（化学工程专业论文）盾叶薯蓣发酵生产酒精的研究.pdf

摘要 摘要 盾叶薯蓣是我国提取薯蓣皂苷元( 俗称薯蓣皂素) 的重要药源植物。薯蓣 皂苷元是合成激素类药物的基础原料，因而在世界范围内被广泛需求。盾叶薯 蓣含有4 5 5 0 的淀粉，本论文研究了这部分淀粉资源转化利用的可行性，并 探索了盾叶薯蓣发酵酒精的工艺条件，以期实现盾叶薯蓣资源的综合利用。 本文通过测定粘度，研究了盾叶薯蓣的糊化特性，得出盾叶薯蓣糊化温度 是：8 1 9 0 。 研究了不同影响因素下盾叶薯蓣的液化糖化条件，及液化曲线和糖化曲线， 发现盾叶薯蓣淀粉是较容易被转化利用。结果表明，在料水比l ：5 ( w w ) ，加 a 淀粉酶l o u l ，在9 0 时，3 0 m i n 内即达到较好的液化效果：加糖化酶6 0 u l ， 温度6 0 ，9 0 r a i n 内基本完全糖化。利用双酶酶解的方法转化盾叶薯蓣中的淀 粉是可行的，并且效果显著。 研究了盾叶薯蓣发酵生产酒精的发酵工艺条件，并分析了发酵过程。结果 表明发酵最优条件为糖化时间4 0 m i n ，接种量0 0 5 $ ( w w ) ，发酵温度3 4 ，发 酵时间6 0 h ，淀粉出酒精率为5 3 5 。利用盾叶薯蓣发酵生产酒精是可行的，能 够取得良好的效果。 基于发酵的实验数据，应用m a t l a b 软件回归动力学参数，得到3 个非线性 动力学方程： 基质消耗动力学模型：一a 功s = 2 5 3 7 2 d 魂x + 1 9 8 5 7 等d fd td t 菌体生长动力学模型：蔓兰：o 3 2 8 5 xfl 一二l 1 d f 1 0 9 3 9 7 产物形成动力学模型：车：2 3 4 8 3 3 掣 动力学方程能较好的反映盾叶薯蓣分批发酵过程，能够为试验进一步放大 提供理论支持。 关键词：盾叶薯蓣；酒精；发酵；动力学模型 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i o s c o r e az i n g i b e r e n s i si st h em o s ti m p o r t a n tp l a n tf o re x t r a c t i n g d i o s g e n i n i nc h i n aa n d d i o s g e n i n i st h ef u n d a m e n tm a t e r i a lf o r s y n t h e s i z i n gh o r m o n a lm e d i c i n ea n dt h u sd e m a n d e dw i d e l yi nt h ew o r l d i no r d e rt oe x p l o i ta n dr e a l i z ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fd j o s c o r e a z i n g i b e r e n s i sr e s o u r c e s ，t h ef e a s i b i l i t yo f u t i l i z a t i o no fs t a r c h c o n t a i n e di nm o s c o r s az i n g i b e r e n s i sa n dt h eo p t i m u mc o n d i t i o n so f p r o c e s s f e r m e n t a t i o ne t h a n o lf r o md i o s c o r e az i n g i b e r e n s i sw a s i n v e s t i g a t e dd u et o t h ep e r c e n t a g eo f4 5 5 0s t a r c hc o n t a i n e di n d i o s c o r e hz i n g i b e r e n s i s t h ep a s t i n gp r o p r i e t yo fd i o s c o r e az i n g i b e r e n s i sw a ss t u d i e db y m e a s u r i n gt h ev i s c o s i t yo fp a s t i n gp r o c e s so fd i o s c o r e az i n g i b e r e n s i s a n dp a s t i n gt e m p e r a t u r er a n gi s8 1 9 0 t h ec o n d i t i o no f1i q u e f a c t i o na n ds a c c h a r i f i c a t i o nf o re t h a n o l f e r m e n t a t i o nf r o my a mw a si n v e s t i g a t e du n d e rd i f f e r e n tf a c t o r sa n di t s c u r v e so fl i q u e f a c t i o na n ds a c c h a r i f i c a t i o nw e r es t u d i e d t h er e s u l t s d e m o n s t r a t e dt h a tt h es l u r r y ，w i t ht h er a t i oo fr a wm a t e r i a lt ot a p ew a t e r 1 ：5 ( w w ) ，w a sw e l ll i q u e f i e da t9 0 w i t h i n3 0m i nw h e na d d i n gq a m y l a s el o u la n da l m o s tc o m p l e t e l ys a c c h a r i f i e da t6 0 w i t h i n9 0m i n w h e ns u p p l e m e n t i n g6 0 u lg l u c o a m y l a s ea f t e ra d j u s t i n gp h t h ec o n v e r s i o n o fs t a r c hi n v o l v e di ny a mu s i n ge n z y m ew a sf e a s i b l ea n dt h es i g n i f i c a n t l y e f f e c to nt h ec o n v e r s i o n sw a sa c h i e y e d t h ec o n d i t i o n so fa l c o h o lf e r m e n t a t i o no fp 1 0 s c o r e 8z i n g i b e r e n s i sa n d t h ep r o c e s so ff e r m e n t a t i o nw e r ea l s oa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h e a l c o h o ly i e l do fs t a r c hw a s5 3 5 w h i l et h eo p t i m u mc o n d i t i o n sw e r ea s f o l l o w s ：s a c c h a r i f i c a t i o n p e r i o d 4 0 m i n ， i n o c u l a t i o n0 0 5 ( w w ) ，f e r m e n t a t i o nt e m p e r a t u r e3 4 ，f e r m e n t a t i o np e r i o d6 0 h a l c o h o l p r o d u c t i o nu t i l i z i n gs t a r c hi nd i o s c o r e az i n g i b e r e n s i sb yf e r m e n t a t i o n w a sf e a s i b l ea n dw e l1e f f e c tw a so b t a i n e d 一 垒! 墅丝 o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n td a t ao fd i o s c o t e 8z i n g i b e r e n s i sb a t c h f e r m e n t a t i o n ，t h ek i n e t i c sm o d e lw a sp r o p o s e da n dt h ep a r a m e t e r so ft h e m w e r ee s t i m a t e du s i n gm a t l a bs o f t w a r e s u b s t r a t ec o n s u m p t i o n m o d e l ：d 础s = 2 5 3 7 2 d 础x + 1 9 8 5 7 d 加p c e l lg r o w t hm o d e l ：d x ：0 3 2 8 5 xf 1 一墨 1 d t l 10 9 3 9 7j p r o d u c t i o nf o r m a t i o nm o d e l ：塑：2 3 4 8 3 3 些 t h ek i n e t i c sm o d e l sw e l lf i t t e dt h eb a t c hf e r m e n t a t i o n p r o c e s so f e t h a n o lf r o md o $ c o r e az i n g i b e r e n s i sa n di tw o u l db eu s e f u lf o rf u r t h e r s t u d yi nt h el a r g e rs c a l eo ff e r m e n t a t i o n k e y w o r d s ：d i o s c o r e az i n g i b e r e n m s ；a l c o h o l ：f e r m e n t a t i o n ： k i n e t i c sm o d e l 1 1 1 郑州大学硕士学位论文 引言 当前盾叶薯蓣中薯蓣皂甙元的提取基本上沿用传统粗放的酸解提取工艺，致 使盾叶薯蓣中的淀粉和纤维素酸解后就直接进入废液，这样不仅浪费了大量宝 贵的自然资源，而且造成废水处理难度加大，对环境污染严重。若能够在提取 盾叶薯蓣薯蓣皂甙元的同时，又能把其中的淀粉和纤维素等资源转化加以利用， 不仅有助于降低废水处理难度，而且还可以增加经济效益，降低废水处理成本， 实现盾叶薯蓣产业可持续发展。燃料乙醇的迅速发展使得酒精的需求不断增加， 当前发酵生产酒精主要以玉米、甘蔗和糖浆等为主要生产原料，这不能满足能 源发展长远需求，各国都在寻求廉价易得的生物质原料，以实现燃料乙醇生产 原料的多元化。以盾叶薯蓣淀粉为原料或与其他原料混合发酵生产酒精，是一 种较容易实现的资源利用途径，既可以促进盾叶薯蓣产业的良性发展，也能对 酒精生产起到一定的补充，具有广阔的发展前景；本论文较全面的研究了盾叶 薯蓣发酵生产酒精，以期对实际生产提供数据参考，这方面的研究内容未见有 详细报道：本课题亦是对同时含有大量纤维素与淀粉物质的原料发酵生产酒精 的有益尝试。 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 盾叶薯蓣概况 1 1 1 盾叶薯蓣及薯蓣皂甙元简介 盾叶薯蓣( d i o s c o r e az i n g i b e r e n s i sc h w r i g h t ) 为薯蓣科 ( d i o s c o r e a c e a e ) 薯蓣属植物，是我国提取薯蓣皂苷元( d i o s g e n i n ) ( 俗称薯蓣 皂素) 的重要药源植物。盾叶薯蓣俗称黄姜，火头根等，是多年生藤本植物， 为我国特有种，也是世界上薯蓣皂甙元含量最高的植物。我国薯蓣皂甙元含量 较高的植物还有山药( d o p p o s i t a ) 、穿山龙( d n i p p o n i c a ) 、三角叶薯蓣 ( d d e t t o i d e a ) 等。 盾叶薯蓣的根茎中薯蓣皂素含量为1 1 1 6 1 6 ，还含有4 5 5 0 的淀粉 和4 0 5 0 的纤维素以及一些水溶性甙类、生物碱类、黄酮甙类、强心甙类及 黄色素等成分，而且盾叶薯蓣成分含量有较大差异。盾叶薯蓣中的主要活性化 学成分是皂营( s a p o n i n s ) 类的薯蓣皂苷元和薯蓣素、生物碱类等。在中医中， 盾叶薯蓣用于治疗肠痉挛、风湿病及许多妇科病，也用于治疗哮喘和尿路感染 等。薯蓣皂苷元主要用予合成激素、孕酮、可的松、强地松等甾体激素和甾体 避孕类药物，这类药物是仅次于抗生素的第二大类药物。在植物体内，薯蓣皂 甙元的生物合成以呋甾烷醇为前体，甾体化合物为中间体，生物代谢生成糖苷 形式的薯蓣皂甙元【”。 薯蓣皂甙( d i o s c i n ) 分水溶性皂甙和水不溶性皂甙，水不溶性皂甙以薯蓣 皂甙元与不同糖类结合的皂甙形式存在于植物内。薯蓣皂甙的结构为薯蓣皂甙 元的双。一l - 鼠李糖一( 1 2 和l 一4 ) b d - 葡萄糖甙，分子式c 4 5 h 7 2 0 1 6 ，呈 针状结晶，熔点为2 4 7 2 5 0 。c ，难溶于水，可溶于乙醇、甲醇等。薯蓣皂甙 元化学名称为( 2 5 r ) 一螺甾一5 一烯- 3b 醇( 2 5 r - s p i r o s t - 5 - e n e - 3b - 0 1 ) ，分子 式为c 2 7 h 4 2 0 3 ，外观白色结晶状粉末，无异味，可溶于一般有机溶剂中。薯蓣 皂甙元晶体的熔点变化较大，不同的研究者有不同报道，但基本上在2 0 5 左右， 一般认为熔点大于1 9 5 c l ! p 符合产品要求。薯蓣皂甙元生成的过程即为薯蓣皂甙 分离出糖的过程： 第一章绪论 薯蓣皂甙 薯蓣皂甙元 图卜1 薯蓣皂甙水解过程 f i g 1 1t h ep r o c e s so fd i o s c i nh y d r o l y z a t i o n 薯蓣皂甙元的熔点不一致，这是由于薯蓣植物成分非常复杂，从其中提取 出的皂甙不一定都是薯蓣皂甙，因而皂甙水解后得到的不一定都是薯蓣皂甙元， 还可能有其他形式的皂甙元如雅姆皂甙元( y a m o g e n i n ) 、约诺皂甙元 ( y o n o g e n i n ) 、托克皂甙元( t o k o r o g e n i n ) 等，这些成分的存在可能是所得到 的产品熔点不一致的根本原因。陈金芳等1 2 1 认为以鲜黄姜为原料生产的工业皂素 熔点偏低的主要原因是产品薯蓣皂素中含有油酸和十六酸。 1 1 2 当前中国盾叶薯蓣的分布与种植 中国和墨西哥是世界上薯蓣资源最丰富的国家，两个国家薯蓣产量各占世 界市场份额的三分之一，其他国家产量相对较少。近年对分布区资源调查的结 果发现，盾叶薯蓣现已呈零星分布，野生资源蕴藏量日趋枯竭，有些地方濒临 绝迹。其原因主要是过度采挖、无序利用，重采收、轻保护，使资源破坏十分 严重，同时对野生盾叶薯蓣采挖周期的缩短，使资源恢复期也越来越短，不仅 使其质量降低，而且也使种质退化严重。从皂素含量上，墨西哥野生薯蓣的皂 素含量绝对值下降了1 ，相对值降低了2 0 以上，我国目前盾叶薯蓣的皂素含量 也逐年下降。在2 0 世纪6 0 7 0 年代调查中曾发现盾叶薯蓣的皂甙元含量有高达 1 6 1 5 的单株，9 10 9 6 的单株也较易采挖到；而今最高的仅3 左右，还有些在 1 以下。不合理的开发利用造成盾叶薯蓣种质资源流失，退化严重。鉴于盾叶 薯蓣的重要性及独有性，国内对其生态分布和选育培养有着广泛深入的研究【3 】。 根据我国薯蓣植物资源调查资料，盾叶薯蓣的自然分布区为北亚热带及中亚热 3 郑州大学硕士学位论文 带地区即9 8 。5 3 1 2 1 。5 0 e 。2 3 。4 2 3 2 。1 0 n 范围内。主要分布于 秦岭以南，向东延伸到中条山以南、南岭以北的米仓山、大巴山、武当山、武 陵山、雪峰山、衡山等山区，以及长江中游及其支流嘉陵江、汉水、沅江等流 域的低中山丘陵，其东界为湘江流域以西，洞庭湖大平原，西界为四川盆地和 云贵高原，垂直分布一般在海拔l o o m 1 5 0 0 m 。常生于江水河谷两岸的丘陵、低 山、中山山坡、石灰岩的稀疏灌丛中、混交疏林及杂灌丛内或森林、沟谷边缘 的路旁等【4 】。 地处南水北调中线工程核心水源区的湖北十堰市郧西县从1 9 8 4 起率先在全 国开展黄姜“野转家”人工栽培研究并获得成功，开始大面积种植。为此，郧西 县还被国家农业部授为“中国黄姜之乡”的称号。黄姜种植、加工也由郧西县 迅速辐射至十堰市及周边地区。此后，陕西、湖南、河南、江西、贵州、福建、 云南等省市亦相继引种成功，竞相发展黄姜产业。近两年来，黄姜种植和皂素 加工发展迅速，黄姜基地面积已发展至u 2 0 0 多万亩，加工企业发展至u 1 5 0 多家， 皂素生产能力达5 0 0 0 多吨，涉及黄姜、皂素及其相关产品生产的从业人口达3 0 0 万以上。由于汉江流域上游的武当山脉至秦岭南麓( 包括鄂西北、陕南、川东和 豫西南) ，地理环境和气候条件十分适宜黄姜生长和皂素的生物合成与积累，人 工种植的黄姜皂素含量明显高于国内其它地区，其中湖北十堰及陕西安康地区 是黄姜的两个最主要产地，湖北省十堰市黄姜种植面积已达6 0 多万亩，加工企 业发展到6 0 家，皂素生产能力达至u 2 2 0 0 吨；陕西安康市黄姜种植面积达5 0 余万 亩，皂素生产能力达i 0 0 0 吨转化皂素生产能力近4 0 0 0 吨，国内黄姜皂素行业在国 际市场上具有举足轻重的地位。但是，黄姜种植区域基本上集中秦巴山区的湖北 省十堰市、陕西安康市、汉中市、商洛市及河南南阳市的浙川县，上述县市具有 共同的特点：属于贫困山区、山多地少、人均耕地不足、土壤贫瘠、生产力比较 落后【5 1 。 1 1 3 薯蓣皂甙元提取工艺及产业发展现状 从盾叶薯蓣中提取薯蓣皂甙元工艺有以下几种： 1 l3 1 直接酸解法 r o t h r o c k 等【6 】首创直接酸解提取薯蓣皂甙元的工艺，该工艺包含三个步骤： 4 第一章绪论 预处理原料，水解薯蓣皂甙和提取薯蓣皂甙元即原料粉碎筛分后直接加酸水解， 然后使用石油醚或庚烷等有机溶剂从干燥后的酸解物中提取出薯蓣皂甙元，再 从有机溶剂中直接结晶得到较高纯度的薯蓣皂甙元。该方法操作简便、工艺简 单、成本低廉一直被工业生产所采用。但是这个工艺存在以下缺点：该工艺 适用于提取含有单一皂甙的植物，若提取含有多种皂甙的植物时，得到的是薯 蓣皂甙元的混合物，需要其他的纯化步骤才能得到纯品。工艺过程需要耗用 大量的酸，碱等化工原料，产生酸度大，泡沫多的废水，难以处理，对环境污 染严重。薯蓣皂甙元没有提取完全，收率低。盾叶薯蓣中的淀粉和纤维素 等资源没有利用。 1 1 3 2 自然发酵法 前人研究表明在生产薯蓣皂甙元进行酸水解前，对盾叶薯蓣进行预发酵能 提高薯蓣皂甙元的收率。目前工业上普遍采取预发酵酸水解法，薯蓣皂甙元得 率低，对资源造成了大量的浪费。预发酵法是指原料粉碎后加水，保持一定温 度自然发酵一段时间，然后再酸解提取薯蓣皂甙元。乔振杰l 7 】等研究了原料粒径、 预发酵温度、预发酵时间、h c l 浓度、水解时问对薯蓣皂甙元得率的影响，预发 酵和水解的优化工艺条件为：原料粉碎到l m m 以下，预发酵温度为4 0 。c ，发酵2 4 h ， 3 m o l 1 盐酸水解4 h 。研究表明于发酵时原料的粒径越小能够增加与皂甙酶的接 触面积提高了酶解效果，但是原料粉碎到一定程度后对结果影响就不明显；预 发酵温度在2 0 1 2 4 0 。c 时，发酵温度对薯蓣皂甙元收率影响不大，当发酵温度 超过4 0 c 而达5 0 c 时，得率急剧下降，得率下降约1 3 5 5 ；预发酵时间在2 4 h 最 好，如果预发酵时间过长不但延长了生产周期，且由于薯蓣皂甙转化为其他物 质而降低了薯蓣皂甙元的收率。王元兰【8 i 以石油醚( 3 0 c 6 0 。c ) 为提取剂，从发 酵时间、水解时间、抽提物的p h 值、回流速度对盾叶薯蓣皂甙元提取率的影响 进行了研究。研究盾叶薯蓣预发酵条件时，同样也发现发酵时间延长，薯蓣皂 甙元的收率下降，认为这是由于经长时间的发酵，加入硫酸溶液搅拌形成大量 泡沫溢出锥形瓶口所致。研究获得预发酵和水解的条件为过6 0 目筛的盾叶薯蓣 粉用蒸馏水浸润湿透，3 9 。c 恒温发酵，发酵时间4 8 h ，l m o l l 盐酸水解4 h 。预发 酵可以提高薯蓣皂甙元产率的原因可能是由于盾叶薯蓣本身含有皂甙酶或水解 5 郑州大学硕士学位论文 酶，酶解的作用提高了皂素的产率。在保证薯蓣皂甙元最高提取率的前提下，提 取过程中发酵及水解时间不宜过长，否则，耗时太多，提取费用增高，效益降低。 酶解的主要作用是薯蓣皂苷的配基的结构发生变化，使双糖连皂苷转变为单糖 连皂苷，使一部分呋甾醇皂素转化为螺甾醇皂素，而螺甾醇皂素更容易转化为 薯蓣皂甙元。 1 1 3 3 酶解法 盾叶薯蓣含有的大量淀粉和纤维素对薯蓣皂甙有包裹和屏蔽作用，同时薯 蓣皂甙c 3 位上结合的支链糖存在着位阻，这些因素都阻碍了薯蓣皂甙的水解。 为了提高薯蓣皂甙元的收率，必须进一步降低上述因素的干扰作用，因此在自 然发酵的基础上引入了酶制剂。佟玲等 9 1 研究了高温淀粉酶酶解法对薯蓣皂素提 取的影响，其方法是黄姜干料粉碎后加高温淀粉酶和水，搅拌均匀后，置于恒 温箱中发酵，通过正交试验得到酶解法最佳的条件为1 5 0 9 黄姜加水3 5 0 m l ，淀粉 酶3 o m l ，温度4 0 ，酶解1 2 h 。在最佳条件下皂素的收率比直接酸解法提高了 2 8 8 0 9 6 。实验结果表明，利用优化后的酶解工艺对人工栽培的黄姜进行先酶解再 酸水解的方法进行薯蓣皂素的提取，可以大幅度的提高产品收率，可以预见这种 工艺用于生产将会产生较大的经济效益。为了进一步提高对淀粉的降解，周雨 丝等i l0 】在加淀粉酶液化后，又使用了糖化酶，研究方法为：鲜黄姜l o o g ，加水 1 5 0 r a l 匀浆至约5 m m 大小颗粒，按1 2 2 4 1 j g i 的投料量加入用5 5 6 0 热水化 开的淀粉酶，8 5 c 9 0 c 恒温搅拌使其液化，然后加糖化酶，通过正交试验 获得糖化酶最佳酶解条件：酶解温度6 0 6 5 ，酶解时问3 0 6 0 m i n ，酶用量 2 0 0 u g 一，酶解p h 值4 o 4 5 。对于鲜黄姜，糖化酶改良法皂素的收获率为0 7 4 比直接酸水解法收率提高2 3 3 3 。糖化酶改良法比直接酸水解法收获率高，提取 效果好。虽然糖化酶改良法推广应用于黄姜皂素的提取是一种很有价值的方法， 但还有大量的工作要做，对糖化酶抑制剂和激活剂等酶活性调节因子有待于进 步的研究。 淀粉酶不能降解纤维素，因此盾叶薯蓣中的纤维素仍然对盾叶薯蓣的水解 存在干扰，且纤维素的存在耗用大量的劳力及化工原料，因此必须设法去除纤 维素，研究者选择了磨碎筛除纤维素和加纤维素酶的方法。 向纪明掣1 1 】认为异清楚皂素所在部位后进行适当分离预处理，不仅可以节 6 第一章绪论 省原料和动力，而且有利于对副产物进行综合利用。其具体操作如下：称取未 变质的干燥黄姜l o o g ，适度粉碎后，加水搅拌均匀，过筛用水冲洗后分成两部 分，纤维素渣和糖浆状液，将上述两部分分别加酶发酵两天，然后用2 m 盐酸煮 沸水解5 4 , 时，滤去酸液，水洗至中性，再用石油醚提取，实验证明了筛除纤维 素不影响皂素的收率，在实验中把黄姜适度粉碎后加水搅拌均匀，过筛，用水 冲洗后分成两部分：纤维素渣和糖浆状液，将上述两部分分别加酶发酵两天， 结果在纤维渣和水解液中没有提得皂素，皂素主要集中在水解后的糖桨状渣中。 郑海金等【1 2 】同样也证实了不除纤维素和筛除纤维素薯蓣皂贰元的收率影响不 大。称取一定量洗净的鲜黄姜，用万能高速粉碎机粉碎，加水搅拌均匀，过筛 除去纤维素，自然沉降分离上清液，得浆状沉淀。在沉淀中加入一定量高温淀 粉酶，在4 0 超级恒温槽中酶解1 2 h 后，减压抽滤，滤渣用3 m o l l 盐酸溶液回流 水解4 h 后，用石灰乳中和，抽滤洗涤。1 0 0 烘干，装入索氏提取器中用氯仿( 2 3 倍于原料的量，加入2 的无水乙醇) 提取4 h ，提取时加入适量活性炭进行脱色 处理，提取液经过滤浓缩后在室温下静置2 4 h ，晶体析出，过滤，母液重复利用， 晶体用无水乙醇进行重结晶提纯。通过正交试验得到鲜黄姜筛除纤维素后加淀 粉酶酶解发酵提取薯蓣皂甙元的最佳条件为：2 0 0 9 鲜黄姜，加淀粉酶i o o u g ， 在4 0 c 酶解1 2 h 后，再水解4 h ，从鲜黄姜中提取皂素的提取率可达1 1 2 。李国 富掣协】把黄姜干原料浸泡后带水磨碎筛分，加淀粉酶正交试验获得适宜工艺条 件为：酶解1 2 h ，温度3 5 4 5 ，水解时盐酸浓度3 m o l l ，水解时间4 h ，皂素 平均收率在3 0 6 ，比直接酸解提高3 5 4 。 纤维素酶在国外已广泛应用于医药化工领域，在中草药活性成分的提取方 面的应用也不少，这是因为植物药有效成分往往被包裹在细胞壁内，而细胞壁 的主要成分是纤维素，它由b d - 葡萄糖以l ，4 - b - d - 葡萄糖苷键连结而成。用 纤维素酶酶解可以破坏1 3 - d 一葡萄糖苷键，从而破坏植物细胞壁，提高有效成分 提取率。但是，并不是所有中草药活性成分的提取都适合使用酶解前处理工艺。 韩凤梅掣1 4 】研究了纤维素酶前处理盾叶薯蓣药材对提取薯蓣皂甙元的影响，采 用正交表设计优化条件并把加酶组和不加酶组作了对比，盾叶薯蓣皂素的纤维 素酶酶解工艺的最佳条件为：酶解时间l h ，酶解温度4 0 c ，酶解p h 值为5 ，酶用 量0 3 ，优化最大得率为1 2 3 。用石油醚提取时，加酶组比不加酶组皂甙元的 7 郑州大学硕士学位论文 收率提高了1 2 3 ，并且发现酸用量比传统减少了1 5 。也有报道加脂肪酶或苦 杏仁酶，来提高薯蓣皂甙元收率。 一般自然发酵方法比不利用发酵的薯蓣皂甙元收率高l o 2 0 ；加入酶制剂 都比直接酸解提取薯蓣皂甙元的收率有更大提高，对于鲜黄姜收率提高超过 2 0 ，而干黄姜收率提高在3 0 左右。 1 1 3 4 超临界流体萃取法 超临界流体萃取法在中药的药用成分提取方面应用非常广泛【l5 1 。超临界流 体萃取中药材具有萃取效率高，适用于有活性的热敏物质，操作简便，溶剂无 残留，溶剂循环使用等特点。由于当前从盾叶薯蓣提取薯蓣皂甙元的工艺生产 周期长，收率低，耗用大量化工原料，对环境污染严重，因此发展超临界流体 方法萃取薯蓣皂甙元是个良好的方法。随着技术的发展，超临界设备费用必降 下来，那么超临界流体方法萃取中药有效成分将是首选。 葛发欢等【1 6 i 研究了从黄山药( d p a n t h a i c a ) 干燥水解物中提取薯蓣皂甙元 的超临界c o ：流体萃取工艺，考察了萃取压力，萃取温度，萃取时间，c 0 2 流量等 影响因素，得到超临界c o 。流体从黄山药中萃取薯蓣皂素的最佳条件是萃取压力 为2 9 m p a 、温度5 5 ：分离i 的压力为i o m p a 、温度为6 0 c ：分离i i 的压力为 5 6 m p a 、温度4 5 c ：分离柱压力为1 8 m p a 、温度7 0 。c ：c 0 2 流量为1 2 k g k g 原料h ： 萃取时间3 h ；夹带剂为药用酒精。该工艺收率提高1 5 倍，生产周期大大缩短， 且避免使用汽油有易燃易爆的危险。葛发欢等从黄山药及其它同属植物中萃取 薯蓣皂素的试验表明了用超临界c 0 2 萃取薯蓣皂素是可行的。韩风梅等【l q 应用超 临界c 0 2 萃取技术，运用均匀设计方法摸索了从盾叶薯蓣干燥水解物提取盾叶薯 蓣皂甙元萃取和分离的最佳条件，认为二氧化碳超临界萃取的主要影响因素是 萃取压力与萃取温度、解析压力与解析温度，运用均匀设计法来优化这4 个影响 因素，结论为超临界c o ：萃取盾叶薯蓣皂素中最佳条件萃取压力3 2 m p a ，萃取温度 5 6 c ；解析压力8 m p a ，解析温度6 2 c ，夹带剂以每5 h 加入9 5 m l 方式，用量为3 0 ( 占投料量百分比) ，c 0 2 流量和萃取时间分别为3 5 k g h - i 和3h 。可以看出，上 述两者研究得出萃取薯蓣皂甙元的最佳压力和温度非常接近，压力分别是 2 9 m p a ，3 2 m p a t 温度分别是5 5 ，5 6 ，萃取时间均为3 小时；且都利用了夹带 3 第一章绪论 剂。 一般而言，超i | 缶界萃取工艺都广泛用到夹带剂，夹带剂能显著改善萃取效 果，拓宽了超临界技术应用的范围，因此人们对夹带剂做了深入研究【1 8 】。陈俊 英等【1 卅考察了不同夹带剂的条件下超临界萃取薯蓣皂素的条件。以黄姜鲜料和 干料为原料，无夹带剂时超临界方法几乎萃取不出薯蓣皂素。以黄姜水解物为 原料，分别考察了无夹带剂及以石油醚，丙酮，乙酸乙酯，甲醇和不同浓度的 乙醇做夹带剂的条件下超临界萃取薯蓣皂甙元的工艺，发现薯蓣皂甙元萃取率 在无夹带剂时最低，乙醇含水量越低萃取效果越好；以有机溶剂为夹带剂薯蓣 皂甙元萃取率由高到低排列为：甲醇、无水乙醇、乙酸乙酯、丙酮、石油醚， 这表明萃取效果与有机溶剂的极性有关，溶剂极性越大，萃取效果越好。考虑 到薯蓣皂甙元是医药中间体对残留要求高，而甲醇有毒性，最终选择无水乙醇 作为超临界c 0 2 萃取盾叶薯蓣中薯蓣皂甙元的夹带剂。 盾叶薯蓣中含有丰富的淀粉和纤维素资源，在提取薯蓣皂甙元过程中被酸 解后随废水排放掉，既浪费了资源，又污染了环境。黄姜皂素生产废水，可生 化性差b o d 5 8 0 0 0 m g l ，b o d s c o d 。o 2 7 ；糖份含量高，综合废水总糖含量约2 ， 其中大部分为单糖；污染负荷中c 0 0 2 0 0 0 0 m g l 4 0 0 0 0 m g 几( 综合废水) ；其中头 道液( 约占废水总量2 0 ，c o d l l 0 0 0 0 m g l ) ；酸度高，0 5 2 5 ；盐度高：在 p h 为1 0 的废水中：色素浓，富含大量的变性色素；胶质重，头道废液中胶体约 为8 ，处理过程中泡沫极大，非常难消除1 2 0 1 。黄姜产业发展过程中暴露出了生 态环境保护不协调的现象，局部地域毁林开荒种植，水土流失加剧；森林植被破 坏、生态环境脆弱；工艺落后、资源浪费严重；高物耗、能耗、污染物排放量 大等，这些问题的出现影响到黄姜产业可持续性发展。 1 1 4 盾叶薯蓣资源综合利用的研究进展 盾叶薯蓣中含有丰富的淀粉和纤维素资源，在薯蓣皂甙元提取过程中，这 部分资源酸解后随废水被排放掉，既浪费了资源，又污染了环境，增加了黄姜 产业的生产成本，不利于黄姜产业的可持续发展。因此从长远来看。盾叶薯蓣 资源的综合利用特别重要，而且利用现有的技术也能够实现其资源的综合利用。 1 1 4 1 以生产酒精为目的 9 郑州大学硕士学位论文 盾叶薯蓣进行酸解后淀粉转化为糖分进入废液，因此可以利用废液中的糖 分发酵生产酒精。吴晓进等【2 1 】在专利中提出了一种适合于工业生产的黄姜加工 废水生产酒精的工艺。该工艺是把原酸水加氢氧化钙中和预处理，然后酒精发 酵，酒精蒸馏得到工业酒精。特别值得关注的是该工艺提出通过定期喷洒清水 的方式来消除蒸馏过程的泡沫，而易产生泡沫这个问题一直是黄姜废水不能有 效用于工业生产酒精的主要原因。钱卫国等1 2 2 1 研究了黄姜废水加氨水中和发酵 生产酒精的工艺。发现每1 0 0 0 m l 废液以约3 6 m l 氨水( 2 5 2 8 ) 调p h 4 5 ，分别接 种酵母，3 0 下发酵，产生大量气泡并翻腾，2 7 h 后气泡减少，约3 1 h 终止发酵，使 用不同的菌株发酵酒精产量均能到达3 以上，最高达3 6 6 。酵母的酒精发酵如 果糖度太低生成的酒精量也很低，这样会导致酒精蒸馏和残液浓缩的能量成本 增加。实验结果显示黄姜酸解废水硫酸根含量在3 1 3 3 1 7 之间，含糖量在 9 1 o 9 1 5 之间。生产过程一般加6 的硫酸水解，那么头道废液的酸浓度和糖 浓度应高于实验所测值，可能酸解后的冲洗使浓度降低。如果头道废液和冲洗液 分别处理，那么头道废液浓度较高。含糖量高出3 5 个百分点，发酵产酒精量就 有可能高出1 2 个百分点。废液发酵蒸出酒精后残液中含有硫酸铵、酵母细胞 和残糖等，高酸度的废水经以上工艺处理，转化成了有利于植物生长的物质，加 入磷、钾盐后配成复合肥盆栽蔬菜，效果优于市售复合肥。头道废液经该工艺处 理后不再有排放问题，收得的酒精和制得的肥料可以部分冲抵废液处理运行成 本。 徐徽等 2 3 1 把盾叶薯蓣粉碎后的料液，加入一定量的耐高温a 淀粉酶和糖 化酶，糖化后的料液经减压抽滤后得滤液和滤渣，滤液用于发酵酒精；滤渣加 酸二次水解后用常规方法提取薯蓣皂甙元，在6 0 c 下糖化3 0 m i n 后，再降温至 3 5 发酵8 4 h f i p 可出酒，平均出酒率在5 6 2 9 ；鲜黄姜薯蓣皂甙元的平均收率在 0 9 2 。 余盛树2 4 1 提出鲜黄姜联产白酒和皂素方法，即把鲜黄姜粉碎后n a 酶制剂 和含氮化合物常压发酵，使鲜黄姜中的淀粉在酸解前转化，蒸馏得到白酒；然 后把蒸馏后残渣加压酸解提取薯蓣皂甙元，该工艺不仅把淀粉转化为白酒还把 鲜黄姜薯蓣皂甙元收率提高至l o ，高于当前国内平均水平7 。 1 0 第一章绪论 1 1 4 2 以其他产物为目的 1 l4 2 1 发酵柠檬酸 蔡俊f 2 5 1 利用黄姜提取皂素后的废液进行柠檬酸发酵，通过预备试验及正式 发酵试验，对废液中的营养成分进行优化，使废液中的可发酵性糖转化为柠檬 酸。考察了发酵温度，初始p h 值，初始总糖浓度，不同氮源等因素对照原料和 试验原料发酵柠檬酸的影响，结论为对照原料和试验原料进行柠檬酸发酵时， 最适发酵温度均为3 5 ，最适初始p h 值为6 8 ，初始可发酵性总糖均为1 4 ( w v ) ； 不同的原料对氮源和最适培养基的要求不同；对照原料的发酵周期为8 1 h ，试验 原料的发酵周期为8 7 h ，发酵转化率为9 0 8 。黄立群等1 2 6 研究了用黑曲霉的新 菌株发酵黄姜酸解液，酸水解得到的渣液经过过滤水洗得到酸糖液，经氧化钙 中和，滤洗后的滤液即为制得的发酵用糖液，糖液不需经任何处理，发酵柠檬酸 达到了良好的效果。黄姜粉液化糖化后用于发酵容易产生大量的泡沫，在这里 发酵培养基加入了几滴消泡剂，值得借鉴。 1 1 4 2 2 制备活性炭 盾叶薯蓣提取薯蓣皂素后残渣中带来了严重的固体废物污染，成分主要是 纤维素与木质素，含碳量高是制备活性碳的良好原料。钟世彬等f 2 刀研究了以黄 姜残渣为原料制各活性碳的工艺条件，认为灰分中含有s i 0 2 和a 1 2 0 3 等无机物 质，会影响活性炭的吸附性能和催化性能，必须经过一定的处理。制备活性碳 的流程为黄姜残渣干燥筛选，碳化。然后加入活化剂浸渍活化，酸洗干燥后即 为活性碳，以活化温度，液固比，活化剂质量分数，活化时间为因素设计正交 试验确定制备活性碳的最佳条件：最佳活化温度为6 0 0 c ，活化时问为9 0 r a i n ， z n c l 2 质量分数为4 0 ，液固比( 质量比) 为4 ，在浸渍时间为1 2 h 的条件下，亚甲 基蓝脱色力为1 5 0 m l g ，碘吸附值为9 3 3 m g g ，苯酚吸附值为1 3 9 m g g ，证明以黄 姜残渣制备活性碳是安全可行的而且能达到商业产品的能力。张彩香等也开 展了黄姜残渣制备活性碳的工艺研究工作并且借助s e m ，x r d 和n 2 吸附实验等 手段对制备的活性碳结构与性能进行了表征，认为灰分减小能够增大活性碳的 空隙率，因而最后的酸碱洗涤工艺对活性碳的影响很大，黄姜皂素纤维渣制备 活性炭的最佳工艺条件4 0 z n c l 2 ，浸渍比为l ：4 ，活化温度为6 0 0 c ，活化时间 郑州大学硕士学位论文 为1 5 h ，碘值达1 0 5 0 7 m g g ，亚甲基蓝为1 2m v g ，a 焦糖脱色力为1 1 0 。用黄姜 残渣制备活性碳优于商业产品，既解决了残渣固体废弃物的处理问题，还可以 用活性炭处理黄姜废水，实现资源循环利用。 1 1 4 2 3 制备保健品 盾叶薯蓣中含有活性物质甾体皂甙，具有药用功效，可以利用其资源制备 保健品。刘慧掣2 明等提出了一种利用盾叶薯蓣提取薯蓣皂甙元的副产酶解糖液 生产保健品的方法，其工艺是把副产酶解糖液用n a h c 0 3 中和，喷雾干燥包装后 得到成品，产品具有预防和治疗关心病，心绞痛等功效。赵金忠1 3 0 1 发明了一种 利用黄姜为主要原料，谷壳为辅料发酵生产具有增强人体免疫功能，理气止痛 等保健功能的黄姜酒的方法。 1 1 4 2 4 一体化工艺 盾叶薯蓣实现盾叶薯蓣皂甙元的清洁化生产及资源多种方式充分有效的利 用，提高了综合效益，也消除了对环境的污染，是黄姜产业最好的发展方式。 北京大学倪晋仁等【3 1 1 提出基于循环经济的理念的黄姜清洁生产到废水处理一体 化的工艺，实现了资源再利用，减少了废水排放量9 0 以上。该工艺首先用带水 筛分的方法获得纤维素和淀粉浆；淀粉浆液化糖化后过滤，滤液处理后制取葡 萄糖，滤渣酸解后超临界法提取薯蓣皂甙元；盾叶薯蓣水解废液制备苏云金芽 孢杆菌微生物杀虫剂同时进行废水处理。殷实等1 3 2 也提出了一种黄姜资源综合 利用及清洁化提取薯蓣皂甙元的方法，该方法主要采用两次水解的方法处理原 料：黄姜磨浆后加水预发酵，然后加酸第一次水解，过滤，滤液中和后制得糖 液或做发酵原料：一次酸解后获得的滤渣加硫酸进行二次酸解，然后液固分离， 滤液加石灰中和，分离出石膏，二次酸解后得到的滤渣按常规方法提取皂素， 提取后残渣用做肥料或燃料。加工过程废水去光合菌田，培养增殖高蛋白光合 菌体( s c p ) 做饲料，滤菌水好氧降解后排放。 1 2 本课题研究背景与研究意义 1 2 1 盾叶薯蓣发酵生产酒精的背景 1 2 第一章绪论 盾叶薯蓣发酵生产酒精的背景可以概括为以酒精为原料的燃料乙醇的迅猛 发展；盾叶薯蓣产业资源如淀粉没有得到充分利用，产业效益不高；盾叶薯蓣 薯蓣产业污染严重，废水处理成本高，不能达到人们对环保的要求。 1 2 1 1 燃料乙醇的发展状况 石化燃料存储量的减少，能源安全的要求，温室效应的加剧以及人们对环 境保护的日益重视，开发可再生的环境友好的燃料越来越引起人们的兴趣。尽 管有许多种传统能源的替代产品，但是以酒精为原料的燃料乙醇，因其具有的 众多优点从新能源中脱颖而出成为石化燃料的替代品。将乙醇脱水后加入适量 变性剂成为交性燃料乙醇，然后再与一定比例的汽油混合，就是车用乙醇汽油。 美国早在2 0 世纪3 0 年代就开展了燃料乙醇的研究及应用工作。1 9 7 9 年， 美国国会为减少对进口原油的依赖，从寻找替代能源的角度出发，提出了联邦 政府“乙醇发展计划”，开始大力推广使用含1 0 乙醇的混合汽油。美国的燃料 乙醇产业也因此得到迅速发展，燃料乙醇年产量从1 9 7 9 年的3 万多吨迅速增加 到1 9 9 0 年的2 6 0 多万吨。1 9 9 8 年，美国开始逐步减少和禁止使用汽油中的m t b e ， 由燃料乙醇取而代之，以防治地下水污染。另一个市场因素是石油价格暴涨，世 界原油价格今年每桶最高达到了7 0 8 5 美元，添加生物燃料乙醇的经济性及社会 意义日益显著。2 0 0 4 年。美国生物燃料乙醇产量达到了3 4 1 0 9 加仑，比2 0 0 3 年的2 8 1 亿加仑增加了2 1 。到2 0 0 5 年底，生物燃料乙醇产量将达到4 0 亿加仑， 增涨势头非常强劲。2 0 0 5 年，美国通过了能源安全法案，这部法令为生物燃料乙 醇工业进一步发展提供了更为广阔的空间，到2 0 1 2 年这燃料乙醇目标将达到 7 5 1 0 9 加仑 3 3 1 。美国共有5 0 个州，其中，2 0 个州生产燃料乙醇，主要集中在 中北部和西部地区。截至2 0 0 2 年，这2 0 个州已建有7 3 家工厂，总计生产能力 达到6 3 2 万吨年，另外还有3 4 套装置在扩建中。未来1 0 年，美国准备采取增 加财政补贴等办法，鼓励乙醇生产商大量生产燃料乙醇，并支持他们同普通燃 料生产企业进行竞争，到2 0 1 2 年把燃料乙醇产量扩大到1 4 4 0 万吨年或1 5 0 0 万吨年。另外，再生能源标准对美国能源平衡也会产生积极影响，到2 0 1 2 年，由 于生物燃料乙醇的使用，可以使美国少进口2 1 3 亿桶的原油，减少6 4 1 亿美元的 外汇支出，使美国原油进口依存度从6 7 4 下降至6 2 3 1 3 4 - 3 卯。 1 3 郑州大学硕士学位论文 巴西是世界上最大的燃料乙醇生产国和消费国，也是惟一不使用纯汽油作 为汽车燃料的国家。巴西燃料乙醇产业的发展始于2 0 世纪2 0 年代。1 9 3 1 年巴 西首次制定了推动燃料乙醇发展的法规。1 9 7 5 年巴西启动乙醇计划，1 9 7 7 年制 定了掺混比例。目前，巴西的主要汽车燃料有4 种，乙醇生产能力为1 2 7