谷氨酸菌體蛋白硫酸水解工藝研究

白長勝

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院畜牧獸醫(yī)分院，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

味精生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量廢水，其中含有1%左右的谷氨酸菌體。在發(fā)酵廢液中加入絮凝劑，將pH調(diào)至等電點后經(jīng)提取、干燥、磨粉制得谷氨酸菌體蛋白。菌體蛋白是一種單細胞蛋白，含粗蛋白60%～70%，氨基酸態(tài)氮組成和比例較為均衡，此外,還含有豐富的維生素、礦物質(zhì)、核酸、糖類及生長因子等[1]，主要直接用作畜禽、水產(chǎn)的蛋白飼料，還有將其開發(fā)成生物肥料以培養(yǎng)食用菌[2-4]，水解后作為氨基酸態(tài)氮飼料添加劑、氨基酸葉面肥，水解后開發(fā)調(diào)味品或提取寡肽、核酸開發(fā)新型食品調(diào)味品等諸多方面研究[5-9]。

溫敏型谷氨酸發(fā)酵需要豐富的有機氮源，提供菌體生長繁殖及代謝產(chǎn)酸所必需的各種營養(yǎng)成分，豆粕水解液是溫敏型谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)中常用的有機氮源，其價格相對較高。谷氨酸菌體蛋白經(jīng)水解后會產(chǎn)生各種氨基酸態(tài)氮及多肽，與谷氨酸生產(chǎn)菌所需基本一致，如果能將谷氨酸菌體蛋白水解后替代豆粕水解液作為發(fā)酵原料，可以充分利用自身的原料優(yōu)勢，降低生產(chǎn)成本，增加企業(yè)效益。

本試驗采用硫酸水解谷氨酸菌體蛋白，對水解條件進行研究，獲得合適的水解工藝，將谷氨酸菌體蛋白按優(yōu)化后的工藝制備水解液后代替豆粕水解液應用于溫敏型谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)，對比發(fā)酵指標，驗證谷氨酸菌體蛋白水解液代替豆粕水解液的可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 材料與試劑

谷氨酸菌體蛋白；98%工業(yè)硫酸。

1.1.2 儀器與設備

1 L燒杯、立式壓力蒸汽滅菌器；JJ-1精密增力電動攪拌器 金壇市順華儀器有限公司；FE20實驗室pH計 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。

1.2 試驗方法[10]

取100 g菌體蛋白置于1 L燒杯中，根據(jù)試驗設計方案按酸料比與硫酸濃度配制硫酸溶液，同時用玻璃棒攪拌混勻后加入燒杯中，首先在90 ℃水浴鍋中攪拌3 h作為預處理，然后采用耐酸板框濾布封口，置于立式壓力蒸汽滅菌器，設定工作溫度后進行高溫高壓水解，達到水解時間后按滅菌器使用要求待其自然降溫后取出，過濾后濾液即為菌體蛋白水解液，記錄濾液體積。

1.3 分析方法[11]

1.3.1 總氮含量測定

采用凱式定氮法測定。

1.3.2 氨基酸態(tài)氮測定

采用甲醛滴定法測定。

1.3.3 水解率計算

以水解率作為判斷水解程度的指標，其計算公式如下：

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗

2.1.1 酸料比對水解效果的影響

圖1 酸料比對水解效果的影響Fig.1 Effects of ratio of acid volume to rawmaterial on hydrolyzation

硫酸過多，會增加高酸下的副反應，另外水解液在應用過程中需要使用堿性物質(zhì)調(diào)整pH值，所以水解時應盡可能減少硫酸用量，但用量太少，會造成水解不徹底，而且產(chǎn)物濃度過低，不利于發(fā)酵生產(chǎn)。由圖1可知，酸料比為0.4∶1時水解效果最好。

2.1.2 水解時間對水解效果的影響

圖2 水解時間對水解效果的影響Fig.2 Effects of hydrolysis time on hydrolyzation

隨著水解時間增加，氨基酸態(tài)氮濃度逐漸積累至最大，再繼續(xù)水解，不僅氨基酸態(tài)氮增加甚微，而且一些氨基酸態(tài)氮在酸性條件下受到破壞，減少水解液中的氨基酸態(tài)氮濃度，并且使能耗增大；在水解過程中，葡萄糖與氨基酸態(tài)氮在高溫下還會發(fā)生美拉德反應，使產(chǎn)品色澤焦黑，同時也消耗了水解液中的氨基酸態(tài)氮，使產(chǎn)品氨基酸態(tài)氮含量下降。但時間過短，水解不完全，也將影響收率，因此，當氨基酸態(tài)氮積累至最大濃度時，應停止水解，避免發(fā)生副反應。由圖2可知，水解24 h時效果最好。

2.1.3 水解溫度對水解效果的影響

圖3 水解溫度對水解效果的影響Fig.3 Effects of hydrolysis temperature on hydrolyzation

溫度升高，酸水解速度隨之加快，但溫度過高會引起氨基酸態(tài)氮發(fā)生脫羧反應，使游離氨基酸態(tài)氮含量減少，其水解度也明顯降低。由圖3可知，控制溫度在115 ℃時水解效果最好。

2.1.4 pH值對水解效果的影響

圖4 pH值對水解效果的影響Fig.4 Effects of initial pH on hydrolyzation

pH低則水解速度快且水解程度高，但pH過低時水解液中和耗堿過多，且會發(fā)生副反應，降低水解液中氨基酸態(tài)氮含量。由圖4可知，pH值在1.0時水解效果最好。

2.2 正交試驗[12-15]

在上述單因素試驗的基礎(chǔ)上，采用四因素三水平方案，設計正交試驗來優(yōu)化酸水解工藝條件，正交試驗設計及結(jié)果見表1，極差分析見表2。

表1 L9(34)正交試驗設計及結(jié)果Table 1 Results and design of L9(34) orthogonal experiments

表2 正交試驗極差分析Table 2 Range analysis of orthogonal experiments

由表2可知，各因素對谷氨酸菌體蛋白水解效果影響的主次順序為：酸料比>水解溫度>水解時間>pH值。最優(yōu)組合是A2B2C2D1，即酸料比0.4∶1，水解溫度為115 ℃，水解時間為24 h， pH值為0.8。采用此最優(yōu)條件進行驗證試驗，氨基酸態(tài)氮為39.3 g/L，水解率達到76.8%。

2.3 替代效果驗證

按照優(yōu)化后的水解工藝制作谷氨酸菌體蛋白水解液用于溫敏型谷氨酸發(fā)酵與使用豆粕水解液的原始發(fā)酵配方比較(二者等量替代，其余配方和工藝條件相同)，結(jié)果見表3。

表3 不同有機氮源對溫敏型谷氨酸發(fā)酵的影響Table 3 The effects of different nitrogen sources on temperature-sensitive glutamic acid fermentation

由表3可知，對谷氨酸菌體蛋白水解液和豆粕水解液分別進行溫敏型谷氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)，對比二者的各項生產(chǎn)指標未有明顯差異。證明谷氨酸菌體蛋白水解液代替豆粕水解液用于溫敏型谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)中是可行的。

3 結(jié)論

對菌體蛋白酸水解條件進行研究，采用單因素和正交試驗得到了一種較優(yōu)的酸水解工藝：酸料比0.4∶1，水解溫度為115 ℃，水解時間為24 h，pH值為0.8，在此條件下水解液中氨基酸態(tài)氮為39.3 g/L，水解率可達76.8%。將谷氨酸菌體蛋白按優(yōu)化后的水解工藝水解后應用于溫敏型谷氨酸生產(chǎn)，發(fā)酵水平無明顯差異。菌體蛋白是谷氨酸生產(chǎn)的副產(chǎn)品，含有豐富的蛋白質(zhì)和其他營養(yǎng)物質(zhì)，而且價格便宜，主要作為飼料添加劑，將其水解后作為發(fā)酵原料代替價格較高的豆粕水解液，充分利用了自身的原料優(yōu)勢，降低了生產(chǎn)成本，而且與做飼料添加劑相比，其價值更高，直接提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。