玉米漿硫酸水解工藝研究

白長勝

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院 畜牧獸醫(yī)分院,黑龍江 齊齊哈爾 161005)

玉米漿是濕磨法生產(chǎn)玉米淀粉過程中產(chǎn)生的浸泡液經(jīng)四效蒸發(fā)器加熱蒸發(fā)濃縮所制得的黃褐色液體[1],其干物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)約為40%～50%。玉米漿中除了含有豐富的蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸和微量元素,還含有生物素、核黃素、維生素B1和一些前體物質(zhì)[2]。作為有機氮源,玉米漿在發(fā)酵過程中為菌體生長提供氮元素和必要的生長因子,用于構(gòu)成菌體蛋白質(zhì)、核酸和維生素等含氮物質(zhì)和含氮的代謝產(chǎn)物,對發(fā)酵起著至關重要的調(diào)節(jié)作用[3]。因價格低廉、來源豐富,玉米漿被廣泛應用于發(fā)酵行業(yè)的培養(yǎng)基配制[4-5]。

溫敏型谷氨酸發(fā)酵需要豐富的有機氮源,在培養(yǎng)基配制中大量使用玉米漿組成菌體細胞物質(zhì),雖然既能滿足發(fā)酵的營養(yǎng)需求,又能合成谷氨酸的氨基,提高發(fā)酵產(chǎn)酸率和糖酸轉(zhuǎn)化率[6],但是隨著玉米漿使用量的加大,發(fā)酵過程中產(chǎn)生的泡沫增多,會引起逃液,造成浪費和環(huán)境污染,同時玉米漿中不溶性顆粒物及不易被滅菌的含芽孢微生物也會增多,導致發(fā)酵染菌風險增大[7]。不同批次生產(chǎn)的玉米漿在生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)季節(jié)和運輸儲存等方面存在差異,品質(zhì)差異較大[8]。在溫敏型谷氨酸發(fā)酵工藝中,玉米漿用量大,質(zhì)量要求高,因此玉米漿質(zhì)量波動對溫敏型谷氨酸發(fā)酵的影響較為明顯,故在使用不同批次玉米漿原料前,均需進行發(fā)酵小試以確定實際使用量,給生產(chǎn)帶來不便。針對這些問題,近年來的研究中采取將豆粕、菌體蛋白和麩皮等含豐富有機氮源的原料進行水解處理后再應用[9-10],雖然發(fā)酵效果良好,但這些原料價格高于玉米漿,不利于生產(chǎn)成本的控制。

由于市場競爭日益激烈、環(huán)保壓力加大,味精生產(chǎn)企業(yè)利潤率越來越低。筆者以廉價易得的玉米漿為原料進行水解研究,將水解后的玉米漿作為溫敏型谷氨酸發(fā)酵原料,不僅可以充分利用工廠自有的原料優(yōu)勢,而且能消除因使用玉米漿帶來的一些不利因素,從而降低生產(chǎn)成本,增加企業(yè)效益。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 菌 種

黃色短桿菌(BrevibacteriumflavumFN-08)。

1.1.2 試 劑

玉米漿、98%硫酸均為工業(yè)規(guī)格;葡萄糖為淀粉酶法水解糖;Na2HPO4,KCl,MgSO4,MnSO4,FeSO4和VB1均為國藥集團分析純試劑。

1.2 儀器與設備

燒杯,四川蜀玻(集團)有限責任公司;JJ-1精密增力電動攪拌器,金壇市順華儀器有限公司;YXQ-100SⅡ立式壓力蒸汽滅菌器,上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 水解工藝流程

取1 L玉米漿置于5 L燒杯中,按照試驗設計的料酸比V(硫酸)∶V(玉米漿)分別為0.04∶1,0.06∶1,0.08∶1和0.10∶1加入濃硫酸,使用玻璃棒緩慢攪拌,混勻后在90 ℃水浴鍋中攪拌3 h,然后用耐酸濾布封口,置入立式壓力蒸汽滅菌器中,設定水解溫度分別為105,110,115,120 ℃,水解時間分別為10,12,14,16 h,水解完成后關閉滅菌器,待其自然降溫后取出燒杯,過濾后的濾液即為玉米漿水解液。

1.3.2 玉米漿硫酸水解單因素試驗

以水解液中氨基酸態(tài)氮質(zhì)量濃度為考核指標,分別研究因素A(酸料體積比V(硫酸)∶V(玉米漿))、因素B(水解時間)和因素C(水解溫度)對玉米漿硫酸水解的影響[11-12]。其中V(硫酸)∶V(玉米漿)分別為0.04∶1,0.06∶1,0.08∶1和0.10∶1;水解時間分別為10,12,14,16 h;水解溫度分別為105,110,115,120 ℃。

1.3.3 玉米漿硫酸水解正交試驗設計

單因素試驗結(jié)果為酸料體積比0.06∶1,水解時間12 h,水解溫度115 ℃。根據(jù)該結(jié)果設計正交試驗,優(yōu)化玉米漿硫酸水解工藝條件[11-12],正交試驗設計表如表1所示。

表1 L9(33)正交試驗設計表

由表1可知:各因素對玉米漿硫酸水解效果影響大小的順序為A>C>B。最優(yōu)水解工藝條件為A3B2C2,即酸料體積比為0.07∶1,水解溫度為115 ℃,水解時間為12 h。

1.3.4 發(fā)酵試驗

比較采用玉米漿和玉米漿水解液的發(fā)酵結(jié)果。做法是:1) 分別將不同批次的玉米漿按照優(yōu)化后的硫酸水解工藝水解制成玉米漿水解液,再用進行敏型谷氨酸發(fā)酵;2) 將不同批次的玉米漿直接進行溫敏型谷氨酸發(fā)酵。

1.3.5 檢測方法

總氮質(zhì)量濃度按照GB 5009.5—2016測定[13]。

氨基酸態(tài)氮質(zhì)量濃度按照GB 5009.235—2016測定[14]。

以水解率作為判斷水解程度的指標,其計算公式[15]為

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel繪圖;采用SPSS進行方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米漿硫酸水解單因素試驗

2.1.1 酸料體積比對玉米漿硫酸水解的影響

不同酸料體積比對玉米漿硫酸水解效果的影響如圖1所示。

圖1 酸料體積比對玉米漿硫酸水解效果的影響Fig.1 Effects of acid volume to raw material ratio on sulfuric acid hydrolysis of CSL

硫酸過多會使水解副反應增加,消耗水解出的氨基酸;水解液在發(fā)酵配料時需要添加堿性物質(zhì)調(diào)整pH,所以減少水解時的硫酸用量可以降低堿性物質(zhì)的消耗,但硫酸用量太少,則水解反應不完全,水解出的氨基酸質(zhì)量濃度過低。由圖1可知酸料體積比為0.06∶1時水解效果最好。

2.1.2 水解時間對玉米漿硫酸水解的影響

不同水解時間對玉米漿硫酸水解效果的影響如圖2所示。

圖2 水解時間對玉米漿硫酸水解效果的影響Fig.2 Effects of hydrolysis time on sulfuric acid hydrolysis of CSL

隨著水解時間的延長,水解液中的氨基酸態(tài)氮質(zhì)量濃度先逐漸增加至最大,隨后開始下降。水解時間過長,葡萄糖與氨基酸會發(fā)生美拉德反應,使水解液色澤焦黑,一些水解出的氨基酸受到破壞,減少了水解液中的氨基酸態(tài)氮質(zhì)量濃度,并且使能耗增加;水解時間過短,則水解反應不徹底,也會降低水解率。由圖2可知水解12 h時效果最好。

2.1.3 水解溫度對玉米漿硫酸水解的影響

不同水解溫度對玉米漿硫酸水解效果的影響如圖3所示。

圖3 水解溫度對玉米漿水解效果的影響Fig.3 Effects of hydrolysis temperature on sulfuric acid hydrolysis of CSL

隨著水解溫度的升高,水解出的氨基酸態(tài)氮質(zhì)量濃度先升高后下降。溫度升高雖然可以促進酸水解反應進行,但溫度過高時氨基酸會發(fā)生脫羧反應,水解率也會降低,導致水解液中氨基酸態(tài)氮質(zhì)量濃度下降。由圖3可知在115 ℃時水解效果最好。

2.2 玉米漿硫酸水解正交試驗

正交試驗優(yōu)化玉米漿硫酸水解工藝條件,結(jié)果如表2所示。

表2 L9(34)正交試驗

由表2可知:各因素對玉米漿硫酸水解效果影響的大小順序為A>C>B。最優(yōu)水解工藝條件為A3B2C2,即酸料體積比為0.07∶1,水解溫度為115 ℃,水解時間為12 h。采用優(yōu)化后工藝條件水解玉米漿,水解液中氨基酸態(tài)氮質(zhì)量濃度為18.9 g/L,水解率達73.2%。

2.3 發(fā)酵試驗

發(fā)酵試驗結(jié)果如圖4所示,由圖4可知:使用不同批次玉米漿發(fā)酵產(chǎn)酸結(jié)果波動較大,使用玉米漿水解液的發(fā)酵產(chǎn)酸結(jié)果基本保持穩(wěn)定。

圖4 不同玉米漿對溫敏型-谷氨酸發(fā)酵的影響Fig.4 The effects of different CSL on temperature-sensitive L-glutamic acid fermentation

使用玉米漿發(fā)酵產(chǎn)酸結(jié)果為(153.94±24.69) g/L,使用玉米漿水解液發(fā)酵產(chǎn)酸結(jié)果為(180.18±3.22) g/L,二者差異顯著(p<0.05)。

以上試驗結(jié)果表明:將玉米漿水解后應用可以很大程度上減少由于玉米漿質(zhì)量的波動給發(fā)酵帶來的不利影響,可以將玉米漿水解液代替玉米漿用于溫敏型谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

玉米漿雖然營養(yǎng)豐富,廉價易得,是發(fā)酵生產(chǎn)中有機氮源的理想原料,但玉米漿品質(zhì)不穩(wěn)定,會對溫敏型谷氨酸發(fā)酵產(chǎn)生不利影響。筆者采用單因素和正交試驗對玉米漿硫酸水解條件進行優(yōu)化,優(yōu)化后的水解工藝條件為酸料體積比0.07∶1,水解溫度115 ℃,水解時間12 h,在此最優(yōu)條件下制得的水解液中氨基酸態(tài)氮質(zhì)量濃度為18.9 g/L,水解率為73.2%。將玉米漿水解液應用在溫敏型谷氨酸發(fā)酵工藝中,可以克服因玉米漿質(zhì)量不穩(wěn)定給發(fā)酵帶來的波動,維持發(fā)酵水平穩(wěn)定。