一种豆渣两段式厌氧发酵产中链脂肪酸的方法

技术领域

本发明涉及环境微生物发酵技术领域，具体涉及一种豆渣两段式厌氧发酵产中链脂肪酸的方法。

背景技术

我国是全球豆制品加工的主要国家之一，在生产豆腐、豆油和其他豆制品的过程中，会产生大量的副产品——豆渣。据统计，我国每年会产生约200万吨豆渣，豆渣中含有40-60%碳水化合物、20-30%蛋白质、10-20%脂类（基于干重w/w）以及维生素矿物质等多种营养成分，有着巨大的资源化利用潜力。但由于豆渣的口感粗糙、豆腥味重、色泽暗淡和难以储存等缺点，易忽略豆渣的营养价值，所以豆渣的回收利用率较低，只有约20%豆渣被用作饲料和堆肥原料，其余大部分豆渣则被丢弃，不仅造成了环境污染，也使得这类废弃有机资源被大大浪费。因此，对豆渣进行高值化利用，使其变废为宝对豆制品行业的可持续发展具有重大意义。

近年来，国内外学者尝试通过物理（挤压膨化、超微粉碎）、化学（酸法、碱法）、酶处理等方法分离提取豆渣中的大豆多糖、异黄酮、蛋白质等，但由于运行成本高、产品收率低等限制，均未被产业化应用。相比之下，微生物发酵法可将豆渣中主要成分如碳水化合物、蛋白质、脂质等转化为厌氧产品，具有运行成本低、资源化程度高、安全环保等诸多优势，因而发酵法更具应用潜力。中链脂肪酸是厌氧发酵的主要产品之一，其已作为多用途的精细化学品，已被广泛应用于食品、化工、能源等领域。当前，市场中的中链脂肪酸主要从动植物油脂和石油中提取。然而，采用能源密集型的工业蒸馏提取工艺通常占其总生产成本的 8-15%左右，且产物的选择度不高，因而采用微生物进行生物质资源化的中链脂肪酸生产方式越来越被重视。此外，在我国实现碳中和与构建资源循环型社会的大背景下，以廉价易得的废弃生物质作为生产中链脂肪酸的原材料成为未来发展趋势。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种豆渣两段式厌氧发酵产中链脂肪酸的方法，解决了现有技术中链脂肪酸发酵工艺复杂，生产成本高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种豆渣两段式厌氧发酵产中链脂肪酸的方法，包括以下步骤，

S1豆渣预发酵，将豆渣作为底物，加入剩余污泥，通过厌氧发酵，生成豆渣酸化液；

S2中链脂肪酸发酵，向豆渣酸化液中加入乙醇或乳酸，加入产己酸混菌液，所述乙醇和乳酸均为补充电子供体物质，然后对豆渣酸化液进行二次厌氧发酵。

进一步，所述豆渣预发酵包括以下步骤，

S1-1将含固率85%以上的豆渣碾碎至粒径为1mm-3mm，然后将豆渣与剩余污泥混合，豆渣占总固体体积比为50%-75%，得到豆渣污泥混合物；

S1-2将S1-1步骤中得到的豆渣污泥混合物加入第一厌氧反应器，并加入蒸馏水得到豆渣污泥混合液，使豆渣污泥混合液中的总固体浓度为20g/L-40g/L；

S1-3将S1-2步骤中豆渣污泥混合液的初始pH值调整至4-5，在温度为35℃-40℃和厌氧条件下连续搅拌，转速为100-150rpm，反应过程中控制pH为4-5，反应5天后得到固液分离物，上清液为以乳酸为主的豆渣酸化液；

所述中链脂肪酸发酵包括将豆渣酸化液移入第二厌氧反应器，加入乙醇或乳酸，加入产己酸混菌液，调整初始pH为5-6，控制温度为35℃-40℃，连续搅拌，转速为100-150rpm,反应期间控制pH为5-6，反应10天后即获得含有中链脂肪酸的发酵液。

进一步，所述豆渣选自黄豆、黑豆、绿豆或红豆中的一种或多种的残渣。

进一步，所述剩余污泥选自污水处理厂二沉池的剩余活性污泥，所述剩余污泥含水率为95%-99%。

进一步，所述调整pH使用的pH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾或石灰。

进一步，所述乙醇和乳酸的投加量按体积比均为豆渣酸化液的0.4%-1%。

进一步，所述产己酸混菌液投加量按体积比为豆渣酸化液的10%-30%。

进一步，所述中链脂肪酸为己酸，浓度为4g/L-6g/L。

进一步，所述剩余污泥在与豆渣混合前经厌氧静置3-5天。

进一步，所述产己酸混菌液由剩余污泥经功能驯化获得。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明通过两段式厌氧发酵将废弃有机物豆渣高效地转化为中链脂肪酸的原料，有效解决了中链脂肪酸生产中原料成本高和纯菌发酵条件苛刻等难题，同时实现了豆渣的高值资源化利用与减量化处理对比当前工业化中链脂肪酸生产中以动植物油脂作为原料以及裂解提取过程的大量能耗输入，本发明以废弃有机物豆渣作为生产中链脂肪酸的原料，以剩余污泥作为混合菌种，操作条件更简单，原料成本更低廉，且更符合资源节约型社会的发展要求，有助于推动中链脂肪酸生产工业和豆制品行业实现绿色可持续发展。

附图说明

图1是本发明的豆渣预发酵阶段的发酵实验效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所使用的材料、试剂等如无特殊说明，均从商业途径得到。

结合图1中的a、b、c、d进行说明，本发明提供了一种豆渣两段式厌氧发酵产中链脂肪酸的方法，包括以下步骤，

S1豆渣预发酵，将豆渣作为底物，加入剩余污泥，通过厌氧发酵，生成豆渣酸化液；

将剩余污泥中的环境微生物作为初始菌源，剩余污泥中的物质与豆渣共同配合作为底物提供发酵所需养分。

S1-1将含固率85%以上的豆渣碾碎至粒径为1mm-3mm，然后将豆渣与剩余污泥混合，得到豆渣污泥混合物，豆渣占豆渣污泥混合物中总固体的体积比为50%-75%；

其中剩余污泥选自污水处理厂二沉池的剩余活性污泥，剩余污泥含水率为95%-99%，剩余污泥中的总固体浓度为20g/L-30g/L，剩余污泥在与豆渣混合前经厌氧静置3-5天。

S1-2将S1-1步骤中得到的豆渣污泥混合物加入第一厌氧反应器，并加入蒸馏水得到豆渣污泥混合液，使豆渣污泥混合液中的总固体浓度为20g/L-40g/L；

S1-3将S1-2步骤中豆渣污泥混合液的初始pH值调整至4-5，在温度为35℃-40℃和厌氧条件下连续搅拌，转速为100-150rpm，反应过程中控制pH为4-5，反应5天后得到固液分离物，上清液为以乳酸为主的豆渣酸化液；

S2中链脂肪酸发酵，向豆渣酸化液中加入乙醇或乳酸，加入产己酸混菌液，所述乙醇和乳酸均为补充电子供体物质，然后对豆渣酸化液进行二次厌氧发酵。具体的，中链脂肪酸发酵包括将豆渣酸化液移入第二厌氧反应器，加入乙醇或乳酸，加入产己酸混菌液，调整初始pH为5-6，控制温度为35℃-40℃，连续搅拌，转速为100-150rpm,反应期间控制pH为5-6，反应10天后即获得含有中链脂肪酸的发酵液。乙醇和乳酸的投加量按体积比均为豆渣酸化液的0.4%-1%。己酸混菌液由剩余污泥经功能驯化获得。

通过对豆渣进行预发酵，形成豆渣酸化液，对豆渣进行初步降解，再对经初步降解形成的豆渣酸化液进行己酸发酵的两段式厌氧发酵方法，将废弃有机物豆渣高效地转化为中链脂肪酸，有效解决了中链脂肪酸生产中原料成本高的问题；在发酵过程中使用了选自污水处理厂二沉池的剩余活性污泥作为预发酵阶段的初始菌源和中链脂肪酸发酵阶段的接种菌源，避免了纯菌发酵易受污染等条件苛刻带来的问题。

实施例1 己酸混菌液制备

对剩余污泥进行功能驯化以获得产己酸混菌液。按照表1列出的组分配置发酵基质，将剩余污泥置于发酵基质中进行厌氧发酵，发酵液中己酸浓度稳定时为完成功能驯化。整个驯化共持续约2周。

表1 厌氧污泥驯化培养基组分

实施例2 豆渣预发酵效果对比实验

设置16个实验组。对每个实验处理进行了编号1-16。设豆渣占总固体体积比为接种比(A)；豆渣污泥混合液中的总固体浓度为底物浓度(B)；豆渣预发酵的PH为pH(C)，A、B、C三因素设有四水平，具体如表2。16个实验组分别对应表3的A、B、C三因素不同水平的设计，豆渣污泥混合物中的总固体包括污泥和豆渣。

表2 三因素四水平列表

表3三因素四水平设计

注：表3中的1,2,3,4分别对应表2中各因素下的不同水平，如A

对各实验组得到的豆渣酸化液中乳酸含量进行对比，结果如图1，图1（a）中的底物浓度(B)的水平均为1对应浓度为10 g/L，豆渣酸化液中乳酸含量最好的为实验组5，A

图1（b）中的底物浓度(B)的水平均为2对应浓度为20 g/L，豆渣酸化液中乳酸含量最好的为实验组10，A

图1（c）中的底物浓度(B)的水平均为3对应浓度为30 g/L，豆渣酸化液中乳酸含量最好的为实验组15，A

图1（d）中的底物浓度(B)的水平均为4对应浓度为40 g/L，豆渣酸化液中乳酸含量最好的为实验组12，A

结合图1显示，

实验组5、实验组10、实验组1和实验组15为图1中4个组中的乳酸含量最大的实验组；

实验组15和实验组12的乳酸含量最大值高于实验组5和实验组10；

实验组15和实验组12在达到乳酸含量最大值前的发酵速度直线上升趋势；

因此，通过图1中的16个实验组对比结果显示接种比(A)为50%-75%，底物浓度(B)为20g/L-40g/L，pH(C)为4-5时对应的实验组的乳酸含量及发酵速度趋势均优于其他实验组，为豆渣预发酵的优选条件范围。

实施例3将含固率85%以上的豆渣碾碎至粒径为2mm，然后将豆渣与剩余污泥混合，使豆渣占总固体体积比为50%；将豆渣污泥混合物加入第一厌氧反应器，并加入适量蒸馏水，使混合物的总固体浓度为40g/L，调整初始pH值为5，然后在37℃和厌氧条件下连续搅拌，转速为120rpm,反应过程中控制pH使其保持在5±0.1，反应5天后进行固液分离，上清液即为富含乳酸的发酵液，为豆渣酸化发酵液。此为第一段厌氧发酵，每克干豆渣可获得0.73克乳酸。

将此豆渣酸化发酵液移入第二厌氧反应器，加入乙醇，乙醇的投加量按体积比为豆渣酸化液的0.8%，加入产己酸混菌液，产己酸混菌液的投加量按体积比为豆渣酸化液的15%，调整初始pH为5.5，并在反应过程控制pH为5.5±0.1，控制温度为37℃，连续搅拌转速为120rpm,反应10天后即获得以己酸为主的发酵液，其中己酸浓度为3.1 g/L。

实施例4将含固率85%以上的豆渣碾碎至粒径为2mm，然后将豆渣与剩余污泥混合，使豆渣占总固体体积比为50%；将豆渣污泥混合物加入第一厌氧反应器，并加入适量蒸馏水，使混合物的总固体浓度为20g/L，调整初始pH值为4.5，然后在37℃和厌氧条件下连续搅拌，转速为120rpm,反应过程中控制pH使其保持在4.5±0.1，反应5天后进行固液分离，上清液即为富含乳酸的发酵液，为豆渣酸化发酵液。此为第一段厌氧发酵，每克干豆渣可获得0.58克乳酸。

将此豆渣酸化发酵液移入第二厌氧反应器，加入乳酸，乳酸的投加量按体积比为豆渣酸化液的1%，加入产己酸混菌液，产己酸混菌液的投加量按体积比为豆渣酸化液的15%，调整初始pH为5.5，并在反应过程控制pH为5.5±0.1，控制温度为37℃，连续搅拌转速为120rpm,反应10天后即获得以己酸为主的发酵液，其中己酸浓度为2.8 g/L。

与当前工业化中链脂肪酸生产中以动植物油脂作为原料以及裂解提取需要大量能耗输入相比，本发明以废弃有机物豆渣作为生产中链脂肪酸的原料，以剩余污泥作为混合菌种，操作条件更简单，原料成本更低廉，且更符合资源节约型社会的发展要求，有助于推动中链脂肪酸生产工业和豆制品行业实现绿色可持续发展。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。