植物類(lèi)有機(jī)氮源及其在發(fā)酵行業(yè)的應(yīng)用

皮詩(shī)宇

(湖北工業(yè)大學(xué) 生物工程與食品學(xué)院 教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心 湖北 武漢 430068)

氮素[1]是組成氨基酸、蛋白質(zhì)、激素、核酸以及葉綠素等有機(jī)大分子的基本元素[2],是調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育的必需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[3]。近些年來(lái),有關(guān)生物發(fā)酵以及農(nóng)產(chǎn)品加工行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛,生產(chǎn)中利用有益微生物進(jìn)行發(fā)酵,收集菌體或相關(guān)代謝產(chǎn)物用于增產(chǎn)、防病等方面的研究逐漸增多[4]。

植物類(lèi)有機(jī)氮源,是有機(jī)氮源的一類(lèi)分支,大部分植物類(lèi)有機(jī)氮源作為飼料或肥料使用。但近年發(fā)現(xiàn),植物類(lèi)有機(jī)氮源中含有大量蛋白質(zhì),且相較于無(wú)機(jī)氮源和動(dòng)物類(lèi)有機(jī)氮源而言,具有豐富性和易處理性。文章擬從來(lái)源、組成成分、應(yīng)用等方面,對(duì)植物類(lèi)有機(jī)氮源的研究進(jìn)展和存在的問(wèn)題進(jìn)行探討,為植物類(lèi)有機(jī)氮源的研發(fā)、生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用提供參考。

1 植物類(lèi)有機(jī)氮源的研究歷史及現(xiàn)狀

植物類(lèi)有機(jī)氮源含有豐富的蛋白質(zhì)、多肽、游離氨基酸以及糖類(lèi)、脂類(lèi)、維生素和某些生長(zhǎng)因子[5]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,無(wú)機(jī)氮源培養(yǎng)基中的菌體生長(zhǎng)較慢,但在既有無(wú)機(jī)氮源又添加了有機(jī)氮源的菌體的生長(zhǎng)明顯加快,菌絲也有明顯的增多。在有機(jī)氮源中富含的游離氨基酸及其他有機(jī)物都可以被菌體所利用生成不同結(jié)構(gòu)的碳架,合成蛋白質(zhì),這種情況下甚至可以無(wú)需糖代謝合成。BELTRAN R等人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),無(wú)機(jī)氮源的銨鹽在發(fā)酵后期很難被利用,無(wú)機(jī)氮源發(fā)酵后總酸變化量較有機(jī)氮源明顯,個(gè)別濃度處理的總酸變化量與對(duì)照相比差異顯著,并隨著氮源濃度增加總酸變化量有增加的趨勢(shì),經(jīng)分析認(rèn)為氯化銨和磷酸氫二銨都是生理酸性氮源,氨氮利用后游離出來(lái)的酸根使發(fā)酵后總酸增加[6-8],因此有機(jī)氮源發(fā)展前景可觀。

當(dāng)前植物類(lèi)有機(jī)氮源發(fā)展中存在著一些問(wèn)題,一是安全問(wèn)題,植物類(lèi)有機(jī)氮源存在著轉(zhuǎn)基因和過(guò)敏性等爭(zhēng)議,例如使用酸水解方法生產(chǎn)的產(chǎn)品可能存在三氯丙醇這類(lèi)致癌物,這樣的問(wèn)題一直沒(méi)有合理有效的解決辦法。二是組分量化及穩(wěn)定性問(wèn)題,植物類(lèi)有機(jī)氮源結(jié)構(gòu)組分相對(duì)復(fù)雜,不同生產(chǎn)廠家不同生產(chǎn)批次的同類(lèi)氮源都有較大的差異。

2 植物類(lèi)有機(jī)氮源特點(diǎn)

2.1 基本組成成分

不同種類(lèi)植物有機(jī)氮源的組成成分有所差異,由表1可知,各植物類(lèi)有機(jī)氮源的組成成分有所差別,其中玉米漿的蛋白質(zhì)含量最高,雜質(zhì)相對(duì)較少,是很好的植物類(lèi)有機(jī)氮源。

植物類(lèi)的有機(jī)氮源主要來(lái)源于工廠生產(chǎn)糖、油脂后的廢棄產(chǎn)物。在實(shí)際工廠生產(chǎn)糖、油脂物質(zhì)時(shí),會(huì)將大量的生產(chǎn)廢料直接處理,沒(méi)有進(jìn)行二次加工利用。這不僅造成了資源浪費(fèi),而且對(duì)環(huán)境有一定不利影響。對(duì)植物類(lèi)有機(jī)氮源的組成成分進(jìn)行分析,可知植物類(lèi)的有機(jī)氮源中除了高含量的蛋白質(zhì)外,還含有大量的雜質(zhì),這些雜質(zhì)是造成植物類(lèi)的有機(jī)氮源無(wú)法在工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用的主要原因。分析植物類(lèi)有機(jī)氮源組成成分,可以從去除雜質(zhì)組分的角度分析,從而提高植物類(lèi)有機(jī)氮源中蛋白質(zhì)的含量,使氮源含量增加,進(jìn)一步提高植物類(lèi)有機(jī)氮源的利用率。

表1 植物類(lèi)有機(jī)氮源組成成分分析

2.2 植物類(lèi)有機(jī)氮源蛋白質(zhì)組成

植物類(lèi)有機(jī)氮源提取主要利用其自身蛋白,不同種類(lèi)的植物類(lèi)有機(jī)氮源的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)組成和含量不同。由表2可知,大多數(shù)植物類(lèi)有機(jī)氮源都含有球蛋白,清蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白在部分植物類(lèi)有機(jī)氮源中存在。對(duì)植物類(lèi)有機(jī)氮源的蛋白組成成分進(jìn)行分析,并進(jìn)行進(jìn)一步植物類(lèi)有機(jī)氮源的乳化性、起泡性、疏水性等性質(zhì)的分析,可以更好地掌握提高植物類(lèi)有機(jī)氮源的方法。

表2 植物類(lèi)有機(jī)氮源蛋白質(zhì)量組成

2.3 氨基酸組成

植物類(lèi)有機(jī)氮源作為飼料喂養(yǎng)禽畜的過(guò)程中,不同組氨基酸組成和含量的氨基酸會(huì)對(duì)禽畜生長(zhǎng)造成不同的影響。對(duì)不同種的植物類(lèi)有機(jī)氮源,存在同一種氨基酸的含量有所不同,含量的高低會(huì)使表觀代謝率、真代謝率和表觀消化率、真消化率有快慢之分,從而比較出差異。同時(shí)通過(guò)單因素、正交試驗(yàn)等優(yōu)化微生物發(fā)酵條件,可知某一種或幾種氨基酸組成含量會(huì)對(duì)微生物生長(zhǎng)造成一定影響。由表3可知十八種必需氨基酸在不同種類(lèi)的植物類(lèi)有機(jī)氮源中含量不同,可作為植物類(lèi)有機(jī)氮源在飼料應(yīng)用方向和微生物發(fā)酵方面的研究基礎(chǔ)。

表3 植物類(lèi)有機(jī)氮源中氨基酸組成表 單位:g/(100 g)

3 植物類(lèi)有機(jī)氮源在發(fā)酵行業(yè)的應(yīng)用

3.1 L-氨基酸發(fā)酵

生物界各種蛋白質(zhì)(除一些細(xì)菌的細(xì)胞壁中的短肽和個(gè)別抗生素外)幾乎都是由L-氨基酸所構(gòu)成,含D-氨基酸的極少。

L-蘇氨酸是一種必需氨基酸,廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品和飼料等領(lǐng)域,并且其需求量日益增加[26-27],梁靜波,馬躍超等人[28]以工業(yè)級(jí)的棉籽餅粉水解液與豆餅水解液為對(duì)象,分析并比較了兩種水解液在氨基氮和氨基酸成分上的差異,并以L-谷氨酸發(fā)酵為例[29],比較了兩種有機(jī)氮源對(duì)發(fā)酵的影響,得到棉籽餅粉水解液可以作為一種新型的有機(jī)氮源應(yīng)用于發(fā)酵行業(yè)中,具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。

3.2 產(chǎn)酸發(fā)酵

乳酸及其衍生物廣泛地應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、飼料、化妝品、化工等領(lǐng)域[30],同時(shí)L(+)乳酸是一種用發(fā)酵法生產(chǎn)產(chǎn)品,微生物發(fā)酵是目前乳酸生產(chǎn)的主要方法[31]。李文友等人實(shí)驗(yàn)以玉米漿為有機(jī)氮源,以硫酸銨為主要無(wú)機(jī)氮源,研究了不同接種量對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響;并就以玉米漿替代酵母粉、豆粕水解液、生物素為有機(jī)氮源的L-乳酸發(fā)酵進(jìn)行了對(duì)比研究實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)證明了玉米漿作為有機(jī)氮源用于L-乳酸發(fā)酵的可行性,使用玉米漿為有機(jī)氮源對(duì)保證生產(chǎn)能力的同時(shí),進(jìn)一步降低L-乳酸生產(chǎn)成本。

L(+)酒石酸是一種天然有機(jī)酸[32],其鹽類(lèi)較穩(wěn)定,可用作食品添加劑,酸味值約為檸檬酸的1.3倍,而且是葡萄酒生產(chǎn)過(guò)程中唯一一種允許添加的酸味劑[33-34]。譚之磊,王洪翠等人[35]通過(guò)實(shí)驗(yàn)提高5-酮基-葡萄糖酸產(chǎn)量,利用5KGA的氧化葡萄糖桿菌GluconobacteroxydansHGI-1為出發(fā)菌株,研究不同有機(jī)氮源對(duì)5KGA產(chǎn)量的影響,通過(guò)搖瓶試驗(yàn)結(jié)果表明,玉米漿是最適氮源,可利用葡萄糖幾乎全部轉(zhuǎn)化為5KGA[36]。

3.3 抗生素

泰樂(lè)菌素從弗氏鏈霉菌(鏈球菌Mycesfradiae)是一種特殊的畜牧大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)抗生素發(fā)酵產(chǎn)生的,低毒,廣譜。弗氏鏈霉菌是泰樂(lè)菌素的產(chǎn)生菌,楊德[37]利用Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)泰樂(lè)菌素發(fā)酵培養(yǎng)基的有機(jī)氮源進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明,玉米蛋白粉和魚(yú)粉的合理搭配使得培養(yǎng)基中的氨基酸含量更加平衡,但魚(yú)粉過(guò)量會(huì)導(dǎo)致失衡。

4 總結(jié)與展望

植物類(lèi)有機(jī)氮源,例如,米渣、豆粕、芝麻餅粕等大多數(shù)都來(lái)源于工廠加工生產(chǎn)糖類(lèi)、油脂后所剩下的廢棄物,這些廢棄物中富含蛋白質(zhì),對(duì)于資源而言造成了極大的浪費(fèi),同時(shí)也使得環(huán)境受到污染。近年來(lái),對(duì)植物類(lèi)有機(jī)氮源的研究取得了許多可觀的成果,大多數(shù)成果都應(yīng)用于微生物的培養(yǎng)中,替代了常規(guī)的培養(yǎng)基組成,使食品、飼料、醫(yī)藥等方面發(fā)酵產(chǎn)業(yè)提高了產(chǎn)量。但同時(shí)植物類(lèi)有機(jī)氮源的安全性、組分復(fù)雜和工廠生產(chǎn)的不規(guī)范化,造成如今的植物類(lèi)有機(jī)氮源的發(fā)展沒(méi)有達(dá)到預(yù)想的結(jié)果。所以,具有能成為有機(jī)氮源的植物要去除蛋白質(zhì)以外的雜質(zhì),盡可能使?jié)饪s蛋白中雜質(zhì)減少的同時(shí)除雜手段應(yīng)溫和無(wú)污染,并分析其內(nèi)部組成成分和結(jié)構(gòu),此類(lèi)有機(jī)氮源在微生物生長(zhǎng)的過(guò)程中,是否有不利影響。

目前,提取植物類(lèi)有機(jī)氮源有化學(xué)法、生物法和酶法。化學(xué)法雖然提取率最高,但對(duì)環(huán)境造成一定污染,并且在食品等方面很難做到應(yīng)用;生物法和酶法相對(duì)安全,同時(shí)成本方面較貴。因此為了保障人類(lèi)及動(dòng)植物的健康,應(yīng)該投入更多的精力去研究關(guān)于植物類(lèi)有機(jī)氮源通過(guò)酶法和生物法提取的優(yōu)化方法,使得植物類(lèi)有機(jī)氮源能夠更好的發(fā)展。