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《北京科技大学》 2018年
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苦参药渣的预处理及开放式发酵产L-乳酸的研究

王娟  
【摘要】:随着中草药和中成药的应用日益广泛,不可避免地产生了大量中药渣。中药渣的资源化利用对提高药厂经济效益、保护环境具有重要的意义。本论文以苦参药渣为原料,通过开放式发酵制取有广泛用途的L-乳酸,对预处理和发酵的工艺条件进行了优化,并对发酵过程的细菌群落变化和产物生成动力学进行了探讨。通过比较NaOH、稀H2SO4和水热预处理后苦参药渣的纤维素酶解产糖效果,得知最适宜的预处理方法为NaOH预处理,这是因为NaOH预处理可去除苦参药渣中大部分木质素,使半纤维素发生脱乙酰反应,使得药渣表面原本光滑致密的结构变得粗糙松散,从而增加了纤维素对酶的可及度,提高了酶解产糖效果。NaOH预处理最适宜的操作条件为:NaOH浓度1%(w/v)、固液比1:10、温度80℃、预处理时间60min。在此条件下,药渣酶解时的还原糖产率可达到85.0%。通过牛津杯等试验发现,苦参药渣中残留的药用成分—苦参总碱浓度不高,不影响干酪乳杆菌的生长和乳酸发酵。进一步通过比较苦参药渣不同发酵方式和不同pH值调节频率下产L-乳酸的效果,得知本研究最适宜的发酵方式为开放式同步糖化发酵,并间隔12 h用氢氧化钠调节发酵液pH值至8.5。经过60 h发酵后,乳酸的浓度、产率和生产速率分别达到51.1 g/L、0.85 g/g和0.85 g/(Lh)。对开放式乳酸发酵过程中细菌的群落结构进行分析,发现在乳酸积累阶段,发酵系统中接种的干酪乳杆菌的丰度均在99.6%以上,占据绝对优势。当乳酸浓度达到稳定后,杂菌Bacillus和Clostridium的丰度有所上升,导致副产物乙酸的浓度有所增加。将发酵液pH值间歇地调节至8.5能够有效地抑制产乙醇酵母的生长和代谢,从而抑制副产物乙醇的生成。将NaOH预处理产生的废液(PL)回用于乳酸发酵过程能够有效提高乳酸的产量。当发酵液中PL比例为50%时可使乳酸浓度达到55.1 g/L,比不加入PL的对照组提高了34.3%,而耗水量降低了 67.6%。这可能是由于PL的加入使得发酵液的pH值更为稳定,从而提高了纤维素酶活的稳定性,同时,PLL比例为50%时抑制了产乙醇酵母的生长而对乳酸菌影响不大,因此减少了副产物乙醇的生成,提高了乳酸的浓度和产率。对苦参药渣开放式同步糖化发酵过程中的动力学进行分析,确定了乳酸的生成符合重新参数化的Logistic模型和Gompertz模型。本研究为乳酸的生产提供廉价原料的同时,实现中药渣的资源化利用,具有重要的现实意义和应用前景。
【学位授予单位】:北京科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:X787;TQ921.3

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