糖蜜含有大量的糖、蛋白質和多種礦物質、維生素、纖維素、胺類等,是微生物進行發酵的理想復合原料。既可直接制成發酵制品,又可先將其制成菌體細胞,然后作為原料提供各種生物制品,或者將其作為生物能源的原料,生產氫氣等。國內外利用糖蜜發酵所獲得的產品主要有:酒精、味精、檸檬酸、酵母、氮基酸、核糖核酸、氫氣等。
一、發酵制品。
糖蜜之中的蔗糖、還原糖和棉實糖都是可以被微生物利用的碳源,只需補充適量的氮源和磷源,除去有害物質,就可以直接利用。和淀粉質原料相比,省去了相當麻煩的糖化程序,所以糖蜜是優良的發酵原料。
1.酒精。
我國酒精生產的主要原料包括糖蜜、玉米和薯類,糖蜜發酵生產酒精是目前糖蜜資源化利用的主要途徑之一。資料顯示, 2004 年,我國酒精產量為232.34 萬噸,其中,糖蜜酒精占11.35%。糖蜜酒精的生產工藝包括:間歇發酵工藝、雙流加連續發酵工藝和固定化酵母連續發酵工藝。同傳統酒精發酵工藝相比,固定化酵母應用在糖蜜酒精發酵之中,具有發酵周期短、設備利用率高、雜菌污染少、發酵率高、生產成本低等優點,目前普遍采用。
2.氨基酸。
糖蜜發酵生產的氨基酸類產品主要有:谷氨酸(味精)、賴氨酸、L-亮氨酸等,其中谷氨酸(味精) 和賴氨酸已經大宗生產。
2.1谷氨酸。
谷氨酸是以碳水化合物(淀粉、糖蜜等)為原料,經微生物發酵而得,味精是谷氨酸的一鈉鹽。除作為調味品之外,谷氨酸在醫藥、表面活性劑等領域也有廣泛的應用。國外主要利用糖蜜發酵生產谷氨酸,利用糖蜜生產谷氨酸比用淀粉類糧食作物生產谷氨酸具有生產成本低的優勢,而且不經水解就可以直接發酵提取谷氨酸,工藝簡單,發酵率高,尤其甜萊糖蜜的發酵率更。
目前,我國的味精總產量居世界第一位,而且以每年10% 速度遞增。之上世紀 80 年代,糖蜜味精巳成為世界味精生產的主趨勢,井占領和壟斷了世界味精市場。國內的研究試驗表明,糖蜜發酵生產谷氨酸,產酸率水平最高達10%超過,轉化率水平最高達60%。但在糖蜜味精生產過程之中產生大量的高濃度有機廢水,由于污染治理等環保間題不能妥善解決,使糖蜜發酵生產味精的工藝未能加以推廣和達到普遍工業化。因此,如何解決糖蜜味精的污染問題是我國環保和味精行業的重點。
2.2 賴氨酸。
賴氨酸直接影響著人和動物的生長發育,但在人和動物體內不能自行合成,必須從外界攝取,是必須氨基酸之一。谷物類蛋白質中賴氨酸含量很少,必須在食品和飼料中添加,因此賴氨酸被稱為植物之中第一限制性氨基酸,它是最重要的食品和飼料添加劑。
發酵法生產賴氨酸的主要原材料為玉米等淀粉類原料和糖蜜,但淀粉類原料需經糖化處理和補充生物素之后才可用.而糖蜜含較高的生物素,發酵過程之中無需再補充生物素。但糖蜜之中含有一些不可被細菌利用的多糖,所以在發酵成熟酵之中含有較高的殘糖,不利于賴氨酸的提取操作。
茂豐糖蜜賴氨酸鹽酸發酵。
3.有機酸。
糖蜜發酵生產的有機酸主要有:檸檬酸、L-乳酸、聚乳酸、丁酸、L-蘋果酸、草酸 、富馬酸和多不飽和脂肪酸等。檸檬酸已經大宗生產,研究最多的是L - 乳酸,面糖蜜發酵生產多不飽和脂肪酸需要在培養條件優化和菌種誘變方面進一步研究。
3.1檸檬酸。
檸檬酸是重要的食品酸味劑,同時又是防腐劑、抗氧化劑的增效劑和飼料添加劑,它是用發酵方法生產量最大的有機酸。我國有檸檬酸生產廠30余家,全世界擰檬酸的年消費量約60萬噸,而其中的三分之一由我國出口,出口量居世界第一。檸檬酸發酵的主要原料是淀粉和糖蜜,經黑曲霉發酵而成。
茂豐糖蜜發酵檸檬酸工藝。
3.2 L - 乳酸及聚乳酸(PLA)。
L - 乳酸是重要的化工產品,在食品、醫藥、化工、建材、石油等領域有若廣泛的應用。L- 乳酸是哺乳動物體內正常的代謝產物,可以完全生物降解,更重要的是,它是合成生物可降解材料-聚乳酸(PIA) 的原料。PLA 是優良的環境友好材料,可以完全降解為水和二氧化碳.利用它可以制成可降解塑料、生物地膜、化肥緩釋劑、一次性餐盒、食品包裝材料、存儲磁盤以及醫用片材、骨螺釘、手術縫合線等醫用材料。L - 乳酸主要以淀粉類原料和糖蜜為底物,利用乳酸菌發酵制成。由于乳酸菌是一種對營養要求比較嚴格的微生物,不僅需要可發酵性碳水化合物,同時外界必須提供氨基酸、維生素等生長因子。由于技術還不成熟,目前國內尚未有 利用糖蜜發酵制L - 乳酸的工業化生產,但是由于原料優勢,糖蜜發酵制L - 乳酸及其聚合物有很好的前景,目前研究重點主要集中在高產菌種的選育、糖蜜的預處理和發酵條件的優化等方面。
二、生物制品。
糖蜜生產的生物制品主要包括酵母及其深加工產品,如:活性干酵母、食用(藥用)酵母、酵母抽提物、單細胞蛋白、核糖核酸( RNA) 和蝦青素等。由于糖蜜之中除含有糖分之外,還含有酵母菌體生長繁殖所需的生物素及氮、磷、鉀和微量元素,因此,糖蜜生產酵母及其深加工產品是發酵行業公認的最好途徑之一.國上下90% 的酵母產品都是用糖蜜生產的。
酵母。
糖蜜生產的酵母產品主要包括面包酵母、食用(藥用)酵母和飼料酵母,其中高位的面包酵母和食用(藥用)酵母是糖蜜酵母的主流產品。生產一噸酵母大約消秏 5.6 噸糖蜜,與生產酒精相似。但是,在目前糖蜜價格提高的情況之下,糖蜜生產酒精已經不具備競爭優勢,而糖蜜生產酵母產品的市場前景卻非常樂觀。
茂豐糖蜜-酵母。
微量元素對人體有重要的作用,但無機態的微量元素生物利用率低,因此利用酵母為載體富集微量元素,使之由無機態轉為有機態,已成為國內外研究重點。目前,藥用及具有保健功能的酵母品種主要有:富鉻酵母、富鐵酵母、富鋅酵母、富硒酵母、富鍺酵母、富麥角固醇酵母等。利用糖蜜生產的藥用和食用酵母主要有:富鉻酵母和高鐵酵母等。鉻元素是預防和治療糖尿病的重要因子,它能激活胰島素,糾正糖和脂肪代謝紊亂。服用鉻酵母不僅能。
降低I型糖尿病人對外源胰島素的需要和II型糖尿病人的血糖,同時還能預防和控制動脈粥狀硬化癥狀的發生“主研究表明:糖蜜培養的富鉻酵母,鉻含量738.8mg/kg,鉻酵母產率3.0%,蛋白質含量48.74%。糖蜜高鐵酵母,鐵含量為1061.00mg/kg,鐵酵母的產率為2.54%,蛋白質含量為51.90%。
茂豐糖蜜酵母生產工藝。
酵母抽提物又稱酵母精,是酵母細胞破壁、酶解得到的深加工產品,具有調味、營養、保健功能,主要用于作雞精、湯料等食品的添加劑。
2. 單細胞蛋白。
單細胞蛋白之中蛋白質含量高達40% - 80%, 含有人體必需的8 種氨基酸,同時還含有多種維生素、碳水化合物、脂類、礦物質以及豐富的生物活性物質,是食品和飼料工業重要的添加劑。酵母菌由于其生長繁殖迅速,培養條件簡單,營養物質含量高,易消化吸收等特點,是生產單細胞蛋白的優良菌種。
糖蜜是酵母菌發酵的優良底物,研究表明在糖蜜之中添加適童的 N 和P 源進行高蛋白菌種培養,發酵液之中細胞生物量可達8 - llg/L,粗蛋白含量高達50%左右。
3. 核糖核酸(RNA)。
核糖核酸(RNA) 是重要的生物大分子,它對活化體細胞,促進新陳代謝,防治疾病,延緩衰老有獨特的功效。核糖核酸主要從酵母之中提取,不同的碳源對核糖核酸的成本和產量有很大的影響。利用 糖蜜發酵核糖核酸巳經工業化生產,即以糖蜜為培養基,經連續發酵培養出高核酸酵母,然后采用濃鹽法把 RNA 從酵母細胞之內提取出來。
茂豐糖蜜核糖生產工藝。
三、生物能源
全球能瀕危機和生態危機日益加劇,氫被認為是最有吸引力的替代能源,尤其生物制氫技術由于具有清潔、節能、不消耗礦物資源和低成本等優點,已經成為當今世界的一個研究熱點。
發酵法生物制氫是利用生物厭氧產氫一產酸發酵過程制取氫氣的一種方法,目前國內外報道的微生物產氫主要有 3 種類型:丙酸型發酵、丁酸型發酵和乙醇型發酵。乙醇型發酵制氫是一種新型制氫方法,其末端產物主要是乙醇、乙酸、CO2,H2和少量丁酸。
以糖蜜為發酵底物進行生物制氫的工藝包括:活性污泥法和固定化細胞法,將糖蜜稀釋,加人 N,P 營養物,接種馴化之后的活性污泥或固定化細胞,使其進入乙醇型發酵狀態,即可進行連續流的氫氣生產。我國以糖蜜為底物進行的制氫小試取得了突破性的進展,中試也運行成功,使該項技術在國際之上處于領先地位。
利用發酵型細菌產氫雖然取得了長足的進步,但是產氫的穩定性和連續性以及混合細菌發酵產氫過程之中彼此之間的抑制、發酵末端產物對細菌的反饋抑制等是制約產氫工業化的障礙,有待研究解決。
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