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利用玉米加工废弃物厌氧发酵制备丁二酸的研究

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丁二酸是一种重要的碳四平台化合物，广泛应用于食品、医药、表面活性剂、绿色溶剂、生物可降解材料等领域。传统丁二酸生产方法采用丁烷经顺丁烯二酸酐通过电解生产，因其污染大、成本高而严重抑制了丁二酸的发展潜力。与传统化学法相比较，生物合成法采用可再生的生物质资源和温室气体二氧化碳为原料，具有不依赖化石原料、能耗低、环境污染小等诸多优点，已成为全球性的研究热点。目前随着粮食价格上涨导致以传统粮食性原料(葡萄糖、淀粉)为碳源厌氧发酵制备丁二酸的成本较高，不利于生物合成法制备丁二酸的产业化。若能利用廉价的可再生生物质资源替代葡萄糖、淀粉等粮食性原料，不但可降低其原料成本，而且不会影响粮食安全，对促进生物合成法制备丁二酸产业化具有重要意义。
　　 本文选用产琥珀酸放线杆菌NJ113为实验菌株，利用玉米加工废弃物(玉米皮与玉米芯)为原料厌氧发酵制备丁二酸，研究内容包括：建立水解糖液中总糖含量的快速检测方法、玉米加工废弃物稀酸水解工艺的优化、水解糖液的脱毒脱盐以及利用混合糖液发酵制备丁二酸，主要研究结果如下：
　　 (1)DNS比色法测定戊糖与己糖的混合糖含量时存在较大误差，故对DNS比色法进行合理改进。结果表明：采用改进DNS比色法测定玉米加工废弃物多组分糖液中总糖含量的回收率在98.90％～100.81％之间，RSD=0.71％，明显提高了DNS法测定混合糖含量的精确度，可用于多组分糖液中总糖含量的定量测定。
　　 (2)对玉米加工废弃物酸水解制备混合糖液的工艺条件进行研究，以加酸量、物料粒径、水解温度和反应时间作为主要考察因素，通过合理正交试验获得稀酸水解玉米加工废弃物的优化工艺条件如下：(Ⅰ)玉米皮水解工艺条件为加酸量1％、料液比18％、粒径20～40目、水解温度110℃、反应时间90min，该工艺条件下的总糖收率达到92.52％，总糖浓度为85g/L；(Ⅱ)玉米芯水解工艺条件为加酸量1％、料液比20％、粒径20～40目、水解温度126℃、反应时间90min，该工艺条件下的总糖收率达到90.11％，总糖浓度为60gg/L。
　　 (3)针对两种玉米加工废弃物多组分糖液中各种发酵抑制物的特点，对其进行脱毒工艺的研究：(Ⅰ)玉米皮多组分糖液精制工艺条件为：活性炭用量1％、pH4.0、反应温度30℃、反应时间30min，该工艺条件下精制后的糖液呈浅黄透明状，各种抑制物的去除率依次为：糠醛75.43％、HMF53.63％、酚类化合物98.43％、甲酸4.84％、乙酸10.19％，糖液的脱色率为92.27％，总糖损失率仅为4.1％；(Ⅱ)玉米芯多组分糖液精制工艺条件为：活性炭用量1％、pH4.0、反应温度30℃、反应时间30min，并经3mol/L Ca(OH)2去除硫酸根离子，该工艺条件下精制后的糖液呈无色透明状，各种抑制物的去除率依次为：糠醛81.76％、HMF70.14％、酚类化合物99.40％、甲酸7.17％、乙酸12.10％、硫酸根离子99.97％，脱色率为97.42％，总糖损失率为12.47％。
　　 (4)以葡萄糖、木糖、阿拉伯糖的混合糖液为底物，考察玉米加工废弃物多组分糖液中各种抑制物(如糠醛、HMF、甲酸和乙酸)浓度对发酵制备丁二酸的影响，其外源性添加发酵抑制物的临界浓度为：糠醛1.20g/L、HMF1.50g/L、甲酸4.00g/L、乙酸10.00g/L。
　　 (5)利用玉米加工废弃物精制的多组分糖液替代葡萄糖作为碳源，经Actinobacillus succinogenes NJ113厌氧发酵制备丁二酸：(Ⅰ)经活性炭脱毒处理的玉米皮精制多组分糖液可替代葡萄糖作为碳源，当总糖浓度为50g/L时，发酵42h后丁二酸的质量收率为68.47％，丁二酸浓度可达34.23g/L；(Ⅱ)经脱毒脱盐的玉米芯精制多组分糖液可替代葡萄糖作为碳源，当总糖浓度为50g/L时，发酵42h后丁二酸的质量收率为61.68％，丁二酸浓度可达30.84g/L。
　　 总之，上述实验证明利用玉米加工废弃物制备的多组分糖液可替代葡萄糖厌氧发酵高效制备丁二酸。

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