氨基酸母液資源化利用研究進(jìn)展

柳宏原,吳 濤,,孫開濟(jì)

(1.通遼梅花生物科技有限公司,內(nèi)蒙古 通遼 028024;2.廊坊梅花生物技術(shù)開發(fā)有限公司,河北 廊坊 065001)

氨基酸是重要的食品、藥品、保健品、化妝品和飼料原料,也是重要的醫(yī)藥中間體。2017年全球氨基酸產(chǎn)值達(dá)到195億美元,預(yù)計(jì)2017—2022年全球氨基酸需求復(fù)合增長率達(dá)5.6%,到2022年將達(dá)到256億美元。飼料氨基酸是規(guī)模最大、增長最快的氨基酸市場,其產(chǎn)值預(yù)計(jì)到2022年將達(dá)到104億美元,每年復(fù)合增長6.9%[1]。自1958年日本首次使用谷氨酸棒桿菌生產(chǎn)谷氨酸以來[2],微生物發(fā)酵法為氨基酸行業(yè)帶來了巨大的變革。目前,發(fā)酵法因其高效、安全和環(huán)保等諸多優(yōu)勢成為谷氨酸、賴氨酸、蘇氨酸、色氨酸和支鏈氨基酸等多種氨基酸生產(chǎn)的首選方法。由于目前的技術(shù)受到限制,仍有少數(shù)幾種氨基酸未能實(shí)現(xiàn)發(fā)酵生產(chǎn),如蛋氨酸主要采用化學(xué)合成法生產(chǎn)[3],L-天冬氨酸采用酶催化法生產(chǎn)[4],L-半胱氨酸采用蛋白質(zhì)水解法生產(chǎn)[5]。

我國是氨基酸的生產(chǎn)和消費(fèi)大國,谷氨酸、賴氨酸和蘇氨酸等多種產(chǎn)量均居全球首位[6],盡管發(fā)酵法較化學(xué)合成法具有更突出的環(huán)保優(yōu)勢,但大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)仍不可避免的產(chǎn)生大量的固、液和氣體副產(chǎn)物(廢棄物),副產(chǎn)物如不能得到有效處理將對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅,因此如何處理發(fā)酵副產(chǎn)物成為企業(yè)生存和發(fā)展的核心問題。對副產(chǎn)物進(jìn)行資源化利用不但可以解決企業(yè)排污問題,降低環(huán)保成本,還能為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。母液是氨基酸發(fā)酵過程中占比較大、處理成本較高和潛在利用價(jià)值最大的副產(chǎn)物,其主要成分以菌體、菌體無法利用的碳水化合物、可溶性蛋白、未被回收的氨基酸、有機(jī)酸和無機(jī)鹽為主,具有較高的氨基酸回收價(jià)值、肥用價(jià)值和飼用價(jià)值[7]。如將氨基酸母液作為有機(jī)廢水處理,不僅難度大、成本高,更會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染與資源浪費(fèi)。因此對氨基酸母液資源化利用價(jià)值的深入挖掘具有廣闊的研究前景和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[8]。氨基酸母液主要為蘇氨酸、色氨酸、谷氨酸、賴氨酸、異亮氨酸和胱氨酸等6種母液,其中僅胱氨酸需采用酸水解法,其余均可通過生物發(fā)酵法獲得。蘇氨酸、賴氨酸和色氨酸的生產(chǎn)菌種大多使用大腸桿菌Escherichiacoli;谷氨酸和亮氨酸的生產(chǎn)菌種為谷氨酸棒狀桿菌Corynebacteriumglutamicum。氨基酸母液的成分隨生產(chǎn)菌種的不同,發(fā)酵配方的差異,以及提取工藝的不同而存在較大差異,但主要成分均為菌體、菌體無法利用的碳水化合物、可溶性蛋白、未被回收的氨基酸、有機(jī)酸和無機(jī)鹽等物質(zhì)。筆者以氨基酸回收法、肥料化法和飼料化法為重點(diǎn),對氨基酸母液資源化利用的最新進(jìn)展、主要問題和發(fā)展方向進(jìn)行綜述,以期為后續(xù)研究提供思路和理論參考。

1 氨基酸母液資源化利用技術(shù)

1.1 氨基酸回收法

氨基酸發(fā)酵液經(jīng)多級(jí)提取后,其母液中仍殘留較多的氨基酸,難以分離。利用現(xiàn)代化膜技術(shù)、色譜分離技術(shù)和生物法將氨基酸進(jìn)行回收,能夠在顯著提高生產(chǎn)效率的同時(shí)降低排放廢水的COD水平。

1.1.1 膜分離技術(shù)

目前,膜分離技術(shù)主要以電滲析、反滲透、超濾、納濾和液膜[9]等形式大規(guī)模應(yīng)用于氨基酸母液提取工藝中,因其具有高效、節(jié)能、環(huán)保和實(shí)用等多方面的優(yōu)勢,使得膜分離技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景[10]。

電滲析技術(shù)是膜分離技術(shù)的一種,主要原理是在直流電場的作用下,以電位差為推動(dòng)力,利用離子交換膜的選擇透過特性,把電解質(zhì)從溶液中分離出來,從而實(shí)現(xiàn)溶液的淡化、提純或精制等目的。張巖等[11]利用電滲析技術(shù),研究不同條件下色氨酸母液電滲析脫鹽的最佳條件,以此來提高色氨酸的回收率。結(jié)果表明:當(dāng)電流密度15 mA/cm2,流量20 L/h時(shí),脫鹽率可達(dá)90%以上,色氨酸回收率可達(dá)85%以上,實(shí)現(xiàn)了色氨酸母液的資源化利用。田光超等[12]利用液膜法富集谷氨酸發(fā)酵廢液中的氨基酸,通過研究載體、表面活性劑和乳水比等因素對氨基酸富集的影響,確定了最佳的乳狀液膜體系,在該體系下,谷氨酸萃取率高達(dá)80%以上。大量研究證明了利用膜分離技術(shù)處理氨基酸母液的方法的可行性,該方法不僅能降低回收的氨基酸中無機(jī)鹽、糖和色素等雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù),還具有較高的收率,具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1.1.2 色譜分離技術(shù)

色譜分離技術(shù)是利用混合物組分在固定相中吸附和分配系數(shù)的微小差別,達(dá)到分離各組分的目的。該技術(shù)具有分離效率高、能耗低和材料可再生等優(yōu)點(diǎn),對于傳統(tǒng)方法較難分離的混合物,具有明顯的優(yōu)越性[13]。汲廣習(xí)等[14]利用色譜分離技術(shù),將蘇氨酸母液中的蘇氨酸與色素、糖和無機(jī)鹽等雜質(zhì)有效分開,回收率可達(dá)96.2%以上,其實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。將膜技術(shù)與色譜分離技術(shù)相結(jié)合,不僅能提高回收效率,還可提高回收物的純度。劉海燕[15]以蘇氨酸二次母液為研究對象,利用超濾色譜耦合工藝對二次母液中的蘇氨酸進(jìn)行高效回收,結(jié)果蘇氨酸回收率達(dá)到了95.26%。

圖1 L-蘇氨酸母液色譜分離實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Flowchart of chromatographic separation of L-threonine mother liquor

1.1.3 生 物 法

生物法是指利用微生物對氨基酸發(fā)酵母液進(jìn)行二次發(fā)酵的技術(shù),該技術(shù)具有生產(chǎn)費(fèi)用低、無二次污染的優(yōu)點(diǎn)[16]。Yang等[17]利用酵母發(fā)酵和活性污泥聯(lián)合系統(tǒng)處理味精廢水,該聯(lián)合系統(tǒng)可去除廢水中95%的COD。將酵母系統(tǒng)產(chǎn)生的活性污泥進(jìn)行處理,其中的單細(xì)胞蛋白及氨基酸,可作為優(yōu)質(zhì)的動(dòng)物飼料蛋白質(zhì)添加劑。尹相明等[18]利用高溫水解技術(shù),將蘇氨酸母液中的二糖和多糖等不能被微生物直接利用的糖轉(zhuǎn)化為具有還原性的單糖,降低糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù),使其能夠被再次利用,不僅實(shí)現(xiàn)減少污染和保護(hù)環(huán)境的目的,還提高了蘇氨酸的收率。鄭立國[19]將酵母菌接種到糖化后的氨基酸母液中,研究不同接種量、發(fā)酵時(shí)間和發(fā)酵溫度對蘇氨酸母液中總糖和還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。結(jié)果表明:在接種量為1 mg/L、發(fā)酵溫度為32 ℃、發(fā)酵時(shí)間為18 h的條件下,酵母菌對蘇氨酸母液中糖的消耗量最大。以上述發(fā)酵條件為基礎(chǔ),建立了酵母菌降解L-蘇氨酸母液總糖的工藝,此工藝使L-蘇氨酸母液的蘇氨酸回收率達(dá)到了91.52%。生物法不僅能降低氨基酸母液處理成本,產(chǎn)物還具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,相較膜分離和色譜分離技術(shù)具有操作簡便,前期投入低,處理量大的優(yōu)勢,在資源化處理氨基酸母液的方法中有著廣闊的發(fā)展前景。

1.2 肥料化法

氨基酸母液中含有較豐富的氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)等植物必須的營養(yǎng)物質(zhì),是制備肥料的良好原料。對于養(yǎng)分較為均衡的母液,將其調(diào)配到適宜的濃度作為肥料灌溉作物,對提升作物產(chǎn)量,改善土壤微環(huán)境,有較好的效果。李艷等[20]以黃瓜和番茄為試驗(yàn)作物,研究了氨基酸母液對黃瓜和番茄種子萌發(fā)的影響。結(jié)果表明:適宜濃度的氨基酸母液能夠顯著提高番茄、黃瓜種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。彭智平等[21]在大田耕種的條件下,施用味精廢液,研究其對花生產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤酶活的影響,結(jié)果表明:在花生生長過程中施用味精廢液可促進(jìn)花生的養(yǎng)分累積,具有增加產(chǎn)量和提升花生品質(zhì)的作用,同時(shí)能夠改善土壤微環(huán)境,具有較好的開發(fā)利用前景。張敬敏等[22]將谷氨酸發(fā)酵廢液作為肥料應(yīng)用在水稻種植上,結(jié)果表明：使用谷氨酸發(fā)酵廢液可顯著提高土壤有效磷、及微量元素的含量,并使水稻產(chǎn)量提高14.05%。張連秋等[23]以谷氨酸發(fā)酵廢液為研究基礎(chǔ),發(fā)現(xiàn)單施谷氨酸發(fā)酵廢液和同施“尿素+氨基酸”廢液的處理,可明顯增加土壤有效養(yǎng)分。以上研究表明:施用氨基酸發(fā)酵廢液對提高土壤速效養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)有明顯作用,在實(shí)際生產(chǎn)中還應(yīng)關(guān)注氨基酸母液的施用濃度,關(guān)注土壤的pH和鹽度變化,避免出現(xiàn)抑制植物生長的現(xiàn)象。

大部分氨基酸母液成分復(fù)雜且各成分的質(zhì)量濃度較高,其中的氮大部分為氨氮,屬于速效氮,單一施用不僅易造成土壤有效氮含量偏低,更易造成土壤板結(jié),不利于植物的生長,因此僅有少數(shù)氨基酸母液可直接施用于田間,多數(shù)需要經(jīng)過處理后方可做肥料進(jìn)行資源化利用。有機(jī)肥中的氮為緩效氮,單獨(dú)施用可提高土壤有效氮含量,而且有機(jī)肥中含有較高的有機(jī)質(zhì),具有改良土壤的作用,但其養(yǎng)分不足,且肥效較慢。有機(jī)肥與氨基酸母液二者混合,可彌補(bǔ)彼此不足,復(fù)配后的有機(jī)肥養(yǎng)分更豐富,肥效更高,具備改良土壤和促進(jìn)植物生長的雙重作用,具有較高的研究價(jià)值。張世標(biāo)等[24]將濃縮后的氨基酸發(fā)酵液與雞糞混合后制備了一種有機(jī)肥,再將該有機(jī)肥與其他磷鉀肥進(jìn)行復(fù)配,進(jìn)行了辣椒種植實(shí)驗(yàn)。與傳統(tǒng)施肥方案相比,該有機(jī)肥能使辣椒產(chǎn)量提高79.7%,同時(shí)具有穩(wěn)定土壤pH,提高土壤氮含量,促進(jìn)辣椒生長的作用,具有推廣價(jià)值。

1.3 飼料化法

當(dāng)前我國動(dòng)物蛋白飼料原料很大程度依賴進(jìn)口,隨著疫情的發(fā)展,多國逐漸限制了農(nóng)產(chǎn)品的出口,大豆、魚粉和苜蓿等蛋白原料的供應(yīng)短缺會(huì)嚴(yán)重限制我國畜牧業(yè)的發(fā)展。Padunglerk等[25]研究了在奶牛飼料中添加味精副產(chǎn)物替代豆粕對奶牛產(chǎn)奶量的影響,結(jié)果表明:在奶牛飼料中添加20%～60%的味精副產(chǎn)物替代豆粕對奶牛的生產(chǎn)性能沒有負(fù)面影響。添加60%味精副產(chǎn)物時(shí),可降低飼料成本2.9%～17.3%,牛奶生產(chǎn)利潤可提高到33.3%。Sato等[26]研究了在精料和秸稈中分別添加不同化學(xué)組分的谷氨酸鈉母液,對離體瘤胃動(dòng)物發(fā)酵特性的影響,結(jié)果表明:在精料和秸稈中添加母液,可提高動(dòng)物對粗糧基質(zhì)纖維的消化率,在一定條件下可激活瘤胃發(fā)酵,促進(jìn)瘤胃動(dòng)物消化。氨基酸母液中的主要成分菌體蛋白、可溶性蛋白、碳水化合物和氨基酸等均具有較高的飼用價(jià)值。因此,利用氨基酸母液為原料,經(jīng)發(fā)酵、烘干、制粒和噴漿等工藝加工后生產(chǎn)能量蛋白飼料添加劑,能夠最大限度地實(shí)現(xiàn)對母液中的營養(yǎng)物質(zhì)的有效利用,不但可以緩解對進(jìn)口蛋白原料的依賴,還從源頭上避免了母液直接排放對環(huán)境造成的污染。

除直接將母液進(jìn)行烘干、制粒和噴漿生產(chǎn)飼料產(chǎn)品外,將氨基酸母液作為培養(yǎng)基進(jìn)行酵母發(fā)酵是目前研究較多的方法[27]。因提取過程和自身?xiàng)l件特性,氨基酸母液多為弱酸性和高糖環(huán)境條件,較適合酵母菌生長。莊鎮(zhèn)民等[28]以賴氨酸廢液為原料,在厭氧條件下發(fā)酵酵母生產(chǎn)蛋白飼料,每年可帶來96萬元的利潤。曾德霞等[29]以亮氨酸母液為氮源,使用釀酒酵母為供試菌株,進(jìn)行液體和固體發(fā)酵,最后得到一種蛋白飼料,經(jīng)發(fā)酵后的豆粕飼料氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)59.24%,粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)45.82%,總氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)38.77%,與原豆粕相比,粗蛋白提高12.89%,總氨基酸提高9.15%。成細(xì)瑤等[30]以胱氨酸母液為氮源發(fā)酵生產(chǎn)飼料用漢遜德巴利酵母,通過配方優(yōu)化,菌體質(zhì)量濃度可達(dá)4.9 mg/L,較優(yōu)化前提高了48.5%,既降低了飼料用漢遜德巴利酵母的發(fā)酵成本,還降低了廢液中的氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù),減小了廢液處理難度,達(dá)到了資源化利用的目的。同年,成細(xì)瑤等[31]又利用胱氨酸提取廢液為氮源,發(fā)酵生產(chǎn)產(chǎn)朊假絲酵母,因胱氨酸提取廢液中含有大量的鹽類物質(zhì),故通過篩選和馴化實(shí)驗(yàn),從12株可飼用菌中確定產(chǎn)朊假絲酵母的耐鹽性最好。通過配方優(yōu)化,菌體質(zhì)量濃度達(dá)到4.14 mg/L,較優(yōu)化前提高了128.7%。劉麗等[32]將味精母液作為氮源,添加至培養(yǎng)基中,培養(yǎng)枯草芽孢桿菌,添加量為12.5 g/L,試驗(yàn)結(jié)果證明:同樣條件下,添加味精廢母液的菌體密度較傳統(tǒng)營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基高出6.3倍。綜上,將氨基酸母液作為微生物生長所必須的氮源,提高了飼用價(jià)值與產(chǎn)品價(jià)值,實(shí)現(xiàn)了氨基酸母液變廢為寶、循環(huán)利用的目的。

2 氨基酸母液資源化利用存在的問題

1) 氨基酸回收法雖能回收母液中的氨基酸和無機(jī)鹽等,但膜分離和色譜技術(shù)不僅材料昂貴,且容易發(fā)生堵塞,清理工序極為復(fù)雜,不適用于規(guī)?；幚戆被崮敢篬33];生物法雖具有安全環(huán)保的優(yōu)勢,但其不適用于高濃度氨基酸母液處理。

2) 氨基酸母液中雖含有大量植物所需的有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀、無機(jī)鹽和微量元素,但通過肥料化法將其資源化利用僅存在理論意義。實(shí)際上,由于氨基酸發(fā)酵及提取過程有著特殊性及復(fù)雜性,絕大多數(shù)氨基酸母液都有較強(qiáng)的滲透壓和復(fù)雜的化學(xué)成分,無論直接施用或同其余載體復(fù)合,均會(huì)對植物造成不可逆的傷害,可直接當(dāng)做肥料被植物利用的氨基酸母液較少。此外,肥料化法雖可實(shí)現(xiàn)母液資源化,但將蛋白質(zhì)、氨基酸等高價(jià)值物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閮r(jià)格低廉的肥料,也間接的造成了資源的浪費(fèi)。

3) 飼料化法在微生物的作用下,將母液中的糖、蛋白、氨基酸和無機(jī)鹽等物質(zhì)轉(zhuǎn)化為具有高價(jià)值的單細(xì)胞蛋白飼料,是目前資源化氨基酸母液的最佳方法,具有極高的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。氨基酸母液中較高濃度的糖導(dǎo)致其粘度極大,直接噴漿造粒易堵塞設(shè)備,生產(chǎn)成本高,處理不當(dāng)還有可能發(fā)生燃燒。利用氨基酸母液進(jìn)行酵母發(fā)酵生產(chǎn)也會(huì)因母液中極高的滲透壓使得酵母生長緩慢,導(dǎo)致生產(chǎn)效率較低。資源化氨基酸母液雖具有較為清晰的理論意義,但離實(shí)際生產(chǎn)中的大規(guī)模實(shí)施仍有一定的差距,需進(jìn)一步深入研究。

3 結(jié) 論

氨基酸母液資源化利用技術(shù)朝著復(fù)合工藝多元化方向發(fā)展,研究全新的膜材料,優(yōu)化現(xiàn)有膜分離技術(shù),突破現(xiàn)有技術(shù)的局限性,應(yīng)是膜分離技術(shù)的發(fā)展方向。生物法具有安全、環(huán)保和處理成本低等優(yōu)點(diǎn),將電滲析技術(shù)與生物法結(jié)合,可解決電滲析技術(shù)成本過高的問題,是氨基酸回收法的一個(gè)發(fā)展方向。氨基酸母液與畜禽糞便均屬于生產(chǎn)廢料,二者復(fù)配成為有機(jī)肥料,不僅創(chuàng)造了價(jià)值,更實(shí)現(xiàn)了廢物利用。利用現(xiàn)有技術(shù),減少氨基酸母液制作肥料的成本,增加氨基酸母液肥料的價(jià)值,是肥料化法的發(fā)展方向。從菌種篩選和馴化的角度入手,研究和開發(fā)功能性氨基酸母液發(fā)酵菌劑,是氨基酸母液飼料化發(fā)展的重要任務(wù),也是氨基酸母液資源化的最優(yōu)發(fā)展方向。氨基酸母液資源化利用技術(shù)應(yīng)逐步擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模,并逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,為氨基酸行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。