CN104341536A - 一种高效提取海藻中营养物质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效提取海藻中营养物质的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：（1）原料预处理（2）水浴浸泡（3）纤维酶解（4）蛋白酶解（5）盐水消化（6）稀释过滤（7）脱色（8）CaCl₂溶液处理（9）离子交换（10）制褐藻酸钠（11）制乙醇（12）制海藻有机肥。本发明以蛋白酶、果胶酶、纤维素酶按科学的配比制成复合酶，对原料进行预处理，有利于提高褐藻酸钠的提取率；同时利用富含纤维素的海带加工废弃物制备燃料乙醇；加工过程中剩余的废液及废渣，通过浓缩、喷干、造粒制造海藻有机肥，实现了海带的高值化综合利用，开发了海洋生物能源。

Description

一种高效提取海藻中营养物质的方法

技术领域

本发明涉及海藻利用领域，具体涉及一种高效提取海藻中营养物质的方法。

背景技术

当前世界面临着能源短缺和环境污染的巨大压力，开发清洁的可再生能源已经成为解决石化资源和能源危机的重要手段。生物乙醇作为一种清洁燃料及汽油添加剂而受到广泛关注。目前，我国制备燃料乙醇主要侧重于秸秆、甘蔗渣、木屑和木薯等陆源原料，但对海洋生物资源制备生物乙醇的研究较少，在海藻生物质能源开发方面的技术研究相对落后，还未见利用海藻加工废弃物制备生物乙醇的研究成果。

海洋面积巨大，蕴藏着丰富的海藻资源，其种类繁多、光合作用效率高、生长周期短，每年可通过光合作用产生的生物质总量就达550x10⁸吨，是一种巨大的可再生资源，也是产生生物质能源的潜在资源。利用现有的经济海藻资源优势生产生物质能源，对缓解人类面临的粮食、能源、环境三大危机有巨大的潜力。在海带工业生产过程中，产生大量的海带工业废弃物，这些工业废弃物的主要成分是纤维素、海带多糖、甘露醇等；其中纤维素可以利用不同的方式转化为可被利用的单糖和寡糖，甘露醇和大部分海藻多糖类物质均可以经发酵转化为乙醇。利用富含纤维素、海带多糖、甘露醇的海带加工废弃物制备燃料乙醇，不仅可使海带加工废弃物变废为宝，解决环境污染问题，还可为制备生物乙醇提供充足和廉价的原料供应，促进海洋生物质能源的技术开发。

海藻酸钠，一种天然多糖，具有药物制剂辅料所需的稳定性、溶解性、粘性和安全性。1881年，英国化学家E.C.Stanford首先对褐色海藻中的海藻酸盐提取物进行科学研究。他发现该褐藻酸的提取物具有几种很有趣的特性，它具有浓缩溶液、形成凝胶和成膜的能力。基于此，他提出了几项工业化生产的申请。但是，海藻酸盐直到50年之后才进行大规模工业化生产。商业化生产始于1927年，现在全世界每年约生产30000吨，其中30%用于食品工业，剩下的用于其它工业，制药业和牙科。

目前，世界范围内提取海藻酸钠方法可分为四种工艺，分别为：酸凝酸化法、钙凝酸化法、钙凝离子交换法、酶解提取法，目前国内绝大部分厂家采用钙凝酸化法。其中前二种方法为纯化学方法，在提取过程中由于较高浓度的碳酸钠消化，致使生产出的海藻酸钠粘度由于降解普遍较低，产率一般在20％左右，并且大量的酸碱化学药品对环境的污染较大。而酶作为一种特殊的以蛋白质形式存在的生物催化剂，在啤酒、果汁果酒、纺织、饲料、皮革、酒精生产等行业得到了广泛的应用，并以其特异、高效、绿色环保等特点而备受青眯。目前酶解提取法提取海藻酸钠还不够成熟，往往都只是采用了单一的纤维素酶进行水解，但组成植物细胞壁的有纤维素酶、半纤维素酶、果胶、木质素等成分，他们之间的链接方式或者镶嵌，或者抱合，所以用单一的酶很难彻底破解植物的细胞壁，不能使内容物完全释放。

如何彻底破解植物的细胞壁，使内容物完全释放。又要避免受到其它人分子物质，如果胶、蛋白质等的干扰，本发明考虑以蛋白酶、果胶酶、纤维素酶按科学的配比制成复合酶，对原料进行预处理，然后再提取海藻酸钠的基础上，充分利用海藻原料生产乙醇和海藻有机肥。

发明内容

为解决上述技术中存在的技术难题，本发明的目的是提供一种高效提取海藻中营养物质的方法，实现了提高海藻酸钠的提取率及其粘度，降低化学药品的用量，也是乙醇的开发和海带清洁化、高值化、综合利用的新方法。

为达到上述目的，本发明提供了一种高效提取海藻中营养物质的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：

（1）原料预处理：将海藻原料去除泥沙，于60-70℃烘干或晒干，粉碎；   

（2）水浴浸泡：向上述海藻粉加入原料重量7-8倍的新鲜饮用水，50-60℃水浴中浸泡2-2.5h；

（3）纤维酶解：并用HCl调液体pH值至3-6，加入由内切β- 葡聚糖酶45％、外切β- 葡聚糖酶35％、β- 葡萄糖苜酶20％组成的纤维素酶0.3-0.5%，酶解6-10h；

（4）蛋白酶解：加入由中性蛋白酶50％、木瓜蛋白酶50％组成的蛋白酶0.2-0.3%，由果胶裂解酶60％、果胶酯酶40％组成的果胶酶0.2-0.4%，继续酶解3-5h，搅拌，酶解后离心分离；

（5）盐水消化： 向上述离心后的海带中加入12-15倍海带重量的1-3% Na₂CO₃溶液，在50-60℃水浴中消化2-3h；

（6）稀释过滤：然后加入体积4-7倍50-60℃的新鲜饮用水进行稀释1-2h，充分稀释均匀后，通过280-350目的绢网过滤；

（7） 脱色：滤液加入0.2-0.3%的双氧水，在60℃脱色1-2h，然后升温到85-90℃保持10-25min，用280-350目的绢网过滤；

（8）CaCl₂溶液处理；滤液缓慢加入体积比1-3%浓度10%的CaCl₂溶液，静置1-1.5h，然后过滤，用新鲜的饮用水清洗褐藻酸钙纤维中残留的CaCl₂溶液及其它杂质；

（9）离子交换：褐藻酸钙加入12-14倍的纯化水，然后用1.5-2倍10% NaCl溶液，在50℃水浴中进行离子交换，使褐藻酸钙纤维完全转化为褐藻酸钠溶液；

（10）制褐藻酸钠：然后用95%的酒精沉淀，获得褐藻酸钠，褐藻酸钠经脱水、烘干、粉碎得到成品；

（11）制乙醇：步骤（4）中的离心滤液高压灭菌，冷却后，加入已经活化的酵母菌，接种比例为15-20%，27-35℃密封并继续培养4-8天发酵，发酵液蒸馏生产乙醇；

（12）制海藻有机肥：蒸馏乙醇后剩余的液体中含有大量的蛋白质、氮、磷、钾等成分，蒸发乙醇后的液体，经浓缩到45-60%浓度后，喷干、造粒，制备海藻有机肥。

上述的一种高效提取海藻中营养物质的方法，其特征在于：所述步骤（11）中发酵生产乙醇，酶解液灭菌后，接入已经活化的工业酵母菌种CICC31447，进行发酵培养。

上述的一种高效提取海藻中营养物质的方法，其特征在于：所述步骤（11）发酵生产乙醇，酶解液经过活化的酵母菌在30℃下，发酵培养7天，所获得的生物乙醇量最大。

本发明的有益效果：

本发明以蛋白酶、果胶酶、纤维素酶按科学的配比制成复合酶，避免受到其它人分子物质，如果胶、蛋白质等的干扰，对原料进行预处理，彻底破解植物的细胞壁，将海带中的纤维素、蛋白质等主要成分分离出来，并转化为微生物可利用的单糖、寡糖及游离蛋白质，有利于提高褐藻酸钠的提取率；同时利用富含纤维素的海带加工废弃物制备燃料乙醇；加工过程中剩余的废液及废渣，通过浓缩、喷干、造粒制造海藻有机肥，实现了海带的高值化综合利用，开发了海洋生物能源。

具体实施方式

实施例1：

将海藻原料去除泥沙，于60℃烘干，准确称取烘干粉碎后的100g海带，加入原料重量700ml的新鲜饮用水，50℃水浴中浸泡2h ；然后用HCl调节pH值至3，加入由内切β- 葡聚糖酶45％、外切β- 葡聚糖酶35％、β- 葡萄糖苜酶20％组成的纤维素酶0.3%，酶解6h；然后，加入由中性蛋白酶50％、木瓜蛋白酶50％组成的蛋白酶0.2%，由果胶裂解酶60％、果胶酯酶40％组成的果胶酶0.2%，继续酶解3h，酶解过程不断搅拌，酶解结束后离心分离，得到预处理后的海带和酶解液。

预处理后的海带加入1200ml的1% Na₂CO₃溶液，在50℃水浴中消化2h，然后加入体积4000ml的50℃的新鲜饮用水进行稀释1h，充分稀释均匀后，通过280目的绢网过滤；滤液加入6ml的双氧水，在60℃脱色1h，然后升温到85℃保持10min，用280目的绢网过滤；滤液缓慢加入60ml浓度10%的CaCl₂溶液，将其中的褐藻酸钠转化为褐藻酸钙析出，静置1h，然后过滤，用新鲜的饮用水清洗褐藻酸钙纤维中残留的CaCl₂溶液及其它杂质；褐藻酸钙加入2400ml纯化水，然后用2000ml的10% NaCl溶液，在50℃水浴中进行离子交换，使褐藻酸钙纤维完全转化为褐藻酸钠溶液，然后用95%的酒精沉淀，获得褐藻酸钠，褐藻酸钠经脱水、烘干、粉碎得到成品23.3克。

先将工业酵母置于培养液中培养活化，培养基成分为1%酵母膏、2%蛋白胨、2%葡萄糖，以上原料加水溶解，于121℃灭菌15min，然后在洁净操作台中接种，30℃培养1天，将海带预处理后的酶解液高压灭菌，冷却后，加入已经活化的酵母菌，接种比例为10%，28℃密封并继续培养3天发酵，发酵液蒸馏生产乙醇，培养结束后，测定其中的乙醇浓度约为3.2%，蒸馏后，获得生物乙醇。蒸馏乙醇后剩余的液体中含有大量的蛋白质、氮、磷、钾等成分，蒸发乙醇后的液体通过浓缩作为生产海藻有机肥的原料

    生物乙醇发酵蒸馏出乙醇后，剩余的发酵残液浓缩到浓度为50%，然后喷干，粉碎，制成海藻有机肥，肥料中的氮磷钾的含量约为12%，总有机质的含量为42%。

实施例2：

将海藻原料去除泥沙，于70℃烘干，准确称取烘干粉碎后的100g海带，加入原料重量800ml的新鲜饮用水， 60℃水浴中浸泡2.5h ；然后用HCl调节pH值至6，加入由内切β- 葡聚糖酶45％、外切β- 葡聚糖酶35％、β- 葡萄糖苜酶20％组成的纤维素酶0.5%，酶解10h；然后，加入由中性蛋白酶50％、木瓜蛋白酶50％组成的蛋白酶0.3%，由果胶裂解酶60％、果胶酯酶40％组成的果胶酶0.4%，继续酶解5h，酶解过程不断搅拌，酶解结束后离心分离，得到预处理后的海带和酶解液。

预处理后的海带加入1500ml的3% Na₂CO₃溶液，在60℃水浴中消化3h，然后加入体积7000ml的60℃的新鲜饮用水进行稀释2h，充分稀释均匀后，通过350目的绢网过滤；滤液加入9ml的双氧水，在60℃脱色2h，然后升温到90℃保持25min，用350目的绢网过滤；滤液缓慢加入60ml浓度10%的CaCl₂溶液，将其中的褐藻酸钠转化为褐藻酸钙析出，静置1.5h，然后过滤，用新鲜的饮用水清洗褐藻酸钙纤维中残留的CaCl₂溶液及其它杂质；褐藻酸钙加入2800ml纯化水，然后用3500ml的10% NaCl溶液，在50℃水浴中进行离子交换，使褐藻酸钙纤维完全转化为褐藻酸钠溶液，然后用95%的酒精沉淀，获得褐藻酸钠，褐藻酸钠经脱水、烘干、粉碎得到成品26.3克。

先将工业酵母置于培养液中培养活化，培养基成分为1%酵母膏、2%蛋白胨、2%葡萄糖，以上原料加水溶解，于121℃灭菌15min，然后在洁净操作台中接种，30℃培养1天，将海带预处理后的酶解液高压灭菌，冷却后，加入已经活化的酵母菌，接种比例为10%，28℃密封并继续培养3天发酵，发酵液蒸馏生产乙醇，培养结束后，测定其中的乙醇浓度约为3.2%，蒸馏后，获得生物乙醇。蒸馏乙醇后剩余的液体中含有大量的蛋白质、氮、磷、钾等成分，蒸发乙醇后的液体通过浓缩作为生产海藻有机肥的原料

    生物乙醇发酵蒸馏出乙醇后，剩余的发酵残液浓缩到浓度为50%，然后喷干，粉碎，制成海藻有机肥，肥料中的氮磷钾的含量约为12%，总有机质的含量为42%。

Claims (3)

1.一种高效提取海藻中营养物质的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：

（1）原料预处理：将海藻原料去除泥沙，于60-70℃烘干或晒干，粉碎；   

（2）水浴浸泡：向上述海藻粉加入原料重量7-8倍的新鲜饮用水，50-60℃水浴中浸泡2-2.5h；

（3）纤维酶解：并用HCl调液体pH值至3-6，加入由内切β- 葡聚糖酶45％、外切β- 葡聚糖酶35％、β- 葡萄糖苜酶20％组成的纤维素酶0.3-0.5%，酶解6-10h；

（4）蛋白酶解：加入由中性蛋白酶50％、木瓜蛋白酶50％组成的蛋白酶0.2-0.3%，由果胶裂解酶60％、果胶酯酶40％组成的果胶酶0.2-0.4%，继续酶解3-5h，搅拌，酶解后离心分离；

（5）盐水消化： 向上述离心后的海带中加入12-15倍海带重量的1-3% Na₂CO₃溶液，在50-60℃水浴中消化2-3h；

（6）稀释过滤：然后加入体积4-7倍50-60℃的新鲜饮用水进行稀释1-2h，充分稀释均匀后，通过280-350目的绢网过滤；

（7） 脱色：滤液加入0.2-0.3%的双氧水，在60℃脱色1-2h，然后升温到85-90℃保持10-25min，用280-350目的绢网过滤；

（8）CaCl₂溶液处理：滤液缓慢加入体积比1-3%浓度10%的CaCl₂溶液，静置1-1.5h，然后过滤，用新鲜的饮用水清洗褐藻酸钙纤维中残留的CaCl₂溶液及其它杂质；

（9）离子交换：褐藻酸钙加入12-14倍的纯化水，然后用1.5-2倍10% NaCl溶液，在50℃水浴中进行离子交换，使褐藻酸钙纤维完全转化为褐藻酸钠溶液；

（10）制褐藻酸钠：然后用95%的酒精沉淀，获得褐藻酸钠，褐藻酸钠经脱水、烘干、粉碎得到成品；

（11）制乙醇：步骤（4）中的离心滤液高压灭菌，冷却后，加入已经活化的酵母菌，接种比例为15-20%，27-35℃密封并继续培养4-8天发酵，发酵液蒸馏生产乙醇；

（12）制海藻有机肥：蒸馏乙醇后剩余的液体中含有大量的蛋白质、氮、磷、钾等成分，蒸发乙醇后的液体，经浓缩到45-60%浓度后，喷干、造粒，制备海藻有机肥。

2.根据权利要求1所述的一种高效提取海藻中营养物质的方法，其特征在于：所述步骤（11）中发酵生产乙醇，酶解液灭菌后，接入已经活化的工业酵母菌种CICC31447，进行发酵培养。

3.根据权利要求1所述的一种高效提取海藻中营养物质的方法，其特征在于：所述步骤（11）发酵生产乙醇，酶解液经过活化的酵母菌在30℃下，发酵培养7天，所获得的生物乙醇量最大。