植物类有机氮源及其在发酵行业的应用

皮诗宇

(湖北工业大学 生物工程与食品学院 教学实验中心 湖北 武汉 430068)

氮素[1]是组成氨基酸、蛋白质、激素、核酸以及叶绿素等有机大分子的基本元素[2],是调节植物生长发育的必需营养物质[3]。近些年来,有关生物发酵以及农产品加工行业的应用日益广泛,生产中利用有益微生物进行发酵,收集菌体或相关代谢产物用于增产、防病等方面的研究逐渐增多[4]。

植物类有机氮源,是有机氮源的一类分支,大部分植物类有机氮源作为饲料或肥料使用。但近年发现,植物类有机氮源中含有大量蛋白质,且相较于无机氮源和动物类有机氮源而言,具有丰富性和易处理性。文章拟从来源、组成成分、应用等方面,对植物类有机氮源的研究进展和存在的问题进行探讨,为植物类有机氮源的研发、生产和广泛应用提供参考。

1 植物类有机氮源的研究历史及现状

植物类有机氮源含有丰富的蛋白质、多肽、游离氨基酸以及糖类、脂类、维生素和某些生长因子[5]。经实验证明,无机氮源培养基中的菌体生长较慢,但在既有无机氮源又添加了有机氮源的菌体的生长明显加快,菌丝也有明显的增多。在有机氮源中富含的游离氨基酸及其他有机物都可以被菌体所利用生成不同结构的碳架,合成蛋白质,这种情况下甚至可以无需糖代谢合成。BELTRAN R等人通过研究发现,无机氮源的铵盐在发酵后期很难被利用,无机氮源发酵后总酸变化量较有机氮源明显,个别浓度处理的总酸变化量与对照相比差异显著,并随着氮源浓度增加总酸变化量有增加的趋势,经分析认为氯化铵和磷酸氢二铵都是生理酸性氮源,氨氮利用后游离出来的酸根使发酵后总酸增加[6-8],因此有机氮源发展前景可观。

当前植物类有机氮源发展中存在着一些问题,一是安全问题,植物类有机氮源存在着转基因和过敏性等争议,例如使用酸水解方法生产的产品可能存在三氯丙醇这类致癌物,这样的问题一直没有合理有效的解决办法。二是组分量化及稳定性问题,植物类有机氮源结构组分相对复杂,不同生产厂家不同生产批次的同类氮源都有较大的差异。

2 植物类有机氮源特点

2.1 基本组成成分

不同种类植物有机氮源的组成成分有所差异,由表1可知,各植物类有机氮源的组成成分有所差别,其中玉米浆的蛋白质含量最高,杂质相对较少,是很好的植物类有机氮源。

植物类的有机氮源主要来源于工厂生产糖、油脂后的废弃产物。在实际工厂生产糖、油脂物质时,会将大量的生产废料直接处理,没有进行二次加工利用。这不仅造成了资源浪费,而且对环境有一定不利影响。对植物类有机氮源的组成成分进行分析,可知植物类的有机氮源中除了高含量的蛋白质外,还含有大量的杂质,这些杂质是造成植物类的有机氮源无法在工业生产中进行大规模应用的主要原因。分析植物类有机氮源组成成分,可以从去除杂质组分的角度分析,从而提高植物类有机氮源中蛋白质的含量,使氮源含量增加,进一步提高植物类有机氮源的利用率。

表1 植物类有机氮源组成成分分析

2.2 植物类有机氮源蛋白质组成

植物类有机氮源提取主要利用其自身蛋白,不同种类的植物类有机氮源的蛋白质结构组成和含量不同。由表2可知,大多数植物类有机氮源都含有球蛋白,清蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白在部分植物类有机氮源中存在。对植物类有机氮源的蛋白组成成分进行分析,并进行进一步植物类有机氮源的乳化性、起泡性、疏水性等性质的分析,可以更好地掌握提高植物类有机氮源的方法。

表2 植物类有机氮源蛋白质量组成

2.3 氨基酸组成

植物类有机氮源作为饲料喂养禽畜的过程中,不同组氨基酸组成和含量的氨基酸会对禽畜生长造成不同的影响。对不同种的植物类有机氮源,存在同一种氨基酸的含量有所不同,含量的高低会使表观代谢率、真代谢率和表观消化率、真消化率有快慢之分,从而比较出差异。同时通过单因素、正交试验等优化微生物发酵条件,可知某一种或几种氨基酸组成含量会对微生物生长造成一定影响。由表3可知十八种必需氨基酸在不同种类的植物类有机氮源中含量不同,可作为植物类有机氮源在饲料应用方向和微生物发酵方面的研究基础。

表3 植物类有机氮源中氨基酸组成表 单位:g/(100 g)

3 植物类有机氮源在发酵行业的应用

3.1 L-氨基酸发酵

生物界各种蛋白质(除一些细菌的细胞壁中的短肽和个别抗生素外)几乎都是由L-氨基酸所构成,含D-氨基酸的极少。

L-苏氨酸是一种必需氨基酸,广泛应用于医药、食品和饲料等领域,并且其需求量日益增加[26-27],梁静波,马跃超等人[28]以工业级的棉籽饼粉水解液与豆饼水解液为对象,分析并比较了两种水解液在氨基氮和氨基酸成分上的差异,并以L-谷氨酸发酵为例[29],比较了两种有机氮源对发酵的影响,得到棉籽饼粉水解液可以作为一种新型的有机氮源应用于发酵行业中,具有广阔的工业应用前景。

3.2 产酸发酵

乳酸及其衍生物广泛地应用于食品、医药、饲料、化妆品、化工等领域[30],同时L(+)乳酸是一种用发酵法生产产品,微生物发酵是目前乳酸生产的主要方法[31]。李文友等人实验以玉米浆为有机氮源,以硫酸铵为主要无机氮源,研究了不同接种量对发酵过程的影响;并就以玉米浆替代酵母粉、豆粕水解液、生物素为有机氮源的L-乳酸发酵进行了对比研究实验,实验证明了玉米浆作为有机氮源用于L-乳酸发酵的可行性,使用玉米浆为有机氮源对保证生产能力的同时,进一步降低L-乳酸生产成本。

L(+)酒石酸是一种天然有机酸[32],其盐类较稳定,可用作食品添加剂,酸味值约为柠檬酸的1.3倍,而且是葡萄酒生产过程中唯一一种允许添加的酸味剂[33-34]。谭之磊,王洪翠等人[35]通过实验提高5-酮基-葡萄糖酸产量,利用5KGA的氧化葡萄糖杆菌GluconobacteroxydansHGI-1为出发菌株,研究不同有机氮源对5KGA产量的影响,通过摇瓶试验结果表明,玉米浆是最适氮源,可利用葡萄糖几乎全部转化为5KGA[36]。

3.3 抗生素

泰乐菌素从弗氏链霉菌(链球菌Mycesfradiae)是一种特殊的畜牧大环内酯类抗生素发酵产生的,低毒,广谱。弗氏链霉菌是泰乐菌素的产生菌,杨德[37]利用Plackett-Burman实验设计对泰乐菌素发酵培养基的有机氮源进行优化。结果表明,玉米蛋白粉和鱼粉的合理搭配使得培养基中的氨基酸含量更加平衡,但鱼粉过量会导致失衡。

4 总结与展望

植物类有机氮源,例如,米渣、豆粕、芝麻饼粕等大多数都来源于工厂加工生产糖类、油脂后所剩下的废弃物,这些废弃物中富含蛋白质,对于资源而言造成了极大的浪费,同时也使得环境受到污染。近年来,对植物类有机氮源的研究取得了许多可观的成果,大多数成果都应用于微生物的培养中,替代了常规的培养基组成,使食品、饲料、医药等方面发酵产业提高了产量。但同时植物类有机氮源的安全性、组分复杂和工厂生产的不规范化,造成如今的植物类有机氮源的发展没有达到预想的结果。所以,具有能成为有机氮源的植物要去除蛋白质以外的杂质,尽可能使浓缩蛋白中杂质减少的同时除杂手段应温和无污染,并分析其内部组成成分和结构,此类有机氮源在微生物生长的过程中,是否有不利影响。

目前,提取植物类有机氮源有化学法、生物法和酶法。化学法虽然提取率最高,但对环境造成一定污染,并且在食品等方面很难做到应用;生物法和酶法相对安全,同时成本方面较贵。因此为了保障人类及动植物的健康,应该投入更多的精力去研究关于植物类有机氮源通过酶法和生物法提取的优化方法,使得植物类有机氮源能够更好的发展。