[发明专利]利用烟草废弃物生产高浓度L-型乳酸的方法

说明书

本发明属于生物发酵领域，涉及以米根霉利用高固体含量的烟草废弃物同步糖化发酵生产高浓度L‑型乳酸的方法。具体为：取烟草废弃物，加入纤维素酶和果胶酶进行液化，得液化底物，灭菌后，加入纤维素酶和本发明的米根霉种子培养基培养所得的米根霉菌体，进行同步糖化发酵，得L‑型乳酸。所述米根霉种子培养基为添加了葡萄糖和维生素C的烟草废弃物萃取液。这种种子培养基能够代替昂贵的传统葡萄糖种子培养基并能有效提高固定化米根霉的木糖代谢水平。本发明的方法减少了高固体含量发酵中93％的液体粘稠度并使得后续的同步糖化发酵缩短了40.0％的发酵时间和提高了66.2％的L‑型乳酸最终浓度。

技术领域

本发明属于生物发酵领域，涉及以米根霉利用高固体含量的烟草废弃物同步糖化发酵生产高浓度L-型乳酸的方法。

背景技术

我国是全球第一烟草种植大国也是全球第一烟草产品消费大国，每年卷烟消费接近4000万箱，将近占世界总消费的四分之一。在这巨量的烟草消费背后，是数量巨大的烟草废弃物的产生：卷烟工业多采用烟叶的边缘部分做为卷烟生产的原料，而剩余部分则被废弃。烟草废弃物产量占了烟叶总产量的三分之一强，包含了烟草行业在从种植到制作烟草产品过程中所产生的所有来自于烟草植株的固体废弃物，比如种植过程中的报废烟叶，收获以后留在田间的烟杆，烤烟过程中被淘汰的次级烟和烟梗，陈化过程中的发霉烟叶以及加工过程中烟叶剪切后剩下的烟末，如图1所示。这些废弃物的共同点为都含有潜在基因毒性的尼古丁。这种有毒废弃物因为其极易污染地下水资源而被禁止填埋处理。传统的处理方式就是像小麦秸秆一样焚烧处理，这种处理方式不但浪费了宝贵的烟草生物资源而且会产生新的污染，将烟草废弃物转化为高价值的产品不但能够有效的利用宝贵的生物资源，也符合我国对有机废弃物所出的资源化和无害化的要求。

烟草废弃物的主要特征是其含有极高比例的可溶水的有机物(～40％)，这些有机物中包含了许多高价值的成份如蛋白质、氨基酸、还原糖、烟酸等等，是微生物生长极佳的营养来源。另一方面，烟草废弃物的不可溶部分中含有大量细胞壁物质：纤维素(～20％)、半纤维素(～10％)、果胶(～12％)和木质素(～12％)，其中纤维素、半纤维素和果胶都能被水解成为可发酵的单糖。如何科学合理的利用这些组分，将是综合和高效利用烟草废弃物的关键。

L-型乳酸是一种重要的微生物代谢产物，在许多领域如食品，制药，材料合成等方面都有不可替代的作用。近年来，由于L-型乳酸能够作为拥有多种优秀医学性能的生物材料聚乳酸的主要构成原料，其需求量与日俱增。米根霉是目前实现工业化生产L-型乳酸最有前途的菌种之一，由于其拥有许多发酵优点：(a)能够生产生产几乎百分之百光学纯的L-型乳酸；(b)相比细菌对培养基要求不高；(c)不易被污染；(d)其菌丝可以作为菌体蛋白成为一种有价值的副产物以及(e)自身能够生产淀粉酶，可以直接利用淀粉类物质发酵产乳酸。在实际工业生产中，米根霉主要都是利用高淀粉物质作为发酵底物生产乳酸，如土豆，玉米等等。同时，米根霉的发酵前需要一个种子培养阶段为其孢子的发芽生长提供丰富的碳源和氮源，以便在发酵的开始阶段就有足够的成熟的米根霉细胞来生产乳酸。由于其能够被迅速吸收并提供大量的能量，目前主要使用的种子培养氮源为葡萄糖。

然而，随着全球粮食危机的日益加剧，使用淀粉类物质和单糖生产乳酸这种与人争粮的生产方式已经越来越难以为继。由于我国是一个人少地多的国家，粮食问题始终是我们国家最最重要的问题，再使用传统方式生产L-型乳酸已经显得越来越不合时宜。我国的L-型乳酸行业和聚乳酸生产企业都远远落后于国际水平，并且大量依赖于进口。近年来，将富含纤维素的农工业废弃物糖化为单糖，再利用这些可发酵单糖生产L-型乳酸已经成为一个研究热点。由于烟草废弃物的高纤维素含量和低木质素含量，烟草废弃物能够通过糖化反应为乳酸发酵提供大量的可发酵糖。利用米根霉从烟草废弃物中生产L-型乳酸是另外一条吸引人的工艺路线。图2为利用米根霉将烟草废弃物转化为乳酸的常用流程。