从食物废物中产生乳酸外文翻译资料

 2022-08-08 14:56:29

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从食物废物中产生乳酸

摘要：研究了食品废弃物同步糖化发酵(SSF)转化为乳酸的工艺条件。这一过程包括利用商业淀粉酶制剂(淀粉葡萄糖苷酶、alpha;-淀粉酶和蛋白酶的混合物)将食物垃圾中的淀粉成分糖化，并由delbrueckii乳酸菌发酵。在SSF中观察到的乳酸总收率最高为理论的91%。在SSF的48 h内乳酸浓度可达到80 g/L。最佳生产条件为42℃，pH 6.0。在不添加含氮营养物的情况下，SSF中的乳酸产率由食物垃圾的60 g/L降至60%:27 g/L乳酸。然而，不服用矿物质补充剂对SSF的整体表现没有显著影响。

关键词:食物垃圾;乳酸;同步糖化发酵；delbrueckii乳酸菌;淀粉转葡萄糖苷酶。

引言

韩国每年产生约500万吨食物垃圾。大多数食物垃圾被填埋或焚烧，地下水污染和有毒气体和二恶英的排放引起了人们的关注。因此，从环境保护和资源节约的角度来看，食物垃圾管理是一个重要的问题。

食物垃圾的主要成分是碳水化合物(淀粉和纤维素)和蛋白质。食物垃圾中的淀粉和纤维素成分可以水解成单体糖。食物废料中的糖可以被用作发酵生产包括乳酸在内的各种化学物质的底物。乳酸被广泛应用于食品和化学工业。目前在生物可降解聚合物(聚乳酸)生产中对乳酸的需求使其从一种特殊化学品成为一种商品化学品。

传统上，玉米或马铃薯淀粉的水解物被用作发酵乳酸生产过程的原料。木质纤维素生物质目前已被测试为乳酸生产的替代原料。城市固体废物也被评价为乳酸的原料。最近Lee和Loh 研究了从食物废物中产生乳酸并报道了食品废弃物直接发酵4 ~ 5 d的产物浓度为20 ~ 40 g/L。。淀粉分解的乳酸菌菌株和其他乳酸生物制造酸性物质,如根霉oryzae,可以直接淀粉代谢产生乳酸。然而，它们的发酵速率非常低，产品产量和浓度也相对较低。淀粉的酶解和葡萄糖发酵成乳酸是成熟的工业工艺。分离酶法和微生物法处理食物废物比微生物直接转化能提高乳酸产量。在本研究中，我们感兴趣的是应用酶法水解和发酵将食物废物转化为乳酸，以实现较高的产品产量和生产率。水解和发酵可单独进行，也可同时进行。同步糖化和发酵(SSF)已被广泛研究与淀粉或纤维素原料生产乙醇有关。最近，它被评价为一种生产乳酸的手段。我们的研究是为了评估一种基于淀粉水解酶和乳酸菌的SSF工艺从食物废物中生产乳酸的技术可行性。

材料和方法

原料

食物垃圾来自一所大学的食堂(韩国庆原大学)。它们主要由米饭、面制品、蔬菜、鱼和肉组成。它们之前被磨碎放在冰箱里。食品垃圾的含水量约为80% (w/w)。将湿食物垃圾样品直接作为基质。分析了食物垃圾的化学成分;典型组成如表1所示。用元素分析仪(CHN-1000)分析了总碳、氮、氢和氧含量。采用ICP-AES (JY ULTRACE 138)对磷、钾、钙、镁、钠等矿物元素进行了分析。

酶

使用一种商品化的酶混合物SAN Super 240L(诺和诺德公司)。这种酶制剂主要由淀粉葡萄糖苷酶和平衡数量的alpha;-淀粉酶和蛋白酶组成。SAN Super 240L是指240 AGU/mL，其中1 AGU为酶水解量1micro;mol麦芽糖/min, 25℃，pH 4.3。它还含有一定量的真菌淀粉酶和蛋白酶活性。

微生物和接种剂制备

同型发酵delbrueckii NRRL B-445 (KCCM 40069，现更名为鼠李糖乳杆菌)来自韩国微生物培养中心(KCCM)。冻干培养物转移到固态Elliker broth (Difco)培养基上。培养板在37°C孵育36小时。培养的菌落要么用于制备接种物，要么保存在4°C供以后使用。将琼脂斜面上的微生物转移到Elliker液体肉汤培养基中，37℃培养36 h，作为乳酸发酵实验的接种剂。

食物废料的酶水解

食物垃圾样品用水稀释至最终浓度65 - 150 g/L(干wt)，这是选定的实验条件使用的程度。加入SAN Super 240L，将混合物放置在恒温箱中。定期取出样品，煮沸1分钟以阻止酶作用。测定还原糖和葡萄糖。通过实验研究了酶用量对葡萄糖产率的影响。

葡萄糖发酵

进行葡萄糖发酵，以确定乳酸产率所使用的菌株。发酵培养基含酵母提取物15g /L，磷酸氢二钾0.5 g/L，磷酸二氢钾0.5 g/L，三水合醋酸钠1.0 /L，七水硫酸镁0.5 g/L，一水合硫酸锰0.05 gL，柠檬酸铵1 g/L，七水硫酸铁0.03 g/L。加入百分之三重量的葡萄糖。发酵培养基在121℃下灭菌20 min，使用10% (v/v)接种剂进行发酵。在42°C, 150 rpm的摇瓶中发酵。过量的碳酸钙粉被用于中和产生的乳酸。

同步糖化发酵

以上述制备的食物废弃物为基质进行SSF实验。SSF试验采用与葡萄糖发酵相同水平的营养补充剂。将SSF溶液在121℃高压灭菌20 min，接种后加入SAN Super 240L酶(1.8 mL/100 g干底物)进行SSF。除pH优化研究外，所有实验都是在250 ml的摇瓶中进行，工作体积为100 ml，温度为42℃，搅拌速度为150 rpm，除非另有说明。将初始pH调至6.0，通过添加CaCO3粉进行控制。最初通过0.3-micro;m的过滤器喷射二氧化碳来维持无氧环境。采用新型Brunswick Bioflo模型III发酵罐进行pH优化研究。它的操作pH值控制和1000毫升的工作容积。用5n NaOH控制pH值。样品煮沸1分钟以消除细菌活性，然后保存在4°C进一步分析。

分析方法

从水解和发酵实验中提取的样品通过配备折射率检测器的高效液相色谱分析乳酸和葡萄糖。色谱柱为Bio-RadHPX-87H，柱温为65℃，流动相为0.005 M H2SO4，流速为0.6 mL/min。总碳水化合物含量的测定是通过将食物垃圾水解成糖，然后测量生成糖的浓度(即还原糖)。水解是由初级72% H2SO4水解和二级稀酸水解，如参考文献14所述。以葡萄糖为标准，根据Nelson(15)测定还原糖。产率是以初始可用糖为基础的百分数表示的。

结果与讨论

食物废料的酶水解

利用酶法对食品废弃物进行水解，考察了不同水解条件下葡萄糖的产率。从100 g/L的食物垃圾(干基)中，酸水解得到75 g/L的还原糖。此还原糖浓度作为初始有效糖浓度。

图1显示了不同酶(SAN Super 240L)浓度下，65 g/L食物垃圾在55℃、pH 6.0条件下糖化的时间过程。如前所述，该酶的淀粉葡萄糖苷酶活性为240 AGU/mL。当酶液至少为1.8 mL /100 g食物废料时，在24 h内葡萄糖的产率最高，约为67%。SAN Super 240L的总体最佳工作条件是温度40-55°C, pH值4.5-6.0，由供应商决定。水解和SSF实验因此在这些条件下进行。

图1所示。加酶对55℃、pH 5.5条件下食物垃圾(65 g/L)酶解的影响

图2所示。L. delbrueckii纯葡萄糖(30 g/L)在42°C、pH 6.0条件下用两种不同的氮添加物发酵乳酸的时间过程:15 g/L酵母膏;15g /L蛋白胨。

食物垃圾的SSF

通过葡萄糖发酵来测定菌株L. delbrueckii的乳酸生产能力。如图2所示，在42℃、pH 6.0条件下发酵24 h，从30 g/L葡萄糖得到25.5 g/L乳酸。当使用蛋白胨代替酵母膏时，乳酸产量显著降低，但乳酸最终浓度几乎相同。

图3所示。批SSF的时间过程与食物废料(120 g/L)在42°C运行。

使用SAN SUPER 240L酶和L. debrueckii的SSF从食物垃圾中产生乳酸的典型时间过程如图3所示。在SSF过程中，食物垃圾被糖化成葡萄糖，然后葡萄糖被微生物代谢转化成乳酸。在SSF的初始阶段可以看到葡萄糖的积累。接着速度比得上发酵乳酸的发酵速率相同的有机体在类似条件下使用葡萄糖(图2)。在给定的社保基金的情况下,70.1 g / L乳酸生产的120 g / L的食物浪费在约48 h,收益率为78%。从这一初步实验中可以清楚地看出，食物废物可以作为一种乳酸生产资源，SSF可以是一种从食物废物中生产乳酸的有效生物过程。为了进一步开发一种利用食物垃圾生产乳酸的SSF工艺，研究了各种操作参数对性能的影响。研究参数为pH、温度、底物浓度、氮和矿物质补充剂。

pH和温度的影响。

在SSF过程中，酶水解碳水化合物和微生物发酵葡萄糖的生物反应同时进行。因此，这两个生物反应的最佳条件应该是一致的有效的SSF操作。一般来说，SSF工艺要求的操作条件代表了酶和微生物的最佳条件之间的折衷。

供应商(KCCM)报告的L. delbrueckii的最佳温度为37℃。另一方面，如前所述，SAN Super 240L酶的最佳温度为40-55℃。因此我们选择35℃、45℃和55℃进行优化研究。如图4所示，在35℃和45℃条件下，145 g/L食物垃圾在48 h内分别产生79.7(产率73%)和77.2 g/L(产率71%)乳酸，而在55℃条件下，发酵速率显著降低。最终乳酸浓度降至50.7 g/L(产率为47%)，48 h内剩余葡萄糖浓度较高。从这些研究来看，最佳温度应该在35至45℃之间。随后的SSF实验选择42°C的操作温度。需要注意的是，这一最佳温度可能因酶载量的不同而不同，因此需要进一步研究。酶和微生物的最适ph值相似，均在6.0左右。因此，SSF工艺的最佳pH值预计在6.0左右。图5描述了pH对乳酸产率和产率的影响。120 g/L的食物垃圾在48 h内产生的乳酸浓度分别为11.5、54.2、63.4和57.6 g/L, ph值分别为4.0、5.0、6.0和6.5。相应的乳酸产率分别为13、60、71和64%。在pH值为6.0时，乳酸产率确实达到最大值。在pH 4.0的SSF中，整个反应时间都在积累葡萄糖，乳酸的形成非常缓慢。这说明SSF过程受到了发酵的限制，可能是由于在该pH值下抑制了细胞生长。在本实验中，在1.0 l(工作体积)的发酵罐中，用5n NaOH持续控制pH。有趣的是，如图3所示，pH由CaCO3控制的摇瓶操作比pH相同的生物反应器产生的乳酸产量略高(78%)。这一结果无法解释清楚，需要进一步研究。然而，由于摇瓶体系在乳酸生产方面没有显著差异，且操作简单，因此在整个优化研究中一直使用摇瓶体系。

图4所示。温度对食品垃圾(145 g/L)批SSF的影响:(圆点)35℃;(方块) 45°C;(三角) 55°C。

图5所示。pH对42℃下食物垃圾(120 g/L)批次SSF的影响

氮和矿物质补充的影响

乳酸发酵的主要成本之一是消耗大量昂贵的氮源，如酵母提取物。它们是生长所需的营养物质，可影响乳酸产量。因此，研究了添加氮对食物垃圾产生乳酸的影响。以酵母提取物或蛋白胨为氮源，进行了一系列的SSF试验。在不补充氮的情况下进行SSF试验。如图6所示，添加15g /L酵母膏和蛋白胨，添加60g /L食物垃圾的SSF饲喂2d后，乳酸产量分别为33.5 g/L(产量75%)和30.3 g/L(产量67%)。在不添加氮源的情况下，60 g/L的食物垃圾可产生27.2 g/L的乳酸，乳酸产量为60%。由于所使用的食物垃圾中含有氮化合物，如表1所示，我们认为食物垃圾中的氮化合物是作为生长营养素的来源。食物垃圾中所含的蛋白质可以被含有一定量蛋白酶活性的酶水解为德尔布鲁氏乳杆菌的生长和乳酸生产所需的营养物质。这一结果表明，利用SSF从食物废物中生产乳酸时，补充氮的最低需求。

图6所示。氮源对42℃下食物垃圾(60 g/L)批次SSF的影响

图7所示。在42°C下，矿物质补充剂对食物垃圾(130 g/L) SSF的影响。

为了确定矿物质补充剂对乳酸生产的影响，一组SSF试验进行了，有和没有矿物质补充剂。矿物质补剂的成分已在前面所述的发酵培养基中指出。如图7所示，在SSF的早期阶段，直到24 h，添加矿物质的SSF产生了72.4 g/L的乳酸。在不添加矿物质的SSF中，乳酸的浓度较低，为57.2 g/L。然而，在SSF运行36小时后，两个SSF运行的130 g/L食物垃圾产生的乳酸浓度几乎相同(72.5 g/L，产量74%)。由于食物垃圾中含有一些矿物质和磷酸盐，如表1所示，这些矿物质和磷酸盐可能足够细菌生长和产生乳酸，因此可能不需要额外补充。这一实验结果以及上述补充氮研究的结果表明，利用食物垃圾生产乳酸具有很高的经济可行性。

图8所示。42°C时食物垃圾浓度对批SSF乳酸产率的影响

底物浓度的影响

研究了食品垃圾初始浓度对乳酸最终产生浓度的影响。在SSF试验中，食物垃圾的初始浓度从65 g/L变化到145 g/L。如图8所示，最终乳酸含量随食物浪费量的增加而增加，但转化产量下降;在二维SSF过程中，乳酸产率从91下降到73%。结果表明，在乳酸浓度为44.3 g/L时，65 g/L的食物垃圾产率最高，达91%。而在145 g/L的食物垃圾中乳酸浓度最高，为79.7 g/L，乳酸产量最低，为73%。这一结果可能是由于食物垃圾的不完全水解，葡萄糖和乳酸对微生物活性的抑制较高水平的食物垃圾，和/或形成其他副产品。需要进一步的工作来澄清这一观察结果。

结论

我们已经证明，

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