甘薯淀粉废水发酵生产微生物油脂的研究.doc

甘薯淀粉废水发酵生产微生物油脂的研究第5卷第1期2007年2月生物加工过程ChineseJournalofBioprocessEngineeringFeb.2007?33?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430074)摘要:研究了废水预处理方式及添加营养因子对产油菌株FR在甘薯淀粉废水中生长,产油及COD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Mn均能够促进菌株FR生长,产油和COD去除,淀粉酶液化处理后的产油率可达45.3%,淀粉酶和糖化酶先后处理后的COD去除率可达66.3%.Mg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:Q939文献标识码:A文章编号:16723678(2007)01003304FattyacidsproductionbyfungigrowinginsweetpotatostarchprocessingwastewaterDUJuan,WANGHongxun,JINHong一1in,YANKeliang,ZHANGXiaoyu(HuazhongUniversityofScienceandTechnology,DepartmentofLifeScienceandTechnology,InstituteofEnvironmentResourceandMicrobialTechnology,Wuhan430074,China)Abstract:Factorsaffectingthebiomass,fattyacidsproductionandCODreducingofFRgrowinginsweetpotatostarchprocessingwastewaterwerestudied.Theresultsshowedthatthebiomass,FattyacidsproductionrateandCODreducingratewereimprovedbyamylaseliquefying,addingtheratioofCarbonandNitrogen,Mn.Fattyacidsproductionratecouldachieve45.3%whenthewasterwaterwasliquefiedbyamylase.TheCODreducingratecouldachieve66.3%whenthewastewaterwassaccharificated.TheadditionofMgcouldimprovebiomass.Keywords:fungi;fermentationofstarchprocessingwastewater;fattyacids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2l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70%85%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,COD一般在1148213780mg?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:20061017作者简介:杜娟(1982一),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,Email:.c?34?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COD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(Cunninghamellaechinulata)FR,由本实验室筛选,鉴定,保藏之菌种.1.2模拟工业淀粉废水1000g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4h尝L1.3培养基斜面培养基(g?L):土豆200,食用糖20,琼脂30,pH自然.种子培养液(g?L):土豆200,食用糖20,pH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,2wu.mL液体葡萄糖淀粉酶:周口裕鑫生物酶有限公司.5wU?mL1wU?mL=每mL酶液含有1万酶活单位1.5方法1.5.1培养方法FR转接至斜面培养基生长7d,接种至种子培养液培养4d(25oC,150r?min),然后接种到发酵培养基发酵9d(25oC,150r?min),接种量体积分数为10%.1.5.2淀粉废水pH调至6.0,加入液体耐高温仅一淀粉酶2OU-mL.,90cC水浴30min.液化完全的淀粉废水,pH调至4.6,加入液体葡萄糖淀粉酶1OU?mL,56cC水浴5h.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,35cC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(120mL)45cC水浴抽提一定时间(12h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FFAP交联弹性石英毛细管柱(0.25mm0.25Ixm30m);检测器为氢火焰检测器(FID);载气为N:(流量60mL?min);进样器温度160cC,检测器温度240cC;初始柱温160cC,以8oC?min升至200cC,以2cC?min继续升至220cC,恒温15min,降至160cC.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,COD比工业甘薯淀粉废水高出2000040000mg?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Table1Traitsofsweetpotatostarchprocessingwastewater2.2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100%,75%,50%,结果如表2.表2废水体积分数对菌株FIR各项指标的影响Table2Effectsoftheconcentrationofthewastewater随着甘薯淀粉废水的稀释,菌株FR的各项指标呈现下降的趋势.这可能是因为营养物浓度下2007年2月杜娟等:甘薯淀粉废水发酵生产微生物油脂的研究?35?降对FR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FR各项指标的影响Table3Effectsofamylaseandsaccharidase生物量/粗脂肪/(含油)/COD/COD(g-L)(g-L)%(mg?L)去除率/%废水原液COD=34391.11mg?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23元/kg,进口的75kg.而1L淀粉废水只需约1mL淀粉酶,成本非常低廉.废水经酶处理后,FR的生物量,粗脂肪和含油量均有提高.淀粉酶处理后FR的生物量,粗脂肪,含油量分别提高了2.460g?L,1.945g?L,7.1%,生物量和粗脂肪的提高率分别为21.3%,44.1%.淀粉酶和糖化酶先后处理后,FR生物量,粗脂肪,含油量分别提高了1.788g?L,1.293g?L,4.5%,提高率分别为15.5%,29.3%.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COD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25.1%和29.2%.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(NH)SO(固定为0.1%),使其碳氮比值(质量比)分别为l0,20,40,50,结果如表4.由表4可以看出,碳氮比的加入对于FR的生物量和粗脂肪是有显着提高的,其中当碳氮比为40时,FR生物量,粗脂肪,含油量分别比对照提高了4.878g?L,2.228g?L,2.2%,生物量和粗脂肪的提高率达42.2%,50.5%.当碳氮比为l0,20的时候,COD去除率较对照都有一定程度的提高,当碳氮比为20时,COD去除率可以提高14%.但当碳氮比提高到40,50时,COD去除率有所下降,随着初始营养物浓度的提高,对COD的去除是不利的.表4不同碳氮比对FR的影响Table4EffectsofdifferentratioofCarbonandNitrogen加入生物量/粗脂肪/(含油)/COD/COD碳氮比值(g?L)(g?LI1)%(mg?L)去除%原液COD=34391.11mg?L2.3.2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着作用J.在甘薯淀粉废水中分别加入1g?L,2g?L,3g?L的MgSO4?7H2O,MnSO4.H2O,分别记为Mgl,Mg2,Mg3,Mnl,Mn2,Mn3.结果如表5所示.表5不同金属离子对FR各项指标的影响Table5Effectsofdifferentmetalions编号(生物g.L量-1(g.匕肪L-1)(mCOD*_1)/去C除OD*%原液COD=36651.52mg?L表5的结果表明,Mg能够提高FR的生物量,其中M的效果最好,比对照提高了18.0%.Mn对生物量,含油量,COD去除均有效果,其中Mnl效果最明显,比对照分别提高了28.1%,3.4%,9.3%.随着Mn浓度的升高,FR的各个指标都有下降的趋势,这表明微量的Mn是有促进作?36?生物加工过程第5卷第1期用的,过高的Mn对FR是不利的.Mg对COD的去除没有帮助.2.3.3Mg,Mn的顺序叠加鉴于Mg,Mnn对FR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2d补入Mg,第4d补入Mn,实验结果如表6.表6离子顺序叠加的影响Table6EffectsofionsaddedbyorderMg,Mn的顺序叠加对提高生物量效果非常明显,提高率达34.2%,比单纯的Mg与Mn效果都要好(表5中Mg2对生物量的提高率为18.0%,Mn对生物量的提高率为28.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FR在甘薯淀粉废水中所产油的GC分析由图I知,FR在甘薯淀粉废水中所产油脂的主要成分为棕榈酸(C16:0),硬脂酸(C18:0),油酸(C18:1),亚油酸(C18:2).其质量分数分别为19.8%,19.6%,35.8%,16.3%,GLA质量分数为4.4%,另外还含有少量GLA,EPA,DHA.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.32锄lO一,量霎星霎霎溶屋剂峰_-厶-堂024681012l416时间/min图1FR所产油脂成分的GC分析Fig.1GCanalysisofthelipidsproducedbyFR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45%,COD去除率最高可达66%.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,2003,9(23):8-12.2赵宗保.加快微生物油脂研究为生物柴油产业提供廉价原料J.中国生物工程杂志,2005,25(2):8-I1.3唐受印.食品工业废水处理M.北京:化学工业出版社.2001.4朱辉,何国庆.利用淀粉废水培养食用菌菌丝体的初步研究J.中国粮油,1998,6(13):35-38.5何国庆,尹源明,冯澜,等.在小麦淀粉废水中培养白地霉的研究J.中国粮油,1998,5(13):33.37.6席淑淇,成玮,刘培富.利用废水生产光合细菌提取天然色素的研究J.污染防治技术,1997,2(10):65457.7ChristianB,AlanSBerna