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第 5卷第 1期 2 0 0 7年 2月 生物加工过程 C h i n e s e J o u r n a l o f Bi o p r o c e s s E n g i n e e ri n g F e b2 0 0 7 3 3 甘薯淀粉废水发酵 生产微 生物油脂 的研 究 杜 娟, 王宏勋, 金红林 , 颜克亮, 张晓昱 ( 华中科技大学 生命科学与技术学院, 环境资源与微生物技术研 究所, 武汉 4 3 0 0 7 4 ) 摘要: 研究了废水预处理方式及添加营养因子对产油菌株 F R在甘薯淀粉废水中生长、 产油及 C O D去除的影响。 发现不 经稀释的废 水发 酵效果优 于稀释 后的效果 , 采 用淀粉酶 液化 处理 、 添 加碳 氮 比、 添加 M n 均 能够促进 菌株 F R生长 、 产 油和 C O D去除 , 淀粉 酶液化处理后的产油 率可达4 5 3 , 淀粉 酶和糖化酶先后 处理后 的 C O D去除 率可 达 6 6 3 。M g 的加入 可以提 高生物量 。 关键词 : 真菌 ; 淀粉废 水发 酵 ; 油脂 中图分类号 : Q 9 3 9 文献标识码: A 文章编号: 1 6 7 2 3 6 7 8 ( 2 0 0 7 ) 0 1 0 0 3 3 0 4 Fa t t y a c i d s pr o d uc t i o n by f ung i g r o wi ng i n s we e t po t a t o s t a r c h p r o c e s s i ng wa s t e wa t e r D U J u a n, WANG Ho n g x u n, J I N Ho n g 一 1 i n, YAN Ke l i a n g, Z HANG Xi a o y u ( Hu a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , D e p a r t me n t o f L i f e S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy, I n s t i t u t e o f E n v i r o n m e n t R e s o u r c e a n d Mi c r o b i a l T e c h n o l o g y ,Wu h a n 4 3 0 0 7 4 , C h i n a ) Abs t r a c t : F a c t o r s a ffe c t i n g t h e bi o ma s s , f a t t y a c i d s p r o d u c t i o n a nd COD r e d uc i n g o f FR g r o wi ng i n s we e t p o t a t o s t a r c h p r o c e s s i n g wa s t e wa t e r we r e s t u d i e dTh e r e s ul t s s h o we d t h a t t h e b i o ma s s, Fa t t y a c i ds p r o d uc t i o n r a t e a n d COD r e d u c i n g r a t e we r e i mp r o v e d b y a my l a s e l i q u e f y i n g,a d d i n g t h e r a t i o o f Ca r b o n a n d Ni t r o g e n、 Mn “ Fa t t y a c i d s p r o d u c t i o n r a t e c o u l d a c h i e v e 45 3 wh e n t he wa s t e r wa t e r wa s l i qu e fie d b y a my l a s e Th e COD r e du c i n g r a t e c o u l d a c hi e v e 6 6 3 wh e n t h e wa s t e wa t e r wa s s a c c ha r i fic a t e dThe a dd i t i o n o f Mg “ c o u l d i mp r o v e b i o ma s s Ke y wo r d s: f u n g i ; f e r me n t at i o n o f s t a r c h p roc e s s i n g wa s t e wa t e r ; f a t t y a c i d s 能源需求 的不 断增 长以及化石燃料燃 烧造成 的环境污染和温室效应, 使 2 l 世纪的能源面临巨大 挑战, 可再生能源将成为未来可持续发展能源系统 的主体 。生物柴油是最重要 的液体 可再生能源 产品之一 , 其化 学成分 主要 为长链 脂肪 酸 的低碳 酯 , 通常为甲酯 。当前 生物 柴油 的制备主要采用化 学方法 , 即高温下通过酸或碱催化动植物油脂和甲 醇或乙醇等低碳醇进行转酯化 反应 , 生成相应 的脂 肪酸酯 , 再经洗涤干燥获得 J 。以植物油脂为原料 生产生物柴油 , 原料 成本 占总生产 成本 的 7 0 8 5 J 。而产油微 生 物具 有 资源 丰 富、 油 脂 含量 高、 生长周期短 、 碳源利用谱广等特点, 因此可以大 大降低油脂生产成本。 工业甘薯 淀粉废 水是 一 种高 浓度 有 机废 水 , C O D一般在1 1 4 8 21 3 7 8 0 m g L 。排放到环 境中会造成污染, 同时造成资源的浪费。据报道, 收稿 日期 : 2 0 0 6 1 0 1 7 作者简 介: 杜娟 ( 1 9 8 2一) , 女 , 湖北 十堰人 , 硕 士研究生 , 研 究方 向: 资源微生物技 术。 联系 人 : 张晓昱 , 教授 , E m a i l : z h a n g x i a o y u ma i l h u s t e d u c “ 维普资讯 3 4 生 物 加 工 过 程 第 5卷第 1 期 利用淀粉废 水来 获取食 用菌 菌丝 体 、 单 细胞蛋 白 、 天然色素 、 食用菌多糖 , 能够达到对废水 的高效利用 , 变废为宝。但是利用淀粉废水来获得 微生物油脂的研究少见报道。 因此 , 本文对 以甘薯 淀粉废水 为培养基 质 , 培 养产油真菌来获得 由脂同时降低 C O D进行 了初步 研 究 。 1 实验材料与方法 1 1 菌种 刺孢 小 克 银汉 霉 ( C u n n i n g h a me l l a e c h i n u l a t a ) F R, 由本实验室筛选 、 鉴定 、 保藏之菌种。 1 2 模拟工业淀粉废水 1 0 0 0 g甘薯洗 净一切碎一 搅拌成浆一4层纱 布 过 滤 除 渣 一 滤 液 沉 淀 4 h 尝 L 1 3 培养基 斜面培养基 ( g L ) : 土豆 2 0 0, 食用糖 2 0 , 琼 脂 3 0, p H 自然 。 种子培养液 ( g L ) : 土豆 2 0 0 , 食用糖 2 0 , p H 自然。 发酵培养 基 : 以甘 薯淀粉废 水为基础 , 预处理 及添加各种营养因子。 1 4 试剂 所有试剂均为分析纯。 液体耐高温 仅 一 淀粉酶 : 无锡杰能科生物工程有 公司 , 2 w u。 mL 液体葡 萄糖 淀粉 酶 : 周 口裕 鑫生 物酶 有 限公 司 5 w U mL 1 w U mL =每 mL酶液含有 1万酶活单位 1 5方法 1 5 1 培养方法 F R转接至斜面培养基生长 7 d , 接种至种子培 养液培养 4 d ( 2 5 o C、 1 5 0 r m i n ) , 然后接种到发酵 培养基发酵 9 d ( 2 5 o C、 1 5 0 r m i n ) , 接种量体积分 数为 1 0 。 1 5 2 淀粉废水 p H调 至 6 0, 加入液体耐高温 仅 一 淀粉酶 2 O U- mL 。 。 , 9 0 c C水浴 3 0 m i n 。 液化完全 的淀粉废水 , p H调至 4 6 , 加 入液体 葡萄糖淀粉酶 1 O U mL , 5 6 c C 水浴 5 h 。 1 5 3 油脂抽提 培养好 的菌液用滤布过滤 , 冲洗干净 , 拧干 , 置 于平皿 中, 3 5 c C烘箱烘干。差重法测生物量。将所 得干菌体用粉碎机粉碎 , 用脱脂滤纸包扎放人索氏 提取器中, 加入一定量乙醚( 1 2 0 m L ) 4 5 c C 水浴抽提 一 定时间( 1 2 h以上) , 回收乙醚 , 用 N : 吹走残 留乙 醚即得 到油脂 。差重法测粗脂肪 。 1 5 4 气相色谱分析条件 气相色谱条件 : 色谱柱为 F F A P交联 弹性 石英 毛细管柱 ( 0 2 5 mm 0 2 5 I x m 3 0 m) ; 检测器为氢 火焰检测器( F I D) ; 载气为 N : ( 流量 6 0 m L mi n ) ; 进样器温度 1 6 0 c C, 检测器 温度 2 4 0 c C; 初始柱温 1 6 0 c C, 以 8 o C mi n 升至 2 0 0 c C, 以 2 c C m i n 继 续升至 2 2 0 c C, 恒温 1 5 m i n , 降至 1 6 0 c C。 2 结果与分析 2 1 模拟工业甘薯淀粉废水水质特征 由表 1知 , 不同批次 的模拟甘薯淀粉废水水质 特征存在差异 , 甘薯储 藏期 的不 同会导致废水水质 的差异。废水含糖 量在 9 左 右 , C O D 比工业甘薯 淀粉废水高出2 0 0 0 04 0 0 0 0 m g L, 这很大程度 上是因为工业淀粉废水的具体制作工艺不同。 表 1 模拟工业甘薯淀粉废水水质特征 Ta bl e 1 Tr a i t s o f s we e t p o t a t o s t a r c h p r o c e s s i n g wa s t e wa t e r 2 2 废水不同预处理方式的影响 2 2 1 甘薯淀粉废水浓度的影响 调 整 废 水 的 体 积 分 数 分 别 为 1 0 0 、 7 5 、 5 0 , 结果如表 2 。 表 2 废水体积分数对菌株 F I R各项指标的影响 T a b l e 2 Eff e c t s o f t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e wa s t e wa t e r 随着甘薯淀粉废水 的稀释 , 菌株 F R的各项 指 标呈现下降 的趋势 。这可能是 因为营养物浓度下 维普资讯 2 0 0 7 年 2 月 杜娟等: 甘薯淀粉废水发酵生产微生物油脂的研究 3 5 降对 F R的生长 、 产油不利 的缘故。 2 2 2 淀粉酶和糖化酶 的影响 淀粉酶 和糖 化酶处 理工 艺见 1 5 2 。结 果如 表 3 。 表 3 淀粉酶和糖化酶对 F R各项指标的影响 Ta b l e 3 Ef f e c t s o f a my l a s e a n d s a c c h a r i da s e 生物量粗 脂肪 ( 含油) C O D C O D ( g - L )( g - L ) ( m g L )去除率 废水原液 C O D= 3 4 3 9 1 1 1 m g L 淀粉酶液 化处理后可 以将淀粉水解 为糊精 和 寡糖 , 再经糖化酶处理可以水解葡萄糖链 中的O 一 1 , 4 糖苷键 , 使 淀粉和糊精水解 成葡萄糖 和麦芽糖 。 淀粉酶和糖化酶非常廉价 , 国产淀粉酶 2 3元 k g , 进 口的 7 5 k g 。而 1 L淀粉废水 只需约 1 mL淀粉 酶 , 成本非常低廉 。 废水经酶处理后 , F R的生物量 、 粗脂肪 和含油 量均有提高。淀粉酶处理后 F R的生物量 、 粗脂肪 、 含 油 量 分 别 提 高 了 2 4 6 0 g L 、 1 9 4 5 g L 、 7 1 , 生物量 和粗 脂肪 的提 高率 分别 为 2 1 3 、 4 4 1 。淀粉酶和糖化酶先后处理后 , F R生物量 、 粗脂肪 、 含油量分别提高 了 1 7 8 8 g L 、 1 2 9 3 g L 、 4 5 , 提高率分别 为 1 5 5 、 2 9 3 。从生物 量 、 粗脂肪 、 含油量来考虑 , 淀粉酶处 理要优 于淀粉 酶和糖化酶先后处理的效 果。从 C O D的去除率来 看 , 淀粉酶处理和淀粉酶 与糖化酶先后处理 比对照 都有 明显提高 , 分别提高了 2 5 1 和 2 9 2 。 2 3 营养因子的影响 2 3 1 不 同添加碳氮 比的影 响 据蒲海燕等人报 道 J , 高碳氮 比能 促进油脂 的 合成。氮源是微生物生长不可缺少的营养要素, 而 碳源是合成细胞碳骨架和脂肪酸链 的主要元素 , 两 者对于菌体 生长和合成 油脂都极为 重要。在甘薯 淀粉 废 水 中 加 入 蔗 糖 和 ( N H ) S O (固 定 为 0 1 ) , 使其碳氮 比值 ( 质量 比) 分别 为 l 0 , 2 0, 4 0, 5 0 , 结果如表 4 。 由表 4可 以看 出, 碳氮 比的加入对于 F R的生 物量和粗脂肪是有显著提高的 , 其 中当碳氮 比为 4 0 时, F R生物量 、 粗脂肪 、 含油量分别 比对 照提高 了 4 8 7 8 g L 、 2 2 2 8 g L、 2 2 , 生物量和粗脂肪 的提高率达 4 2 2 、 5 0 5 。当碳氮 比为 l 0 , 2 0的 时候 , C O D去除率较对照都有一定程度 的提高 , 当 碳氮 比为 2 0时, C O D去除率可 以提高 1 4 。但 当 碳氮 比提高到 4 0 , 5 0时, C O D去 除率 有所 下降 , 随 着初 始 营 养 物浓 度 的 提高 , 对 C O D 的去 除是 不 利 的 。 表 4 不同碳氮比对 F R的影 响 Ta b l e 4 Ef f e c t s o f d i f f e r e n t r a t i o o f Ca r b o n an d Ni t r o g e n 加 入 生物量 粗脂肪 ( 含油) C O D C O D 碳氮比值 ( g L )( g LI 1 ) ( m g L )去除 原 液 C O D=3 4 3 9 1 1 1 m g L 2 3 2 金属离子的影响 金属离子作 为脂 肪酸合成 过程 中碳链延 长酶 和去饱和酶 的辅基 , 必定发挥着重要作用 。Mg 和 Mn 对于刺孢小克银汉霉的生长和油脂 的合成有 着显 著 作 用 J 。在 甘 薯 淀 粉 废 水 中 分 别 加 入 1 g L、 2 g L 、 3 g L 的 Mg S O 4 7 H 2 O、 Mn S O 4 H2 O, 分别记为 Mg l 、 Mg 2 、 Mg 3 、 Mn l 、 Mn 2 、 Mn 3 。结 果如表 5所示。 表 5 不 同金属 离子对 F R各项指标 的影 响 Ta b l e 5 Ef f e c t s o f d i f f e r e n t me t a l i o n s 编号(生物 g L 量 - 1 ( g 匕 肪 L- 1 ) ( m C O D * _ 1 ) 去 C 除 O D * 原液 C O D=3 6 6 5 1 5 2 m g L 表 5的结果表明, Mg 能够提高 F R的生物量 , 其中 M 的效 果 最 好 ,比对 照 提 高 了 1 8 0 。 Mn 对 生物量 、 含油量 、 C O D去 除均有效 果 , 其 中 Mn l效 果 最 明 显 , 比对 照 分 别 提 高 了 2 8 1 、 3 4 、 9 3 。随着 Mn “浓度的升高, F R的各个指 标都有下降的趋势 , 这表明微量的 Mn 是有促进作 维普资讯 3 6 生物 加 工 过 程 第 5卷第 1 期 用的 , 过 高的 Mn 对 F R是不利 的。M g 对 C O D 的去除没有帮助。 2 3 3 Mg “ 、Mn “的顺序叠加 鉴于 Mg 、 Mn n对 F R生物量 、 粗脂肪 的提 高 都有一定 的作用 , 据文献报道 , Mg 和 Mn 启动油 脂合成的时间不一样 。 。 。因此设计 在甘薯淀粉废 水中, 第 2 d补入 Mg , 第 4 d补入 M n , 实验结果 如 表 6 。 表 6离子 顺序叠加的影响 Ta b l e 6 E f f e c t s o f i o n s a d d e d b y o r d e r Mg “、 Mn “的顺序叠加对提高生物量效果非常 明显 , 提高率达 3 4 2 , 比单纯的 Mg 与 Mn 效果 都要好( 表 5中 Mg 2 对生物量 的提高率为 1 8 0 , Mn “对生物量 的提高率 为 2 8 I ) , 而含油量却不 够理想 。跟前几批实验 比较起来 , 对照的粗脂 肪有 所降低 , 这可能与不同批次甘薯的品质有关 。 2 4 对菌株 F R在甘薯淀粉废水中所产油的 G C分析 由图 I 知 , F R在甘薯淀粉废水 中所产油脂的主 要成分为棕 榈酸 ( C 1 6 : 0) 、 硬脂 酸 ( C1 8 : 0) 、 油 酸 ( C 1 8 : 1 ) 、 亚 油 酸 ( C 1 8 : 2 ) 。其质 量 分数 分 别 为 1 9 8 、 1 9 6 、 3 5 8 、 1 6 3 , G L A质 量分 数 为 4 4 , 另外还含有少量 G L A、 E P A、 D H A。 3 结论 利用甘薯淀 粉废水发酵 低成本获 取微生物 油 脂 , 同时 减 轻 废水 对 环 境 的污 染 , 是一 条 可 行 的 途径。 3 2 锄l O 一 、 量 霎 星 霎 霎 溶 屋 剂 峰 _ - 厶 - 堂 0 2 4 6 8 1 0 1 2 l 4 1 6 时间 mi n 图 1 F R所产 油脂成分的 G C分析 F i g 1 GC a n a l y s i s o f t h e l i p i d s p r o d u c e d b y F R 刺孢 小克银 汉霉在淀粉废水 中具有较强 的产 油能力 , 通过一系列培养 条件的优化 之后 , 产油率 最高可达 4 5 , C O D去除率最高可达 6 6 。 参考文献 : 1 谭天伟 , 王芳 , 邓利 生 物能源 的研 究现状 及展望 J 现代化 工 , 2 0 0 3, 9 ( 2 3 ): 8 - 1 2 2 赵宗保 加快微生物 油脂研 究为生物 柴油产业 提供 廉

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