一種紅薯渣快速酶解成單糖的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種紅薯渣快速酶解成單糖的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]紅薯又稱番薯、甘薯、紅苔、白薯、地瓜，現(xiàn)已廣泛栽培在全世界的熱帶、亞熱帶地區(qū)。紅薯是一年生草本植物，地下部分為圓形、橢圓形或紡錘形的塊根，塊根的形狀、皮色和肉色因品種或土壤不同而異。紅薯是我國重要的糧食作物之一，幾乎在全國各地都有分布，主要產(chǎn)區(qū)為湖南、湖北、江西、安徽以及山東等地。據(jù)統(tǒng)計，我國紅薯總產(chǎn)量達(dá)I億噸，占世界紅薯總產(chǎn)量的80%左右。紅薯渣是紅薯粉廠生產(chǎn)紅薯粉后和紅薯淀粉廠提取紅薯淀粉后的殘渣，約占鮮重的45%-60%。紅薯渣的主要成分是淀粉、纖維素及少量蛋白質(zhì)。其中淀粉和纖維素的含量分別占紅薯渣干重的36-58%和20-30%，將其降解成以葡萄糖為主的單糖，是發(fā)酵工業(yè)的良好原料。利用紅薯渣降解成單糖應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè)，可緩解發(fā)酵工業(yè)對糧食的依賴，同時可望降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)發(fā)酵工業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。
[0003]然而紅薯渣目前并沒有得到充分利用，除少部分用于生產(chǎn)膳食纖維、飼料和固體燃料外，大部分成為污染物。究其原因，主要是沒有經(jīng)濟(jì)、快速的降解方法。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上分析，雖然淀粉和纖維素都是有葡萄糖聚合而成，但它們是兩種不同的高聚物。淀粉由α糖苷鍵鏈接，而纖維素由β_1，4糖苷鍵鏈接而成，同時形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)。因此，它們酶解涉及的酶的種類和酶解條件都不一樣，淀粉酶解主要由淀粉酶和糖化酶完成，而纖維素的酶解由纖維素酶完成。目前商業(yè)化的淀粉酶和纖維素酶的酶解條件差別很大，很難將淀粉和纖維素同時降解。
[0004]極端嗜熱菌是一類可以在較高溫度下生長的微生物，所產(chǎn)生的酶具有活性高、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。其中熱解纖維素菌屬(Caldicellulosiruptor)是迄今發(fā)現(xiàn)的最耐熱的一類生物質(zhì)利用厭氧細(xì)菌，迄今，熱解纖維素菌屬已經(jīng)有 8 個種(C.saccharoIyticus, C.bescii, C.0bsidiansisC.hydrothermalis, C.krist janssonii, C.kronotskyensis, C.lactoaceticus,和C.0wensensis)在歐洲、北美洲、亞洲和澳洲等地先后被發(fā)現(xiàn)，可以在高溫(70_78°C )下利用淀粉、纖維素、果膠、木聚糖等生長，其分泌的高溫酶類具有非?？捎^的工業(yè)應(yīng)用前景。本發(fā)明以紅薯密為誘導(dǎo)物，分別單獨利用熱解纖維素菌Caldicellulosiruptor屬菌株，如 Caldicellulosiruptor owensensis(DSM13100), Caldicellulosiruptorkronotskyensis (DSM19802), Caldicellulosiruptor lactoaceticus (DSM9545)等(購自德國微生物保藏中心DSMZ)發(fā)酵，得到同時存在淀粉酶和纖維素酶的粗酶液，粗酶液直接用于紅薯渣的快速酶解。由于粗酶液中的淀粉酶和纖維素酶是由同一株高溫菌產(chǎn)生，因此其酶解條件非常接近，在相同溫度和PH條件下能夠到達(dá)較好的酶解效果，能快速將淀粉和纖維素降解成單糖。可以看出本發(fā)明易于操作，具有巨大的工業(yè)應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]【本發(fā)明的目的】
[0006]本發(fā)明的目的是將紅薯渣高效、經(jīng)濟(jì)酶解，快速生成可發(fā)酵糖，為發(fā)酵工業(yè)提供廉價原料，實現(xiàn)紅薯渣的高值化利用，同時減少紅薯粉生產(chǎn)過程的環(huán)境污染。
[0007]【技術(shù)方案】
[0008]本發(fā)明提供的紅薯渣快速酶解成單糖的方法，技術(shù)方案如下:
[0009]I)粗酶液的制備:熱解纖維素菌在種子培養(yǎng)基中70-80°C下生長12_16h，得到種子液，將種子液按照0.4% -1%接種到含有以紅薯渣為誘導(dǎo)物的發(fā)酵培養(yǎng)基，在60-80°C液態(tài)厭氧發(fā)酵10_16h，發(fā)酵完畢后將發(fā)酵液在4000-5000轉(zhuǎn)/分鐘條件下離心5_8分鐘，得到上清液即為粗酶液；
[0010]2)紅薯渣的酶解:將得到的粗酶液按照0.1-1ml每克干紅薯渣的量與紅薯渣混合，補加水制備成固體含量為10-20%的混合物，在60-80°C下酶解10-20h，紅薯渣中的淀粉和纖維素的酶解率達(dá)到90% -100%。
[0011]【技術(shù)特點】
[0012]本發(fā)明利用熱解纖維素菌具有豐富的淀粉酶和纖維素酶的特點，通過用紅薯渣誘導(dǎo)發(fā)酵產(chǎn)生高活性的淀粉酶和纖維素酶，且它們能在相同的酶解條件下發(fā)揮作用，用發(fā)酵得到的粗酶液便能將紅薯渣中的淀粉和纖維素同時降解，本發(fā)明對工藝設(shè)備的要求不苛亥Ij，易于工業(yè)化應(yīng)用。
【具體實施方式】
[0013]實施例1
[0014]菌種Caldicellulosiruptor owensensis(DSM13100)在種子培養(yǎng)基(1.3g(NH4)2S04, 1.5gKH2P04, 2.9g K2HPO4.3H20, 0.2g MgCl2.6H20, 0.075gCaCl2.2H20, 1.250mg FeSO4.7H20, 2g 酵母粉，0.5g Cysteine-HCl.H20,6g 葡萄糖，加水定容到1L，滅菌前將pH調(diào)到7.2)中75°C培養(yǎng)12h，按照I %的量接種到發(fā)酵培養(yǎng)基(NH4C10.90g, NaCl0.90g, MgCl2.6Η200.40g, KH2PO40.75g, K2HPO4L 50g, Trypticase2.0Og,酵母粉 1.00g, FeCl3.6H202.50mg，紅薯渣 1.0Og, Cysteine-HCl x H2O0.75g，用水定容成1L，滅菌前將pH調(diào)到7.2)中，70°C培養(yǎng)15h，離心分離菌體，取上清液按照0.3ml每克干紅薯渣的量與紅薯渣混合，補加水制備成固體含量為10%的混合物，在80°C下酶解10h，紅薯渣中的淀粉和纖維素的酶解率分別達(dá)到98%和95%。
[0015]實施例2
[0016]菌種Caldicellulosiruptor kronotskyensis(DSM19802)在種子培養(yǎng)基(1.3g(NH4)2S04, 1.5gKH2P04, 2.9g K2HPO4.3H20, 0.2g MgCl2.6H20, 0.075gCaCl2.2H20, 1.250mg FeSO4.7H20, 2g 酵母粉，0.5g Cysteine-HCl.H20,6g 葡萄糖，加水定容到1L，滅菌前將pH調(diào)到7.2)中，73 °C培養(yǎng)15h，按照0.5 %的量接種到發(fā)酵培養(yǎng)基(NH4C10.90g, NaCl0.90g, MgCl2.6Η200.40g, KH2PO40.75g, K2HPO4L 50g, Trypticase2.0Og,酵母粉 1.00g, FeCl3.6H202.50mg，紅薯渣 1.0Og, Cysteine-HCl x H2O0.75g，用水定容成1L，滅菌前將pH調(diào)到7.2)中，75°C培養(yǎng)15h，離心分離菌體，取上清液按照0.5ml每克干紅薯渣的量與紅薯渣混合，補加水制備成固體含量為20%的混合物，在70°C下酶解16h，紅薯渣中的淀粉和纖維素的酶解率分別達(dá)到99%和96%。
[0017]實施例3
[0018]菌種Caldicellulosiruptor lactoaceticus(DSM9545)在種子培養(yǎng)基(1.3g(NH4)2S04, 1.5gKH2P04, 2.9g K2HPO4.3H20, 0.2g MgCl2.6H20, 0.075gCaCl2.2H20, 1.250mg FeSO4.7H20, 2g 酵母粉，0.5g Cysteine-HCl.H20,6g 葡萄糖，加水定容到1L，滅菌前將pH調(diào)到7.2)中，77 °C培養(yǎng)12h，按照0.8 %的量接種到發(fā)酵培養(yǎng)基(NH4C10.90g, NaCl0.90g, MgCl2.6Η200.40g, KH2PO40.75g, K2HPO4L 50g, Trypticase2.0Og,酵母粉 1.0Og, FeCl3.6H202.50mg，紅薯渣 1.0Og, Cysteine-HCl x H2O0.75g，用水定容成1L，滅菌前將pH調(diào)到7.2)中，78°C培養(yǎng)15h，離心分離菌體，取上清液按照Iml每克干紅薯渣的量與紅薯渣混合，補加水制備成固體含量為15%的混合物，在75°C下酶解14h，紅薯渣中的淀粉和纖維素的酶解率分別達(dá)到100%和90%。
【主權(quán)項】
1.一種紅薯渣快速酶解成單糖的方法，包括如下步驟: (1)高溫菌以紅薯渣為誘導(dǎo)物，在70-75°C液態(tài)厭氧發(fā)酵10-16h； (2)發(fā)酵完畢后離心分離菌體，得到粗酶液； (3)步驟(2)得到的粗酶液按照0.1-1ml每克干紅薯渣的量與紅薯渣混合，補加水制備成固體含量為10-20%的混合物，在60-80°C下酶解10-20h，紅薯渣中的淀粉和纖維素的酶解率達(dá)到90% -100%。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述的高溫菌為熱解纖維素菌屬Caldicellulosiruptor 菌株，包括 Caldicellulosiruptor.0wensensis(DSM13100),和 Caldicellulosiruptor kronotskyensis(DSM19802), CaldicelIulosiruptorlactoaceticus(DSM9545)。
【專利摘要】紅薯渣是紅薯粉廠提取紅薯淀粉后的殘渣，約占鮮重的45％-60％。紅薯渣的主要成分是淀粉、纖維素及少量蛋白質(zhì)。干的紅薯渣中含淀粉36-58％，纖維素20-30％，若將其完全酶解可產(chǎn)生占干重80％左右的葡萄糖，是大宗發(fā)酵產(chǎn)品如乙醇、丁醇等的發(fā)酵生產(chǎn)的良好碳源。目前紅薯渣除少部分用于生產(chǎn)膳食纖維、飼料和固體燃料外，大部分被沒有利用，甚至成為污染源。本發(fā)明提供一種利用高溫酶快速酶解紅薯渣的方法，將高溫發(fā)酵產(chǎn)生的粗酶液與紅薯渣以一定比例混合后在60-80℃酶解10-20小時，紅薯渣中的淀粉和纖維素酶解率達(dá)到90％-100％。
【IPC分類】C12P19/14, C12P19/02, C12R1/01
【公開號】CN105087716
【申請?zhí)枴緾N201410198435
【發(fā)明人】韓業(yè)君, 彭小偉, 賈曉靜, 米朔甫, 喬瑋博
【申請人】中國科學(xué)院過程工程研究所
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2014年5月12日