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行業(yè)新聞

糖蜜的資源化應(yīng)用--發(fā)酵、生物、能源應(yīng)用

發(fā)布日期:2021-06-20 11:11 瀏覽次數(shù):
糖蜜含有大量的糖、蛋白質(zhì)和多種礦物質(zhì)、維生素、纖維素、胺類等,是微生物進(jìn)行發(fā)酵的理想復(fù)合原料。既可直接制成發(fā)酵制品,又可先將其制成菌體細(xì)胞,然后作為原料提供各種生物制品,或者將其作為生物能源的原料,生產(chǎn)氫氣等。國內(nèi)外利用糖蜜發(fā)酵所獲得的產(chǎn)品主要有:酒精、味精、檸檬酸、酵母、氮基酸、核糖核酸、氫氣等。
 
一、發(fā)酵制品
 
糖蜜中的蔗糖、還原糖和棉實(shí)糖都是可以被微生物利用的碳源,只需補(bǔ)充適量的氮源和磷源,除去有害物質(zhì),就可以直接利用。和淀粉質(zhì)原料相比,省去了相當(dāng)麻煩的糖化程序,所以糖蜜是優(yōu)良的發(fā)酵原料。
1.酒精
我國酒精生產(chǎn)的主要原料包括糖蜜、玉米和薯類,糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)酒精是目前糖蜜資源化利用的主要途徑之一。資料顯示, 2004 年,我國酒精產(chǎn)量為232.34 萬噸,其中,糖蜜酒精占11.35%。糖蜜酒精的生產(chǎn)工藝包括:間歇發(fā)酵工藝、雙流加連續(xù)發(fā)酵工藝和固定化酵母連續(xù)發(fā)酵工藝。同傳統(tǒng)酒精發(fā)酵工藝相比,固定化酵母應(yīng)用在糖蜜酒精發(fā)酵中,具有發(fā)酵周期短、設(shè)備利用率高、雜菌污染少、發(fā)酵率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn),目前普遍采用。
2.氨基酸
糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)的氨基酸類產(chǎn)品主要有:谷氨酸(味精)、賴氨酸、L-亮氨酸等,其中谷氨酸(味精) 和賴氨酸已經(jīng)大宗生產(chǎn)。
2.1谷氨酸
谷氨酸是以碳水化合物(淀粉、糖蜜等)為原料,經(jīng)微生物發(fā)酵而得,味精是谷氨酸的一鈉鹽。除作為調(diào)味品外,谷氨酸在醫(yī)藥、表面活性劑等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。國外主要利用糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸,利用糖蜜生產(chǎn)谷氨酸比用淀粉類糧食作物生產(chǎn)谷氨酸具有生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢,而且不經(jīng)水解就可以直接發(fā)酵提取谷氨酸,工藝簡單,發(fā)酵率高,尤其甜萊糖蜜的發(fā)酵率更。
目前,我國的味精總產(chǎn)量居世界第一位,而且以每年10% 速度遞增。上世紀(jì) 80 年代,糖蜜味精巳成為世界味精生產(chǎn)的主趨勢,井占領(lǐng)和壟斷了世界味精市場。國內(nèi)的研究試驗(yàn)表明,糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸,產(chǎn)酸率水平最高達(dá)10%以上,轉(zhuǎn)化率水平最高達(dá)60%。但在糖蜜味精生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的高濃度有機(jī)廢水,由于污染治理等環(huán)保間題不能妥善解決,使糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)味精的工藝未能加以推廣和達(dá)到普遍工業(yè)化。因此,如何解決糖蜜味精的污染問題是我國環(huán)保和味精行業(yè)的重點(diǎn)。
2.2 賴氨酸
賴氨酸直接影響著人和動物的生長發(fā)育,但在人和動物體內(nèi)不能自行合成,必須從外界攝取,是必須氨基酸之一。谷物類蛋白質(zhì)中賴氨酸含量很少,必須在食品和飼料中添加,因此賴氨酸被稱為植物中第一限制性氨基酸,它是最重要的食品和飼料添加劑。
發(fā)酵法生產(chǎn)賴氨酸的主要原材料為玉米等淀粉類原料和糖蜜,但淀粉類原料需經(jīng)糖化處理和補(bǔ)充生物素后才可用.而糖蜜含較高的生物素,發(fā)酵過程中無需再補(bǔ)充生物素。但糖蜜中含有一些不可被細(xì)菌利用的多糖,所以在發(fā)酵成熟酵中含有較高的殘?zhí)?,不利于賴氨酸的提取操作?img height="105" src="file:///C:\Users\45311\AppData\Local\Temp\ksohtml20812\wps2.jpg" width="429" />
 
3.有機(jī)酸
糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)的有機(jī)酸主要有:檸檬酸、L-乳酸、聚乳酸、丁酸、L-蘋果酸、草酸 、富馬酸和多不飽和脂肪酸等。檸檬酸已經(jīng)大宗生產(chǎn),研究最多的是L - 乳酸,面糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)多不飽和脂肪酸需要在培養(yǎng)條件優(yōu)化和菌種誘變方面進(jìn)一步研究。
3.1檸檬
檸檬酸是重要的食品酸味劑,同時又是防腐劑、抗氧化劑的增效劑和飼料添加劑,它是用發(fā)酵方法生產(chǎn)量最大的有機(jī)酸。我國有檸檬酸生產(chǎn)廠30 余家,全世界擰檬酸的年消費(fèi)量約60 萬噸,而其中的三分之一由我國出口,出口量居世界第一。檸檬酸發(fā)酵的主要原料是淀粉和糖蜜, 經(jīng)黑曲霉發(fā)酵而成。
 
3.2 L - 乳酸及聚乳酸(PLA)
L - 乳酸是重要的化工產(chǎn)品,在食品、醫(yī)藥、化工、建材、石油等領(lǐng)域有若廣泛的應(yīng)用。 L- 乳酸是哺乳動物體內(nèi)正常的代謝產(chǎn)物,可以完全生物降解,更重要的是,它是合成生物可降解材料-聚乳酸(PIA) 的原料。PLA 是優(yōu)良的環(huán)境友好材料,可以完全降解為水和二氧化碳.利用它可以制成可降解塑料、生物地膜、化肥緩釋劑、一次性餐盒、食品包裝材料、存儲磁盤以及醫(yī)用片材、骨螺釘、手術(shù)縫合線等醫(yī)用材料。L - 乳酸主要以淀粉類原料和糖蜜為底物,利用乳酸菌發(fā)酵制成。由于乳酸菌是一種對營養(yǎng)要求比較嚴(yán)格的微生物,不僅需要可發(fā)酵性碳水化合物,同時外界必須提供氨基酸、維生素等生長因子。由于技術(shù)還不成熟,目前國內(nèi)尚未有 利用糖蜜發(fā)酵制L - 乳酸的工業(yè)化生產(chǎn),但是由于原料優(yōu)勢,糖蜜發(fā)酵制L - 乳酸及其聚合物有很好的前景,目前研究重點(diǎn)主要集中在高產(chǎn)菌種的選育、糖蜜的預(yù)處理和發(fā)酵條件的優(yōu)化等方面。
 
 
 
二、生物制品
 
糖蜜生產(chǎn)的生物制品主要包括酵母及其深加工產(chǎn)品,如:活性干酵母、食用(藥用)酵母、酵母抽提物、單細(xì)胞蛋白、核糖核酸( RNA) 和蝦青素等。由于糖蜜中除含有糖分外,還含有酵母菌體生長繁殖所需的生物素及氮、磷、鉀和微量元素,因此,糖蜜生產(chǎn)酵母及其深加工產(chǎn)品是發(fā)酵行業(yè)公認(rèn)的最好途徑之一.國內(nèi)外90% 的酵母產(chǎn)品都是用糖蜜生產(chǎn)的。
  1. 酵母
糖蜜生產(chǎn)的酵母產(chǎn)品主要包括面包酵母、食用(藥用)酵母和飼料酵母,其中高位的面包酵母和食用(藥用)酵母是糖蜜酵母的主流產(chǎn)品。生產(chǎn)一噸酵母大約消秏 5.6 噸糖蜜,與生產(chǎn)酒精相似。但是,在目前糖蜜價格提高的情況下,糖蜜生產(chǎn)酒精已經(jīng)不具備競爭優(yōu)勢,而糖蜜生產(chǎn)酵母產(chǎn)品的市場前景卻非常樂觀。
微量元素對人體有重要的作用,但無機(jī)態(tài)的微量元素生物利用率低,因此利用酵母為載體富集微量元素,使之由無機(jī)態(tài)轉(zhuǎn)為有機(jī)態(tài),已成為國內(nèi)外研究重點(diǎn)。目前,藥用及具有保健功能的酵母品種主要有:富鉻酵母、富鐵酵母、富鋅酵母、富硒酵母、富鍺酵母、富麥角固醇酵母等。利用糖蜜生產(chǎn)的藥用和食用酵母主要有:富鉻酵母和高鐵酵母等。鉻元素是預(yù)防和治療糖尿病的重要因子,它能激活胰島素,糾正糖和脂肪代謝紊亂。服用鉻酵母不僅能
降低I 型糖尿病人對外源胰島素的需要和II型糖尿病人的血糖,同時還能預(yù)防和控制動脈粥狀硬化癥狀的發(fā)生“主研究表明:糖蜜培養(yǎng)的富鉻酵母,鉻含量 738.8mg/ kg, 鉻酵母產(chǎn)率 3.0%, 蛋白質(zhì)含量 48.74%。 糖蜜高鐵酵母, 鐵含量為1061 .00mg/kg, 鐵酵母的產(chǎn)率為 2.54%, 蛋白質(zhì)含量為51.90%。
 
 
酵母抽提物又稱酵母精,是酵母細(xì)胞破壁、酶解得到的深加工產(chǎn)品,具有調(diào)味、營養(yǎng)、保健功能,主要用于作雞精、湯料等食品的添加劑。
酵母抽提物生產(chǎn)工藝流程:
酵母漿-酶解-分離-濃縮-調(diào)配一千燥­ -酵母抽提物
 
  1. 單細(xì)胞蛋白
單細(xì)胞蛋白中蛋白質(zhì)含量高達(dá)40% - 80%, 含有人體必需的8 種氨基酸,同時還含有多種維生素、碳水化合物、脂類、礦物質(zhì)以及豐富的生物活性物質(zhì),是食品和飼料工業(yè)重要的添加劑。酵母菌由于其生長繁殖迅速,培養(yǎng)條件簡單,營養(yǎng)物質(zhì)含量高,易消化吸收等特點(diǎn),是生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的優(yōu)良菌種。
糖蜜是酵母菌發(fā)酵的優(yōu)良底物,研究表明在糖蜜中添加適童的 N 和P 源進(jìn)行高蛋白菌種培養(yǎng),發(fā)酵液中細(xì)胞生物量可達(dá)8 - llg/L,粗蛋白含量高達(dá)50%左右。
  1. 核糖核酸(RNA)
核糖核酸(RNA) 是重要的生物大分子,它對活化體細(xì)胞,促進(jìn)新陳代謝,防治疾病,延緩衰老有獨(dú)特的功效。核糖核酸主要從酵母中提取,不同的碳源對核糖核酸的成本和產(chǎn)量有很大的影響。利用 糖蜜發(fā)酵核糖核酸巳經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn),即以糖蜜為培養(yǎng)基,經(jīng)連續(xù)發(fā)酵培養(yǎng)出高核酸酵母,然后采用濃鹽法把 RNA 從酵母細(xì)胞內(nèi)提取出來 。
 
 
 
三、生物能源
 
全球能瀕危機(jī)和生態(tài)危機(jī)日益加劇,氫被認(rèn)為是最有吸引力的替代能源,尤其生物制氫技術(shù)由于具有清潔、節(jié)能、不消耗礦物資源和低成本等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為當(dāng)今世界的一個研究熱點(diǎn)。
發(fā)酵法生物制氫是利用生物厭氧產(chǎn)氫一產(chǎn)酸發(fā)酵過程制取氫氣的一種方法,目前國內(nèi)外報道的微生物產(chǎn)氫主要有 3 種類型:丙酸型發(fā)酵、丁酸型發(fā)酵和乙醇型發(fā)酵。乙醇型發(fā)酵制氫是一種新型制氫方法,其末端產(chǎn)物主要是乙醇、乙酸、CO2,H2和少量丁酸。
以糖蜜為發(fā)酵底物進(jìn)行生物制氫的工藝包括:活性污泥法和固定化細(xì)胞法,將糖蜜稀釋,加人 N,P 營養(yǎng)物,接種馴化后的活性污泥或固定化細(xì)胞,使其進(jìn)入乙醇型發(fā)酵狀態(tài),即可進(jìn)行連續(xù)流的氫氣生產(chǎn)。我國以糖蜜為底物進(jìn)行的制氫小試取得了突破性的進(jìn)展,中試也運(yùn)行成功,使該項(xiàng)技術(shù)在國際上處于領(lǐng)先地位。

利用發(fā)酵型細(xì)菌產(chǎn)氫雖然取得了長足的進(jìn)步,但是產(chǎn)氫的穩(wěn)定性和連續(xù)性以及混合細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫過程中彼此之間的抑制、發(fā)酵末端產(chǎn)物對細(xì)菌的反饋抑制等是制約產(chǎn)氫工業(yè)化的障礙,有待研究解決。
 
四、展望
 
隨著全球資源短缺和人類環(huán)境意識增強(qiáng),糖蜜的資源化利用越來越受到重視。但目前,糖蜜的利用存在某些不盡如人意的地方,如:碳水化合物利用率低,發(fā)酵液中殘?zhí)歉?;酒精、味精和酵母廢液污染嚴(yán)重,難于處理等。因此,對糖蜜的開發(fā)利用,除了要考慮使其中的有價值成分得到充分合理的利 用外,還要考慮環(huán)境污染間題。開發(fā)產(chǎn)品附加值高,環(huán)境污染小的糖蜜資源化方法應(yīng)該是今后的研究重點(diǎn)。
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