°C培養(yǎng)5 7d。實(shí)驗(yàn)所用的米曲霉和康氏木霉購自中國科學(xué)院微生物研究所，并由河南農(nóng)業(yè) 大學(xué)動物營養(yǎng)與生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室保藏。所述秸稈可以為麥秸或玉米秸稈等。步驟①中蒸汽爆破處理為在蒸汽壓力1. 8 2. 5MPa的條件下，保壓200 MOs 后釋放壓力。步驟②中PDA培養(yǎng)基的組分為可溶性淀粉6 g、蛋白胨5 g、酵母2 g、葡萄糖20 g、KH2PO4 2 g、MgSO4 · 7H20 0. 3 g、瓊脂粉 20 g、蒸餾水 1000 mL。步驟③中礦物元素營養(yǎng)液的組分為(NH4)2SO4 1.4 g、KH2PO4 2.0 g、MgSO4 0.3 g、CaCl2 0. 3 g、NaCl 0. 5 g、FeSO4 5. 0 mg、MnSO4 1. 6 mg、ZnCl2 1. 7 mg、CoCl2 2. 0 mg、蒸 餾水 1000 mL。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明首先利用蒸汽爆破的方法(采用的蒸汽爆破裝置爆破脈沖寬度僅為0. 00875 S， 瞬間釋放高密度能量完成爆破以破壞秸稈的結(jié)構(gòu))，使秸桿中的木質(zhì)素和纖維素得到疏松 和部分降解，使微生物更易發(fā)揮作用；然后利用能夠分泌高活力纖維素酶的微生物進(jìn)行聯(lián) 合培養(yǎng)，使秸桿中的木質(zhì)素和纖維素同時降解，從而達(dá)到徹底降解秸稈的目的。采用本方法 處理得到的秸桿除含有大量易消化碳水化合物外，還含有大量的消化酶類(如纖維素酶、蛋 白酶和淀粉酶等)。當(dāng)秸稈經(jīng)爆破和米曲酶發(fā)酵處理5 6d后，纖維素和半纖維素的含量分 別比原始秸稈降低了 27. 89%和64. 80%，濾紙?zhí)敲浮MC酶、淀粉酶和蛋白酶活力分別可以達(dá) 到335. 10、1138. 92,32. 57和201. 99 U/g，因此，處理后的秸稈不僅是食草動物的好飼料， 也可作為豬禽的飼料資源，這對于解決人畜爭糧問題和緩解我國乃至世界的糧食短缺具有 特別重要的意義。此外，該方法經(jīng)濟(jì)有效，安全可行，為秸稈資源的規(guī)模化開發(fā)及在畜牧業(yè) 生產(chǎn)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。說明書附圖


圖1為葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線；
圖2爆破秸稈+米曲霉組發(fā)酵過程中酶活隨時間的變化； 圖3爆破秸稈+米曲霉組發(fā)酵過程中可溶性糖含量隨時間的變化。
具體實(shí)施例方式以下通過實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此。
試驗(yàn)材料玉米秸稈來自于河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部能源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)粉碎機(jī) 粉碎后，過10 20目篩備用。試驗(yàn)設(shè)備秸稈蒸汽爆破機(jī)QB-200 由河南省鶴壁市正道重機(jī)廠生產(chǎn)，最高蒸汽 壓力可達(dá)6 MPa，加熱功率為8 kW，有效爆腔容積為0.405 L。該汽爆臺采用氣彈技術(shù)，可以 在0.00875 S內(nèi)完成壓力釋放，不同于過去所謂的汽爆方式(膨化和熱噴)，實(shí)現(xiàn)了真正意義 上的爆破。實(shí)施例1 (以玉米秸稈為例，對本發(fā)明方法進(jìn)行詳細(xì)說明)
一種蒸汽爆破與微生物發(fā)酵聯(lián)合處理秸稈的方法，其包括如下步驟
①秸稈蒸汽爆破預(yù)處理將粉碎過20目篩、含水率10wt%的玉米秸稈在蒸汽壓力2.5 Mpa條件下，保壓200 S后釋放壓力，進(jìn)行蒸汽爆破處理，處理后的秸稈自然晾曬至含水率 ^ 10wt%得爆破秸稈，備用；
②制備米曲霉種子液將米曲霉接種到由PDA培養(yǎng)基制成的培養(yǎng)皿中，30°C靜止培養(yǎng) 3d，孢子成熟后用滅菌生理鹽水沖洗培養(yǎng)皿，將培養(yǎng)皿中的孢子轉(zhuǎn)移至滅菌三角瓶中，配制 濃度IX IO6個/mL的孢子懸液，即為孢子種子液；所述PDA培養(yǎng)基預(yù)先于121°C、0. 15MPa 壓力下滅菌處理15min，然后在無菌條件下制成含20mL PDA培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿；所述PDA培 養(yǎng)基組分為可溶性淀粉6 g、蛋白胨5 g、酵母2 g、葡萄糖20 g、KH2P042 g, MgSO4 · 7H20 0. 3 g、瓊脂粉20 g、蒸餾水1000 mL ；
③米曲霉發(fā)酵在500mL的三角瓶中加入18g爆破秸稈、2 g麩皮和30 mL礦物元素 營養(yǎng)液(組分為(NH4)2SO4 1. 4 g、KH2PO4 2. 0 g、MgSO4 0. 3 g、CaCl2 0. 3 g、NaCl 0. 5 g、 FeSO4 5. 0 mg、MnSO4 1. 6 mg、ZnCl2 1. 7 mg、CoCl2 2. 0 mg、蒸溜水 1000 mL)，混合均勻后， 用Ca (OH) 2調(diào)至pH為7. 0，然后于121°C、0. 15MPa壓力下滅菌15min得固體發(fā)酵培養(yǎng)基；按 4% (體積/質(zhì)量百分比)的接種量將孢子種子液接種于固體發(fā)酵培養(yǎng)基中，在30°C的恒溫 培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)。第一次間隔Mh，之后每間隔4 從培養(yǎng)箱中取發(fā)酵的玉米秸稈樣品進(jìn) 行相關(guān)指標(biāo)的測定。由指標(biāo)測定結(jié)果可知，一般培養(yǎng)5 7d就可以取得較好的處理效果。實(shí)施例2
參照實(shí)施例1，不同之處為用康氏木霉替代米曲霉進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn)。實(shí)施例3
一種蒸汽爆破與微生物發(fā)酵聯(lián)合處理秸稈的方法，其包括如下步驟
①秸稈蒸汽爆破預(yù)處理將粉碎過10目篩、含水率15wt%的秸稈在蒸汽壓力1.SMPa的 條件下，保壓MOs后釋放壓力，進(jìn)行蒸汽爆破處理，然后將其自然晾曬至含水率為15wt%得 爆破秸稈，備用；
②制備康氏木霉種子液將康氏木霉接種到由PDA培養(yǎng)基制成的培養(yǎng)皿中二8°C靜止 培養(yǎng)5d，孢子成熟后用滅菌生理鹽水沖洗培養(yǎng)皿，將培養(yǎng)皿中的孢子轉(zhuǎn)移至滅菌三角瓶中， 配制濃度1 X IO8個/mL的孢子懸液，即為孢子種子液；所述的PDA培養(yǎng)基預(yù)先于121°C、 0. 15MPa壓力下滅菌處理15min，然后在無菌條件下制成含15 mL PDA培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿； 所述PDA培養(yǎng)基組分為可溶性淀粉6 g、蛋白胨5 g、酵母2 g、葡萄糖20 g、KH2P042 g、 MgSO4 · 7H20 0. 3 g、瓊脂粉 20 g、蒸餾水 1000 mL ；
③康氏木霉發(fā)酵取18g爆破秸稈與2g麩皮、30mL礦物元素營養(yǎng)液混合均勻，用 Ca (OH)2調(diào)至pH為7. 0，然后在121°C、0. 15ΜΙ^壓力下滅菌15min得固體發(fā)酵培養(yǎng)基；按洲(體積/質(zhì)量百分比)的接種量將孢子種子液接種于固體發(fā)酵培養(yǎng)基中，28°C培養(yǎng)5 7d即可。使用本發(fā)明方法處理所得發(fā)酵玉米秸稈的性能測定試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計與分組
試驗(yàn)共分為6組，即普通秸稈組、爆破秸稈組、普通秸稈+米曲霉組、普通秸稈+康氏木 霉組、爆破秸稈+米曲霉組和爆破秸稈+康氏木霉組。每組6個重復(fù)，各組接種后在30°C的 恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，第一次間隔Mh，之后每間隔4 從培養(yǎng)箱中取部分發(fā)酵秸稈樣品 進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測定。
表1試驗(yàn)分組及各組所釆用的處理方法
權(quán)利要求
1.一種蒸汽爆破與微生物發(fā)酵聯(lián)合處理秸稈的方法，其特征在于，包括如下步驟①秸稈蒸汽爆破預(yù)處理將粉碎過10 20目篩、含水率<15wt%的秸稈進(jìn)行蒸汽爆破 處理，然后將其自然晾干得爆破秸稈；②制備米曲霉/康氏木霉種子液將米曲霉或康氏木霉接種到由PDA培養(yǎng)基制成的培 養(yǎng)皿中，觀 32°C靜止培養(yǎng)3 5d，孢子成熟后用滅菌生理鹽水沖洗培養(yǎng)皿，將培養(yǎng)皿中的 孢子轉(zhuǎn)移至滅菌三角瓶中，配制濃度1 X IO6 IO8個/mL的孢子懸液，即為孢子種子液；③微生物發(fā)酵取18g爆破秸稈與2g麩皮、30mL礦物元素營養(yǎng)液混合均勻，用Ca(OH)2 調(diào)至PH為7. 0，然后在121 °C、0. 15MPa壓力下滅菌15min得固體發(fā)酵培養(yǎng)基；按2 4%的 接種量將孢子種子液接種于固體發(fā)酵培養(yǎng)基中，28 32°C培養(yǎng)5 7d。
2.如權(quán)利要求1所述處理秸稈的方法，其特征在于，所述秸稈為麥秸或玉米秸稈。
3.如權(quán)利要求1所述處理秸稈的方法，其特征在于，所述步驟①中蒸汽爆破處理為在 蒸汽壓力1. 8 2. 5MPa的條件下，保壓200 MOs后釋放壓力。
4.如權(quán)利要求1所述處理秸稈的方法，其特征在于，所述步驟②中PDA培養(yǎng)基組分為 可溶性淀粉6 g、蛋白胨5 g、酵母2 g、葡萄糖20 g,KH2PO4 2 g、MgS04*7H20 0.3 g、瓊脂粉 20 g、蒸餾水 1000 mL。
5.如權(quán)利要求1所述處理秸稈的方法，其特征在于，所述步驟③中礦物元素營養(yǎng)液組 分為(NH4)2SO4 1. 4 g、KH2PO4 2. 0 g、MgSO4 0. 3 g、CaCl2 0. 3 g、NaCl 0. 5 g、FeSO4 5. 0 mg、MnS04 1.6 mg、ZnCl2 1.7 mg、CoCl2 2.0 mg、蒸溜水 1000 mL。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種蒸汽爆破與微生物發(fā)酵聯(lián)合處理秸稈的方法先將秸稈進(jìn)行蒸汽爆破預(yù)處理得爆破秸稈；再制備孢子種子液將米曲霉或康氏木霉接種到PDA培養(yǎng)基中28～32℃靜止培養(yǎng)3～5d，配制濃度106～108個/mL孢子種子液；最后進(jìn)行微生物發(fā)酵取18g爆破秸稈與2g麩皮、30mL礦物元素營養(yǎng)液混勻，用Ca(OH)2調(diào)至pH為7.0，在121℃、0.15MPa壓力下滅菌15min得固體發(fā)酵培養(yǎng)基a，按2～4%的接種量將孢子種子液接種于a中，28～32℃培養(yǎng)5～7d。采用該方法得到的發(fā)酵秸稈中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量低，濾紙?zhí)敲浮MC酶、淀粉酶和蛋白酶活力高。
文檔編號A23K1/14GK102077903SQ201010557419
公開日2011年6月1日 申請日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者劉俊熙, 盧敏, 尹清強(qiáng), 左瑞雨, 常娟, 鄭秋紅, 郭宏偉 申請人:河南農(nóng)業(yè)大學(xué)