酶解玉米浆在谷氨酸发酵工艺中的应用
2021-09-28陈晓妮李学朋伏广好
陈晓妮,李学朋,伏广好,周 敬,徐 娜
(1.内蒙古阜丰生物科技有限公司,内蒙古 呼和浩特 010030;2.内蒙古自治区生物发酵节能环保技术企业重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010030)
玉米浆(Corn steep liquor,CSL)是生产玉米淀粉过程中的副产物,为玉米的亚硫酸浸泡液,经真空浓缩后得到的黄褐色液体。玉米浆中含有丰富的可溶性蛋白、无机盐、生长素及前体物质,约含40%～50%固体物质[1],可作为微生物生长繁殖所需有机氮源,也是谷氨酸发酵所需的重要营养剂,同时也可用作水溶性植物蛋白和复合肥料添加剂等[2-3]。
酸水解蛋白液对环境污染较严重,且价格昂贵。玉米浆作为廉价有机氮源,其中部分氨基酸含量高于其他氮源,可替代或减少豆粕水解液等高价位氮源应用于谷氨酸发酵中,能提高玉米浆的附加值、谷氨酸产酸及转化率,降低谷氨酸生产成本[4-6]等。而玉米浆中的磷虽然以植酸钙镁形式存在,也会影响谷氨酸的发酵过程[7],但是玉米浆中的氨基酸及无机磷均以大分子形式存在,难以被谷氨酸菌种利用。刘康乐等[8]采用水解法对玉米浆进行处理,将大分子蛋白分解为易被利用的小分子氨基酸,降低了生产成本;牛福华等[9]通过不同方法处理玉米浆,结果发现玉米浆在酶解后有效增加了氨基酸的含量;李海燕[10]将玉米浆中含有的植酸钙通过植酸酶进行酶解,可分解为无机磷和肌醇,提高了玉米浆的利用度。因此,通过双酶解玉米浆得到氨基酸和无机磷,替代谷氨酸发酵配方中的磷酸氢二钾及酸水解蛋白液,可以达到提高谷氨酸发酵生产指标和产品质量的目的,同时起到了保护环境的作用[11]。
1 材料与方法
1.1 材 料
1.1.1 实验材料
玉米浆,内蒙古阜丰生物科技有限公司淀粉车间提供;酸性蛋白酶、植酸酶和中性蛋白酶,北京伊塔生物科技有限公司;茚三酮、钒钼酸铵、磷酸二氢钾、氯化钾、硫酸锰和复合氨基酸粉等,均为分析纯。
1.1.2 仪器与设备
S-433Dup氨基酸分析仪,德国Sykam公司;T6新世纪紫外可见分光光度计,北京普析通用有限公司;K9840自动凯氏定氮仪,海能未来技术集团股份有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 玉米浆酶解条件单因素实验
分别选取中性蛋白酶和酸性蛋白酶复配、中性蛋白酶和植酸酶复配、酸性蛋白酶和植酸酶复配使用。在同等实验条件下,酸性蛋白酶和植酸酶复配使用效果最佳,酶解pH为玉米浆,原有pH为3.8。
1) 酶添加量
酸性蛋白酶添加量:将酸性蛋白酶质量分数0.1%,0.15%,0.2%,0.25%,0.3%分别加入玉米浆中,50 ℃恒温酶解18 h,测定蛋白质水解度[12]。
植酸酶添加量:将植酸酶质量分数0.1%,0.13%,0.15%,0.18%,0.2%分别加入玉米浆中,50 ℃恒温酶解18 h,测定蛋白质水解度。
2) 酶解温度
将酸性蛋白酶质量分数0.3%和植酸酶质量分数0.2%在玉米浆中进行充分混匀,于40,45,50,55,60 ℃不同温度下恒温酶解18 h,检测其蛋白质水解度。
3) 酶解时间
将酸性蛋白酶质量分数0.3%和植酸酶质量分数0.2%在玉米浆中进行充分混匀,于50 ℃恒温分别酶解10,12,14,16,18 h,测定蛋白质水解度。
1.2.2 正交实验优化酶解条件
基于玉米浆酶解条件的单因素实验,选择酸性蛋白酶添加量A、植酸酶添加量B、酶解温度C和酶解时间D这4种因素进行L9(34)正交实验如表1所示,确定最佳的玉米浆水解工艺及参数。
表1 酶解玉米浆正交实验因素水平
1.2.3 谷氨酸发酵实验
玉米浆经过酸性蛋白酶和植酸酶水解后,进行小试实验验证其发酵效果。
设对照组和实验组,将不同谷氨酸发酵配方于5 L发酵罐中进行谷氨酸发酵生产,谷氨酸菌种的接种量为10%。
对照组:原有谷氨酸发酵配方与玉米浆进行谷氨酸发酵。
实验组:在原有谷氨酸发酵配方的基础上,增加部分氯化钾,将原发酵工艺中的磷酸氢二钾和豆浓全部替代为双酶解后的玉米浆。
2 结果与分析
2.1 酶解条件单因素实验
2.1.1 酸性蛋白酶添加量对水解度的影响
于玉米浆中加入不同量的酸性蛋白酶,与植酸酶添加量0.2%进行混匀后55 ℃水解16 h。酸性蛋白酶添加量与玉米浆水解度关系如图1所示。
图1 酸性蛋白酶添加量对玉米浆水解度的影响Fig.1 The effect of the amount of acid protease on the degree of hydrolysis of CSL
由图1可知:当酸性蛋白酶添加量较低时,与底物相结合,反应速度随着酶添加量的升高而增加。随着酸性蛋白酶添加量升高,水解度也随着酶与底物比的增大而缓慢上升直至达到平衡。
2.1.2 植酸酶添加量对水解度的影响
添加不同量的植酸酶于玉米浆中,与酸性蛋白酶添加量0.3%进行混匀后55 ℃水解16 h。植酸酶添加量与玉米浆水解度关系如图2所示。
图2 植酸酶添加量对玉米浆水解度的影响Fig.2 The effect of the amount of phytase on the degree of hydrolysis of CSL
由图2可知:当植酸酶添加量较低时,与底物相结合,反应速度随着酶添加量的升高而增加。随着酸性蛋白酶添加量升高,水解度也随着酶与底物比的增大而缓慢上升直至达到平衡。当植酸酶添加量超过0.15%后,水解度增长趋势较为平缓。
2.1.3 酶解温度对水解度的影响
在玉米浆中添加酸性蛋白酶添加量0.3%和植酸酶添加量0.2%进行混匀,通过不同温度对玉米浆进行酶解16 h。温度与玉米浆水解度关系如图3所示。
图3 酶解温度对玉米浆水解度的影响Fig.3 The effect of enzymolysis temperature on the degree of hydrolysis of CSL
由图3可知:随着温度逐渐升高,水解度随之升高,当温度大于50 ℃时,水解度开始降低。玉米浆水解度在50 ℃时达到最高值,然后随着温度升高而逐渐降低,酶活力最高的温度时水解效率最高,大于或小于这个温度就会使酶的活性降低。
2.1.4 酶解时间对水解度的影响
将酸性蛋白酶添加量0.3%和植酸酶添加量0.2%于玉米浆中进行充分混匀,于50 ℃下,对玉米浆酶解时间进行不同改变。时间与玉米浆水解度关系如图4所示。
图4 酶解时间对玉米浆水解度的影响Fig.4 The effect of enzymolysis time on the degree of hydrolysis of CSL
由图4可知:随着酶解时间延长,水解度随之升高,当酶解时间超过16 h后,水解度趋于平缓。玉米浆水解度16 h前一直在增加,之后水解度增幅微乎其微,16 h后玉米浆蛋白几乎被完全水解,因此水解度不再增加。
2.2 酶解条件正交实验
根据表1进行玉米浆酶解条件的正交实验,结果如表2所示。
表2 酶解玉米浆正交实验结果
由表2可知:根据R值,影响玉米浆水解度因素的顺序为B>A>C>D,影响最大的是植酸酶添加量,其次为酸性蛋白酶添加量,然后是酶解温度,最小的是酶解时间;根据K值,玉米浆酶解的最佳组合为A3B1C1D2,即酸性蛋白酶添加量为0.3%,植酸酶添加量为0.15%,酶解温度为50 ℃,酶解时间为16 h时,水解度最高。
2.3 谷氨酸发酵实验结果
将最佳酶解组合的酶解玉米浆应用于谷氨酸发酵。通过20 h短周期谷氨酸发酵实验,对比玉米浆对照组和酶解玉米浆实验组的发酵指标,结果如表3所示。实验组较对照组各项指标均有增长,其中产酸增长0.6%,理论酸增长10.09 g,转化率增长0.5%。
表3 20 h短周期发酵结果对比
通过24 h长周期谷氨酸发酵实验,对比玉米浆对照组和酶解玉米浆实验组的发酵指标,结果如表4所示。实验组较对照组各项指标均有增长,其中产酸增长0.8%,理论酸增长15.79 g,转化率增长0.8%。酶解玉米浆可有效降低染菌风险,酶解液中无机磷含量较高,微生物生物利用度提高,且在谷氨酸发酵中,有利于不饱和脂肪酸快速积累,从而提高产酸量。
表4 24 h长周期发酵结果对比
由表4可知:在谷氨酸发酵实验中,加入酶解玉米浆的新发酵工艺较原有发酵工艺,其发酵产酸和转化率均有明显提升。此工艺不仅可以大幅度提高玉米加工企业的经济效益,也为玉米浆原料的再利用提供了一定的理论基础和参考价值[13]。
3 结 论
通过对酸性蛋白酶、植酸酶添加量、酶解温度和酶解时间4种因素进行单因素及正交实验,确定玉米浆酶解最佳条件为:酸性蛋白酶添加量为0.3%,植酸酶添加量为0.15%,水解温度为50 ℃,水解时间为16 h。将最佳酶解组合的酶解玉米浆应用于谷氨酸发酵生产中,可完全替代酸水解蛋白液,其产酸指标提高0.6%～0.8%,转化率提高0.5%～0.8%。酶解后的玉米浆营养丰富,有助于提高菌体活力,提高谷氨酸产量,且玉米浆价格低廉,能够替代价格昂贵的酸水解蛋白液,同时减少酸水解蛋白液的使用,有效降低对环境的污染。
