苏云金芽孢杆菌发酵液浓缩工艺研究

2015-10-13周荣华等

湖北农业科学 2015年18期

周荣华等

摘要：通过对2种不同亚种的苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）发酵液进行浓缩工艺的研究，探索了不同温度对浓缩液有效成分的影响程度，比较了不同浓缩方式、不同干燥方式处理下有效成分的回收率。结果表明，真空薄膜浓缩工艺的回收率要高于离心浓缩工艺23%～29%。

关键词：苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）；真空薄膜浓缩；离心浓缩

中图分类号：Q813.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）18-4479-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.18.022

苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）是当前研究最多、应用最广的微生物农药，在农作物虫害生物防治中起到重要作用，广泛应用于蔬菜、水稻、棉花、林业、卫生害虫的生物防治。苏云金芽孢杆菌的生产工艺主要按照液体深层发酵、离心浓缩、喷雾干燥、剂型化的路径进行的，在离心浓缩过程中会产生工艺废水，其化学需氧量和生化需氧量均较高，废水处理成本高[1，2]。而在离心浓缩的工艺废水中存在着大量可溶性物质，其中包含许多值得回收的氨基酸、增效物质、抗菌物质等。根据未公开的记录，湖北省农业科学院生物农药工程研究中心在20世纪90年代初，曾开展过苏云金芽孢杆菌真空薄膜浓缩工艺的探索，限于当时的装备条件和控制水平，经常发生结焦堵管的现象。而中国现在的装备条件、加工工艺和控制水平较20年前有了长足的进步，只要能有效地将物料温度控制在较低的水平，结焦堵管的现象完全可以避免。本研究就苏云金芽孢杆菌两个菌种的真空薄膜浓缩工艺进行了浓缩条件和回收率的研究。

1 材料与方法

1.1 材料

菌种：苏云金芽孢杆菌库斯塔克亚种MP18、苏云金芽孢杆菌鲇泽亚种NBIC380，均系湖北省农业科学院生物农药工程研究中心分离并保存；发酵液由湖北省农业科学院生物农药工程研究中心工程技术研究室提供。

仪器：真空薄膜浓缩器，蒸发量30 L/h，由黑龙江大三源乳品机械有限公司生产；Eppendorf 5424 离心机（艾本德中国有限公司）；LGJ-200F冷冻干燥机（黑龙江大三源乳品机械有限公司）；喷雾干燥塔，蒸发量10 L/h，由黑龙江大三源乳品机械有限公司生产。

1.2 方法

1.2.1 真空薄膜浓缩方法取5 L发酵液加入真空薄膜浓缩器料斗中，经加热器加热到设定温度后送至分离器，在真空度-80～-90 kPa下进行蒸发和分离，蒸气通过冷凝器冷凝成水后排出，浓缩后的物料取出后通过不同方式进行干燥。

1.2.2 离心浓缩方法取5 L发酵液分批加入离心管中，在3 000 r/min转速下进行离心分离，倒掉上清液，取出沉淀通过不同方式进行干燥。

1.2.3 冷冻干燥方法将浓缩物放入冷冻干燥机中24 h，待完全干燥后取出，称重后备用。

1.2.4 喷雾干燥方法将浓缩物在进口风温150 ℃、塔内温度60 ℃条件下进行喷雾干燥，收集称重后备用。

1.2.5 分析检测方法苏云金芽孢杆菌MP18、苏云金芽孢杆菌NBIC380均采用GB/T19567.1-2004中生物测定法测定生物效价。

1.2.6 总有效成分计算方法总有效成分=生物效价×质量

1.2.7 有效成分回收率计算方法有效成分回收率=不同处理的产物质量×产物生物效价×100/发酵液直接冻干的产物总有效成分

1.2.8 工艺废水化学需氧量和5日生化需氧量检测方法取离心浓缩上清液和真空薄膜浓缩冷凝液各5 L送武汉市环境监测中心委托检测，采用GB11914-1989、HJ505-2009两项标准中的方法进行。

2 结果与分析

2.1 苏云金芽孢杆菌库斯塔克亚种MP18的浓缩试验结果

2.1.1 最适浓缩温度由表1、图1均可看出，随着浓缩温度的逐渐升高，MP18的效价有明显的下降。

在45、50、55 ℃条件下浓缩产物的生物效价见表2，结果表明，45、50 ℃浓缩条件下MP18活性保持相差不大。

2.1.2 不同浓缩方式处理的产物回收率用MP18的发酵液直接真空薄膜浓缩得到的产物效价要普遍低于离心浓缩处理得到的产物效价（61 579 IU/mg，表1），但是将2种处理方式得到的浓缩液冻干或者喷雾干燥后，前者得到的产物的质量要远远大于后者，因为离心浓缩后丢弃的上清液里含有一定量的可溶性物质。

上表显示采用真空薄膜浓缩方式最终得到的产物的质量是离心浓缩方式得到的产物质量的1.77倍，回收率得到了极大的提高，效价回收率提高了29%。

2.1 苏云金芽孢杆菌NBIC380的浓缩试验

2.2.1 最适浓缩温度由表4可知，50、60 ℃条件下蒸发后的产品效价差别较小，但显然60 ℃条件下的蒸发效率较高，故后续采用60 ℃左右的温度继续试验。因此不同的菌株在真空薄膜浓缩蒸发条件下效价可能有很大的差别。

进一步的浓缩试验结果见表5，表明60 ℃比较适合NBIC380的浓缩，该条件下既保证了NBIC380的浓缩效率，又不至于过多降低其效价。

2.2.2 不同浓缩方式的产物回收率与MP18发酵液的浓缩试验不同，由NBIC380的发酵液直接真空薄膜浓缩得到的产物效价只是略为低于离心浓缩处理得到的产物效价（85 642 IU/mg，表4），说明NBIC380的发酵上清里有超过MP18的大量增效物质存在。分别计算以真空薄膜浓缩（60 ℃）和离心浓缩两种方式回收到的产物量，结果见表6。

表6显示，采用真空薄膜浓缩方式最终得到的产物的质量是离心浓缩方式得到的产物质量的1.41倍，效价回收率提高了23%，且前者的产量要远远高于后者。

2.3 工业废水化学需氧量和五日生化需氧量的测定结果

从表7可以显看出，蒸发冷凝液的化学需氧量和五日生化需氧量均不到离心上清液的1%。

3 讨论

结果表明，从回收率和生产效率两方面综合考察，50～60 ℃之间是相对适宜的蒸发温度，不同菌株适宜的蒸发温度有差异，回收率较离心浓缩工艺提高10%～36%。理论上讲，更低的温度应该会对有效成分的回收更加有利，但会带来生产效率下降和生产成本增加，因此在选择浓缩条件和工艺时需综合考虑。

相比离心浓缩工艺产生的废水，采用真空薄膜浓缩工艺产生的废水的生化需氧量明显会小得多，废水处理的成本也会小得多[3-5]，这方面的环保效益还需要进一步的研究。

由于真空薄膜浓缩保留了大量溶解在水中的各种成分[6，7]，使得原药的有效成分含量有所下降，且其中有些成分可能对后续的剂型加工有一定的影响。但这些被保留的成分，如氨基酸、糖类、抑菌物质等对作物生长可能带来积极的影响。这些同样需要进一步的研究。

参考文献：

[1] 刘森林，宗敏华，娄文勇.苏云金杆菌补料高密度培养的研究[J].工业微生物，2000，30（4）：41-43.

[2] 张俊亭，李治祥，张克强，等.微生物杀虫剂苏云金杆菌液体发酵技术的研究[J].农业环境保护，1998，17（6）：248-250.

[3] 袁珂，胡润淮.介绍一种真空薄膜浓缩方法[J].大学化学，1997，12（3）：30-31.

[4] 张芳.乳品生产真空浓缩过程控制[J].辽宁工学院学报（自然科学版），2001，21（2）：54-55，58.