关键词:
蔬菜废弃物液
复合乳酸菌
固定化处理
厌氧发酵
乳酸
萃取
摘要:
蔬菜废弃物产量大,如不能有效处理,会造成环境污染和资源浪费。目前,处置方法以焚烧、卫生填埋、堆肥、厌氧发酵为主,相对而言,厌氧发酵有明显优势,发酵产生的乳酸,具有较高的价值和广泛的应用前景,可实现蔬菜废弃物的高值化利用。蔬菜废弃物固液分离后,可溶性有机物滞留于液相,为蔬菜废弃物液高效发酵产乳酸创造了条件。本研究以购置的复合乳酸菌为菌源,优化其培养条件,以蔬菜废弃物液为发酵底物,研究了各因素对复合乳酸菌液及固定化复合乳酸菌发酵产乳酸的影响,结合微生物分析阐明其发酵机理。并探究了萃取条件、萃取方法对乳酸萃取率及其纯度的影响,为蔬菜废弃物液高效产乳酸及其分离提供理论依据。具体研究结果如下:
(1)复合乳酸菌液的适宜培养条件为接种量1.5%、初始pH 6、温度34℃、培养时间12h,所得菌液的OD600为2.25。培养0h、12h的菌液在门水平上,以厚壁菌门(Firmicutes)为主,0h占95.1%,12h占94.9%;在科水平上,以乳杆菌科(Lactobacillaceae)为主,0h占89.8%,12h占90.3%。在属水平上,培养时间从0h到12h,乳植杆菌属(Lactiplantibacillus)相对丰度上升,增加了41.9%,而乳杆菌属(Lactobacillus)和乳酪杆菌属(Latilactobacillus)相对丰度降低,分别减少了20.6%和24.2%,说明适宜培养条件下,更适合Lactiplantibacillus的生长繁殖,对Lactobacillus和Latilactobacillus具有一定的抑制作用。
(2)复合乳酸菌液在发酵温度35℃、发酵时间16h时,通过响应面优化得到发酵产乳酸的最佳条件为:接种量12%、初始pH 6、C/N 19,在此条件下得到的最大乳酸产量为11.76g/L,转化率为53.26%。复合乳酸菌液、蔬菜废弃物液、发酵液(0h、16h、24h)在门水平上均以Firmicutes为主,分别为94.87%、89.87%、94.90%、94.45%、94.47%;在科水平上均以Lactobacillaceae为主,分别为89.84%、75.16%、75.41%、75.18%、75.51%。在属水平上,复合乳酸菌液中Lactiplantibacillus(73.25%)为优势菌属;蔬菜废弃物原液中Latilactobacillus(73.66%)为优势菌属;接种后发酵液中Lactiplantibacillus为优势菌属,随着发酵不断进行,相对丰度从64.14%(0h)增至70.33%(16h)、71.47%(24h),说明产乳酸过程以Lactiplantibacillus为主导。
(3)固定化复合乳酸菌在发酵时间20h时,响应面优化得到发酵产乳酸的最佳条件为:温度37℃、初始pH 6.5、接种量19.2%(微球80g),在此条件下得到的最大乳酸产量为16.56g/L,转化率为70.12%。与复合乳酸菌液发酵相比,乳酸产量及转化率分别提高了40.82%、31.66%。固定化复合乳酸菌3次回流发酵的乳酸产量分别为16.37g/L、16.35g/L、15.96g/L,分别占初次发酵乳酸产量的98.85%、98.73%、96.38%,仍在96%以上,说明复合乳酸菌可循环使用。
(4)乙酸乙酯、正丁醇、正丁醛的适宜萃取条件均为萃取相比1.5∶1、萃取时间5min、萃取温度35℃,乳酸萃取率分别为43.21%、41.32%、36.73%,乳酸纯度分别为87.77%、80.23%、80.45%,乙酸乙酯的萃取效果最好。多次萃取以4次为最优萃取次数,乙酸乙酯、正丁醇、正丁醛的乳酸萃取率分别为67.45%,66.72%、58.74%,比单次萃取明显增加,乳酸纯度分别为88.32%、85.40%、86.00%,乙酸乙酯中的乳酸纯度较高;等分萃取以8份为最佳等分份数,乙酸乙酯、正丁醇、正丁醛的乳酸萃取率分别为59.68%、52.87%、47.87%,比单次萃取有一定的提升;比4次萃取有所降低,但萃取剂用量减少3倍,三种萃取剂中的乳酸纯度分别为84.80%、80.63%、83.84%,乙酸乙酯中的乳酸纯度较高;多级逆流萃取最佳级数为乙酸乙酯9级、正丁醇10级、正丁醛11级,乙酸乙酯、正丁醇、正丁醛中的乳酸纯度分别为90.85%、84.82%、88.20%,根据萃取级数和乳酸纯度,乙酸乙酯为最佳萃取剂。最终确定以乙酸乙酯为萃取剂,采用多级逆流萃取,乳酸分离效果最好。