香菇菌糠和餐厨垃圾共发酵产乳酸的协同和调控机制研究

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食用菌菌糠富含碳元素,而餐厨垃圾富含氮元素,这两类废弃物产生量大,且易腐烂。本研究以香菇菌糠与餐厨垃圾为底物发酵制备乳酸,明确两种底物间碳氮营养互补、协同增效机制,进一步通过产酶微生物的应用和碱热预处理废液(简称PL)回用等方式调控发酵过程,提高乳酸产量和L-乳酸光学纯度,降低发酵过程的耗水量和耗碱量,从而实现降本增效的目标。通过对比水热、酸热和碱热预处理三种方式对香菇菌糠成分和酶解产糖效果的影响,确定香菇菌糠最适宜的预处理方式为碱热预处理。以预处理后香菇菌糠为底物发酵制备黑曲霉粗酶液,其酶解产糖能力与相同酶用量的市售纤维素酶相似;进一步优化黑曲霉粗酶液酶解香菇菌糠的工艺参数并进行酶动力学分析,结果表明:酶解结束的总糖产率可达92.32%,但当香菇菌糠浓度超过100 g/L时会产生底物抑制,当葡萄糖和乳酸钠浓度分别达到30 g/L和80 g/L时会产生酶解产物抑制和发酵产物抑制。将香菇菌糠与餐厨垃圾混合进行乳酸共发酵,当混合比为1:0.5时底物间协同作用最佳,乳酸浓度和产率分别为39.22 g/L和0.74g乳酸/g总糖,比单一香菇菌糠发酵分别提高70.89%和23.33%。餐厨垃圾的加入可调节底物碳氮比(从39.40 g/g至25.83 g/g),使之更适合乳酸菌生长;香菇菌糠中含有的CaCO3等钙盐及自身多孔结构对发酵过程产生的有机酸具有中和及吸附作用,可缓解发酵体系的酸化现象。进一步将自制黑曲霉粗酶液用于两种底物共发酵过程,当发酵0h和24h时,先后分别加入乳酸菌和黑曲霉粗酶液,可有效抑制非乳酸菌生长,提高底物向目标产物的转化率,使乳酸产率达到最佳值0.91 g乳酸/g总糖,比0h同时加入乳酸菌和黑曲霉粗酶液提高44.44%。香菇菌糠PL中酚类物质浓度(3.72g/L)超过乳酸菌的耐受浓度(2g/L),所以PL直接回用的最大比例仅为50%。但通过调节PL的pH值去除酚类物质(脱毒处理),使其总酚浓度降至1.14g/L后,再与未脱毒的PL以各占50%的比例混合并回用于乳酸发酵,其乳酸浓度和产率分别为56.68 g/L和0.97g乳酸/g总糖,且L-乳酸的光学纯度可达99%;同时制备每g乳酸的耗水量和耗碱量也分别下降了 84.62%和52.00%。本研究采用廉价废物制备高价值产品(乳酸)的同时,有效发挥香菇菌糠和餐厨垃圾两种底物优势互补、协同增效的作用,并能实现节水、省碱、PL全量利用,因此具有较大的应用前景。
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