谷氨酸菌体蛋白硫酸水解工艺研究

白长胜

(黑龙江省农业科学院畜牧兽医分院，黑龙江 齐齐哈尔 161005)

味精生产过程中会产生大量废水，其中含有1%左右的谷氨酸菌体。在发酵废液中加入絮凝剂，将pH调至等电点后经提取、干燥、磨粉制得谷氨酸菌体蛋白。菌体蛋白是一种单细胞蛋白，含粗蛋白60%～70%，氨基酸态氮组成和比例较为均衡，此外,还含有丰富的维生素、矿物质、核酸、糖类及生长因子等[1]，主要直接用作畜禽、水产的蛋白饲料，还有将其开发成生物肥料以培养食用菌[2-4]，水解后作为氨基酸态氮饲料添加剂、氨基酸叶面肥，水解后开发调味品或提取寡肽、核酸开发新型食品调味品等诸多方面研究[5-9]。

温敏型谷氨酸发酵需要丰富的有机氮源，提供菌体生长繁殖及代谢产酸所必需的各种营养成分，豆粕水解液是温敏型谷氨酸发酵生产中常用的有机氮源，其价格相对较高。谷氨酸菌体蛋白经水解后会产生各种氨基酸态氮及多肽，与谷氨酸生产菌所需基本一致，如果能将谷氨酸菌体蛋白水解后替代豆粕水解液作为发酵原料，可以充分利用自身的原料优势，降低生产成本，增加企业效益。

本试验采用硫酸水解谷氨酸菌体蛋白，对水解条件进行研究，获得合适的水解工艺，将谷氨酸菌体蛋白按优化后的工艺制备水解液后代替豆粕水解液应用于温敏型谷氨酸发酵生产，对比发酵指标，验证谷氨酸菌体蛋白水解液代替豆粕水解液的可行性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 材料与试剂

谷氨酸菌体蛋白；98%工业硫酸。

1.1.2 仪器与设备

1 L烧杯、立式压力蒸汽灭菌器；JJ-1精密增力电动搅拌器 金坛市顺华仪器有限公司；FE20实验室pH计 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司。

1.2 试验方法[10]

取100 g菌体蛋白置于1 L烧杯中，根据试验设计方案按酸料比与硫酸浓度配制硫酸溶液，同时用玻璃棒搅拌混匀后加入烧杯中，首先在90 ℃水浴锅中搅拌3 h作为预处理，然后采用耐酸板框滤布封口，置于立式压力蒸汽灭菌器，设定工作温度后进行高温高压水解，达到水解时间后按灭菌器使用要求待其自然降温后取出，过滤后滤液即为菌体蛋白水解液，记录滤液体积。

1.3 分析方法[11]

1.3.1 总氮含量测定

采用凯式定氮法测定。

1.3.2 氨基酸态氮测定

采用甲醛滴定法测定。

1.3.3 水解率计算

以水解率作为判断水解程度的指标，其计算公式如下：

2 结果与讨论

2.1 单因素试验

2.1.1 酸料比对水解效果的影响

图1 酸料比对水解效果的影响Fig.1 Effects of ratio of acid volume to rawmaterial on hydrolyzation

硫酸过多，会增加高酸下的副反应，另外水解液在应用过程中需要使用碱性物质调整pH值，所以水解时应尽可能减少硫酸用量，但用量太少，会造成水解不彻底，而且产物浓度过低，不利于发酵生产。由图1可知，酸料比为0.4∶1时水解效果最好。

2.1.2 水解时间对水解效果的影响

图2 水解时间对水解效果的影响Fig.2 Effects of hydrolysis time on hydrolyzation

随着水解时间增加，氨基酸态氮浓度逐渐积累至最大，再继续水解，不仅氨基酸态氮增加甚微，而且一些氨基酸态氮在酸性条件下受到破坏，减少水解液中的氨基酸态氮浓度，并且使能耗增大；在水解过程中，葡萄糖与氨基酸态氮在高温下还会发生美拉德反应，使产品色泽焦黑，同时也消耗了水解液中的氨基酸态氮，使产品氨基酸态氮含量下降。但时间过短，水解不完全，也将影响收率，因此，当氨基酸态氮积累至最大浓度时，应停止水解，避免发生副反应。由图2可知，水解24 h时效果最好。

2.1.3 水解温度对水解效果的影响

图3 水解温度对水解效果的影响Fig.3 Effects of hydrolysis temperature on hydrolyzation

温度升高，酸水解速度随之加快，但温度过高会引起氨基酸态氮发生脱羧反应，使游离氨基酸态氮含量减少，其水解度也明显降低。由图3可知，控制温度在115 ℃时水解效果最好。

2.1.4 pH值对水解效果的影响

图4 pH值对水解效果的影响Fig.4 Effects of initial pH on hydrolyzation

pH低则水解速度快且水解程度高，但pH过低时水解液中和耗碱过多，且会发生副反应，降低水解液中氨基酸态氮含量。由图4可知，pH值在1.0时水解效果最好。

2.2 正交试验[12-15]

在上述单因素试验的基础上，采用四因素三水平方案，设计正交试验来优化酸水解工艺条件，正交试验设计及结果见表1，极差分析见表2。

表1 L9(34)正交试验设计及结果Table 1 Results and design of L9(34) orthogonal experiments

表2 正交试验极差分析Table 2 Range analysis of orthogonal experiments

由表2可知，各因素对谷氨酸菌体蛋白水解效果影响的主次顺序为：酸料比>水解温度>水解时间>pH值。最优组合是A2B2C2D1，即酸料比0.4∶1，水解温度为115 ℃，水解时间为24 h， pH值为0.8。采用此最优条件进行验证试验，氨基酸态氮为39.3 g/L，水解率达到76.8%。

2.3 替代效果验证

按照优化后的水解工艺制作谷氨酸菌体蛋白水解液用于温敏型谷氨酸发酵与使用豆粕水解液的原始发酵配方比较(二者等量替代，其余配方和工艺条件相同)，结果见表3。

表3 不同有机氮源对温敏型谷氨酸发酵的影响Table 3 The effects of different nitrogen sources on temperature-sensitive glutamic acid fermentation

由表3可知，对谷氨酸菌体蛋白水解液和豆粕水解液分别进行温敏型谷氨酸的发酵生产，对比二者的各项生产指标未有明显差异。证明谷氨酸菌体蛋白水解液代替豆粕水解液用于温敏型谷氨酸发酵生产中是可行的。

3 结论

对菌体蛋白酸水解条件进行研究，采用单因素和正交试验得到了一种较优的酸水解工艺：酸料比0.4∶1，水解温度为115 ℃，水解时间为24 h，pH值为0.8，在此条件下水解液中氨基酸态氮为39.3 g/L，水解率可达76.8%。将谷氨酸菌体蛋白按优化后的水解工艺水解后应用于温敏型谷氨酸生产，发酵水平无明显差异。菌体蛋白是谷氨酸生产的副产品，含有丰富的蛋白质和其他营养物质，而且价格便宜，主要作为饲料添加剂，将其水解后作为发酵原料代替价格较高的豆粕水解液，充分利用了自身的原料优势，降低了生产成本，而且与做饲料添加剂相比，其价值更高，直接提高了企业的经济效益。