甘蔗糖蜜的资源化初级利用以及深度利用

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糖蜜是制糖工业的一种副产物,其总糖含量可达50%左右,同时亦含有多种矿物质、维生素、纤维素、胺类等。由于其价格低廉,且资源化利用的工艺简单,因此在化工、轻工、食品、医药和建材等行业中具有很大的开发价值。目前,国内外对糖蜜的利用主要分两类:一是初级利用,即直接利用。二是深度利用,及从中提取有效成分,或作为发酵原料生产高附加值的发胶制品和生物制品,如焦糖色素、酵母、乳酸、氨基酸、单细胞蛋白、酒精以及丙酮丁醇等。

1、初级利用

所谓初级利用,也就是糖蜜经过简单处理或不处理,直接作为原料或辅料加以利用。该途径虽然产品附加值低,但没有发酵废液排放造成的环境污染问题,因此在国外广泛利用。

1.1作饲料添加剂
由于糖蜜不仅是一种能量原料,而且还具有消化吸收快、提高适口性、降低粉尘提高颗粒质量等有点,在欧美等国以及亚洲一些国家和极速1分快3,糖蜜被当做一种物美价廉的饲料原料,使用非常普遍。如直接作饲料添加剂、与粗粮等直接混合喂养牛羊等牲畜等。或者在配合饲料中添加糖蜜,喂养家禽。在奶牛业发达的国家,如加拿大、比利时、英国、没过、荷兰及澳大利亚等国,将糖蜜作为一种常用的能量饲料添加到奶牛日粮中,添加糖蜜的饲料可以明显增加牛乳的产量和提高牛乳中各种营养成分的比例。然而在我国,由于对糖蜜缺乏必要的了解和饲养习惯上的一些原因,糖蜜在饲料加工中的使用非常有限。

1.2作混凝土外加剂及助磨剂
近年来我国混凝土外加剂由于生产成本过高,品种和性能比较单一,因此在混凝土中的应用同世界发达国家相比还有较大的差异。糖蜜作为建筑行业的混凝土减水剂、缓凝剂及助磨剂成为研究热点。
1.2.1减水剂
高性能混凝土要求具有较高流动性、高强度和耐久性等优良性能。减水剂由于其超分散作用,特别是达到非常低的水胶比后使混凝土能够保持高流动性,是高性能混凝土性能保证不可缺少的一种重要组分。
不同减水剂由于极性强弱不同,往往可起到协同效应,从而显著改善混凝土拌合物的和易性并减少坍落度的经时损失。糖蜜的减水机理以水化膜润滑作用和降低水泥颗粒界面能效应为主。研究表明,蜜胺脂与25%的糖蜜复配制成高效减水剂,它对水泥净浆、砂浆有较好的减水效果,流动度经时损失小。而且能明显改善混凝土的和易性,降低坍落度损失和提高混凝土抗压强度。
1.2.2缓凝剂
缓凝剂是用来延长混凝土凝结时间的一种外加剂,它能使新拌混凝土在较长时间内保持塑性,便于灌注。同时可以减少坍落度损失,增加混凝土的耐久性。另外还可以延缓水泥水化放热,减少因水化放热产生的温度应力而使混凝土产生裂缝的施工事故。
糖蜜可以作为缓凝剂添加到建筑行业水泥中。糖蜜不仅可以增加新鲜水泥的流动性,延缓凝固时间,而且添加了糖蜜的水泥提高了强度。糖蜜类缓凝剂的缓凝机理是由于蔗糖化钙、葡萄糖钙和果糖化钙是亲水性表面活性剂,当水泥与水混合时,它们能吸附在水泥颗粒表面,形成亲水的吸附稳定层,并改变了原来水泥颗粒在水中形成的网状结构,使吸附在网状结构体中的水释放出来。糖蜜的缓凝作用使早期水泥水化过程较为缓慢,从而使砂浆早期强度比没有掺糖蜜的低。
1.2.3助磨剂
改性糖蜜还可以作为水泥的助磨剂。高于环境温度的条件下,在酸性和碱性环境中连续处理糖蜜,酸处理生成单糖、醛糖酸和氨基碳酸;碱处理生成糖精酸及其盐、醛糖酸盐和氨基碳酸及其盐,这些物质具有表面活性剂的性质,可用于水泥熔渣研磨,有良好的助磨效果。此外,还有专利报道糖蜜配合滑石粉等可作为水泥助磨剂。

1.3作造纸助剂
糖蜜作为造纸助剂有其独特的优点。由于糖蜜同时含有蔗糖、单糖和树胶,比蔗糖要便宜很多。研究表明,树胶作为助剂应用于造纸工业中可以提高成纸强度。纤维素细胞壁的微观结构与蔗糖或还原性糖(如葡萄糖和果糖)相结合可以极大地提高纸张断裂伸长率和保水值(WRV)。Temer首次将糖蜜作为一种助剂引入造纸工业,结果显示可提高纸张断裂伸长率和保水值。

2、深度利用

糖蜜即可直接制成发胶制品,也可以先将其制成菌体细胞,然后作为原料生产各种生物制品,或者将其作为生物能源的原料,生产氢气等。国内外利用糖蜜发酵所获得的产品主要有:酒精、味精、柠檬酸、酵母、氨基酸、核糖核酸及氢气等。由于糖蜜酒精废液有机污染物含量高、颜色深,难于处理,因此利用糖蜜生产附加值高,污染程度小的其他发酵制品、生物制品和生物能源成为研究热点。

2.1发酵制品
糖蜜中的蔗糖、还原糖和棉实糖都是可以被微生物利用的碳源,只需补充适量的氮源和磷源,除去有害物质,就可以直接利用。和淀粉原料相比,省去了复杂的糖化程序。
2.1.1酒精
我国酒精生产的主要原料包括糖蜜、玉米和薯类,糖蜜发酵生产酒精是目前糖蜜资源化利用的主要途径。糖蜜酒精的生产工艺包括“间歇发酵工艺、双流加连续发酵工艺和固定化酵母连续发酵工艺。同传统酒精发酵工艺相比,固定化酵母应用在糖蜜酒精发酵中,具有发酵周期短、设备利用率高、杂菌污染少、发酵率高、生产成本低等有点,目前普遍采用。
糖蜜酒精废液处理是一个世界性难题,该废液属于特高浓度有机废水,随着国家对环保的日益重视,糖蜜用于酒精发酵已经慢慢受限。
2.1.2氨基酸
糖蜜发酵生产的氨基酸类产品主要有:谷氨酸(味精)、赖氨酸、L-亮氨酸等,其中谷氨酸和赖氨酸已经大宗生产。
①谷氨酸
除作为调味品外,谷氨酸在医药、表面活性剂等领域也有广泛的应用。国外主要利用糖蜜发酵生产谷氨酸,利用糖蜜生产谷氨酸比用淀粉类粮食作物生产谷氨酸具有成本低、工艺简单、发酵率高等优点。研究表明,糖蜜发酵生产谷氨酸,产酸率可高达10%以上,转化率水平最高达60%。但糖蜜味精生产过程中同样也会产生大量的高浓度有机废水,如何解决糖蜜味精的污染问题是我国环保和味精行业的研究重点。
②赖氨酸
赖氨酸直接影响着人和动物的生长发育,又不能在人和动物体内自行合成,必须从外界摄取,是必需氨基酸之一。
糖蜜发酵生产赖氨酸和玉米等淀粉类原料相比,具有价格低廉、无需经糖化处理和补充维生素的优点;但在糖蜜中含有一些不可被细菌利用的多糖,所以在发酵成熟醪中含有较高残糖,不利于氨基酸的提取。

2.1.3有机酸
糖蜜发酵生产的有机酸主要有:柠檬酸、L-乳酸、聚乳酸、丁酸、L-苹果酸、草酸、富马酸和多不饱和脂肪酸等。柠檬酸已经大宗生产,研究最多的L-乳酸,而糖蜜发酵生产多不饱和脂肪酸需要在培养条件优化和菌种诱变方面进一步研究。
①柠檬酸
柠檬酸是重要的食品酸味剂,同时又是防腐剂、抗氧化剂的增效剂和饲料添加剂,它是用发酵方法生产量最大的有机酸。柠檬酸发酵的主要原料是淀粉和糖蜜,经黑曲霉发酵而成。

②L-乳酸及聚乳酸(PLA)
L-乳酸是重要的化工产品,在食品、医药、化工、建材、石油等领域有着广泛的应用。L-乳酸是哺乳动物体内正常的代谢产物,可以完全生物降解,更重要的是,它是合成生物科讲解材料–聚乳酸(PLA)的原料。PLA是优良的环境友好材料,可以完全降解为水和二氧化碳,利用它可以制成可降解塑料、生物地膜、化肥缓释剂、一次性餐盒、食品包装材料、存储磁盘以及医用片材、骨螺钉、手术缝合线等医用材料。L-乳酸主要以淀粉类原料和糖蜜为底物,利用乳酸菌发酵制成。
由于技术的限制,国内目前尚未有利用糖蜜发酵制L-乳酸的工业化生产,但是由于原料优势明显,糖蜜发酵制备L-乳酸及其聚合物有很好的前景。目前研究重点主要集中在高产菌种的选育、糖蜜的预处理和发酵条件的优化等方面。糖蜜发酵L-乳酸的技术路线:

2.2生物制品
糖蜜生产的生物制品主要包括酵母及其深加工产品,如活性干酵母、食用(医用)酵母、酵母抽提物、单细胞蛋白、核糖核酸(RNA)和虾青素等。由于糖蜜中除含有糖分外,还含有酵母菌体生长繁殖所需的生物素及氮磷钾、微量元素等。因此,糖蜜生产酵母及其深加工产品是发酵行业公认的最好途径之一。
2.2.1酵母
糖蜜生产的酵母产品主要包括面包酵母、食用(药用)酵母和饲料酵母,其中高位的面包酵母和食用(药用)酵母是糖蜜酵母的主流产品。微量元素对人体具有重要作用,但无机态的微量元素生物利用率低,因此利用酵母为载体富集微量元素,使之由无机态转为有机态,已成为国内外研究重点。研究表明:糖蜜培养的富铬酵母,铬含量738.8mg/kg,铬酵母产率3.0%,蛋白质含量48.74%。糖蜜高铁酵母,铁含量为1061.00mg/kg,铁酵母的产率为2.54%,蛋白质含量为51.90%。糖蜜酵母生产工艺流程:

酵母抽提物又称酵母精,是酵母细胞壁破、酶解得到的深加工产物,具有调味、营养保健功能,主要用于做鸡精,汤料等食品的添加剂。酵母抽提物生产工艺流程:酵母浆→酶解→分离→浓缩→调配→干燥→酵母抽提物。
2.2.2单细胞蛋白 其为食品和饲料工业重要的添加剂。酵母菌由于其生长繁殖迅速、培养条件简单、营养物质含量高、易消化吸收等特点,是生产单细胞蛋白的优良菌种。糖蜜是酵母菌发酵的优良底物,研究表明:在糖蜜中添加适量的N和P源进行高蛋白菌种培养,发酵液中细胞生物量可达8-11g/L,粗蛋白含量高达50%左右。
2.2.3核糖核酸(RNA)
RNA是重要的生物大分子,它对活化体细胞、促进新城代谢、防治疾病、延缓衰老有独特的功效。RNA主要从酵母中提取,不同的碳源对RNA的成本和产量有很大的影响。利用糖蜜发酵RNA已经工业化生产,即以糖蜜为培养基,经连续发酵培养出高核酸酵母,然后采用浓盐法把RNA从教母细胞内提取出来:

2.3生物能源
全球能源危机和生态危机日益加剧,氢被认为是最有吸引力的替代能源,尤其生物制氢技术具有清洁、节能、不消耗矿物资源和低成本等优点,已经成为当今世界的一个研究热点。发酵法生物制氢的利用生物厌氧产氢-产酸发酵过程制取氢气的一种方法,以糖蜜为发酵底物进行生物制氢的工艺包括:活性污泥法和固定化细胞法,将糖蜜稀释,加入N、P营养物,接种驯化后的活性污泥或固定化细胞,使其进入乙醇型发酵状态,即可进行连续流的氢气生产。我国以糖蜜为底物进行制氢小试取得了突破性的进展,中试也运行成功,使该项技术在国际上处于领先地位。
利用发酵型细菌产氢虽然取得了长足的进步,但是产氢的稳定性和连续性以及混合细菌发酵产氢过程中彼此之前的抑制、发酵末端产物对细菌的反馈抑制等是制约产氢工业化的障碍,有待学者们研究解决。

3、结束语

随着全球资源短缺和人类环境意识增强,糖蜜的资源化利用越来越受到重视。但目前,糖蜜的利用存在某些不尽如人意的地方,如碳水化合物利用率低,发酵液中残糖高;酒精、味精和酵母废液污染严重,难于处理等。因此,对糖蜜的开发利用,出了要考虑使其中的有价值成分得到充分合理的利用外,还需要考虑环境污染问题。开发产品附加值高、环境污染小的糖蜜资源化方法必定是今后的研究重点。

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