以玉米為原料發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸工藝條件優(yōu)化

孫華

摘? 要：L-乳酸工藝條件優(yōu)化措施的有效落實(shí)，一方面能夠有效提升玉米原料的整體利用率，縮減L-乳酸產(chǎn)品制備的成本，更好地保障產(chǎn)品的質(zhì)量;另一方面，憑借液化與糖化等工藝流程的調(diào)整，更能夠顯著提升整體產(chǎn)品的制備速率，使其更貼合產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的形式，增強(qiáng)產(chǎn)品在市場中的競爭力。該文基于玉米原料發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸工藝條件優(yōu)化要素展開分析，期望能夠?yàn)楹罄m(xù)生產(chǎn)提供良好參照。

關(guān)鍵詞：玉米;發(fā)酵生產(chǎn);L-乳酸;工藝優(yōu)化

中圖分類號：TQ921? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

L-乳酸是以玉米淀粉為主要原料，通過生物發(fā)酵技術(shù)精制得來的有機(jī)酸。其液體為無色澄清狀，與水、乙醇、乙醚能任意融合，并且具備較好的生物相容性，可以直接參與至人體新陳代謝中，并且無任何副作用，因此被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品和化妝品煙草等行業(yè)內(nèi)，具備極高的商業(yè)價值。而站在產(chǎn)品生產(chǎn)的角度來看，現(xiàn)有L-乳酸生產(chǎn)工藝仍停留在產(chǎn)品初級極端，若要得到質(zhì)量更好的產(chǎn)品，則勢必要對其制備工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

材料：選用單位培育的L-乳酸高產(chǎn)菌株凝結(jié)芽孢桿菌、基氮、斐林試劑。

儀器：全自動發(fā)酵罐、溶氧測定儀、恒溫水浴鍋、高壓蒸汽滅菌鍋、電子顯微鏡、噴射液化器及配套裝置、電子天平、溫度測定儀、pH計(jì)。

1.2 試驗(yàn)方法

首先，需取定量淀粉酶與水，將二者以一定比例混合，再攪拌，定容，制備成復(fù)合酶制劑，在玉米面粉調(diào)漿操作期間，逐步加入至其中，做好預(yù)液化操作，然后再借由噴射液化氣及配套裝置進(jìn)行徹底液化，通過過濾措施將玉米蛋白粉篩出，對液體進(jìn)行糖化操作，最后再由發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵，隨后制成L-乳酸產(chǎn)品。

篩出的玉米蛋白粉則需要經(jīng)過烘干處理，隨后便可包裝存儲。

1.3 工藝優(yōu)化對策

1.3.1 玉米粉液化工藝優(yōu)化

不同調(diào)漿溫度、預(yù)液化時間、加酶量對玉米粉液化的影響如下：玉米粉加水調(diào)漿后迅速吸水膨脹，通過調(diào)整調(diào)漿溫度，抑制細(xì)菌的繁殖，再加入一定比例的淀粉酶，在淀粉酶的作用下，淀粉變成溶解狀態(tài)。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果觀察可知，調(diào)漿溫度在95 ℃時，預(yù)液化時間60 min，液化時間90 min，淀粉酶加入比例為0.1%時效果較好。

1.3.2 糖化工藝條件的優(yōu)化

糖化工藝條件的研究主要包括：糖化溫度、pH值、加酶量和反應(yīng)時間等4個因素，目的是得到符合乳酸發(fā)酵要求的葡萄糖液。由于4個因素緊密相關(guān)，采用L9（34）進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，其因素水平見表1。

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果可知，確定糖化的最佳條件為即糖化溫度60 ℃，糖化時間24 h，糖化pH值4.8，復(fù)合酶制劑用量0.15%。比較原有糖化工藝，不但在工藝條件方面得到了顯著改善，使得可發(fā)酵性的得率提升較高，同時糖液的過濾速度也得到了保障，使玉米原材料的利用率得到了較大的提高，為后續(xù)L-乳酸發(fā)酵工藝的持續(xù)發(fā)展奠定了較扎實(shí)的基礎(chǔ)。

2 發(fā)酵工藝各項(xiàng)條件的優(yōu)化

2.1 發(fā)酵營養(yǎng)條件的優(yōu)化

2.1.1 氮源影響

為明確不同氮源對L-乳酸發(fā)酵的影響，使發(fā)酵工藝條件得到更合理的改善，該次試驗(yàn)共選用了酵母膏、麩皮、棉籽蛋白粉和玉米漿4種氮源，并在同種反應(yīng)環(huán)境和處理流程中進(jìn)行了對比。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，酵母膏的發(fā)酵產(chǎn)量最高，其次便是玉米漿，而麩皮與棉籽蛋白粉的產(chǎn)量較低，并不符合工業(yè)化生產(chǎn)的需要。期間，若選用酵母膏作為主要生產(chǎn)氮源，其成本較高，很難為工業(yè)化生產(chǎn)提供充足的經(jīng)濟(jì)效益，而玉米漿的成本較低廉，并且產(chǎn)酸量相對于酵母膏差距不大，所以能為企業(yè)提供客觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2.1.2 糖濃度影響

為了明確糖濃度對發(fā)酵工藝的影響，在全自動發(fā)酵罐基礎(chǔ)上，將糖濃度控制在170 g/L～250 g/L，期間濃度由低到高分別試驗(yàn)。經(jīng)由菌體產(chǎn)酸檢測結(jié)果可知，L-乳酸發(fā)酵工藝最適合的濃度為230 g/L，而后濃度的提升對發(fā)酵產(chǎn)酸量的影響不明顯。

2.2 各項(xiàng)發(fā)酵條件對L-乳酸發(fā)酵的影響

2.2.1 接種量的影響

為明確不同接種量對發(fā)酵周期的影響，在菌種選育的基礎(chǔ)上，需要嚴(yán)格把控發(fā)酵材料的質(zhì)量配比，而后再對發(fā)酵周期數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以便對比得出結(jié)論。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在接種量占發(fā)酵材料的10%時，L-乳酸的發(fā)酵周期能夠較迅速的縮短至47 h，而后持續(xù)增大接種量，變化并不顯著，因此接種量控制在10%，是最合適的配比。

2.2.2 溫度的影響

為了明確不同溫度環(huán)境對發(fā)酵產(chǎn)酸的影響，本次試驗(yàn)將發(fā)酵溫度控制在49 ℃、50 ℃與51 ℃，發(fā)酵時長控制在60 h，并分別設(shè)立了試驗(yàn)組，以便對菌體成長的狀況進(jìn)行對照。而結(jié)合試驗(yàn)資料可知，L-乳酸在發(fā)酵期間，49 ℃與51 ℃在0～40 h區(qū)間的產(chǎn)酸量雖一直呈極為明顯的上升趨勢，但之后呈現(xiàn)出了較明顯的下滑趨勢，而50 ℃的反應(yīng)則較為平穩(wěn)，因此也更適用于工業(yè)生產(chǎn)。

2.2.3 pH值的影響

為了明確不同pH值對發(fā)酵產(chǎn)酸的影響，該次試驗(yàn)將反應(yīng)pH值控制在4.5～8.0，并列舉了多個試驗(yàn)組別。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果可知，菌體生長及產(chǎn)酸在pH值4.5～6.2，其產(chǎn)量一直呈現(xiàn)較明顯的上升趨勢，而在pH值6.2～8.0階段，產(chǎn)量下滑也較為嚴(yán)重，因此為保證菌體生長量吻合工業(yè)生產(chǎn)需求，其發(fā)酵環(huán)境的pH值理應(yīng)控制在6.2。

2.3 發(fā)酵工藝整合優(yōu)化

根據(jù)上述各項(xiàng)優(yōu)化試驗(yàn)可知，糖濃度為230 g/L，接種量為10%，溫度為50 ℃，pH值為6.2，氮源為玉米漿是最適合工業(yè)生產(chǎn)的搭配，但在生產(chǎn)制備經(jīng)驗(yàn)尚不充分的情況下，以上工藝優(yōu)化措施是否存有內(nèi)在干擾仍不得而知，因此便需要對發(fā)酵工藝進(jìn)行整合優(yōu)化，并查看各類因素是否存在相互抑制或干擾的情況。

在整合期間，該次試驗(yàn)主要采用了二水平設(shè)計(jì)與響應(yīng)面分析2種舉措。

其中，二水平設(shè)計(jì)是借由mintab軟件對各項(xiàng)試驗(yàn)元素的整合，通過特性認(rèn)定進(jìn)行復(fù)次模擬試驗(yàn)，分析是否存在干擾與影響因素的檢測方法。在這一過程中，每個影響因素都會選擇一個較高和較低的水平，然后通過假定響應(yīng)值區(qū)間判定最適宜的搭配方案。

響應(yīng)面分析是基于二水平設(shè)計(jì)確定主要影響要素的研究辦法，在多次模擬試驗(yàn)中，能夠有效篩選出潛在的問題，并可以進(jìn)一步縮減試驗(yàn)誤差。而通過歸回方程可知，溫度50 ℃。pH值6.2的環(huán)境中，所產(chǎn)出的乳酸產(chǎn)量高于多次試驗(yàn)的平均值，因此可證明上述工藝優(yōu)化條件能夠?yàn)長-乳酸的生產(chǎn)提供充足保障。

3 結(jié)語

以玉米為原料發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸工藝條件優(yōu)化措施的有效落實(shí)，不但能夠以經(jīng)濟(jì)為前提，在原有產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)上提供更高效的生產(chǎn)方案，顯著提升工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，同時糖濃度、氮源、接種量、溫度、pH值等工藝元素的有效管控，更能夠提升工藝生產(chǎn)的穩(wěn)定性，進(jìn)一步降低產(chǎn)品原料的損耗。因此，在論述l-乳酸工藝條件如何優(yōu)化期間，必須明確各類因素可能對發(fā)酵工藝造成的影響，并做好各項(xiàng)試驗(yàn)做好論據(jù)，才能為后續(xù)生產(chǎn)工藝的可持續(xù)優(yōu)化奠定更扎實(shí)的基礎(chǔ)。

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