基本信息
- 項目名稱：
- 環(huán)保先鋒植物——檸條的綜合利用
- 小類：
- 生命科學
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 檸條是我國北方干旱、半干旱地區(qū)保持水土、防風固沙的先鋒植物，種植面積廣，富含蛋白質、纖維素、油脂、生物堿等，是良好的蛋白、能源和藥物資源。目前對檸條的利用主要是加工成飼料，這種飼料粗纖維含量高、適口性差、消化率低，使檸條的利用率低。本文將檸條蛋白提取和乙醇發(fā)酵偶聯(lián)，不僅提高檸條的利用率和經(jīng)濟價值，且在一定程度上緩解了國內蛋白短缺和能源危機問題，為其他富含蛋白質和纖維素資源的開發(fā)提供了一種新思路。
- 詳細介紹：
- 檸條是豆科錦雞兒屬植物的俗稱，是錦雞兒屬植物中的一種，是我國北方干旱、半干旱地區(qū)保持水土、防風固沙的先鋒植物，具有生長快、抗寒、耐貧瘠、耐鹽堿、易種植、易成活等特點，不僅天然種植面積大，而且人工種植的檸條林面積近幾年迅速擴大。檸條枝葉中粗蛋白含量高達14％～31％（干重），含有18種氨基酸及各種微量元素，且含有豐富的必需氨基酸，其含量高于一般禾谷類飼料，所以檸條蛋白是一種很好的飼料蛋白；檸條枝葉中大量的纖維素和半纖維素，可以被水解成為可發(fā)酵的糖并進一步被微生物所利用轉化為有用產(chǎn)品；檸條籽中富含油脂、蛋白質及黃酮類、生物堿類和萜類等化合物，成熟的種子可以入藥，其味苦，性寒，清熱利咽，主治咽喉腫痛等癥。目前，關于檸條綜合利用的研究較少，對檸條的利用也主要是通過切碎、粉碎、制粒等簡單工藝加工成飼料，但這種飼料粗纖維含量高、適口性差、不易消化，使得檸條的利用率不高，造成了資源浪費。為了提高檸條的應用價值，本研究以檸條枝葉為原料，同時對檸條蛋白提取和纖維素乙醇發(fā)酵進行了研究，首先用堿法提取檸條蛋白，得到的葉蛋白濃縮物營養(yǎng)價值豐富，提取蛋白后產(chǎn)生的纖維素殘渣用于生產(chǎn)乙醇，這樣不僅提高了檸條的應用價值，而且可以彌補國內蛋白緊缺的問題，降低乙醇生產(chǎn)成本，還可以在一定程度上緩解能源問題，結果表明，檸條葉蛋白提取的最佳提取條件：NaOH濃度為0.1mol/L，料液比1:20，提取溫度35°C，提取時間1h，絮凝pH3.0，絮凝時間5min，絮凝溫度80°C，此時檸條蛋白溶出率達42.6%，檸條蛋白沉淀率達95.6%；得到的檸條葉蛋白濃縮物包含17種氨基酸（色氨酸含量未測定），其中包括7種必需氨基酸，可見檸條蛋白是一種良好的飼料蛋白，在一些蛋白質資源嚴重不足的發(fā)展中國家，研究開發(fā)利用植物葉蛋白，作食用和飼用都是十分重要的。提取檸條蛋白后產(chǎn)生的副產(chǎn)物中富含纖維素、半纖維素和木質素，用2%（w/v）NaOH在80°C下水解6h，殘渣中纖維素和半纖維素含量分別達55.36%和19.21%，當?shù)孜餄舛葹?0%（w/v）時，經(jīng)SSF發(fā)酵乙醇濃度達17.54g/L，若采用二次分批操作乙醇濃度可達25.48g/L，發(fā)酵后固體殘渣中含有酵母及部分未利用的糖，可以經(jīng)乳酸菌發(fā)酵用作飼料蛋白。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 本研究的目的是將檸條蛋白提取和乙醇發(fā)酵偶聯(lián)，從而改善目前檸條的應用模式，提高其應用價值，一定程度上緩解國內蛋白短缺和能源危機問題，為富含蛋白質和纖維素資源的開發(fā)提供一種新思路。 本文首先研究了檸條蛋白的提取條件和氨基酸組成；然后，比較了不同預處理方法對提取檸條蛋白后產(chǎn)生副產(chǎn)物的化學組成和酶解的影響；最后，以經(jīng)處理后的檸條纖維素殘渣為原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。 主要創(chuàng)新點是首次將檸條蛋白提取和乙醇發(fā)酵偶聯(lián)，不僅提高了檸條的利用價值，而且得到的檸條蛋白營養(yǎng)價值豐富，彌補了國內飼料蛋白短缺的問題，還可以在一定程度上緩解當前能源危機，為檸條的利用提供一種全新的思路，而且工藝簡單，容易實現(xiàn)工業(yè)化，適用于其他富含蛋白質和纖維素資源的開發(fā)，符合當今社會綠色環(huán)保、節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟的發(fā)展要求。 技術關鍵點有：（1）植物蛋白質的質量與提取過程密切相關，尤其是氨基酸組成，本文提取溫度35℃較為溫和，得到的檸條蛋白含有17種氨基酸，且包括了7種必需氨基酸，營養(yǎng)價值豐富；（2）預處理在木質素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇中非常關鍵，本文用稀堿進行了預處理，去除了大部分木質素，提高了纖維素的水解率，且與堿法提取檸條蛋白耦合，避免了提取蛋白后副產(chǎn)物的強堿性對預處理的影響；（3）纖維素水解過程中，隨著糖的不斷積累會對纖維素酶的活性產(chǎn)生抑制作用，而本文采用同步糖化發(fā)酵法，水解生成的糖立即被用于發(fā)酵乙醇，這樣可以大大提高乙醇的濃度。 主要技術指標有檸條蛋白溶出率和沉淀率、氨基酸組成、纖維素和半纖維素的轉化率及乙醇得率。
科學性、先進性
- 目前，對檸條枝葉的利用主要是通過切碎、粉碎、制粒、氨化處理、青貯及膨化處理等簡單工藝加工成飼料，這種飼料粗纖維含量較高，消化率和利用率不高，而本研究提取溫度35℃較為溫和，得到的檸條蛋白富含氨基酸，營養(yǎng)價值豐富，可以用于飼料甚至食品行業(yè)；另外，本文對提取檸條蛋白后產(chǎn)生的副產(chǎn)物用稀堿進行了預處理，去除了大部分木質素，提高了纖維素的水解率，且與堿法提取檸條蛋白耦合，避免了提取蛋白后副產(chǎn)物的強堿性對預處理的影響；本研究顯著地提高了檸條的利用率，工藝簡單，容易實現(xiàn)工業(yè)化，適用于其他富含蛋白質和纖維素資源的開發(fā)；在保持檸條防風固沙、改善環(huán)境等生態(tài)功能的基礎上，彌補國內飼料蛋白短缺的問題，還可以在一定程度上緩解當前能源危機，符合當今社會綠色環(huán)保、節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟的發(fā)展要求。
獲獎情況及鑒定結果
- 無
作品所處階段
- 本作品處于實驗室研究階段
技術轉讓方式
- 合作生產(chǎn)、技術培訓
作品可展示的形式
- 樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 本研究工藝簡單，對設備要求低，容易實現(xiàn)工業(yè)化，得到的檸條蛋白營養(yǎng)價值豐富，且顯著地提高了檸條的應用價值，緩解了蛋白緊缺和能源危機問題。 本研究也適用于富含蛋白質和纖維素資源（如莧科、十字花科、豆科等）的開發(fā)。我國檸條種植面積廣，若能充分利用，不僅可以解決國內蛋白資源緊缺的問題，而且可以降低第二代燃料乙醇的成本，所以本研究有廣闊的應用前景。 技術說明：NaOH濃度0.1mol/L，料液比1:20，溫度35°C，時間1h，絮凝pH3.0、時間5min、溫度80°C；提取蛋白后產(chǎn)生的副產(chǎn)物，用2%NaOH在80°C下處理6h后發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。 研究表明1000kg檸條可得蛋白56kg，乙醇48.7kg。 2011年3月豆粕價格3450元/噸，檸條蛋白營養(yǎng)價值與豆粕相當，若其價格按3125元/噸計，乙醇市場價7900元/噸，則1噸檸條枝葉可產(chǎn)生價值559.73元。乙醇發(fā)酵產(chǎn)生的不溶物可制備發(fā)酵飼料，也可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟價值。若將檸條簡單地加工成飼料，價格僅50～80 元/噸。
同類課題研究水平概述
- 對錦雞兒屬植物進行的比較系統(tǒng)的研究要屬中國農業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所牧畜資源室，該研究所自2002年起，對檸條進行了廣泛而深入的研究，涉及的主要內容有：（1）收集保存錦雞兒屬植物；（2）檸條遺傳多樣性，初步揭示了檸條的遺傳多樣性分布規(guī)律，明確了其居群的遺傳結構、演化規(guī)律及與生態(tài)環(huán)境的互相作用；（3）以50%甲醇和高溫高濕兩種人工老化法處理檸條種子，從理化和分子角度探討其劣變機制；（4）收集了檸條根瘤菌資源600余份，調查了不同生育期、不同樹齡小葉錦雞兒根瘤固氮能力，采用理化測定和16SrDNA PCR-RFLP分析，探討了檸條根瘤菌的遺傳多樣性，分離并初步鑒定了檸條根圍一株中度嗜鹽菌DTYI，克隆到其可能與耐鹽相關的ectoine合成基因簇，并進行了全序列分析；（5）克隆了檸條錦雞兒木質素關鍵合成基因PAL的基因片段，進行了該酶的純化、酶活性的時空差異、編碼基因的時空表達及運用RNA干擾技術對基因的調控效應進行了探索，目前正在開展檸條DREB轉錄因子的克隆和功能鑒定的工作；（6）建立了檸條錦雞兒和中間錦雞兒組織培養(yǎng)再生體系，目前正在進一步建立檸條的遺傳轉化體系。而關于檸條蛋白研究，僅有少數(shù)報道，分別是關于檸條種子蛋白營養(yǎng)及多樣性、Fad2蛋白和肌動蛋白基因的克隆與表達的研究。上述研究表明，檸條種子賴氨酸（Lys）含量達0.952 %（w/w），比小麥（0.262%）、大麥（0.409%）、玉米（0.308%）均高得多；Fad2蛋白為進一步研究基因分工、調控方式，以及為實現(xiàn)對錦雞兒屬植物脂肪酸成分直接、精確調控提供了信息；肌動蛋白的研究為揭示其豐富抗逆基因資源和較強的抗逆性打下了基礎。 目前，關于檸條綜合利用的研究較少，對檸條的利用也主要是通過切碎、粉碎、制粒等簡單工藝加工成飼料，但這種飼料粗纖維含量高、適口性差、不易消化，使得檸條的利用率不高；從檸條枝葉中提取蛋白質的研究較少，檸條蛋白提取和纖維素乙醇發(fā)酵耦合的研究還未見有報道。
