玉米漿在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用及研究進展

王 婷，張德志，蔡檸勻，陳 寧，徐慶陽

（1．天津科技大學(xué) 生物工程學(xué)院，天津300457；2．天津科技大學(xué) 代謝控制發(fā)酵技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，天津300457）

玉米漿（Corn steep liquer，CSL）是玉米淀粉制備的副產(chǎn)物，可通過濕磨法制備。玉米漿含有大量的亞硫酸、肽、多糖、蛋白質(zhì)和各種氨基酸，如精氨酸、谷氨酸、組氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸和β－苯乙胺。玉米漿的主要用途有：用作水溶性植物蛋白及水溶性維生素、復(fù)合肥料添加劑、發(fā)酵氮源和纖維飼料。玉米漿中的大多數(shù)化學(xué)成分是通過發(fā)酵法合成的氨基酸前體，占玉米漿干質(zhì)量的25%。用鹽酸水解18h，肽和蛋白質(zhì)水解成氨基酸，且含量可達到干質(zhì)量的50%以上［1］。目前，僅有很少一部分玉米漿用于氨基酸發(fā)酵。玉米漿在氨基酸發(fā)酵中被用作有機氮源和生長因子的供應(yīng)者，它富含的生物素和限制性氨基酸對各種氨基酸的發(fā)酵有很大影響［2－4］。作為廉價高效的發(fā)酵氮源，增加氨基酸發(fā)酵中玉米漿的使用量，以減少或代替一部分有機氮源，如豆粕水解液、酵母粉和毛發(fā)粉等［5－8］，可以提高玉米漿價值，降低氨基酸生產(chǎn)成本。在青霉素發(fā)酵培養(yǎng)基中，玉米漿的含量對菌絲、氨氮代謝、糖代謝、發(fā)酵周期和發(fā)酵效價等工藝參數(shù)影響很大。

1 玉米漿的基本化學(xué)組成

通常，用于氨基酸發(fā)酵的玉米漿約20°Be′，質(zhì)量濃度1．08～1．15kg／L，水的質(zhì)量分數(shù)為46%～50%，還原糖的質(zhì)量分數(shù)＞5．5%，氨的質(zhì)量分數(shù)＞3．6%，無機物的質(zhì)量分數(shù)＞10%，氨氮的質(zhì)量分數(shù)＞0．9%，乳酸的質(zhì)量分數(shù)為9%～12%。

1．1 氨基酸

測定玉米漿的組成成分，顯示含有組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸；檢測三氯乙酸的提取物，發(fā)現(xiàn)了氨基酸化合物，如羥基脯氨酸、γ－氨基丁酸和天門冬酰胺等［9］。

1．2 維生素

玉米漿含有維生素B25μg／mL，尼克酰胺89μg／mL，泛酸22．5μg／mL，生物素0．125μg／mL。在玉米漿所含的11種維生素中，膽堿（0．2%）和肌醇（0．35%）所占比例最高，而維生素B12與葉酸含量相對較少［10］。

1．3 礦物質(zhì)元素

陳逸琚等［11］利用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICPMS）檢測到玉米漿干粉中存在砷、鎘、鉻、銅、鉛和鋅。研究結(jié)果表明，玉米漿干粉中還含有微量金屬元素銅、鋅和鉛［12］，含量如表1所示。

表1 玉米漿干粉中微量金屬質(zhì)量濃度Table 1 Trace elements contents in dry CSL

2 玉米漿主要營養(yǎng)成分及特點

濃縮后的玉米浸漬液為黏稠狀，帶有芳香氣息的糊味，呈黃棕色。玉米浸漬液富含玉米的可溶性養(yǎng)分，具有營養(yǎng)豐富和營養(yǎng)價值高的特點。玉米漿的營養(yǎng)成分包括：可溶性蛋白質(zhì)、乳酸（LA）、糖類和淀粉等，并富含多種氨基酸、礦物質(zhì)、微量元素和維生素，其中膽堿含量為6．99×103IU／kg，肌醇含量為1．20×103IU／kg。

3 玉米漿生產(chǎn)工藝

玉米深加工的第一步為玉米浸泡。在浸泡過程中，有大量的浸泡水產(chǎn)生，玉米浸泡水被直接排放至污水處理廠，造成了資源浪費和環(huán)境污染。為了變廢為寶，鼓勵企業(yè)深度開發(fā)玉米漿及其生產(chǎn)工藝顯得尤為重要。

呂滿霞等［13］研究了玉米漿的生產(chǎn)工藝。采用中溫α－淀粉酶和糖化酶的雙酶法進行分段酶解，獲得生產(chǎn)甜玉米汁的最佳條件為：料液比為m（玉米）∶V（水）＝14g／mL，中溫α－淀粉酶0．35%，55℃液化25min，糖化酶0．15%，55℃糖化20min。最終測定玉米汁中可溶性固形物的質(zhì)量分數(shù)為3．9%。

郭成宇等［14］用速凍玉米研究了玉米漿生產(chǎn)的新工藝。該工藝中，沒有過濾和糊化過程，玉米的利用率為100%。通過檢測玉米漿的顆粒直徑、沉降速率、懸浮物的穩(wěn)定性和感官評價來確定玉米漿最優(yōu)的工藝參數(shù)為：磨漿2次；均質(zhì)壓力30MPa；均質(zhì)溫度40℃；均質(zhì)2次；滅菌121℃，25min。最終，產(chǎn)品保質(zhì)期達6個月。工藝流程為：蔗糖和復(fù)合穩(wěn)定劑→混合均勻→化膠→新鮮速凍糯玉米→緩凍→磨漿→定容→攪拌→均質(zhì)→灌裝→滅菌→檢測和感官評定。

4 玉米漿的應(yīng)用

4．1 在氨基酸發(fā)酵工藝中的應(yīng)用

玉米漿是最廉價的氮源，含有豐富的營養(yǎng)成分，是微生物合成代謝的促進劑，目前，在生物制藥、氨基酸發(fā)酵和酶制劑等領(lǐng)域中，作為氮源被廣泛利用［15］。左瑩等［16］研究表明：在氨基酸發(fā)酵時，為了降低發(fā)酵成本，可以使用玉米漿替代或部分替代其他氮源，如豆粕水解液、酵母粉和蛋白胨。向夢雄［17］優(yōu)化了發(fā)酵培養(yǎng)基，采用堿法對玉米漿預(yù)處理，并將玉米漿作為唯一氮源，使Blakeslea trispora的β－胡蘿卜素的積累量達到60．36mg／L。丁涓等［18］報道在用玉米漿為氮源的培養(yǎng)基中培養(yǎng)嗜熱乳酸鏈球菌并進行L－乳酸發(fā)酵，實驗結(jié)果顯示：用41g／L的玉米漿代替牛肉膏作為氮源是可行的，L－乳酸的積累量為11g／L。對比其他乳酸發(fā)酵培養(yǎng)基，可以在很大程度上降低生產(chǎn)成本。張俊剛［19］比較了有機氮源在氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)中的作用，與豆粕、毛發(fā)水解液和毛發(fā)粉溶液相比，使用玉米漿水解液生產(chǎn)絲氨酸、脯氨酸、胱氨酸、精氨酸和蘇氨酸，產(chǎn)量顯著高于其他氮源。

4．2 在動物飼料中的應(yīng)用

在加工玉米副產(chǎn)物及農(nóng)副產(chǎn)品的過程中，可通過提高玉米利用率降低發(fā)酵飼料的生產(chǎn)成本。同時，玉米漿含可溶性蛋白、糖分、生長素和一些前體物，其中可溶性蛋白和糖分的質(zhì)量分數(shù)分別為16%～30%和11%，為微生物生長提供了優(yōu)質(zhì)有機氮源和碳源。所以，在生物發(fā)酵過程中，可以用玉米漿作為營養(yǎng)成分的補充劑；還可以利用乳酸桿菌和玉米漿，與葡萄糖釀酒渣一起發(fā)酵生產(chǎn)乳酸；也可以使用酵母與低乳糖的玉米漿和蔗糖蜜，進行乳糖酶工業(yè)化生產(chǎn)。李紅宇等［20］的研究指出：通過玉米漿與秸稈不同比例混合發(fā)酵，在黃貯玉米秸中添加25%～30%玉米漿，制成纖維發(fā)酵飼料，增加了飼料的能量、蛋白質(zhì)含量及其他營養(yǎng)成分，提高了適口性。

目前，微生物發(fā)酵飼料相關(guān)的研究報道很多。李泳寧［21］等報道了微生物發(fā)酵飼料在飼養(yǎng)仔豬中的作用。該研究通過分組對照實驗，研究了微生物發(fā)酵飼料對仔豬的生長和預(yù)防腹瀉中的作用。實驗結(jié)果顯示：當(dāng)微生物發(fā)酵飼料的用量為1．0%時，料肉比下降，仔豬腹瀉率減少，糞便中大腸桿菌危害降低，直腸中雙歧桿菌和乳酸桿菌增多。該研究有力證明：微生物發(fā)酵飼料是一種安全、高效、綠色的產(chǎn)品，并且可以減少獸用抗生素在畜牧養(yǎng)殖中的使用。也有研究按照一定比例混合以下副產(chǎn)品：木薯酒精糟、濕法糖渣、DDS、檸檬酸糟、玉米漿和玉米芯，在加入輔料后，再進行復(fù)合菌種的微生物發(fā)酵，制備出高能量或高蛋白質(zhì)的微生物飼料［22］。該研究對生物發(fā)酵副產(chǎn)品的有機整合、變廢為寶以及提高廉價原料的附加值產(chǎn)生積極意義，同時也可解決大型氨基酸生產(chǎn)企業(yè)的玉米浸泡液過剩的問題。

4．3 在生物制藥中的應(yīng)用

在生物反應(yīng)器中，微生物發(fā)酵的過程受各種因素影響，如基因的遺傳特性、細胞的代謝調(diào)節(jié)以及反應(yīng)器的傳遞混和等。在發(fā)酵過程中，某個因素的影響常常會對全局產(chǎn)生負面作用。在青霉素的發(fā)酵生產(chǎn)中，玉米漿的添加比例不僅影響菌絲最大濃度、菌絲生長、菌絲結(jié)構(gòu)和菌體代謝，還影響發(fā)酵周期和發(fā)酵效價。龐巧蘭等［23］研究了玉米漿的添加比例在青霉素發(fā)酵培養(yǎng)基中對發(fā)酵產(chǎn)物的影響。當(dāng)玉米漿的質(zhì)量分數(shù)為3．6%～4．0%（以玉米漿干物質(zhì)計）時，可在最大程度上提高發(fā)酵液質(zhì)量和降低發(fā)酵成本。

4．4 應(yīng)用中存在的問題

在實際生產(chǎn)中，不同批次的玉米漿品質(zhì)差異較大，影響其作為氮源的穩(wěn)定性。為了在谷氨酸的發(fā)酵過程中避免此問題，叢澤峰等［24］在發(fā)酵培養(yǎng)基中添加了玉米漿水解液（10g／L），把玉米漿進行水解，并優(yōu)化了發(fā)酵工藝，提高了發(fā)酵水平。有研究表明玉米漿中的天冬氨酸和蘋果酸是谷氨酸棒桿菌中磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（Phosphoenolpyruvate carboxylase，PPC）的強抑制劑，解決該問題時可將該菌株進行基因組改造，獲得PPC酶營養(yǎng)缺陷型菌株，降低玉米漿中PPC酶抑制劑的作用，增加氨基酸的積累和轉(zhuǎn)化率，降低生產(chǎn)成本，增加經(jīng)濟收益［25］。

5 結(jié) 論

由于玉米漿富含氨基酸、維生素、生長因子和氨基酸的前體物，尤其是其中的VH和限制性氨基酸對菌體細胞生長、發(fā)酵和產(chǎn)酸、糖酸轉(zhuǎn)化率提高有積極作用。在調(diào)整生產(chǎn)工藝后，玉米漿可代替昂貴的有機氮源，如豆粕水解液、酵母粉和蛋白胨。玉米漿穩(wěn)定性差的問題可以通過添加水解液和使用前嚴格檢測的方式解決，揚長避短，充分發(fā)揮玉米漿在微生物發(fā)酵過程中積極作用。在微生物制藥產(chǎn)業(yè)中，大多數(shù)藥物都是通過發(fā)酵獲得，但長期服用抗生素，會對機體造成損傷，并使機體產(chǎn)生耐藥性。獸用抗生素在畜牧養(yǎng)殖中應(yīng)用廣泛，開發(fā)不含抗生素的微生物發(fā)酵飼料，可以在很大程度上解決抗生素濫用、藥物殘留和抗藥性問題，為生產(chǎn)無抗生素的、富含多種氨基酸的飼料開辟新的經(jīng)濟道路。