餐廚垃圾產(chǎn)糖化酶和L-乳酸的工藝研究.pdf

1、餐廚垃圾產(chǎn)生量大、易腐敗、有機物含量高，亟待無害化處理與資源化利用。餐廚垃圾生產(chǎn)乳酸，進而合成可生物降解性塑料—聚乳酸，是實現(xiàn)其資源化的有效途徑之一。在其乳酸發(fā)酵工藝中，往往需要使用糖化酶酶解餐廚垃圾產(chǎn)生還原糖，達到提高乳酸產(chǎn)量的目的。大多數(shù)的現(xiàn)有工藝，均使用經(jīng)過濃縮分離的商業(yè)酶制劑，以致酶制劑成本占整個生產(chǎn)成本的比例很高。本課題以餐廚垃圾為原料生產(chǎn)糖化酶；并將所產(chǎn)糖化酶直接用于乳酸生產(chǎn)工藝中，提高餐廚垃圾的乳酸產(chǎn)率，降低餐廚垃圾乳酸發(fā)

2、酵的成本。
　　為了降低餐廚垃圾乳酸發(fā)酵所用酶制劑的成本，利用餐廚垃圾自制糖化酶。Plackett-Burman統(tǒng)計試驗表明，餐廚垃圾本身含有的營養(yǎng)物質(zhì)已經(jīng)足夠滿足黑曲霉的生長和產(chǎn)酶要求，無須額外添加任何營養(yǎng)物；液態(tài)發(fā)酵時由于所產(chǎn)酶能與垃圾充分接觸，故未粉碎垃圾也容易被黑曲霉降解，所產(chǎn)酶活與粉碎垃圾相當，3.75％的餐廚垃圾在發(fā)酵96h后糖化酶活達到137U/mL。因此，液態(tài)發(fā)酵產(chǎn)酶的原料不需粉碎，以減少操作程序。添加玉米秸稈作輔

3、料，可解決單一餐廚垃圾固態(tài)發(fā)酵時透氣性差的問題，并能提高餐廚垃圾固態(tài)產(chǎn)酶的效率。當粉碎的餐廚垃圾與玉米秸稈的比例為3.75:1，發(fā)酵溫度30℃，接種黑曲酶固態(tài)發(fā)酵96h后，可產(chǎn)糖化酶1838U/g。
　　利用自制糖化酶酶解餐廚垃圾的試驗表明，所得還原糖的主要成分為葡萄糖。自制糖化酶具有良好的耐酸性，最適pH為4.2~4.9，pH3.0時的相對酶活依然能達到83.5%。在垃圾本身pH值為4.98、發(fā)酵溫度60℃、用酶量8%(w/w,

4、粗酶/垃圾，相當于每克干垃圾147U)的條件下，酶解濃度為10%的餐廚垃圾125min后，可產(chǎn)糖60.3g/L；當餐廚垃圾濃度為0～100g/L(即0%~10%)時，餐廚垃圾的酶解反應符合米氏方程，Vmax=3.10g/L.min, Km=67.73g/L。通過動力學的方法，證實了乳酸鹽對餐廚垃圾的酶解具有競爭性可逆抑制作用，抑制常數(shù)KI為100.6g/L；熱力學分析的結(jié)果表明，乳酸鹽會降低糖化酶的熱穩(wěn)定性，加速糖化酶的失活。在40,4

5、5,50,55,60℃下，不加乳酸鹽的酶失活半周期分別是添加24g/L乳酸鹽的酶失活半周期的7.6,2.7,2.6,1.7,1.2倍，可知乳酸鹽在低溫下對糖化酶失活的加速作用更為顯著。不加乳酸鹽的酶失活焓變⊿Hd和酶失活活化能 Ea,d分別為188kJ/mol和190.65kJ/mol，比添加24g/L乳酸鹽的⊿Hd(115kJ/mol)和Ea,d（118.16kJ/mol）分別高63%和61%。
　　不經(jīng)濃縮分離的自制糖化酶可以

6、直接用于餐廚垃圾的L-乳酸發(fā)酵。Plackett-Burman試驗表明餐廚垃圾本身的營養(yǎng)成分就能滿足乳酸菌的生長，不用添加任何氮源及微量元素；只有糖化酶才對乳酸發(fā)酵具有顯著的促進作用，其效果值達到27.62g/L。通過中心復合試驗設計得到了L-乳酸的最佳發(fā)酵條件：以10%(基于干重)的餐廚垃圾底物，滅菌冷卻后，按142U/g-干垃圾的用量加入自制糖化酶，接種6%的鼠李糖乳桿菌，38℃下發(fā)酵48h。在此條件下可得L-乳酸58.40g/L(

7、相當于L-乳酸0.58g/g-干垃圾)。
　　乳酸發(fā)酵殘渣可以用作生產(chǎn)蛋白飼料的原料。試驗結(jié)果表明，乳酸發(fā)酵殘渣中殘留的乳酸菌和乳酸鹽對酵母發(fā)酵產(chǎn)飼料無影響，酵母發(fā)酵前發(fā)酵底物無須滅菌。不但減少了能量消耗，還使得飼料中具有豐富的益生乳酸菌。殘渣產(chǎn)蛋白飼料的最佳工藝為：酵母接種量8.4%(v/v),尿素2.7%,31℃下發(fā)酵42h。真蛋白含量和氨基酸總量能達到30.34%和32.554%，分別比乳酸發(fā)酵殘渣提高了97%和84.7%。