L-鳥氨酸發(fā)酵液的脫色研究

吳 昊，焦志勇，郝 寧，許 晟

(1.南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，江蘇南京211800； 2.江蘇先進(jìn)生物與化學(xué)制造協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210009)

L-鳥氨酸又名α,δ-二氨基戊酸，分子式為C5H12N2O2，它是重要的堿性氨基酸，主要參與鳥氨酸循環(huán)(尿素循環(huán))，用于生物體內(nèi)瓜氨酸、精氨酸、脯氨酸及多胺的生物合成，對于體內(nèi)氨態(tài)氮的排出有重要作用[1]。L-鳥氨酸及其衍生物具有保肝護(hù)肝、健腦、解毒、抑制癌細(xì)胞、促進(jìn)生長和減肥等多重醫(yī)學(xué)與保健作用[2]，L-鳥氨酸產(chǎn)品在醫(yī)藥、保健領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛。目前微生物發(fā)酵直接制備L-鳥氨酸已經(jīng)逐漸成為L-鳥氨酸的主要生產(chǎn)方法[3-4]，但是與傳統(tǒng)的酶水解精氨酸法相比，L-鳥氨酸發(fā)酵液中含有大量的色素，高效脫除其中的色素對保證產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。

目前，L-鳥氨酸的提取過程中往往將超濾處理后的發(fā)酵液經(jīng)過離子交換吸附其中的L-鳥氨酸，通過氨水解吸獲得含有L-鳥氨酸的洗脫液，將其濃縮后進(jìn)行酸化結(jié)晶，再對粗晶體溶解后加入粉末活性炭進(jìn)行脫色，脫色液再次結(jié)晶獲得色澤合格的產(chǎn)品[5-6]。在此過程中，由于離子交換樹脂對色素具有明顯的吸附作用，影響了樹脂的分離效率，同時氨水解吸會將吸附的色素與L-鳥氨酸幾乎同時洗脫，增加了后期的純化壓力和分離損失[7]。盡管有文獻(xiàn)報道通過納濾膜分離可將L-鳥氨酸發(fā)酵液中的大部分色素攔截[8]，但膜污染也比較嚴(yán)重，導(dǎo)致通量迅速衰減，同時納濾膜對L-鳥氨酸也具有一定的攔截?fù)p失。

針對以上問題，本文中，筆者以顆?；钚蕴繛槊撋珓?，開展L-鳥氨酸發(fā)酵液的脫色研究，考察多種因素對脫色效果的影響，在此基礎(chǔ)上建立活性炭動態(tài)脫色與再生工藝。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器

DSHZ-300A型臺式水浴恒溫振蕩器，江蘇太倉市實驗設(shè)備廠；BT01-100M型蠕動泵，保定蘭格恒流泵有限公司；pHS-3C型精密pH計，上海雷磁儀器廠；Ultimate 3000型高效液相色譜儀，美國Dionex公司；紫外-可見光分光光度計，上海棱光技術(shù)有限公司；玻璃層析柱，晚晴化玻儀器有限公司。

1.2 原料與試劑

采用精氨酸缺陷型谷氨酸棒桿菌Corynebacteriumglutamicum1006(CGMCC No.3663)制備L-鳥氨酸發(fā)酵液，發(fā)酵液經(jīng)過離心和超濾處理后為棕黃色透明液體，pH=6.7，其中含L-鳥氨酸34 g/L、L-谷氨酸0.22 g/L、L-丙氨酸0.67 g/L、L-甘氨酸0.79 g/L、葡萄糖0.5 g/L，南京工業(yè)大學(xué)郝寧課題組提供。

大孔非極性吸附樹脂(HZ-802、HZ830)、大孔弱極性吸附樹脂(HZ-818)、大孔中等極性吸附樹脂(HZ-806)，上海華震科技有限公司；大孔弱極性吸附樹脂AB-8，南開大學(xué)化工廠。

顆?；钚蕴縅L、GH、ZS、ZX-N分別由蘇州佳聯(lián)、唐山光華晶科、溧陽竹溪等活性炭生產(chǎn)企業(yè)提供(均篩選至0.38～0.54 mm)；H2SO4、NaOH、NaNO3均為分析純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；L-鳥氨酸標(biāo)準(zhǔn)品，Sigma試劑公司。檢測中所使用的其他試劑均為色譜純或分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，

1.3 實驗方法

1.3.1 樹脂吸附色素性能考察

將大孔吸附樹脂用2倍體積的無水乙醇浸泡2 h，使其充分溶脹。過濾后，再用3～4倍體積的去離子水浸泡樹脂，并不時攪動，通過多次過濾，將乙醇完全置換出即可使用。將經(jīng)過超濾處理的L-鳥氨酸發(fā)酵液調(diào)節(jié)至pH 5.0，分別取30 mL，加入3 g吸附樹脂，置于恒溫水浴振蕩器中，以150 r/min振蕩吸附4 h。過濾后，根據(jù)樣品檢測結(jié)果，計算出大孔吸附樹脂對色素的脫除率及L-鳥氨酸的脫色損失。

1.3.2 活性炭靜態(tài)脫色試驗

取經(jīng)過超濾處理的L-鳥氨酸發(fā)酵液100 mL，調(diào)節(jié)至設(shè)定的pH，加入一定量的活性炭(0.38～0.54 mm)，在一定溫度下，置于恒溫水浴振蕩器中，以150 r/min振蕩脫色一定時間，使其對色素的吸附達(dá)到平衡。過濾后根據(jù)樣品檢測結(jié)果，計算出活性炭對色素的吸附容量、脫色率及L-鳥氨酸的脫色損失。

1.3.3 活性炭動態(tài)脫色試驗

在玻璃層析柱中填裝16.5 g顆粒活性炭(0.38～0.54 mm)，活性炭床層直徑為1.52 cm，床層高度為27.5 cm，高徑比為18，床層填充體積為50 mL，將其設(shè)定為1倍床層體積(1.0 BV)，作為考察動態(tài)脫色流出曲線的體積計量單位。將L-鳥氨酸發(fā)酵液預(yù)熱到70 ℃，按照一定的流速經(jīng)蠕動泵通入活性炭層析柱，并自上而下流出層析柱，每間隔一定體積，對流出的脫色液進(jìn)行取樣分析，繪制出流出曲線。

1.3.4 檢測方法

L-鳥氨酸的定量檢測采用異硫氰酸苯酯(PITC)柱前衍生化法，用高效液相色譜法(HPLC)測定，具體方法見文獻(xiàn)[9]。

料液中的色素含量采用分光光度法檢測，以純水作參比，黃色素在430 nm波長下有較好的吸收峰，故以超濾處理后的發(fā)酵液濃縮至1/3體積時的吸光值A(chǔ)430作為基準(zhǔn)，設(shè)定該基準(zhǔn)液的色素含量為ca=1.0 U/mL，在不同稀釋倍數(shù)下，根據(jù)分光光度計的吸光值表征色素含量的高低，建立色素含量的函數(shù)關(guān)系，對發(fā)酵液中色素的含量進(jìn)行相對定量測定[10]。根據(jù)繪制的色素標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合得到回歸方程為c=0.894 17A+0.003 24，R2=0.999 88，線性關(guān)系顯著，可用于表征色素含量。

料液的透光率T430，在430 nm下采用分光光度計檢測，以純水為參比，標(biāo)定為T430=100%。

活性炭比表面積及孔容孔徑的測試，采用BET方程計算比表面積，t值法計算外表面積和孔容積，密度函數(shù)理論(DFT)計算樣品的孔徑分布。

活性炭零電荷點pHPZC(水溶液中固體表面凈電荷為零時的pH)的檢測采用質(zhì)量滴定法[11]。首先將2 g經(jīng)過去離子水洗至中性并干燥的活性炭加入50 mL的0.05 mol/L NaNO3溶液中(pH為7.0)，用N2吹掃脫除其中的CO2，將瓶口密封后在25 ℃下振蕩48 h后測定其pH作為pHPZC0，隨后將多份50 mL的0.05 mol/L NaNO3溶液均調(diào)節(jié)至該pH，并分別加入0.05、0.25、0.5、1.0、2.5和5.0 g活性炭，按以上方法振蕩48 h后檢測pH，直至pH不變?yōu)橹?，將該pH作為pHPZC。

1.4 活性炭脫色性能與再生效果的計算

吸附容量的計算見式(1)。

Qi=(ci0V0-ci1V1)/m

(1)

式中：Qi為吸附劑對組分i的吸附容量，ci0、ci1為發(fā)酵液和脫色液中組分i的濃度，V0、V1為發(fā)酵液和脫色液的體積，m為活性炭的質(zhì)量。

脫色率(損失率)的計算見式(2)。

脫色率(損失率)=(ci0V0-ci1V1)/(ci0V0)×100%

(2)

活性炭再生率的計算見式(3)。

活性炭再生率=Q1/Q0×100%

(3)

式中：Q1為再生后的活性炭對色素吸附容量，Q0為新活性炭對色素的吸附容量。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附樹脂對色素的吸附選擇性及色素性質(zhì)的確定

取預(yù)處理好的樹脂各3.0 g，分別加入30 mL發(fā)酵液，在20 ℃、150 r/min的條件下振蕩吸附4 h，考察其對色素的脫除效果，結(jié)果見圖1。

圖1 不同樹脂對色素的吸附性能比較Fig.1 Decoloration performance of different resins

由圖1可見，非極性和弱極性吸附樹脂對色素的吸附能力均強于中等極性吸附樹脂HZ-806，這些現(xiàn)象說明L-鳥氨酸發(fā)酵液中的大部分色素可能屬于非極性或弱極性分子[12]。由于大孔吸附樹脂在吸附色素時，L-鳥氨酸的脫色損失較大，因此不適合用吸附樹脂進(jìn)行脫色處理。

2.2 脫色用顆?；钚蕴康倪x擇

向L-鳥氨酸發(fā)酵液中分別加入數(shù)種顆?；钚蕴窟M(jìn)行脫色性能的比較，脫色條件為 pH 6.5，活性炭添加量為5 g/L，在60 ℃、150 r/min條件下振蕩脫色40 min，結(jié)果見圖2。

圖2 活性炭脫色性能的比較Fig.2 Decolorization performance of different activated carbons

由圖2可見，在pH 6.5下，顆粒活性炭JL與GH的脫色率明顯高于其他顆?；钚蕴炕钚蕴?。

為了分析相關(guān)顆?；钚蕴棵撋阅懿町惖脑颍瑢Ω鞣N顆?；钚蕴康奈锢斫Y(jié)構(gòu)與零電荷點pHPZC進(jìn)行了檢測，結(jié)果見表1。

由表1可知：前3種顆粒活性炭的比表面積均明顯高于脫色性能最弱的顆?；钚蕴縕X-N，說明較大的比表面積有利于活性炭吸附色素，但比表面積最大的GH所具有的脫色性能不如JL，可見比表面積并非衡量活性炭脫色潛力的唯一因素?；钚蕴康拿撋阅茈S著平均孔徑和活性炭的比孔容的增加而提高。這可能是由于色素分子的吸附存在尺寸排斥效應(yīng)，活性炭對色素的吸附選擇性會受到孔徑-孔容分布狀況的影響[13]。當(dāng)活性炭孔徑與被吸附質(zhì)分子直徑的比值為1.7～3時最有利于吸附[14]，大多數(shù)水溶性有機物的直徑為1～3 nm[15]，因此平均孔徑為3.447 nm的JL活性炭吸附色素能力更強，但其脫色損失也最高。由于顆粒活性炭GH的脫色損失率僅為0.78%，故選擇此活性炭進(jìn)行后續(xù)脫色研究。

表1 活性炭的物理結(jié)構(gòu)與零電荷點

2.3 pH對活性炭脫色性能的影響

為了避免酸性料液對管線設(shè)備的腐蝕，著重考察活性炭在較高pH下的脫色性能。分別將L-鳥氨酸發(fā)酵液調(diào)節(jié)至pH 6.0～7.0進(jìn)行脫色，活性炭添加量為5 g/L，在60 ℃、150 r/min條件下，振蕩脫色40 min，結(jié)果見圖3。

圖3 pH對活性炭脫色性能的影響Fig.3 Effects of pH on decolorization of activated carbon

由圖3可知：pH為6.0～6.8時，活性炭脫色損失較小，但當(dāng)pH增至7.0時，L-鳥氨酸回收率明顯下降。顆?；钚蕴縂H的零電荷點pHPZC為6.83(表1)，而L-鳥氨酸的等電點pI約為9.73，根據(jù)文獻(xiàn)[8]報道，在pH 6～6.5的范圍內(nèi)，絕大部分L-鳥氨酸分子攜帶一個正電荷，此時活性炭表面攜帶正電荷，與其存在一定的靜電排斥，所以脫色損失小，這也是其他零電荷點pHPZC<6.5的顆?；钚蕴吭诖藀H下脫色損失大的原因(圖2、表1)。繼續(xù)增大pH，活性炭GH表面開始攜帶負(fù)電荷，而絕大部分L-鳥氨酸分子依然攜帶正電荷，導(dǎo)致脫色損失加大。pH對脫色效果的影響較為顯著，較低的pH有利于脫色，但當(dāng)pH>6.8時，脫色率顯著降低，這與前人提出的pH

2.4 溫度和時間對活性炭脫色性能的影響

將L-鳥氨酸發(fā)酵液的pH調(diào)節(jié)為6.5，考察溫度對活性炭脫色性能的影響，結(jié)果見表2。

表2 溫度對活性炭脫色性能的影響

由表2可知：較高的脫色溫度有利于減少L-鳥氨酸的脫色損失，同時脫色率隨著溫度的升高而逐漸增大，但當(dāng)溫度上升到80 ℃后，脫色率不升反降，說明發(fā)生了色素解吸。

以此確定脫色溫度為70 ℃。在此溫度下考察脫色時間對脫色性能的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 脫色時間對活性炭脫色性能的影響Fig.4 Effects of time on decolorization of activated carbon

由圖4可知：在脫色的前30 min，活性炭對色素的吸附迅速提高，至40 min時脫色率已達(dá)到77%，并維持了一段時間，說明色素吸附達(dá)到平衡；而脫色時間達(dá)到60 min后，脫色率略有下降，說明在長期高溫環(huán)境中活性炭發(fā)生了色素解吸行為。同時，當(dāng)色素吸附達(dá)到平衡，L-鳥氨酸的脫色回收率出現(xiàn)下降，說明顆?；钚蕴績?yōu)先吸附色素，之后才開始吸附L-鳥氨酸。由此可見，脫色時間40 min即可，不宜過長。

2.5 活性炭用量對脫色性能的影響

將L-鳥氨酸發(fā)酵液的pH調(diào)節(jié)為6.5，70 ℃脫色40 min，活性炭用量分別為5.0～15.0 g/L，考察活性炭用量對脫色性能的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 活性炭用量對脫色性能的影響Fig.5 Effects of activated carbon dosage on the decolorization

由圖5可知：隨著活性炭用量的增加，脫色率提高，當(dāng)活性炭用量為15.0 g/L時，脫色率已達(dá)95%以上，但單位質(zhì)量活性炭對色素的吸附容量Q僅為14.68 U/g，比活性炭用量為5.0 g/L時下降59%?？梢娞岣呋钚蕴康睦眯市璨捎脛討B(tài)脫色技術(shù)。

2.6 進(jìn)料流速對活性炭動態(tài)脫色性能的影響

L-鳥氨酸發(fā)酵液被調(diào)節(jié)至pH 6.5并預(yù)熱至70 ℃，2.5 L發(fā)酵液(50 BV)分別以3.0～9.0 BV/h的進(jìn)料流速上柱進(jìn)行動態(tài)脫色處理，當(dāng)流出的脫色液中的色素濃度為發(fā)酵液中含量的5%時，即可認(rèn)為發(fā)生穿透，其流出曲線見圖6。

圖6 不同進(jìn)料流速下的色素流出曲線Fig.6 Effluent curves of pigment at various flow rates

由圖6可知：當(dāng)進(jìn)料流速從3 BV/h提高至7 BV/h，發(fā)生色素穿透的位置逐漸推后，說明活性炭的脫色效果顯著改善，推測在此范圍內(nèi)液膜擴(kuò)散為控速步驟，增加進(jìn)料流速有利于減少活性炭表面液膜層的厚度，使色素被快速吸附。但當(dāng)進(jìn)料流速進(jìn)一步提高至9 BV/h，色素穿透位置提前，表明脫色效果下降，這可能是由于此時發(fā)酵液在層析柱內(nèi)停留時間過短，導(dǎo)致活性炭導(dǎo)致色素未能與活性炭發(fā)生充分的吸附作用。其中，進(jìn)料流速為7 BV/h時的脫色率最高，連續(xù)處理45 BV發(fā)酵液才出現(xiàn)穿透，此時活性炭對色素吸附容量Q達(dá)到50.5 U/g，總脫色率達(dá)到98.71%，脫色液的透光率T430達(dá)99%，呈無色透明狀。

考察相關(guān)進(jìn)料流速下的L-鳥氨酸流出曲線，結(jié)果見圖7。

圖7 不同進(jìn)料流速下的L-鳥氨酸流出曲線Fig.7 Effluent curves of L-ornithine at various flow rates

由圖7可知：在動態(tài)脫色過程中活性炭對L-鳥氨酸的吸附極少，在3～9 BV/h的進(jìn)料流速下，當(dāng)流出體積為1.0 BV時均出現(xiàn)L-鳥氨酸完全穿透現(xiàn)象，產(chǎn)品脫色損失均在3%以內(nèi)，故選擇活性炭層析柱動態(tài)脫色的進(jìn)料流速為7 BV/h。

2.7 活性炭層析柱的解吸與再生

通過顆粒活性炭再生預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)，熱水可將活性炭吸附的少量L-鳥氨酸解吸，但幾乎不能解吸色素，活性炭再生率只有8.5%，而1.0 mol/L的稀H2SO4對活性炭的再生率為74%，1.0 mol/L的NaOH溶液對活性炭的再生率為87%，因此確定采用熱水與NaOH兩步解吸法：第一步采用80 ℃熱水解吸活性炭層析柱中殘留的L-鳥氨酸。結(jié)果發(fā)現(xiàn)80 ℃熱水可解吸回收丁二酸，在3.0 BV/h的解吸流速下，2.0 BV的熱水可回收70%被活性炭吸附的L-鳥氨酸，使L-鳥氨酸的脫色率達(dá)到99%。第二步采用1.0 mol/L NaOH作為再生劑解吸色素，解吸溫度為80 ℃，再生劑用量為5.0 BV，最后用去離子水將殘留的堿液洗出，使流出液的pH降至7.5以下，3種解吸流速下的色素流出曲線見圖8。

圖8 不同解吸流速下的色素流出曲線Fig.8 Desorption curves of pigment at different elution rate

由圖8可知：NaOH的解吸流速為5.0 BV/h時，3.0 BV的再生劑就可以解吸出絕大部分色素。以未使用過的活性炭作為對照，考察相關(guān)活性炭的再生效果，結(jié)果顯示再生率均在93%以上，其中5.0 BV/h解吸速度下獲得再生活性炭，活性炭再生率達(dá)到96.5%。

考察活性炭進(jìn)行反復(fù)脫色及再生性能，結(jié)果見表3。

表3 再生次數(shù)對活性炭脫色性能的影響

由表3可知：活性炭層析柱再生后重復(fù)使用4次，其對同一批發(fā)酵液的脫色率均穩(wěn)定在97%以上，脫色液的透光率T430均達(dá)98.5%以上，接近純水的透光率，呈無色透明狀。L-鳥氨酸的損失率均在1%以內(nèi)，活性炭再生效果穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1)L-鳥氨酸發(fā)酵液中的大部分色素可能屬于非極性或弱極性分子，具有較高的零電荷點pHPZC、較大的平均孔徑和比孔容積的活性炭GH在pH 6.5下對色素具有較好的吸附能力，而過高的脫色溫度和過長的脫色時間不利于活性炭對色素的吸附。

2)確定了活性炭層析柱對L-鳥氨酸發(fā)酵液的動態(tài)脫色/再生工藝：進(jìn)料流速為7.0 BV/h、脫色溫度70 ℃，可連續(xù)處理45 BV的發(fā)酵液。采用兩步解吸法再生活性炭，第一步采用80 ℃熱水在3.0 BV/h的流速下解吸殘留的L-鳥氨酸，處理量為2.0 BV；第二步在同樣的溫度下采用以1.0 mol/L NaOH以5.0 BV/h流速解吸色素，處理量為5.0 BV。在該條件下，脫色率保持在97%以上，而L-鳥氨酸的損失率低于1%，活性炭重復(fù)使用性能穩(wěn)定。