基本信息
- 项目名称：
- 环保先锋植物——柠条的综合利用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 柠条是我国北方干旱、半干旱地区保持水土、防风固沙的先锋植物，种植面积广，富含蛋白质、纤维素、油脂、生物碱等，是良好的蛋白、能源和药物资源。目前对柠条的利用主要是加工成饲料，这种饲料粗纤维含量高、适口性差、消化率低，使柠条的利用率低。本文将柠条蛋白提取和乙醇发酵偶联，不仅提高柠条的利用率和经济价值，且在一定程度上缓解了国内蛋白短缺和能源危机问题，为其他富含蛋白质和纤维素资源的开发提供了一种新思路。
- 详细介绍：
- 柠条是豆科锦鸡儿属植物的俗称，是锦鸡儿属植物中的一种，是我国北方干旱、半干旱地区保持水土、防风固沙的先锋植物，具有生长快、抗寒、耐贫瘠、耐盐碱、易种植、易成活等特点，不仅天然种植面积大，而且人工种植的柠条林面积近几年迅速扩大。柠条枝叶中粗蛋白含量高达14％～31％（干重），含有18种氨基酸及各种微量元素，且含有丰富的必需氨基酸，其含量高于一般禾谷类饲料，所以柠条蛋白是一种很好的饲料蛋白；柠条枝叶中大量的纤维素和半纤维素，可以被水解成为可发酵的糖并进一步被微生物所利用转化为有用产品；柠条籽中富含油脂、蛋白质及黄酮类、生物碱类和萜类等化合物，成熟的种子可以入药，其味苦，性寒，清热利咽，主治咽喉肿痛等症。目前，关于柠条综合利用的研究较少，对柠条的利用也主要是通过切碎、粉碎、制粒等简单工艺加工成饲料，但这种饲料粗纤维含量高、适口性差、不易消化，使得柠条的利用率不高，造成了资源浪费。为了提高柠条的应用价值，本研究以柠条枝叶为原料，同时对柠条蛋白提取和纤维素乙醇发酵进行了研究，首先用碱法提取柠条蛋白，得到的叶蛋白浓缩物营养价值丰富，提取蛋白后产生的纤维素残渣用于生产乙醇，这样不仅提高了柠条的应用价值，而且可以弥补国内蛋白紧缺的问题，降低乙醇生产成本，还可以在一定程度上缓解能源问题，结果表明，柠条叶蛋白提取的最佳提取条件：NaOH浓度为0.1mol/L，料液比1:20，提取温度35°C，提取时间1h，絮凝pH3.0，絮凝时间5min，絮凝温度80°C，此时柠条蛋白溶出率达42.6%，柠条蛋白沉淀率达95.6%；得到的柠条叶蛋白浓缩物包含17种氨基酸（色氨酸含量未测定），其中包括7种必需氨基酸，可见柠条蛋白是一种良好的饲料蛋白，在一些蛋白质资源严重不足的发展中国家，研究开发利用植物叶蛋白，作食用和饲用都是十分重要的。提取柠条蛋白后产生的副产物中富含纤维素、半纤维素和木质素，用2%（w/v）NaOH在80°C下水解6h，残渣中纤维素和半纤维素含量分别达55.36%和19.21%，当底物浓度为20%（w/v）时，经SSF发酵乙醇浓度达17.54g/L，若采用二次分批操作乙醇浓度可达25.48g/L，发酵后固体残渣中含有酵母及部分未利用的糖，可以经乳酸菌发酵用作饲料蛋白。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本研究的目的是将柠条蛋白提取和乙醇发酵偶联，从而改善目前柠条的应用模式，提高其应用价值，一定程度上缓解国内蛋白短缺和能源危机问题，为富含蛋白质和纤维素资源的开发提供一种新思路。 本文首先研究了柠条蛋白的提取条件和氨基酸组成；然后，比较了不同预处理方法对提取柠条蛋白后产生副产物的化学组成和酶解的影响；最后，以经处理后的柠条纤维素残渣为原料发酵生产乙醇。 主要创新点是首次将柠条蛋白提取和乙醇发酵偶联，不仅提高了柠条的利用价值，而且得到的柠条蛋白营养价值丰富，弥补了国内饲料蛋白短缺的问题，还可以在一定程度上缓解当前能源危机，为柠条的利用提供一种全新的思路，而且工艺简单，容易实现工业化，适用于其他富含蛋白质和纤维素资源的开发，符合当今社会绿色环保、节能减排、低碳经济的发展要求。 技术关键点有：（1）植物蛋白质的质量与提取过程密切相关，尤其是氨基酸组成，本文提取温度35℃较为温和，得到的柠条蛋白含有17种氨基酸，且包括了7种必需氨基酸，营养价值丰富；（2）预处理在木质素发酵生产乙醇中非常关键，本文用稀碱进行了预处理，去除了大部分木质素，提高了纤维素的水解率，且与碱法提取柠条蛋白耦合，避免了提取蛋白后副产物的强碱性对预处理的影响；（3）纤维素水解过程中，随着糖的不断积累会对纤维素酶的活性产生抑制作用，而本文采用同步糖化发酵法，水解生成的糖立即被用于发酵乙醇，这样可以大大提高乙醇的浓度。 主要技术指标有柠条蛋白溶出率和沉淀率、氨基酸组成、纤维素和半纤维素的转化率及乙醇得率。
科学性、先进性
- 目前，对柠条枝叶的利用主要是通过切碎、粉碎、制粒、氨化处理、青贮及膨化处理等简单工艺加工成饲料，这种饲料粗纤维含量较高，消化率和利用率不高，而本研究提取温度35℃较为温和，得到的柠条蛋白富含氨基酸，营养价值丰富，可以用于饲料甚至食品行业；另外，本文对提取柠条蛋白后产生的副产物用稀碱进行了预处理，去除了大部分木质素，提高了纤维素的水解率，且与碱法提取柠条蛋白耦合，避免了提取蛋白后副产物的强碱性对预处理的影响；本研究显著地提高了柠条的利用率，工艺简单，容易实现工业化，适用于其他富含蛋白质和纤维素资源的开发；在保持柠条防风固沙、改善环境等生态功能的基础上，弥补国内饲料蛋白短缺的问题，还可以在一定程度上缓解当前能源危机，符合当今社会绿色环保、节能减排、低碳经济的发展要求。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 本作品处于实验室研究阶段
技术转让方式
- 合作生产、技术培训
作品可展示的形式
- 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本研究工艺简单，对设备要求低，容易实现工业化，得到的柠条蛋白营养价值丰富，且显著地提高了柠条的应用价值，缓解了蛋白紧缺和能源危机问题。 本研究也适用于富含蛋白质和纤维素资源（如苋科、十字花科、豆科等）的开发。我国柠条种植面积广，若能充分利用，不仅可以解决国内蛋白资源紧缺的问题，而且可以降低第二代燃料乙醇的成本，所以本研究有广阔的应用前景。 技术说明：NaOH浓度0.1mol/L，料液比1:20，温度35°C，时间1h，絮凝pH3.0、时间5min、温度80°C；提取蛋白后产生的副产物，用2%NaOH在80°C下处理6h后发酵生产乙醇。 研究表明1000kg柠条可得蛋白56kg，乙醇48.7kg。 2011年3月豆粕价格3450元/吨，柠条蛋白营养价值与豆粕相当，若其价格按3125元/吨计，乙醇市场价7900元/吨，则1吨柠条枝叶可产生价值559.73元。乙醇发酵产生的不溶物可制备发酵饲料，也可产生一定的经济价值。若将柠条简单地加工成饲料，价格仅50～80 元/吨。
同类课题研究水平概述
- 对锦鸡儿属植物进行的比较系统的研究要属中国农业科学院北京畜牧兽医研究所牧畜资源室，该研究所自2002年起，对柠条进行了广泛而深入的研究，涉及的主要内容有：（1）收集保存锦鸡儿属植物；（2）柠条遗传多样性，初步揭示了柠条的遗传多样性分布规律，明确了其居群的遗传结构、演化规律及与生态环境的互相作用；（3）以50%甲醇和高温高湿两种人工老化法处理柠条种子，从理化和分子角度探讨其劣变机制；（4）收集了柠条根瘤菌资源600余份，调查了不同生育期、不同树龄小叶锦鸡儿根瘤固氮能力，采用理化测定和16SrDNA PCR-RFLP分析，探讨了柠条根瘤菌的遗传多样性，分离并初步鉴定了柠条根围一株中度嗜盐菌DTYI，克隆到其可能与耐盐相关的ectoine合成基因簇，并进行了全序列分析；（5）克隆了柠条锦鸡儿木质素关键合成基因PAL的基因片段，进行了该酶的纯化、酶活性的时空差异、编码基因的时空表达及运用RNA干扰技术对基因的调控效应进行了探索，目前正在开展柠条DREB转录因子的克隆和功能鉴定的工作；（6）建立了柠条锦鸡儿和中间锦鸡儿组织培养再生体系，目前正在进一步建立柠条的遗传转化体系。而关于柠条蛋白研究，仅有少数报道，分别是关于柠条种子蛋白营养及多样性、Fad2蛋白和肌动蛋白基因的克隆与表达的研究。上述研究表明，柠条种子赖氨酸（Lys）含量达0.952 %（w/w），比小麦（0.262%）、大麦（0.409%）、玉米（0.308%）均高得多；Fad2蛋白为进一步研究基因分工、调控方式，以及为实现对锦鸡儿属植物脂肪酸成分直接、精确调控提供了信息；肌动蛋白的研究为揭示其丰富抗逆基因资源和较强的抗逆性打下了基础。 目前，关于柠条综合利用的研究较少，对柠条的利用也主要是通过切碎、粉碎、制粒等简单工艺加工成饲料，但这种饲料粗纤维含量高、适口性差、不易消化，使得柠条的利用率不高；从柠条枝叶中提取蛋白质的研究较少，柠条蛋白提取和纤维素乙醇发酵耦合的研究还未见有报道。
