CN101575620B - 米糠综合利用生产发酵用原料、米糠油及蛋白饲料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种综合利用米糠生产发酵用原料、米糠油及蛋白饲料的方法。该方法包括以下步骤：1)以米糠为原料，加入2-5倍的水，调节pH为5.0-7.0，加入淀粉酶，105-110℃保持4-6分钟，降温到93-97℃保温0.5-1.5小时；调节pH为4.0-4.4，加入糖化酶，55-65℃糖化20-40小时，过滤或离心，上清液作为直接发酵生产生物发酵用原料的碳源，经发酵得到生物化工产品；2)将残渣60-105℃烘干，采用溶剂法或者压滤法提取油脂，得到米糠油；3)用提油后的残渣可经水解制备蛋白水解液用于发酵的氮源，也可提取蛋白或直接作为蛋白饲料。本发明将在米糠的综合利用中发挥重要作用，适合广泛推广和应用。

Description

米糠综合利用生产发酵用原料、米糠油及蛋白饲料的方法

技术领域

本发明涉及农用廉价副产物米糠的综合利用方法，特别是涉及一种用米糠生产乳酸、乙醇、丁酸、丁醇等生物发酵用原料、米糠油及蛋白饲料的方法。

背景技术

米糠是一种糙米碾磨过程中的副产物，含量大约占糙米的8％，根据***粮食与农业组织统计，2007年中国大米产量为1.85亿吨(IRRI，2009)，因此，我国每年大约生产0.148亿吨米糠。由于米糠中含有各种酶和碾磨过程中的环境污染物，它很快会变酸腐败。因此，大部分米糠会被立刻廉价的卖掉作为饲料或肥料。尽管米糠存在这些缺点，但由于米糠含有丰富的营养成份(糖33.5-53.5％、蛋白质11.5-17.2％、油脂12.8-22.6％)，因此，可以采用合理的工艺进行综合利用来提高它的附加值。

大部分的研究者都强调对于米糠油和米糠蛋白的提取和利用，而对于米糠的综合利用以及米糠中淀粉的利用很少涉及。

其中，有关米糠油提取的主要有以下一些专利：申请号为200610096767.4的中国专利中，是先将米糠经微波处理，再利用超临界二氧化碳萃取米糠油。该方法对设备要求苛刻，提取成本高。申请号02156713.1的中国专利中，是将已经完全燃烧的碳放在生米糠的顶端，靠闷烧来制取米糠。该方法出油率低，资源浪费多，且对大气存在一定的污染。专利号为02156713.1的中国专利中，是对膨化过的物料进行及时压榨制油。该方法对米糠要求高，且调节较难控制。申请号为200810162034.5的中国专利中，提出了一种先除去米糠中的植酸钙，再来提取米糠油的方法。该方法先将干米糠浸湿，除去植酸钙，再烘干，然后再提取油脂。整个工艺能耗必然很大，而且未提出所剩残渣的利用方案。

其中关于米糠蛋白提取的主要有以下一些：由韩国DJ第一制糖株式会社申请的申请号为200810007229.2的中国专利申请中，提出了一种由米糠制备蛋白提取物的方法，该方法通过将米糠造粒并干燥，然后进行脱脂，脱脂后提取蛋白质。申请号为200810047556.0的中国专利申请中，提出了一种用稀蛋白浆来提取米糠中蛋白的工艺。该工艺中用水量巨大，处理1吨米糠大约要产生23吨以上的废水，该废水中富含米糠中水溶性的氨基酸、盐等成分，将会对环境造成严重污染。即使进行处理，处理费用也将巨大，因此从商业上来说可行性较差。

其中，关于米糠综合利用的主要有以下一些专利文献：CN 101220314A中公布了一种用螺杆压榨方法获得米糠油，然后对压榨饼进行粉碎获得半脱脂米糠蛋白质粉的方法。该方法的压榨提油的方法出油率较低，而且除油后的半脱脂米糠蛋白质粉中蛋白质含量小于40％，不能达到蛋白饲料的标准，并且含有一些脂肪和脂肪酶，已造成酸败，只能快速很廉价的出售。CN101301067A(申请号为200810062415.6)中，提出了一种用综合利用米糠中活性物的方法，该方法中通过各种方法分别获得米糠蛋白、米糠多糖、植酸和米糠油。但该方法中并未提及米糠中几乎占到50％左右的米糠淀粉的利用方法。中国专利CN1180710C中，提出了一种用米糠制备天然营养食品的方法。该方法通过先用正己烷提取米糠油，然后用淀粉酶和蛋白酶复合作用生产水解液，向水解液中加入米糠油和其他的营养成分来复配营养食品的方法。对于米糠来说，是一种成分并非非常稳定的农用废弃物，简单的通过以上工艺比较难以获得品质较稳定的食品。

综上所述，目前的米糠利用的方法中都主要是直接对米糠进行蛋白质或者油脂的提取。一方面，由于米糠淀粉含量较高，故得到同样量的蛋白或者油脂需要处理的米糠量增加，提高了提取的成本。另一方面，米糠中水溶性成分中含有较多的杂质，会对蛋白或者油脂的提取效率造成影响，进一步的增加了提取成本。对于米糠来说，是一种成分不是非常稳定的农用废弃物，通过简单的工艺比较难以获得品质较稳定的食品。

米糠油是从米糠中提取出来的一种油，它不仅比其他食用油含有较丰富的多种维生素，而且油中饱和酸∶单烯酸∶多烯酸的比值为1∶1∶1，这个天然的比值接近***粮农组织和世界卫生组织提出的比值标准。如果在油脂酸败前将油脂提取出来，便可以作为使用的米糠油。即使米糠油发生了酸败，此时提取出来的油脂仍然可以用于生产生物柴油，用做燃料。

发酵行业，尤其是大宗型生物发酵用原料，如乳酸、乙醇、丁酸、丁醇等产品的发酵生产中，原料成本对于产品竞争力的影响是巨大的。早期，主要的碳源是葡萄糖、农作物淀粉(玉米淀粉、小麦淀粉、土豆淀粉)、甘蔗等；氮源主要使用的是酵母粉。为了降低成本，多种廉价的碳、氮源被用于发酵。碳源主要有农作物(玉米、大麦、小麦、大米)、农作物淀粉(木薯淀粉)、乳清粉、糖蜜、甜高粱、甜菜等；氮源主要有玉米浆、豆粕、农作物蛋白(小麦胚芽蛋白、豆粕、棉籽蛋白)等。但采用米糠水解糖为碳源，同时采用米糠蛋白水解液为氮源发酵生产L-乳酸的研究未见报道。

L-乳酸是一种重要的工业原料，可广泛用于医药、食品、化工、酿造、香料、皮革、卷烟和印染等多种工业。近年来，随着“白色污染”、化石资源的大量消耗和不可再生资源价格的节节攀升，发展环境友好型的替代产品是保证生态链良性循环、经济可持续发展的必然要求。在众多可生物降解聚合物中，聚乳酸以其优异的机械性能、广泛的应用领域、显著的社会效益，赢得了全球塑料行业的瞩目。以乳酸为原料制取聚乳酸，作为生物可降解材料引起世界各国的广泛重视，被认为是最具发展前途的高分子材料之一。2000年全球塑料消费量约1.15亿吨，如果10-20年后全球范围内生物基塑料能够替代石油基塑料消费量的10-20％，聚乳酸的年需求量将达到1150-2300万吨。目前L-乳酸的生产遇到最大的问题就是成本过高，目前碳源占据了生产成本的很大比例，选择一种廉价的原料来取代目前所采用的淀粉不仅可以降低L-乳酸的生产成本，并且对于降低工业用粮食消耗具有策进作用。

随着石油的开采，能源危机凸显。燃料乙醇和丁醇是世界上引起高度关注的两种燃料，乙醇已经在巴西、美国的国家使用多年，我国近两年才刚刚开始。巴西用甘蔗为原料，美国和中国大多才用玉米淀粉为原料，随着2008年粮食危机的出现，用粮食生产大宗型化学品的途径将不再被提倡，目前中粮集团已经开始采用木薯淀粉为原料生产燃料乙醇。用米糠这种农用廉价副产物作为原料综合利用并生产这些生物燃料至今未见报道。

发明内容

本发明提供了一种成本低廉的综合利用米糠生产乳酸、乙醇、丁酸、丁醇等生物发酵用原料、米糠油及蛋白饲料的方法。

本发明所提供的综合利用米糠的方法，是用来配套生产乳酸、乙醇、丁酸、丁醇等的生物发酵用原料、米糠油及蛋白饲料，可包括以下步骤：

1)以米糠为原料，加入2-5倍的水，调节pH为5.0-7.0，加入淀粉酶，105-110℃保持4 6分钟，降温到93-97℃保温0.5-1.5小时；调节pH为4.0-4.4，加入糖化酶，55-65℃糖化20 40小时，过滤或离心，酶水解上清液直接作为生物发酵用原料的碳源和营养物，用于发酵得到生物化工产品，过滤残渣A备用；

2)将残渣A在60-105℃烘干，采用溶剂法或者压滤法提取油脂，得到米糠油；

3)用提油后的残渣B提取蛋白或直接作为蛋白饲料。

其中，所述步骤1)中的米糠为黄糠、白糠或者两者的混合物；所述生物化工产品为L-乳酸、乙醇、丁醇或丁酸；所述淀粉酶的添加量为1～10mL/kg原料，糖化酶的添加量为1～10mL/kg。

以上方法中，可以取所述步骤1)中的过滤残渣A的一部分加酸水解，过滤，水解上清液为蛋白水解液，作为生物发酵用原料的的氮源，用于发酵得到生物化工产品；所述加酸水解条件为：加入4倍体积的1.5％(w/w)硫酸或者盐酸，水解温度为70～120℃，水解20～30小时。

所述步骤2)中用溶剂法提取油脂，方法为：将残渣A用滚筒在60-105℃下烘干至水分在10％以下，用料液的重量比为2.5-6∶1的溶剂浸泡，在温度35-65℃下搅拌4-8小时，过滤得到滤液和残渣，滤液蒸馏除去石油醚，获得粗米糠油。所述溶剂为正己烷、石油醚或无水***。

用上述方法得到的生物发酵用原料、米糠油及蛋白饲料也属于本发明的保护范围。其中，米糠生物发酵用原料为米糠酶水解上清液和/或酶水解残渣再水解得到的蛋白上清液。

提供该米糠生物发酵用原料在制备生物化工产品中的应用也是本发明的目的之一，其中，所述米糠酶水解上清液为生物发酵用原料的碳源及营养物，所述蛋白上清液为生物发酵用原料的氮源。

本发明提供了用米糠生产生物发酵用原料、米糠油及蛋白饲料的方法。该方法是利用酶法水解米糠中的淀粉转化为糖，利用上清液中的糖及营养物作为发酵用原料来生产乳酸、乙醇、丁醇、丁酸等生物化工产品。水解糖后的残渣提取油脂，提油后的残渣作为蛋白饲料，从而达到综合利用米糠的目的。由于米糠中的油脂和蛋白本身含量不高，如果直接提取，提取成本较高。而本发明中先用淀粉酶将米糠中的淀粉水解为糖，然后过滤，这样便将米糠中的水溶性成分及淀粉全部除去。此时，残渣中油脂和蛋白质的含量可以提高到米糠的2-3倍，这样一方面在提取油脂和蛋白质时可以降低提取成本(提取能耗和物耗明显降低)，另一方面米糠中的碳源得到了合理的利用。本发明将在米糠的综合利用中发挥重要作用，适合广泛推广和应用。

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明一种用米糠生产L-乳酸、米糠油及蛋白饲料方法的示意图

图2本发明另一种用米糠生产L-乳酸、米糠油及蛋白饲料方法的示意图

具体实施方式

下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

本发明的提供了一种综合利用米糠的新方法。利用优化的工艺先后提取出米糠中的淀粉、油脂和蛋白。同时降低了整个提取过程的成本，充分利用了生物资源，减少生产过程的废物污染的产生，产生了更高的经济效益。

本发明提供的综合利用米糠的方法，是在酶水解米糠中的淀粉转化为糖之后，用上清液(含有米糠中水溶性成分及淀粉水解得到的糖，可作为碳源和营养物)和水解糖后的残渣(残渣A)再水解后水解液(含有水解蛋白，可作为氮源)作为原料来生产乳酸、乙醇、丁醇、丁酸等生物化工产品。然后，利用水解糖后的残渣(残渣A)提取油脂，提油后的残渣(残渣B)可用于提取蛋白或者直接作为蛋白饲料。具体应用如下：

本发明所提供的综合利用米糠的方法，可包括以下步骤：参见图1所示。

1)米糠中加入2-5倍的水，调节pH为5.0-7.0(优选为6.0)，加入淀粉酶，105-110℃(优选为108℃)保持4-6分钟(优选为5分钟)，降温到93-97℃保温0.5-1.5小时(优选为1小时)；调节pH为4.0-4.4(优选为4.2)，加入糖化酶，55-65℃(优选为60℃)糖化20-40小时，过滤或离心，上清液作为直接发酵生产生物化工产品的碳源培养基和营养物，经发酵得到生物化工产品；过滤残渣(残渣A)备用；

2)将残渣(残渣A)60-105℃烘干，采用溶剂法或者压滤法提取油脂，得到米糠油；

3)用提油后的残渣(残渣B)提取蛋白或直接作为蛋白饲料。

在上述用米糠生产生物发酵用原料、米糠油及蛋白饲料的方法中，所述步骤1)中的米糠为黄糠、白糠或者两者的混合物。

所述步骤1)中的生物发酵用原料可用于乳酸、乙醇、丁醇或丁酸等生物化工产品的生产。

所述步骤1)中淀粉酶的添加量为1～10mL/kg原料，糖化酶的添加量为1～10mL/kg原料。

所述用溶剂法提取残渣A中油脂的方法为：将残渣A用滚筒在60-105℃下烘干(水分在10％以下)，用料液的重量比为2.5-6∶1的溶剂(正己烷、石油醚或无水***)浸泡，在温度35-65℃下搅拌4-8小时，过滤得到滤液和残渣B。滤液蒸馏除去石油醚，获得粗米糠油，残渣B可用于提取蛋白或者直接作为蛋白饲料。

本发明所提供的另一种综合利用米糠的方法，参见图2所示。与图1不同的是，步骤1)中的过滤残渣(残渣A)的一部分用于加酸水解，过滤，上清液为蛋白水解液，作为直接发酵生产生物化工产品的氮源培养基，可用于生物化工产品的发酵生产；所述加酸水解条件为：加入4倍体积的1.5％(w/w)硫酸或者盐酸，水解温度为70～120℃，水解20～30小时。

另一部分酶水解残渣A再按所述步骤2)和3)进行综合利用。

以下以具体实施例进一步说明本发明。本领域的普通技术人员能够依据本发明公开的内容显而易见地想到一些雷同、替代方案，均应属于本发明的公开内容。实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

实施例1、用米糠生产L-乳酸发酵用原料、米糠油及蛋白饲料

如图1所示，用米糠获得L-乳酸发酵用原料、米糠油及蛋白饲料，具体方法包括以下步骤：

1)取白糠1kg，加入5倍(w/w)的自来水，调节pH为6.0(5.0-7.0均可)，加入1mL淀粉酶(购自诺维信)，108℃(105-110℃均可)保持5分钟(4-6分钟均可)，然后降温到95±2℃保温1个小时(0.5-1.5小时均可)后完成液化。调节pH为4.2(4.0-4.4均可)，加入1mL糖化酶(购自诺维信)，60℃(55-65℃均可)糖化20小时。糖化完成后过滤得到上清液，测得其中葡萄糖含量为0.45kg。以此作为原料发酵生产L-乳酸，发酵条件为：接种鼠李糖乳杆菌(CGMCC No.1.2134)，接种量为10％(v/v)，42℃发酵48小时，测定发酵液确定含有到L-乳酸0.34kg。

2)将过滤残渣(残渣A)105℃(60-105℃均可)烘干得到0.3kg，然后用溶剂法提取油脂，方法为：将残渣A用滚筒在60-105℃下烘干(水分在10％以下)，用料液的重量比为2.5-6∶1的溶剂正己烷(正己烷、石油醚或无水***均可)浸泡，在温度35-65℃下搅拌4-8小时，过滤得到滤液和残渣B。滤液蒸馏除去石油醚，获得粗米糠油0.084kg。

3)提油后的0.21kg残渣(残渣B)即可提取蛋白。方法为：脱油后的残渣B中加入8倍的水(w/v)，用10M NaOH调节pH为11，38℃水浴150分钟，5000转/分钟，离心15分钟，收集上清液，用5M盐酸将上清液的pH调节为5，5000转/分钟，收集沉淀即为米糠蛋白质。

提油后的残渣B也可以不作任何处理直接作为蛋白饲料。

实施例2、用米糠生产生物发酵用原料和L-乳酸、米糠油及蛋白饲料

如图1所示，用米糠生产生物发酵用原料和L-乳酸、米糠油及蛋白饲料，具体方法包括以下步骤：

1)取黄糠1kg，加入2倍(w/w)的自来水，调节pH为5.0，加入1ml淀粉酶，105℃保持5分钟，然后降温到95±2℃保温0.5个小时后完成液化，调节pH为4.0，加入2ml糖化酶，55℃糖化40小时。糖化完成后过滤得到上清液，其中葡萄糖含量为0.4kg，以此作为原料生产L-乳酸，发酵条件为：接种鼠李糖乳杆菌(CGMCCNo.1.2134)，接种量为10％(v/v)，42℃发酵48小时，测定发酵液中含有L-乳酸0.35kg。

2)将过滤残渣(残渣A)105℃烘干得到0.30kg，然后用溶剂法提取油脂，溶剂为石油醚，具体方法与实施例1相同，得到油脂0.085kg。

3)提油后的0.21kg残渣(残渣B)即可提取蛋白(提取方法与实施例1相同)或直接作为蛋白饲料。

实施例3、用米糠生产生物发酵用原料和L-乳酸、米糠油及蛋白饲料

如图2所示，用米糠生产生物发酵用原料和L-乳酸、米糠油及蛋白饲料，具体方法包括以下步骤：

1)取米糠(白糠、黄糠各0.5kg)1kg，加入4倍(w/w)的自来水，调节pH为7.0，加入1mL淀粉酶，110℃保持5分钟，然后降温到95±2℃保温1.5个小时后完成液化。调节pH为4.4，加入1mL糖化酶，65℃糖化30小时。糖化完成后过滤得到上清液，其中葡萄糖含量为0.37kg，残渣(A)60℃烘干得到0.3kg。

取其中的0.03kg残渣(残渣A)进行酸水解，水解条件为：加入4倍体积的1.5％(w/w)硫酸或者盐酸，水解温度为70～120℃，水解20～30小时，得到水解液。

将水解液加入糖化后上清液中共同发酵生产L-乳酸，发酵条件为：接种鼠李糖乳杆菌(CGMCC No.1.2134)，接种量为10％(v/v)，42℃发酵48小时，发酵液测定含有L-乳酸0.31kg。

2)将剩余的0.27kg残渣(残渣A)用溶剂法提取油脂，溶剂为无水***，具体方法与实施例1相同，得到油脂0.075kg。

3)提油后的0.19kg残渣(残渣B)即可提取蛋白(提取方法与实施例1相同)或直接作为蛋白饲料。

实施例4、用米糠生产生物发酵用原料、米糠油及蛋白饲料

参考图1流程。用米糠生产生物发酵用原料以及乙醇、丁醇、丁酸、米糠油及蛋白饲料，具体方法包括以下步骤：

1)取米糠1kg(白糠、黄糠各0.5kg)，加入4倍(w/w)的自来水，调节pH为6.0，加入1mL淀粉酶，108℃保持5分钟，然后降温到95±2℃保温1个小时后完成液化。调节pH为4.2，加入1mL糖化酶，60℃糖化30小时。糖化完成后过滤得到上清液，其中葡萄糖含量为0.37kg，残渣105℃烘干得到0.3kg。

以糖化完后的上清液(调整为葡萄糖含量为50g/L)中加入酱渣(添加量为80g/L)、无机盐(无水硫酸镁0.04g，磷酸二氢钾1.20g)和磷酸缓冲液(1mol/L钠盐磷酸缓冲液，用1mol/L磷酸二氢钠和1mol/L十二水合磷酸氢二钠配制，pH6.3，添加量为每瓶100mL/L)进行发酵，发酵条件为：接种丙酮丁醇梭菌(CGMCC No.1.132)，接种量为10％(v/v)、发酵温度36℃，发酵120小时，对发酵液进行测定，确定其中含有乙醇120g、丁醇16.77g、丁酸29.7g。

2)剩余的0.27kg残渣(残渣A)用溶剂法提取油脂，溶剂为无水***，具体方法与实施例1相同，得到油脂0.075kg。

3)提油后的0.19kg残渣(残渣B)即可提取蛋白(提取方法与实施例1相同)或直接作为蛋白饲料。

实施例5、用米糠生产生物发酵用原料及乙醇、米糠油及蛋白饲料

参考图1流程。用米糠生产生物发酵用原料及乙醇、米糠油及蛋白饲料，具体方法包括以下步骤：

1)取米糠1kg(白糠、黄糠各0.5kg)，加入4倍(w/w)的自来水，调节pH为6.0，加入1mL淀粉酶，108℃保持5分钟，然后降温到95±2℃保温1个小时后完成液化。调节pH为4.2，加入1mL糖化酶，60℃糖化30小时。糖化完成后过滤得到上清液，其中葡萄糖含量为0.37kg，残渣105℃烘干得到0.3kg。

以糖化完后的水解液接种酿酒酵母(CGMCC No.2.2081)，接种量为10％(v/v)，进行发酵，在30℃下发酵48小时，测定发酵液中含有乙醇157g。

2)剩余的0.27kg残渣(残渣A)用无水***提取油脂，具体方法与实施例1相同，得到油脂0.075kg。

3)提油后的0.19kg残渣(残渣B)即可提取蛋白(提取方法与实施例1相同)或直接作为蛋白饲料。

Claims (9)

1.一种米糠综合利用生产生物发酵用原料、米糠油及蛋白饲料的方法，包括以下步骤：

1)以米糠为原料，加入2-5倍的水，调节pH为5.0-7.0，加入淀粉酶，105-110℃保持4-6分钟，降温到93-97℃保温0.5-1.5小时；调节pH为4.0-4.4，加入糖化酶，55-65℃糖化20-40小时，过滤或离心，酶水解上清液直接作为生物发酵用原料的碳源，用于发酵得到生物化工产品，过滤残渣A备用；

2)将残渣A在60-105℃烘干，采用溶剂法或者压滤法提取油脂，得到米糠油；

3)用提油后的残渣B提取蛋白或直接作为蛋白饲料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中的米糠为黄糠、白糠或者两者的混合物。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中的生物化工产品为L-乳酸、乙醇、丁醇或丁酸。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中淀粉酶的添加量为1～10mL/kg原料，糖化酶的添加量为1～10mL/kg。

5.根据权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于：取所述步骤1)中的过滤残渣A的一部分加酸水解，过滤，水解上清液为蛋白水解液，作为生物发酵用原料的的氮源，用于发酵得到生物化工产品；所述加酸水解条件为：加入4倍体积的1.5％w/w硫酸或者盐酸，水解温度为70～120℃，水解20～30小时。

6.根据权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中用溶剂法提取油脂，方法为：将残渣A用滚筒在60-105℃下烘干至水分在10％以下，用料液的重量比为2.5-6：1的溶剂浸泡，在温度35-65℃下搅拌4-8小时，过滤得到滤液和残渣，滤液蒸馏除去溶剂，获得粗米糠油；所述溶剂为正己烷、石油醚或无水***。

7.一种生物发酵用原料，其特征在于，是用权利要求1-6任一项所述方法得到的米糠酶水解上清液。

8.一种生物发酵用原料，其特征在于，是用权利要求5所述方法得到的蛋白水解液。

9.一种权利要求7或8所述生物发酵用原料在制备生物化工产品中的应用，所述米糠酶水解上清液用作生物发酵用原料的碳源，所述蛋白水解液用作生物发酵用原料的氮源。

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