賴氨酸發(fā)酵過程中不同氮源的代謝作用研究

曾兆國 李承鈺 陳永輝 張智清 文 紅

賴氨酸屬于二氨基的堿性氨基酸，賴氨酸是人體必需氨基酸之一，能促進(jìn)人體發(fā)育、增強免疫功能，并有提高中樞神經(jīng)組織功能的作用，在微生物菌體中氮是構(gòu)成細(xì)胞蛋白質(zhì)和核酸的主要元素，蛋白質(zhì)和核酸是構(gòu)成微生物原生質(zhì)的主要部分。氮也是構(gòu)成賴氨酸的組成部分，賴氨酸發(fā)酵過程中添加的氮源較其它發(fā)酵產(chǎn)品多。通常微生物生長過程中對于有機氮和無機氮而言優(yōu)先利用有機氮，其次氨氮和尿素，最后是硝基氮。

本實驗旨在探索玉米漿取代豆粕水解液后在發(fā)酵過程中對于產(chǎn)酸、轉(zhuǎn)化率有無影響，以期達(dá)到玉米漿取代豆粕水解液從而降低生產(chǎn)成本的目的。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實驗菌種

谷氨酸棒狀桿菌 (Corynebacterium glutamicum)，日本味之素公司提供。

1.1.2 實驗設(shè)備

1000 ml種子罐、2000 L發(fā)酵罐、1500 L濃糖流加罐、1000 L液氨流加罐、25 L消泡劑瓶、2000 L搪玻璃反應(yīng)罐等。

1.1.3 實驗材料

葡萄糖，濰坊圣泰化工有限公司生產(chǎn)；磷酸，濰坊市晨陽化工有限公司生產(chǎn)；玉米漿，山東西王集團(tuán)生產(chǎn)；豆粕，山東鄒平怡康集團(tuán)有限公司生產(chǎn)；氯化鉀，甕福(集團(tuán))有限責(zé)任公司生產(chǎn)；液氨 ，山東恒立化工有限公司生產(chǎn)；硫酸，山東濟(jì)寧煤化公司生產(chǎn)；硫酸銨，山東沃藍(lán)化工有限公司生產(chǎn)；生物素，迪賽諾醫(yī)藥股份有限公司生產(chǎn)；聚醚泡敵，濟(jì)南宜豐化工有限公司生產(chǎn)；MgSO4·7H2O，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司生產(chǎn)；FeSO4·7H2O，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司生產(chǎn)；MnSO4·H2O，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司生產(chǎn)。

1.2 方法

本次實驗采用二級發(fā)酵形式，采用同一批號生產(chǎn)菌種，種子罐原料配比及各項控制指標(biāo)不變。

1.2.1 豆粕水解液制取

在2 m3搪玻璃反應(yīng)釜中，加入一次水1000 L，在攪拌狀態(tài)下緩慢加入96%的濃硫酸160 L，再投入豆粕760 kg。打開并調(diào)節(jié)反應(yīng)釜夾套蒸汽，加熱料液達(dá)120℃，保溫維持，24 h后停蒸汽。打開并調(diào)節(jié)夾套循環(huán)水把物料溫度冷卻至80℃以下，熱物料經(jīng)板框過濾，收集濾液即為“豆粕水解液”，可收集濾液約940 kg。經(jīng)化驗豆粕水解液主要指標(biāo)為：總氮2.80%、氨氮0.35%、有機氮2.45%、硫酸根24.51%。

1.2.2 發(fā)酵配料

發(fā)酵過程中為防止豆粕水解液或玉米漿中蛋白質(zhì)和葡萄糖之間的美拉德反應(yīng)，把實驗發(fā)酵罐基礎(chǔ)料分成基礎(chǔ)料一、基礎(chǔ)料二兩部分配制、消毒處理。發(fā)酵基礎(chǔ)料除去按照比例添加的豆粕水解液或玉米漿外，其它原料均相同，以作對比分析。基礎(chǔ)料一為葡萄糖、磷酸，定容250 L，控制發(fā)酵初糖為4.5%～5%；基礎(chǔ)料二為豆粕水解液或玉米漿、硫酸銨、Mg-SO4·7H2O、FeSO4·7H2O、生物素、MnSO4·H2O、泡敵；定容為500 L。

在基礎(chǔ)料二配置過程中，按照發(fā)酵初始基礎(chǔ)料總氮0.3%比例添加豆粕水解液或玉米漿。經(jīng)測算豆粕水解液每罐批采用160 kg，玉米漿每罐批采用168 kg?；A(chǔ)料二消后定容控制在750 L。

1.2.3 基礎(chǔ)料消毒

利用2臺2000 L發(fā)酵罐分別裝基礎(chǔ)料一、基礎(chǔ)料二?；A(chǔ)料一、基礎(chǔ)料二分別按照發(fā)酵罐實罐滅菌規(guī)程操作，溫度控制121℃，滅菌維持20 min；冷卻到35℃時，把基礎(chǔ)料一通過滅菌后的管道，經(jīng)無菌操作，壓入基礎(chǔ)料二罐作為發(fā)酵實驗罐，各批次均采用相同工藝操作。

1.2.4 發(fā)酵主要控制參數(shù)

發(fā)酵接種量控制在 8%～10%，發(fā)酵初糖控制4.5%～5%，攪拌轉(zhuǎn)速控制在180～200 r/min范圍，通過風(fēng)量調(diào)節(jié)控制溶解氧在13%～15%，發(fā)酵罐壓維持在0.05 MPa，發(fā)酵溫度為（35±0.5）℃，發(fā)酵 pH 值通過液氨自動調(diào)節(jié)在6.9～7.0左右，發(fā)酵殘?zhí)强刂圃凇?.8%。

1.2.5 流加糖控制

采用消毒后的70%葡萄糖連續(xù)補料，0～12 h原則上不補糖，發(fā)酵殘?zhí)情_始下降至0.8%時開始補糖，控制殘?zhí)?.5%～0.8%，當(dāng)糖濃度高于1.0%，可暫停補糖一段時間，控制發(fā)酵周期54 h，放罐前2 h停止補糖。

1.2.6 流加無機鹽控制

采用50%硫酸銨無菌液，連續(xù)補加，控制氨氮0.15%～0.25%，40 h控制0.1%，48 h停止補。

1.2.7 發(fā)酵過程泡沫控制

采用5%泡敵無菌液消除發(fā)酵過程中產(chǎn)生的泡沫，根據(jù)泡沫情況，采用外懸掛25 L瓶手動流加消泡劑，以每次少量，泡沫不“頂罐”為原則。

2 實驗結(jié)果

按照上述方法，發(fā)酵基礎(chǔ)料分別采用豆粕水解液和玉米漿各進(jìn)行3批發(fā)酵實驗，結(jié)果見表1。

表1 發(fā)酵指標(biāo)比較

3 結(jié)果與討論

通過3批發(fā)酵過程看，采用豆粕水解液前期產(chǎn)酸速率較快，平均在35 h左右開始出現(xiàn)下降。而采用玉米漿后發(fā)酵產(chǎn)酸速率基本從40 h左右開始降低，產(chǎn)酸曲線開始出現(xiàn)拐點，而隨著發(fā)酵繼續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)酸速率進(jìn)一步降低。

3.1 采用豆粕水解液作為發(fā)酵添加的有機氮源，發(fā)酵產(chǎn)酸平均在14.58%；采用玉米漿作為發(fā)酵添加的有機氮源，發(fā)酵平均產(chǎn)酸在14.70%。采用兩種原料后發(fā)酵產(chǎn)酸差值0.12%，處于正常波動3%范圍。

3.2 采用豆粕水解液后，發(fā)酵轉(zhuǎn)化率平均在40.11%；采用玉米漿后，發(fā)酵轉(zhuǎn)化率平均在38.54%，差值在1.57%，處于正常波動3%范圍。

從上述指標(biāo)看，單罐發(fā)酵產(chǎn)酸在0.12%波動，轉(zhuǎn)化率在0.03%波動，均屬正常發(fā)酵過程。

根據(jù)上述實驗推算，平均每噸賴氨酸發(fā)酵產(chǎn)品消耗豆粕水解液731.73 kg，折算商品豆粕為591.61 kg。平均每噸賴氨酸發(fā)酵產(chǎn)品消耗玉米漿794.85 kg。目前市場上，商品豆粕價格在3320元/t，經(jīng)折算每噸65%賴氨酸發(fā)酵產(chǎn)品消耗豆粕費用為1277元。40%干物質(zhì)的商品玉米漿市場售價為500元/t，經(jīng)折算每噸65%賴氨酸發(fā)酵產(chǎn)品消耗玉米漿費用為258元，除去制取豆粕水解液的硫酸、蒸汽、水、電、人工的消耗，僅從用玉米漿取代豆粕水解液一項而言，每噸65%賴氨酸發(fā)酵產(chǎn)品將節(jié)省生產(chǎn)費用1019元。

因此，從本實驗來看采用玉米漿替代豆粕水解液在生產(chǎn)上完全可行，具有非常明顯的成本優(yōu)勢，可以較大的降低賴氨酸的生產(chǎn)成本。