玉米淀粉制糖發(fā)酵生產(chǎn)乳酸主要工藝技術(shù)分析

顧永華

(河南金丹乳酸科技股份有限公司，河南 鄲城 477150)

乳酸又名2-羥基丙酸(α-羥基丙酸，丙醇酸)，是采用微生物發(fā)酵精制而成的一種重要有機(jī)酸，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工、新材料等許多重要產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。如在食品工業(yè)中作為風(fēng)味劑、保鮮劑、防腐劑等，在醫(yī)藥工業(yè)中作為助溶劑、前體藥物制劑、載體劑等[1]。目前我國(guó)乳酸工業(yè)化生產(chǎn)主要采用玉米為原料，經(jīng)粉碎、液化、糖化、發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，玉米渣在液化結(jié)束后分離出來(lái)用作飼料。該工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，但因液化過(guò)程中物料成分復(fù)雜，制得的糖液中會(huì)殘留不定量的蛋白質(zhì)、脂類物質(zhì)、灰分等成分，造成發(fā)酵培養(yǎng)基成分不明確，發(fā)酵過(guò)程難控制，影響乳酸發(fā)酵的穩(wěn)定性，不利于發(fā)酵過(guò)程自控，并增加了提取分離工藝難度[2]。研究直接以玉米淀粉為原料，經(jīng)液化、糖化、發(fā)酵生產(chǎn)乳酸的工藝技術(shù)，可有效減少乳酸發(fā)酵過(guò)程中的不明雜質(zhì)進(jìn)入，有利于精細(xì)化發(fā)酵調(diào)控，使發(fā)酵過(guò)程可控，從而可提高乳酸發(fā)酵的穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

1 材料和方法

1.1 菌種

凝結(jié)芽孢桿菌JD-24625，河南省乳酸工程技術(shù)研究中心分離和保藏。

1.2 培養(yǎng)基

1.2.1斜面固體培養(yǎng)基(乳酸細(xì)菌培養(yǎng)基MRS)

蛋白胨，10.0 g；牛肉浸膏，10.0 g；酵母浸提物，5.0 g；葡萄糖，20.0 g；三水醋酸鈉，5.0 g；檸檬酸二銨，2.0 g；K2HPO4，2.0 g；MgSO4·7H2O，0.2 g；MnSO4·H2O，0.04 g；瓊脂，18.0 g；Tween-80，1.0 mL；CaCO3，5.0 g；蒸餾水，1 000 mL；pH值調(diào)至6.0。115 ℃高壓滅菌15 min。

1.2.2種子培養(yǎng)基

蛋白胨為20.0 g，酵母抽提物為10 g，葡萄糖為40.0 g，CaCO3為10.0 g，不加瓊脂和牛肉浸膏，其它成分同上。115 ℃高壓滅菌15 min。

1.2.3發(fā)酵培養(yǎng)基

玉米淀粉糖清液160 g/L，酵母抽提物為15.0 g/L，蛋白胨1.5 g/L，檸檬酸二銨2.0 g/L，K2HPO4為2.0 g/L，MgSO4·7H2O為0.2 g/L，MnSO4·H2O為0.05 g/L，NaCl為0.03 g/L，F(xiàn)eSO4·7H2O為0.01 g/L，三水醋酸鈉為5.0 g/L，吐溫1.0 mL/L。0.1 MPa蒸汽滅菌30 min。

1.3 培養(yǎng)方法

①斜面固體培養(yǎng)：溫度(45±1)℃，培養(yǎng)24 h。②種子液體培養(yǎng)：溫度(45±1)℃，100 r/min速度振蕩培養(yǎng)12 h。③發(fā)酵培養(yǎng)：溫度(50±1)℃，接種量10%，攪拌轉(zhuǎn)速75 r/min，通氣量0.5 m3/(m3·min)。

1.4 分析方法

糖成分、光學(xué)純度和發(fā)酵液中乳酸，高壓液相色譜法；總糖和還原糖，費(fèi)林試劑熱滴定法；發(fā)酵液中葡萄糖，生物傳感分析儀；氨基氮，甲醛法。

2 結(jié)果和討論

2.1 玉米制糖與玉米淀粉制糖所得糖清液成分對(duì)比

玉米制糖的工藝：玉米經(jīng)粉碎后，玉米粉經(jīng)調(diào)漿、0.1%(酶與淀粉量百分比)淀粉酶加量，90 min液化，過(guò)濾，在復(fù)合酶制劑用量0.15%、pH 值4.8、溫度60 ℃的條件下糖化24 h，制得乳酸發(fā)酵所需的玉米糖清液[3]。玉米淀粉制糖的液化和糖化與玉米制糖采用相同條件，制得玉米淀粉糖清液，經(jīng)檢測(cè)，主要成分對(duì)比見表1。

表1 玉米糖清液與玉米淀粉糖清液主要成分對(duì)比 %

由表1可知，玉米糖清液中葡萄糖含量較淀粉糖清液偏低，麥芽酮糖、二糖以及四糖以上的糖分含量較高。在乳酸發(fā)酵過(guò)程中，乳酸菌能直接利用的碳源主要是葡萄糖。因此，玉米淀粉糖清液比玉米糖清液更適合乳酸菌發(fā)酵生產(chǎn)乳酸。

2.2 玉米糖清液與玉米淀粉糖清液對(duì)乳酸發(fā)酵的影響

在1 t發(fā)酵罐中，玉米糖清液與玉米淀粉糖清液分別配制600 L，含糖量160 g/L的發(fā)酵培養(yǎng)基，進(jìn)行乳酸發(fā)酵，結(jié)果見表2。

表2 玉米糖清液與玉米淀粉糖清液對(duì)乳酸發(fā)酵的影響

由表2可知，玉米糖清液與玉米淀粉糖清液作為碳源發(fā)酵生產(chǎn)乳酸時(shí)，玉米淀粉糖清液具有更高的糖酸轉(zhuǎn)化率和更低的發(fā)酵殘?zhí)牵襆-乳酸光學(xué)純度提高顯著。因此，采用玉米淀粉為碳源發(fā)酵生產(chǎn)乳酸具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2.3 不同氮源對(duì)玉米淀粉糖清液發(fā)酵產(chǎn)酸的影響

目前乳酸生產(chǎn)中，乳酸細(xì)菌發(fā)酵所用氮源主要為有機(jī)氮源，這是由于有機(jī)氮中含有豐富的蛋白質(zhì)、多肽、游離氨基酸等，有利于乳酸細(xì)菌吸收利用[4]。以發(fā)酵培養(yǎng)基中15.0 g/L的酵母抽提物按照同樣含氮量分別替換成酵母粉、蛋白胨、牛肉膏、玉米漿和大豆水解液，其它條件相同的情況下進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)。研究這幾種常用有機(jī)氮源對(duì)玉米淀粉糖清液發(fā)酵產(chǎn)乳酸的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 不同氮源對(duì)乳酸產(chǎn)量的影響

由圖1可知，以酵母粉為氮源玉米淀粉糖清液發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，產(chǎn)乳酸量最高，玉米漿和大豆水解液次之，蛋白胨和牛肉膏偏低，可能是酵母粉含有可促進(jìn)乳酸菌生長(zhǎng)需要的維生素較多。因此，玉米淀粉糖清液發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，選擇酵母粉作為氮源較好。

2.4 中和劑對(duì)玉米淀粉糖清液發(fā)酵產(chǎn)酸的影響

乳酸發(fā)酵過(guò)程中，隨著發(fā)酵時(shí)間的增加，產(chǎn)生乳酸量逐漸增加，發(fā)酵pH值逐漸變低，過(guò)低的pH值對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)酸具有抑制作用?？刂埔粋€(gè)合適范圍的發(fā)酵pH值，比無(wú)pH值調(diào)控的過(guò)程，會(huì)得到更高的乳酸得率和生產(chǎn)能力。目前乳酸發(fā)酵過(guò)程中，pH值調(diào)控采用的中和劑被報(bào)道較多的氨水和NaOH，因后提取困難，在現(xiàn)有乳酸生產(chǎn)企業(yè)中較少被使用[5]。乳酸工業(yè)化生產(chǎn)中仍以鈣中和劑為主流，主要有Ca(OH)2、CaCO3和CaO。采用Ca(OH)2、CaCO3、CaO三種不同中和劑進(jìn)行玉米淀粉糖清液發(fā)酵生產(chǎn)乳酸試驗(yàn)，三種不同中和劑均制作成懸濁液，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 不同中和劑對(duì)發(fā)酵產(chǎn)酸的影響

從圖2可以看出，在使用Ca(OH)2作為中和劑時(shí)，玉米淀粉糖清液發(fā)酵產(chǎn)酸達(dá)到最大。

2.5 不同中和劑濃度對(duì)玉米淀粉糖清液發(fā)酵產(chǎn)酸和周期的影響

在乳酸工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中，過(guò)高或過(guò)低的中和劑濃度均不利于乳酸發(fā)酵進(jìn)行。過(guò)高的中和劑濃度,在流加進(jìn)發(fā)酵培養(yǎng)基過(guò)程中，因擴(kuò)散需要一定時(shí)間，會(huì)在發(fā)酵罐局部造成堿性過(guò)高，從而抑制菌體的生長(zhǎng)和產(chǎn)酸。而過(guò)低的中和劑濃度，會(huì)造成調(diào)節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基pH值過(guò)慢而影響發(fā)酵效率。在5 t容積的發(fā)酵罐中，試驗(yàn)不同中和劑濃度對(duì)玉米淀粉糖清液發(fā)酵產(chǎn)酸和發(fā)酵周期(以發(fā)酵培養(yǎng)基中葡萄糖為0且不再產(chǎn)酸判定發(fā)酵結(jié)束)的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，中和劑氫氧化鈣濃度<12%時(shí)，乳酸單位產(chǎn)量隨著中和劑濃度減小而減少，發(fā)酵周期增長(zhǎng)。這是由于過(guò)低的中和劑濃度，造成發(fā)酵培養(yǎng)基體積增加，乳酸和菌體濃度被稀釋，發(fā)酵效率降低。中和劑氫氧化鈣濃度>14%時(shí)，乳酸單位產(chǎn)量隨著中和劑濃度增大而減小，發(fā)酵周期較短。中和劑濃度在12%～14%，乳酸產(chǎn)量較大且發(fā)酵周期短，因此，玉米淀粉糖清液發(fā)酵生產(chǎn)乳酸選用中和劑濃度12%～14%較好。

圖3 不同中和劑對(duì)發(fā)酵產(chǎn)酸的影響

3 結(jié)論

玉米淀粉糖液比玉米糖液作為原料更適合乳酸菌發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，其糖酸轉(zhuǎn)化率和光學(xué)純度高，發(fā)酵殘?zhí)堑?。乳酸具有更高的糖酸轉(zhuǎn)化率，產(chǎn)品純度高、質(zhì)量好，玉米加工淀粉的副產(chǎn)物也將為企業(yè)帶來(lái)一定的收入，綜合計(jì)算成本并未增加。因此，以玉米淀粉為原料通過(guò)制糖、發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，可以成為我國(guó)乳酸行業(yè)提升產(chǎn)品純度和質(zhì)量的一種有效途徑。目前我國(guó)乳酸工業(yè)化生產(chǎn)中，以玉米為直接原料的發(fā)酵工藝已較為成熟，以玉米淀粉為原料，其發(fā)酵工藝也要有對(duì)應(yīng)的調(diào)整才能獲得最佳工藝技術(shù)。對(duì)玉米淀粉糖液發(fā)酵的影響因素(氮源、中和劑、中和劑濃度)進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)和分析，可為玉米淀粉制糖發(fā)酵生產(chǎn)乳酸工業(yè)化生產(chǎn)提供相關(guān)參考。