谷氨酸提取工藝改進(jìn)研究

李 輝,叢澤峰,王蘭剛,王 林

(中糧生化能源(龍江)有限公司,黑龍江 齊齊哈爾 161100)

在味精生產(chǎn)過(guò)程中,當(dāng)使用大接種量的溫敏型谷氨酸菌種進(jìn)行發(fā)酵時(shí),發(fā)酵培養(yǎng)基中需要添加豐富的氨基酸和有機(jī)氮源,并流加高質(zhì)量分?jǐn)?shù)糖液[1],以促進(jìn)谷氨酸菌體的生長(zhǎng)繁殖及代謝。隨著這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和高質(zhì)量分?jǐn)?shù)糖液的添加,發(fā)酵液中膠體類蛋白雜質(zhì)增多,在連續(xù)等電結(jié)晶過(guò)程中粘附在α型晶體表面,影響晶形,晶體中的雜質(zhì)釋放困難,導(dǎo)致轉(zhuǎn)晶過(guò)程中β型晶體易碎細(xì)晶多,麩酸質(zhì)量隨之下降,嚴(yán)重影響了提取收率。此外,過(guò)多的雜質(zhì)會(huì)隨著料液帶到下游工序影響中和液的質(zhì)量,導(dǎo)致精制味精的收率也降低[2-3]。針對(duì)谷氨酸提取中出現(xiàn)的這些問(wèn)題,在谷氨酸等電結(jié)晶前期利用碟片沉降式分離機(jī)對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理(簡(jiǎn)稱發(fā)酵液預(yù)處理工藝),先分離去除蛋白類雜質(zhì)及黏性液體、細(xì)小固體顆粒懸浮液等較難分離的物料[4-5],然后采用超濾膜分離技術(shù),利用超濾膜在常溫下的分離過(guò)程中無(wú)相變化這一特性進(jìn)一步濾除發(fā)酵液中的蛋白[6-8],降低發(fā)酵液的黏度來(lái)提高膜的通量,改善谷氨酸連續(xù)等電結(jié)晶環(huán)境,以提高結(jié)晶產(chǎn)品的質(zhì)量及整體工藝的技術(shù)指標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 材 料

谷氨酸發(fā)酵液,中糧生化能源(龍江)有限公司;濃硫酸、氫氧化鈉、濃硝酸等試劑,均購(gòu)于天津科密歐有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

HH-S6恒溫水浴鍋,金壇市國(guó)旺實(shí)驗(yàn)儀器廠;FE20型pH計(jì),梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;721型分光光度計(jì),上海精密科學(xué)儀器有限公司;SBA-40E生物傳感分析儀,山東省科學(xué)院生物研究所;自動(dòng)旋光儀,上海精密科學(xué)儀器有限公司;SNB2-數(shù)字式黏度計(jì),深圳三諾有限公司;陶瓷膜,廈門三達(dá)膜有限公司;四效降膜蒸發(fā)器,上海神農(nóng)機(jī)械有限公司;HH-S6恒溫水浴鍋,金壇市國(guó)旺實(shí)驗(yàn)儀器廠;DHZ250碟片離心機(jī),轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速11 500 r/min,當(dāng)量沉降面積1 070 cm2,廣州麥煌設(shè)備機(jī)械有限公司[9]。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1) 碟片式離心機(jī)預(yù)先去除谷氨酸菌體蛋白。谷氨酸發(fā)酵液用碟片沉降式離心機(jī)去除發(fā)酵液中的菌體蛋白,轉(zhuǎn)速為4 000～5 000 r/min(簡(jiǎn)稱預(yù)處理分離液),分離液收集待用。

2) 超濾膜濾除預(yù)處理分離液中的蛋白。超濾膜運(yùn)行溫度控制在45～50 ℃,壓力為0.4 MPa,膜面積0.2 m2,膜通量約為900 kg/(m2·h),收集膜濾清液于儲(chǔ)罐內(nèi)待用[10-11]。

3) 膜濾清。使用四效降膜蒸發(fā)器濃縮膜濾清液,獲得膜濾清濃縮液,濃縮倍數(shù)為2.5倍。

4) 等電點(diǎn)結(jié)晶膜濾清濃縮液。將去除谷氨酸發(fā)酵液蛋白的膜濾清濃縮液放入燒杯內(nèi)置于恒溫水浴鍋中,溫度控制在40～43 ℃,緩慢加入硫酸,流加速度為500 mL/h,進(jìn)行等電點(diǎn)結(jié)晶。等電結(jié)晶前期pH控制在3.5,等電結(jié)晶后期pH控制在3.2,等電結(jié)晶結(jié)束后梯度降溫至25 ℃。

5) 等電點(diǎn)結(jié)晶液進(jìn)行分離處理。等電結(jié)晶完成后進(jìn)行4 h攪拌育晶,然后冷卻至10 ℃,用真空抽濾方式分離獲得α型麩酸。

6) 轉(zhuǎn)晶。燒杯中加入22 °Bè的α型谷氨酸溶液,邊攪拌邊加熱至85～90 ℃,待轉(zhuǎn)晶完成后冷卻至40 ℃,用真空抽濾方式分離獲得β型麩酸,抽濾過(guò)程中用去離子水洗滌麩酸。

7) 分離得到的谷氨酸晶體加液堿制成中和液。燒杯內(nèi)裝有轉(zhuǎn)晶麩酸,緩慢加堿液調(diào)pH至6.0,將120 mL中和液與1 g活性炭混合,置于水浴鍋內(nèi)以溫度65 ℃攪拌30 min,檢測(cè)中和液的透光率、濾速和谷氨酸鈉質(zhì)量濃度。

1.4 實(shí)驗(yàn)分析檢測(cè)方法[12-16]

1.4.1L-谷氨酸(濕麩酸)質(zhì)量濃度的測(cè)定

1) 稱取10 g試樣(精確至0.000 1 g),加水20 mL,邊攪拌邊加入濃鹽酸16.5 mL,樣品全部溶解后移入100 mL容量瓶中,待溶液冷卻至約20 ℃時(shí),定容并充分混勻,濾紙過(guò)濾待用。

2) 稱取10 g試樣(精確至0.000 1 g),加少量水溶解并轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中,加鹽酸20 mL,混勻并冷卻至20 ℃,定容并搖勻,于20 ℃用標(biāo)準(zhǔn)旋光角校正儀器減少偏差。

3) 將上述試液置于旋光管中,觀測(cè)其旋光度,同時(shí)記錄旋光管中試樣液的溫度,計(jì)算L-谷氨酸質(zhì)量濃度M1,其公式為

(1)

式中:a為實(shí)測(cè)試液的旋光度;L為旋光管長(zhǎng)度(即層液厚度),dm;c為試樣中谷氨酸的質(zhì)量濃度,g/mL;32為谷氨酸的比旋光度;t為測(cè)定時(shí)試樣液的溫度,℃;0.06為溫度校正系數(shù)。

1.4.2 谷氨酸中水的質(zhì)量測(cè)定

稱量10 g樣品,放入烘箱,設(shè)置烘箱溫度為105 ℃,溫度達(dá)到后計(jì)時(shí),2 h后取出并稱其質(zhì)量,烘干前后的質(zhì)量差即為濕麩酸中的水的質(zhì)量。

1.4.3 中和液濾速的測(cè)定

將樣液加熱到58～60 ℃,取100 mL樣液過(guò)濾15 min,測(cè)其體積,記錄結(jié)果。

1.4.4 谷氨酸鈉質(zhì)量濃度的測(cè)量

稱取10 g試樣(精確至0.000 1 g),加少量水溶解并轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中,加鹽酸20 mL,混勻并冷卻至20 ℃,定容并搖勻,于20 ℃用標(biāo)準(zhǔn)旋光角校正儀器減少偏差。將上述試液置于旋光管中,觀測(cè)其旋光度,同時(shí)記錄旋光管中試樣液的溫度,計(jì)算谷氨酸鈉質(zhì)量濃度M2,其公式為

(2)

式中:α為實(shí)測(cè)試樣液的旋光度;L為旋光管的長(zhǎng)度(即層液厚度),dm;c為試樣液中谷氨酸鈉的質(zhì)量濃度,g/mL;25.16為谷氨酸鈉的比旋光度;0.047為溫度校正系數(shù);t為測(cè)定時(shí)試液的溫度,℃。

1.4.5 中和液透光率的測(cè)定

用料液沖洗比色皿2～3次(光程為1 cm),注入適量料液,擦干凈透光面后放入分光光度計(jì)中,以蒸餾水為空白,于420 nm波長(zhǎng)下測(cè)定中和液的透光率。

1.4.6 總蛋白得率計(jì)算

菌體總蛋白得率=菌體生物量×菌體蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

(3)

1.4.7 發(fā)酵液黏度的測(cè)定

發(fā)酵液黏度直接用黏度計(jì)在常溫下測(cè)定。

1.4.8 蛋白質(zhì)的測(cè)定[17]

蛋白質(zhì)測(cè)定方法為微量凱氏定氮法。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同分離設(shè)備對(duì)谷氨酸發(fā)酵液預(yù)處理效果的影響

在提取等電結(jié)晶前預(yù)先除去谷氨酸發(fā)酵液中的蛋白類雜質(zhì),不同的分離設(shè)備去除效果也不同。由于碟片式分離機(jī)只能去除部分大分子量的蛋白雜質(zhì),超濾膜雖然可以濾除大部分蛋白,但發(fā)酵液中蛋白較黏稠,導(dǎo)致處理一定量的發(fā)酵液后膜管的處理能力減弱。因此先分別采用2種不同的分離設(shè)備去除蛋白,然后再把2種分離設(shè)備組合,即先用碟片分離機(jī)去除部分大分子量蛋白來(lái)降低發(fā)酵液的黏度,再用超濾膜濾除大部分蛋白。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:采用該組合方式后發(fā)酵液的蛋白去除率明顯提高。去除蛋白效果對(duì)比見圖1。

圖1 蛋白去除率的比較

2.2 發(fā)酵液預(yù)處理工藝對(duì)等電結(jié)晶和轉(zhuǎn)晶的影響

谷氨酸等電結(jié)晶是一個(gè)結(jié)晶和溶解的平衡過(guò)程,發(fā)酵液中的膠體蛋白雜質(zhì)被吸附到晶核表面,妨礙晶體長(zhǎng)大,容易產(chǎn)生細(xì)晶[17],采用臥式沉降分離會(huì)造成細(xì)晶損失,并影響轉(zhuǎn)晶的β型麩酸質(zhì)量,采用帶式分離麩酸,則提取收率的損失較大。去除蛋白對(duì)發(fā)酵液等電結(jié)晶的影響如圖2所示。圖2(a)顯示:在連續(xù)等電過(guò)程中,不去除蛋白,發(fā)酵液中的蛋白增加了α型晶體之間的粘連程度,晶體內(nèi)部容易夾帶雜質(zhì),造成晶體不規(guī)則且表面沒(méi)有光澤,導(dǎo)致轉(zhuǎn)晶后β型晶體細(xì)小。圖2(b)顯示:去除發(fā)酵液蛋白后等電結(jié)晶的α型谷氨酸晶體顆粒分布均勻,晶體棱角分明表面光亮,轉(zhuǎn)晶后的β型晶體粗壯。因此,蛋白類雜質(zhì)直接影響連續(xù)等電α型麩酸及轉(zhuǎn)晶β型麩酸的質(zhì)量,去除蛋白能有效提高麩酸的質(zhì)量。

圖2 發(fā)酵液去除蛋白工藝對(duì)等電結(jié)晶和轉(zhuǎn)晶的影響

2.3 發(fā)酵液預(yù)處理工藝對(duì)谷氨酸和味精質(zhì)量的影響

溫敏谷酸發(fā)酵液預(yù)處理后,經(jīng)過(guò)連續(xù)等電和轉(zhuǎn)晶去除麩酸中的雜質(zhì)、色素和硫酸根,提高了麩酸質(zhì)量,同時(shí)有效減輕了后道工序味精精制的工藝負(fù)擔(dān),提高味精產(chǎn)品的質(zhì)量,具體見表1。由表1可知:谷氨酸發(fā)酵液經(jīng)過(guò)預(yù)處理后,谷氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了0.5%,中和液的谷氨酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了4.8%,透光率提高了5.3%,成品味精的谷氨酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了0.4%,產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高。

表1 發(fā)酵液預(yù)處理工藝對(duì)谷氨酸和味精質(zhì)量的影響

2.4 發(fā)酵液預(yù)處理工藝對(duì)谷氨酸提取和精制味精收率的影響

用碟片分離機(jī)和超濾膜去除谷氨酸發(fā)酵液中的蛋白后,對(duì)谷氨酸提取收率和精制味精收率有明顯的影響,如圖3所示。

圖3 預(yù)處理工藝對(duì)谷氨酸提取和味精精制收率的影響

由圖3可知:谷氨酸發(fā)酵液經(jīng)過(guò)碟片分離機(jī)和超濾膜去除蛋白后,降低了發(fā)酵液的黏度,有效提高了連續(xù)等電結(jié)晶的晶核質(zhì)量,α型晶體顆粒更加飽滿。轉(zhuǎn)晶后的β型晶體也更加粗壯均勻,產(chǎn)品質(zhì)量得到了很大提升。谷氨酸提取收率由88.3%提高到90.2%,精制味精收率由97.2%提高到98.7%。

3 結(jié) 論

利用碟片式分離機(jī)和超濾膜組合對(duì)谷氨酸發(fā)酵液中的蛋白進(jìn)行分離去除,通過(guò)小試證明了谷氨酸發(fā)酵液預(yù)處理工藝能夠有效降低發(fā)酵液的黏度,使谷氨酸等電結(jié)晶環(huán)境得到改善,從而提高了谷氨酸晶體成核和生長(zhǎng)速率,改善了結(jié)晶產(chǎn)品的質(zhì)量。與原有工藝相比,谷氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了0.5%,中和液的谷氨酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了4.8%,透光率提高了5.3%,味精的谷氨酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了0.4%,谷氨酸提取收率提高了1.9%,精制味精收率提高了1.5%,工藝指標(biāo)整體得到了大幅提升。