论文总字数：20200字

摘 要

作为一种广泛应用于食品、化工、医药和农业的材料，D-乳酸是一种重要的手性重要的手性化合物。近年来发现其在提高聚乳酸材料的热稳定性、机械强度、抗水解性等方面有着显著的作用，引起了许多学者的极大研究兴趣。而在 D-乳酸的传统发酵中，通常是以葡萄糖、玉米淀粉等做为乳酸发酵的碳源，并添加价格较贵的酵母膏或者酵母粉做为氮源，成本高昂；另一方面，在农业废弃物的浪费现象，在我国这样一个农业大国是很严重的。因此，为了改善我国生态环境以及为了降低资源消耗，合理利用农业废弃物是非常必要的。农业废弃物--麸皮中蛋白和纤维素组分含量丰富，因此利用廉价的麸皮作为D-乳酸生产的碳氮源可以降低 D-乳酸生产成本。

本课题组在前期的研究中成功选育到一株遗传稳定性良好的D-乳酸高产菌 Sporolactobacillus inulinus .YBS1-5，用此作为发酵菌株。作为发酵培养基的氮源和碳源来发酵生产D-乳酸的，是在使用蛋白酶和纤维素酶处理后的麸皮水解液。这样将实现废弃物资源的再利用，并且有效降低 D-乳酸的生产成本。

利用麸皮的蛋白酶处理残渣作为D-乳酸生产的碳源。纤维素酶会对麸皮的蛋白酶处理过的残渣进行水解，再利用其水解液作为D-乳酸发酵的碳源。首先是预处理，利用2%的稀硫酸对经过蛋白酶处理后的麸皮残渣进行预处理（底物浓度 为20 %、在125 ℃高温下处理 150 min ）， 然后优化纤维素酶解过程中，底物的浓度、纤维素酶的添加量以及酶解的时间，最终的酶解条件为：底物浓度为 15% （w/v ）， 纤维素酶添加量为20 FPU/g 麸皮残渣 ，酶解时间为48 h，最终糖浓度能够达到 109 .6 g/L。为了获得更高的酶解液糖浓度，对麸皮残渣进行分批补料酶解，分批补料酶解的条件为：按照10 %的起始底物浓度 、20 FPU/g 麸皮残渣的加酶量进行水解，反应12 h 和24 h分别加入 5%的麸皮残渣和相应纤维素酶， 最终的底物浓度为 20 %，酶解液糖浓度为141 .2 g/L ，其中木糖含量为 1.4g/L、葡萄糖浓度为138 .1 g/L。在以纤维素酶水解液作为碳源，添加麸皮的蛋白酶水解液做氮源发酵生产D-乳 酸。初始糖浓度为 123.8 g/L，经 96 h发酵后 ，发酵液乳酸含量为 99.5 g/L，产酸速率能够达到1.04 g/L/h，转化率为 88 .4 %，光学纯度达 99 %。

关键词：D-乳酸 麸皮 菊糖芽孢乳杆菌 碳源

A preliminary study on the utilization of wheat bran fiber acid hydrolysis solution of D-lactic acid fermentation

ABSTRACT

D-lactic acid is the synthetic precursor of many chiral compounds, which has been widely used in food, chemical, pharmaceutical and agriculture. Currently, stereocomplexation, blending D-lactic acid and L-lactic acid polymers,polymer improved thermochemical properties, mechanical strength, resistant to hydrolysis and so the potential utilization of D-lactic acid of high optical purity has attracted great interest for efficient D-lactic acid production by fermentation.Currently,glucose and yeast extract was used as substrate for D-lactic acid production, which was high-cost. On the other hand China is a big agricultural country which had much agro-industrial wastes every year. It is important to increase the utilizing efficiency of agro-industrial wastes for energy consumption. China had vast planting area of wheat bran. According to the report, the production of wheat bran was 20 million tons in China. What’s more, the protein and cellulose content was high in the wheat bran. It was useful for the D-lactic acid fermentation using wheat bran.In previous study, we obtained an efficient mutant strain Sporolactobacillus inulinusYBS1-5. Using wheat bran hydrolysate which was hydrolyzed by protease and cellulose as the carbon and nitrogen source fermenting D-lactic acid.Results are summarized as follows:

Using hydrolyzate of bran residue as carbon source of D-lactic acid fermentation. Firstly, pretreatment of the wheat bran residue (150 min high temperature treatment at 125℃), secondly, using cellulose to hydrolyze wheat bran residue and optimizing the hydrolysis condition such as solid-liquid ratio, the additive amount of the cellulose and the reaction time.Lastly, taking fed-batch in the hydrolysis process to obtain higher sugar concentration. The final reaction condition was as follows:the solid-liquid ratiowas15% (w/v),the amount of the celluloseis20FPU/g dry wheat bran,the reaction timewas48h.The final glucose concentration is 109.6g/L, the conversion is 83.5%. The condition of fed batch was as follows: the initial solid-liquid ratiowas10% (w/v) , the amount of the cellulose is 20FPU/g dry wheat bran,after 12h, adding half of the initial bran residue and cellulose, after 24haddingthe remaining bran residue and cellulose. The final glucose concentration is 141.2g/L.Using protease hydrolyzate and cellulose hydrolysate as the culture medium(glucose concentration is 123.8g/L). The D-lactic acid concentration is 99.5g/L,the conversion rate was 88.4%, the production rate of D-lactic acid was 1.04g/L/h.

KEYWORS：：Sporolactobacillusinulinus；D-lactic acid；Wheat bran；Carbon source；

目录

摘要 i

ABSTRACT ii

第一章 文献综述 2

1.1乳酸简介及D-乳酸的应用 2

1.2 乳酸的制备 3

第二章 利用麸皮作为D-乳酸发酵的碳源的研究 6

2.1实验材料 6

2.1.1 菌株 6

2.1.2 实验仪器 6

2.1.3实验试剂 7

2.1.4基础培养基 8

2.1.5 主要溶液的配置 8

2.2实验方法 9

2.2.1 摇瓶发酵流程 9

2.2.2麸皮酸性蛋白酶水解残渣的预处理 9

2.2.3纤维素酶水解底物浓度的优化 9

2.2.4纤维素酶添加量的优化 10

2.2.5纤维素酶水解时间的优化 10

2.2.6纤维素的分批补料酶解 10

2.2.7利用麸皮蛋白酶水解液及纤维素酶酶解液发酵制备D-乳酸 10

2.3分析方法 10

2.3.1纤维素酶酶活的测定 10

2.3.2麸皮预处理残渣的组分测定 11

2.3.3葡萄糖的测定 12

2.3.4乳酸的定量分析 12

2.3.5 乳酸光学纯度的分析 12

2.3.6DNS法测定还原糖含量 13

2.3.7糠醛和5-羟甲基糠醛含量检测 13

2.3.8葡萄糖和木糖的液相分析 13

2.3.9总酚类物质的测定 14

2.4实验结果与讨论 15

2.4.1纤维素酶的酶活 15

2.4.2麸皮残渣稀酸预处理后的组分变化 15

2.4.3底物浓度对纤维素酶水解效率的影响 15

2.4.4纤维素酶的添加量的优化 16

2.4.5纤维素酶水解时间的选择 16

2.4.6纤维素酶水解过程分批补料的研究 17

2.4.7 利用麸皮蛋白酶水解液及纤维素酶水解液发酵制备D-乳酸 18

2.5 本章小结 20

第三章 结论与展望 21

3.1结论 22

3.2展望 22

参考文献 22

致谢 25

第一章 文献综述

1.1乳酸简介及D-乳酸的应用

乳酸（Lactic acid，简称LA），是一种天然存在的有机酸，广泛的存在于人体、动植物和微生物中^[3]，又名α-羟基丙酸、2-羟基丙酸或丙醇酸，化学式为CH₃CHOHCOOH，分子量为90.08，。之所以乳酸的类型可以分为D(-)-型乳酸和L( )-型乳酸，是因为乳酸分子有一个不对称的碳原子。D-乳酸和L-乳酸互为镜像，而且不能重叠，虽然L-乳酸是自然界普遍存在的构型，但是，它们都是手性化合物，除了旋光性以外的所有物理化学性质都相同。然而D-乳酸可参与缩合反应、酯化反应和氧化还原反应等，是因为D-乳酸的结构中同时存在一个α-羟基和一个α-羧基，同时D-乳酸可以脱水形成聚乳酸（PLA）^[4]。

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