利用淀粉加工工業廢水研制微生物油脂

呂 美, 陳昱鳳, 何 歡, 甄廣田, 肇立春

(1. 沈陽市糧油食品科學研究所 科研信息室, 沈陽 110025;2. 沈陽師范大學 實驗教學中心, 沈陽 110034; 3. 沈陽師范大學 糧食學院, 沈陽 110034)

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利用淀粉加工工業廢水研制微生物油脂

呂 美1, 陳昱鳳2, 何 歡1, 甄廣田1, 肇立春3

(1. 沈陽市糧油食品科學研究所 科研信息室, 沈陽 110025;2. 沈陽師范大學 實驗教學中心, 沈陽 110034; 3. 沈陽師范大學 糧食學院, 沈陽 110034)

通過研究圓紅冬孢酵母(RhodosporidiumToruloidesAS 2.1389)、油脂酵母(LipomycesstarkeyiAS 2.1390)、粘紅酵母 (RhodotorulaglutinisAS 2.703)、 少根根霉(Rhizopusarrhizus)、畸雌腐霉(Pythiumirregulare)、雅致枝霉 (Thamnidiumelegans)利用淀粉加工工業廢水的產油特性,篩選出油脂含量最高的菌種。借助生物技術手段,利用微生物發酵方法,把使用價值較低淀粉加工工業廢水轉化為食用油脂。實驗結果表明,粘紅酵母的油脂含量最高,生物量、COD去除率也較高。最適菌種的最適培養條件為:在淀粉廢水中加入15%廢糖蜜,起始pH控制在6.0～7.0,在30 ℃溫度下發酵7 d,油脂積累最高,菌體生長量也較高。微生物油脂提取方法采用酸熱法,酸熱法單位時間內處理樣品的能力遠高于SCF-CO2法,且設備要求低。毛油經過脫膠、堿煉、脫色、脫臭后,油脂的酸值(AV)、過氧化值(POV)指標大大降低,色澤也得到一定改觀。

淀粉加工工業廢水;食用油脂;酸熱法

0 引 言

傳統的食用油脂主要來源于動植物。當今人口不斷增加,人們對油脂的需求量逐年增長[1],食用油脂出現供不應求,價格上漲的趨勢。微生物油脂也稱之為單細胞油脂[2],利用微生物生產油脂生產周期短,成本低,所需勞動力少,同時不受場地、季節、氣候變化的影響[3],而且潛在商業化價值大,可廣泛應用于保健品、飼料和生物柴油原料等方面[4]。

目前,有些淀粉加工生產企業對廢水沒有進行有效處理,直接排放,這些高濃度有機廢水,造成嚴重的環境污染[5]。針對這一現狀,本研究借助生物技術手段,利用微生物發酵方法,把使用價值較低的食品加工副產品----淀粉加工工業廢水轉化為食用油脂[6]對產油菌株利用淀粉加工工業廢水為主要原料的培養基的產油特性進行了篩選;初步優化了篩選出菌種的培養工藝,以淀粉廢水為主要原料,配以糖廠廢糖蜜,采用液態深層培養法,培養出高富集油脂的菌體;并對菌體進行收集、油脂提取與精煉,研制出符合食用標準的微生物油脂。 利用淀粉加工工業廢水,與生產微生物油脂相結合能夠提供一種有效、新型的綜合利用途徑,多渠道開辟了油脂資源[7]。微生物油脂技術的研究開辟了新的發展方向,對解決人類新能源等問題方面起著重要作用[8]。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 實驗原料

產油微生物、淀粉加工工業廢水、廢糖蜜、馬鈴薯、葡萄糖、酵母粉、瓊脂、胰蛋白胨、檸檬酸、活性白土等。

1.1.2 實驗儀器

無菌操作臺:SW-CJ-1D,蘇州凈化設備有限公司;電子天平:CP214,奧豪斯儀器(上海)有限公司;高壓蒸汽滅菌設備:MLS-3781L-PC,松下健康醫療器械株式會社;搖床培養箱:HNY-2102C,天津市歐諾儀器儀表有限公司;旋轉蒸發儀:RE-52A,上海亞榮生化儀器廠;電熱鼓風干燥箱:101FA-0,上海樹立儀器儀表有限公司;離心機:SC-3614,安徽中科中信科學儀器有限公司;框壓濾機:SHFΦ200,海寧圣華過濾設備有限公司等。

1.2 工藝流程

微生物油脂生產工藝流程如下:

1.3 測定方法

1.3.1 生物量:濕菌體于65 ℃烘24 h至恒重,以g干菌體/L發酵液表示菌體生物量[9]。

1.3.2 油脂含量:索式抽提法。

1.3.3 酸值:采用GB/T 5009.37—2003。

1.3.4 過氧化值:采用GB/T 538—1995。

2 技術關鍵

2.1 菌體活化

選擇PDA培養基為斜面活化培養基,其制備方法為將馬鈴薯50 g切塊用水煮沸20 min,8層醫用紗布過濾取汁,加葡萄糖5 g,瓊脂5 g,水補足250 mL,pH自然,分裝到15個18 mm×180 mm試管中,每試管裝培養基量為管高的1/5,用棉塞封口,121 ℃滅菌30 min,擺放斜面。冷卻后接入保藏3#菌種,溫度30 ℃,濕度60%～70%,活化培養7 d。

2.2 種子的制備

種子培養基—YEPD培養基,其制備方法為1%酵母粉、2%胰蛋白胨、2%葡萄糖,每250 mL三角瓶裝50 mL種子培養基,用醫用紗布包脫脂棉封口,121 ℃滅菌30 min。將新鮮斜面上的3#菌種接種于種子培養基中,按5%接種量接種孢子懸液,于30 ℃,200 r/min搖床培養48 h。

2.3 發酵培養

發酵培養基制備:將淀粉廢水用4層紗布過濾后,加入15%糖蜜拌勻,調pH至6.0,滅菌30 min,冷卻。發酵過程:將搖瓶種子液接入一級發酵罐,30 ℃培養2 d后,接種至二級發酵罐培養2 d后,接種至三級發酵罐進行發酵,培養7 d至發酵終點放罐。

2.4 菌體收集、干燥

將發酵液經過板框壓濾機,截留得菌絲體,通過振動流化床干燥,得到干菌體。

2.5 菌體預處理

在微生物油脂的生產工藝中,菌體的預處理是關鍵工藝。微生物油脂多存在于較堅硬的細胞壁中,部分與蛋白質或糖類結合以脂蛋白、脂多糖的形式存在[10],較難分離出來;因此提油前必須對菌體進行預處理,采用細沙磨碎處理菌體。

2.6 油脂提取

菌體按每克菌6 mL的比例加入4 mol/L鹽酸,振蕩混勻,室溫放置30 min后,沸水溶3 min,-20 ℃速凍,加入2倍體積氯仿:甲醇(1∶1)提取液,充分振蕩后,5 000 r/min離心5 min,取氯仿層,揮發除去氯仿即得油脂。

2.7 微生物油脂的精煉

微生物毛油色澤深、黏度大、雜質多,有必要對其進行精煉。精煉過程:水化脫膠→堿煉→脫色→脫臭[11]。

3 結果與分析

3.1 菌種篩選

以淀粉廢水為主要原料的培養基培養6種菌種:1#圓紅冬孢酵母(RhodosporidiumToruloidesAS 2.1389),2#油脂酵母(LipomycesstarkeyiAS 2.1390),3#粘紅酵母(RhodotorulaglutinisAS 2.703),4#少根根霉(Rhizopusarrhizus),5#畸雌腐霉(Pythiumirregulare),6#雅致枝霉(Thamnidiumelegans),比較篩選出油脂含量最高的菌種,作為下一步進行發酵條件的初步研究[12-14]。

表1 菌種在淀粉廢水培養基中培養后的指標Tab.1 Indexes of strains cultivated in starch wastewater

實驗結果表明,3#菌種的油脂含量最高,生物量、COD去除率也較高。因此選擇以淀粉廢水為主要培養基所得的結果為依據,選擇生物量、油脂含量最高的菌種3#為研究對象進行下一步研究。

3.2 初步優化3#菌株發酵條件的初步研究

培養條件是影響產油微生物積累油脂的重要因素,如碳氮比、溫度、培養時間、pH值等。

3.2.1 培養原料組成對3#菌株發酵產油脂的影響

碳氮比是對微生物積累油脂影響最大的因素,高碳氮比有利于積累油脂。淀粉廢水中還原糖的含量較低,本實驗在淀粉廢水中分別加入5%、10%、15%、20%的廢糖蜜,搖瓶發酵結果見表2。

表2 培養原料組成對發酵產油的影響Tab.2 Effect of cultured fermentation on the fermentation oil production

實驗結果表明,在淀粉廢水中加入15%廢糖蜜,油脂積累最高,菌體生長量也較高。

3.2.2 培養溫度對3#菌株發酵產油脂的影響

本實驗溫度分別選取22 ℃、25 ℃、28 ℃、30 ℃、32 ℃,接種搖瓶發酵7 d,考察培養溫度對菌種生長和油脂積累量的影響,實驗結果見表3。

表3 溫度對菌種發酵產油的影響Tab.3 Effect of temperature on the fermentation oil production

由表3結果可見,在30 ℃時菌體生長良好,發酵所得的菌體生物量、油脂量達到最高。

3.2.3 起始pH對菌種發酵產油的影響

起始pH對菌株的生長與油脂產生有著密切的關系,將發酵培養基調至不同的pH,發酵7 d后的結果見表4。

表4 起始pH對菌種發酵產油的影響Tab.4 Effect of initial pH on the fermentation oil production

由表4結果可以看出,起始pH控制在5.0～7.0較為適合,控制在6.0～7.0效果最佳。

3.3 微生物油脂提取方法的選擇

本實驗以篩選出的3#菌種為材料,對4種提取油脂方法的綜合情況進行了比較研究[15],實驗結果見表5。

表5 4種方法提取微生物油脂的綜合情況比較
Tab.5 Comparison of 4 kinds of microorganisms to extract oil situation

提取方法樣品設備要求處理樣品能力油脂得率/%索氏法干粉較高1份/6h9.12酸熱法干濕均可低10份/6h7.56SCF-CO2法干粉高1份/6h7.23有機溶劑法干濕均可低20份/6h4.58

從表5中結果可見,索氏法提取油脂的得率最高,但其設備要求高;酸熱法與SCF-CO2法油脂得率相近,但酸熱法單位時間內處理樣品的能力遠高于SCF-CO2法,且設備要求低;有機溶劑法雖簡便、快速,但油脂得率較低。因此,選擇酸熱法作為微生物油脂提取方法。實驗結果與李植峰等[16]研究的4種真菌油脂提取方法的比較研究的結果吻合。

3.4 微生物毛油精煉

微生物毛油色澤深、黏度大、雜質多,需要對其進行精煉。本實驗對不同工序油品的理化指標進行了比較,結果見表6。

表6 不同精煉工序油品理化指標比較Tab.6 Comparison of different physical and chemical indicators of the oil refining process

從表6中結果可以看出,毛油經過脫膠、堿煉、脫色、脫臭后,油脂的酸值(AV)、過氧化值(POV)指標大大降低,色澤也得到一定改觀。

4 結 論

1) 從試驗結果可知,3#菌種的油脂含量最高,生物量、COD去除率也較高。因此,選擇生物量、油脂含量最高的菌種3#為研究對象進行下一步研究。

2) 對3#菌種培養條件進行優化,在淀粉廢水中加入15%廢糖蜜,起始pH控制在6.0～7.0,在30 ℃溫度下發酵7 d,油脂積累最高,菌體生長量也較高。

3) 微生物油脂提取方法采用酸熱法,酸熱法單位時間內處理樣品的能力遠高于SCF-CO2法,且設備要求低。

4) 毛油經過脫膠、堿煉、脫色、脫臭后,油脂的酸值(AV)、過氧化值(POV)指標大大降低,色澤也得到一定改觀。

5 展 望

在自然資源日益匱乏的今天,對新資源研究開發必將成為全世界關注的熱點,利用小麥加工副產品-淀粉廢水培養高產油脂的微生物菌株,降低微生物油脂生產成本,使微生物油脂工業化生產成為可能。微生物油脂作為一種新型油脂新資源出現在我們面前,相信隨著其生產技術的日趨完善,微生物油脂必定具有廣闊發展前景。

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Investigation on production of microbial oils using industrial wastewater in starch processing

LYU Mei1, CHEN Yufeng2, HE Huan1, ZHEN Guangtian1, ZHAO Lichun3

(1. Research Information Room, Shenyang Grain and Oil Food Science Institute , Shenyang 110025, China; 2. Experimental Teaching Center, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China; 3. College of Grain Science and Technology, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

In this study, the oil-producing properties of rhodosporidium toruloides (AS 2.1389), lipomyces starkeyi (AS 2.1390), rhodotorula glutinis (AS 2.703), rhizopus arrhizus, pythium irregular and thamnidium elegans utilizing wastewater of starch processing industry was investigated. With the help of biological technology, the low use value industrial wastewater in starch processing could be converted into edible oils and fats using the method of microorganism fermentation. The results showed that the oil content of rhodotorula glutinis was the highest, and biomass and removal rate of COD was also high. The optimum culture conditions were 15% waste molasses into wastewater, initial pH 6.0～7.0, and 7 d of fermentation at 30 ℃. Under the conditions, the oil accumulation was the highest, and bacteria growth mass was also higher. Microbial oils were extracted by acid-heating method, for its higher efficient capacity compared with the SCF-CO2method and low requirements for equipment. After degumming, alkali refining, decolorization and deodorization, the acid value (AV) and peroxide value (POV) index of the oil was significantly reduced, and the color of oil also get a certain improvement.

industrial wastewater in starch processing; edible oils and fats; acid-heating method

2015-01-13。

沈陽市科技局科學事業費科技專項項目(2007011)。

呂 美(1981-),女,遼寧海城人,沈陽市糧油食品科學研究所高級工程師; 通信作者: 肇立春(1966-),女,遼寧丹東人,沈陽師范大學教授。

1673-5862(2016)03-0316-05

TS210.9

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.03.013