利用淀粉加工工業(yè)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(yáng)市糧油食品科學(xué)研究所 科研信息室, 沈陽(yáng) 110025;2. 沈陽(yáng)師范大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心, 沈陽(yáng) 110034; 3. 沈陽(yáng)師范大學(xué) 糧食學(xué)院, 沈陽(yáng) 110034)

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利用淀粉加工工業(yè)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(yáng)市糧油食品科學(xué)研究所 科研信息室, 沈陽(yáng) 110025;2. 沈陽(yáng)師范大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心, 沈陽(yáng) 110034; 3. 沈陽(yáng)師范大學(xué) 糧食學(xué)院, 沈陽(yáng) 110034)

通過(guò)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(yè)廢水的產(chǎn)油特性,篩選出油脂含量最高的菌種。借助生物技術(shù)手段,利用微生物發(fā)酵方法,把使用價(jià)值較低淀粉加工工業(yè)廢水轉(zhuǎn)化為食用油脂。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yǎng)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(fā)酵7 d,油脂積累最高,菌體生長(zhǎng)量也較高。微生物油脂提取方法采用酸熱法,酸熱法單位時(shí)間內(nèi)處理樣品的能力遠(yuǎn)高于SCF-CO2法,且設(shè)備要求低。毛油經(jīng)過(guò)脫膠、堿煉、脫色、脫臭后,油脂的酸值(AV)、過(guò)氧化值(POV)指標(biāo)大大降低,色澤也得到一定改觀。

淀粉加工工業(yè)廢水;食用油脂;酸熱法

0 引 言

傳統(tǒng)的食用油脂主要來(lái)源于動(dòng)植物。當(dāng)今人口不斷增加,人們對(duì)油脂的需求量逐年增長(zhǎng)[1],食用油脂出現(xiàn)供不應(yīng)求,價(jià)格上漲的趨勢(shì)。微生物油脂也稱(chēng)之為單細(xì)胞油脂[2],利用微生物生產(chǎn)油脂生產(chǎn)周期短,成本低,所需勞動(dòng)力少,同時(shí)不受場(chǎng)地、季節(jié)、氣候變化的影響[3],而且潛在商業(yè)化價(jià)值大,可廣泛應(yīng)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(chǎn)企業(yè)對(duì)廢水沒(méi)有進(jìn)行有效處理,直接排放,這些高濃度有機(jī)廢水,造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[5]。針對(duì)這一現(xiàn)狀,本研究借助生物技術(shù)手段,利用微生物發(fā)酵方法,把使用價(jià)值較低的食品加工副產(chǎn)品----淀粉加工工業(yè)廢水轉(zhuǎn)化為食用油脂[6]對(duì)產(chǎn)油菌株利用淀粉加工工業(yè)廢水為主要原料的培養(yǎng)基的產(chǎn)油特性進(jìn)行了篩選;初步優(yōu)化了篩選出菌種的培養(yǎng)工藝,以淀粉廢水為主要原料,配以糖廠廢糖蜜,采用液態(tài)深層培養(yǎng)法,培養(yǎng)出高富集油脂的菌體;并對(duì)菌體進(jìn)行收集、油脂提取與精煉,研制出符合食用標(biāo)準(zhǔn)的微生物油脂。 利用淀粉加工工業(yè)廢水,與生產(chǎn)微生物油脂相結(jié)合能夠提供一種有效、新型的綜合利用途徑,多渠道開(kāi)辟了油脂資源[7]。微生物油脂技術(shù)的研究開(kāi)辟了新的發(fā)展方向,對(duì)解決人類(lèi)新能源等問(wèn)題方面起著重要作用[8]。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原料

產(chǎn)油微生物、淀粉加工工業(yè)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(shí)驗(yàn)儀器

無(wú)菌操作臺(tái):SW-CJ-1D,蘇州凈化設(shè)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(shè)備:MLS-3781L-PC,松下健康醫(yī)療器械株式會(huì)社;搖床培養(yǎng)箱:HNY-2102C,天津市歐諾儀器儀表有限公司;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀:RE-52A,上海亞榮生化儀器廠;電熱鼓風(fēng)干燥箱:101FA-0,上海樹(shù)立儀器儀表有限公司;離心機(jī):SC-3614,安徽中科中信科學(xué)儀器有限公司;框壓濾機(jī):SHFΦ200,海寧圣華過(guò)濾設(shè)備有限公司等。

1.2 工藝流程

微生物油脂生產(chǎn)工藝流程如下:

1.3 測(cè)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(fā)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(guò)氧化值:采用GB/T 538—1995。

2 技術(shù)關(guān)鍵

2.1 菌體活化

選擇PDA培養(yǎng)基為斜面活化培養(yǎng)基,其制備方法為將馬鈴薯50 g切塊用水煮沸20 min,8層醫(yī)用紗布過(guò)濾取汁,加葡萄糖5 g,瓊脂5 g,水補(bǔ)足250 mL,pH自然,分裝到15個(gè)18 mm×180 mm試管中,每試管裝培養(yǎng)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(yǎng)7 d。

2.2 種子的制備

種子培養(yǎng)基—YEPD培養(yǎng)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(yǎng)基,用醫(yī)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(yǎng)基中,按5%接種量接種孢子懸液,于30 ℃,200 r/min搖床培養(yǎng)48 h。

2.3 發(fā)酵培養(yǎng)

發(fā)酵培養(yǎng)基制備:將淀粉廢水用4層紗布過(guò)濾后,加入15%糖蜜拌勻,調(diào)pH至6.0,滅菌30 min,冷卻。發(fā)酵過(guò)程:將搖瓶種子液接入一級(jí)發(fā)酵罐,30 ℃培養(yǎng)2 d后,接種至二級(jí)發(fā)酵罐培養(yǎng)2 d后,接種至三級(jí)發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵,培養(yǎng)7 d至發(fā)酵終點(diǎn)放罐。

2.4 菌體收集、干燥

將發(fā)酵液經(jīng)過(guò)板框壓濾機(jī),截留得菌絲體,通過(guò)振動(dòng)流化床干燥,得到干菌體。

2.5 菌體預(yù)處理

在微生物油脂的生產(chǎn)工藝中,菌體的預(yù)處理是關(guān)鍵工藝。微生物油脂多存在于較堅(jiān)硬的細(xì)胞壁中,部分與蛋白質(zhì)或糖類(lèi)結(jié)合以脂蛋白、脂多糖的形式存在[10],較難分離出來(lái);因此提油前必須對(duì)菌體進(jìn)行預(yù)處理,采用細(xì)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(fā)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(zhì)多,有必要對(duì)其進(jìn)行精煉。精煉過(guò)程:水化脫膠→堿煉→脫色→脫臭[11]。

3 結(jié)果與分析

3.1 菌種篩選

以淀粉廢水為主要原料的培養(yǎng)基培養(yǎng)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(jìn)行發(fā)酵條件的初步研究[12-14]。

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

實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yǎng)基所得的結(jié)果為依據(jù),選擇生物量、油脂含量最高的菌種3#為研究對(duì)象進(jìn)行下一步研究。

3.2 初步優(yōu)化3#菌株發(fā)酵條件的初步研究

培養(yǎng)條件是影響產(chǎn)油微生物積累油脂的重要因素,如碳氮比、溫度、培養(yǎng)時(shí)間、pH值等。

3.2.1 培養(yǎng)原料組成對(duì)3#菌株發(fā)酵產(chǎn)油脂的影響

碳氮比是對(duì)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(shí)驗(yàn)在淀粉廢水中分別加入5%、10%、15%、20%的廢糖蜜,搖瓶發(fā)酵結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 培養(yǎng)原料組成對(duì)發(fā)酵產(chǎn)油的影響Tab.2 Effect of cultured fermentation on the fermentation oil production

實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhǎng)量也較高。

3.2.2 培養(yǎng)溫度對(duì)3#菌株發(fā)酵產(chǎn)油脂的影響

本實(shí)驗(yàn)溫度分別選取22 ℃、25 ℃、28 ℃、30 ℃、32 ℃,接種搖瓶發(fā)酵7 d,考察培養(yǎng)溫度對(duì)菌種生長(zhǎng)和油脂積累量的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 溫度對(duì)菌種發(fā)酵產(chǎn)油的影響Tab.3 Effect of temperature on the fermentation oil production

由表3結(jié)果可見(jiàn),在30 ℃時(shí)菌體生長(zhǎng)良好,發(fā)酵所得的菌體生物量、油脂量達(dá)到最高。

3.2.3 起始pH對(duì)菌種發(fā)酵產(chǎn)油的影響

起始pH對(duì)菌株的生長(zhǎng)與油脂產(chǎn)生有著密切的關(guān)系,將發(fā)酵培養(yǎng)基調(diào)至不同的pH,發(fā)酵7 d后的結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 起始pH對(duì)菌種發(fā)酵產(chǎn)油的影響Tab.4 Effect of initial pH on the fermentation oil production

由表4結(jié)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(shí)驗(yàn)以篩選出的3#菌種為材料,對(duì)4種提取油脂方法的綜合情況進(jìn)行了比較研究[15],實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(shè)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(jī)溶劑法干濕均可低20份/6h4.58

從表5中結(jié)果可見(jiàn),索氏法提取油脂的得率最高,但其設(shè)備要求高;酸熱法與SCF-CO2法油脂得率相近,但酸熱法單位時(shí)間內(nèi)處理樣品的能力遠(yuǎn)高于SCF-CO2法,且設(shè)備要求低;有機(jī)溶劑法雖簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)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(zhì)多,需要對(duì)其進(jìn)行精煉。本實(shí)驗(yàn)對(duì)不同工序油品的理化指標(biāo)進(jìn)行了比較,結(jié)果見(jiàn)表6。

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

從表6中結(jié)果可以看出,毛油經(jīng)過(guò)脫膠、堿煉、脫色、脫臭后,油脂的酸值(AV)、過(guò)氧化值(POV)指標(biāo)大大降低,色澤也得到一定改觀。

4 結(jié) 論

1) 從試驗(yàn)結(jié)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(duì)象進(jìn)行下一步研究。

2) 對(duì)3#菌種培養(yǎng)條件進(jìn)行優(yōu)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(fā)酵7 d,油脂積累最高,菌體生長(zhǎng)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(shí)間內(nèi)處理樣品的能力遠(yuǎn)高于SCF-CO2法,且設(shè)備要求低。

4) 毛油經(jīng)過(guò)脫膠、堿煉、脫色、脫臭后,油脂的酸值(AV)、過(guò)氧化值(POV)指標(biāo)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(duì)新資源研究開(kāi)發(fā)必將成為全世界關(guān)注的熱點(diǎn),利用小麥加工副產(chǎn)品-淀粉廢水培養(yǎng)高產(chǎn)油脂的微生物菌株,降低微生物油脂生產(chǎn)成本,使微生物油脂工業(yè)化生產(chǎn)成為可能。微生物油脂作為一種新型油脂新資源出現(xiàn)在我們面前,相信隨著其生產(chǎn)技術(shù)的日趨完善,微生物油脂必定具有廣闊發(fā)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(yáng)市科技局科學(xué)事業(yè)費(fèi)科技專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2007011)。

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

1673-5862(2016)03-0316-05

TS210.9

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.03.013