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作者：

王孝强

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摘要：

餐厨垃圾产生量大,易腐败,有机物含量高,亟待无害化处理与资源化利用.餐厨垃圾生产乳酸,进而合成可生物降解性塑料—聚乳酸,是实现其资源化的有效途径之一.在其乳酸发酵工艺中,往往需要使用糖化酶酶解餐厨垃圾产生还原糖,达到提高乳酸产量的目的.大多数的现有工艺,均使用经过浓缩分离的商业酶制剂,以致酶制剂成本占整个生产成本的比例很高.本课题以餐厨垃圾为原料生产糖化酶;并将所产糖化酶直接用于乳酸生产工艺中,提高餐厨垃圾的乳酸产率,降低餐厨垃圾乳酸发酵的成本. 为了降低餐厨垃圾乳酸发酵所用酶制剂的成本,利用餐厨垃圾自制糖化酶.Plackett-Burman统计试验表明,餐厨垃圾本身含有的营养物质已经足够满足黑曲霉的生长和产酶要求,无须额外添加任何营养物;液态发酵时由于所产酶能与垃圾充分接触,故未粉碎垃圾也容易被黑曲霉降解,所产酶活与粉碎垃圾相当,3.75%的餐厨垃圾在发酵96h后糖化酶活达到137U/mL.因此,液态发酵产酶的原料不需粉碎,以减少操作程序.添加玉米秸秆作辅料,可解决单一餐厨垃圾固态发酵时透气性差的问题,并能提高餐厨垃圾固态产酶的效率.当粉碎的餐厨垃圾与玉米秸秆的比例为3.75:1,发酵温度30℃,接种黑曲酶固态发酵96h后,可产糖化酶1838U/g. 利用自制糖化酶酶解餐厨垃圾的试验表明,所得还原糖的主要成分为葡萄糖.自制糖化酶具有良好的耐酸性,最适pH为4.2~4.9,pH3.0时的相对酶活依然能达到83.5%.在垃圾本身pH值为4.98,发酵温度60℃,用酶量8%(w/w,粗酶/垃圾,相当于每克干垃圾147U)的条件下,酶解浓度为10%的餐厨垃圾125min后,可产糖60.3g/L;当餐厨垃圾浓度为0～100g/L(即0%~10%)时,餐厨垃圾的酶解反应符合米氏方程,Vmax=3.10g/L.min, Km=67.73g/L.通过动力学的方法,证实了乳酸盐对餐厨垃圾的酶解具有竞争性可逆抑制作用,抑制常数KI为100.6g/L;热力学分析的结果表明,乳酸盐会降低糖化酶的热稳定性,加速糖化酶的失活.在40,45,50,55,60℃下,不加乳酸盐的酶失活半周期分别是添加24g/L乳酸盐的酶失活半周期的7.6,2.7,2.6,1.7,1.2倍,可知乳酸盐在低温下对糖化酶失活的加速作用更为显著.不加乳酸盐的酶失活焓变⊿Hd和酶失活活化能 Ea,d分别为188kJ/mol和190.65kJ/mol,比添加24g/L乳酸盐的⊿Hd(115kJ/mol)和Ea,d(118.16kJ/mol)分别高63%和61%. 不经浓缩分离的自制糖化酶可以直接用于餐厨垃圾的L-乳酸发酵.Plackett-Burman试验表明餐厨垃圾本身的营养成分就能满足乳酸菌的生长,不用添加任何氮源及微量元素;只有糖化酶才对乳酸发酵具有显著的促进作用,其效果值达到27.62g/L.通过中心复合试验设计得到了L-乳酸的最佳发酵条件:以10%(基于干重)的餐厨垃圾底物,灭菌冷却后,按142U/g-干垃圾的用量加入自制糖化酶,接种6%的鼠李糖乳杆菌,38℃下发酵48h.在此条件下可得L-乳酸58.40g/L(相当于L-乳酸0.58g/g-干垃圾). 乳酸发酵残渣可以用作生产蛋白饲料的原料.试验结果表明,乳酸发酵残渣中残留的乳酸菌和乳酸盐对酵母发酵产饲料无影响,酵母发酵前发酵底物无须灭菌.不但减少了能量消耗,还使得饲料中具有丰富的益生乳酸菌.残渣产蛋白饲料的最佳工艺为:酵母接种量8.4%(v/v),尿素2.7%,31℃下发酵42h.真蛋白含量和氨基酸总量能达到30.34%和32.554%,分别比乳酸发酵残渣提高了97%和84.7%. 餐厨垃圾联产糖化酶和L-乳酸的应用可以实现垃圾的高度资源化,餐厨垃圾生产的糖化酶可以不经浓缩分离就直接应用于乳酸发酵,提高餐厨垃圾的乳酸产率.此举简化了整个发酵工艺的流程,降低生产成本,具有较大的环境效益,经济效益和社会效益.

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关键词：

餐厨垃圾 产糖化酶 L-乳酸 酶解反应 发酵工艺

学位级别：

博士

学位年度：

2008

DOI：

10.7666/d.D263797