賈翠英,張明霞,張玉輝

(河南科技學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,河南新鄉(xiāng) 453003)

乳鏈菌肽發(fā)酵液活性炭脫色

賈翠英,張明霞,張玉輝

(河南科技學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,河南新鄉(xiāng) 453003)

考察了兩種不同形狀活性炭對乳鏈菌肽發(fā)酵液的脫色效果,分析了吸附條件對活性炭脫色效果及對乳鏈菌肽收率的影響,并對兩種不同形狀活性炭的吸附動力學(xué)作了初步考察。結(jié)果表明：25℃,120r/min,搖床脫色 8h,4.5g粒狀活性炭對 50mL乳鏈菌肽發(fā)酵液脫色率為 69.3%,乳鏈菌肽收率為 93.4%,而 0.2g粉狀活性炭 25℃,120r/min,搖床脫色 10h對 50mL乳鏈菌肽發(fā)酵液脫色率為 57.47%,乳鏈菌肽收率為 83.2%;90℃,30min水浴靜態(tài)脫色,粒狀活性炭脫色率 42.6%,乳鏈菌肽收率為 90.78%;粉狀活性炭脫色率為 56.76%,乳鏈菌肽收率為 89.84%;吸附脫色動力學(xué)研究發(fā)現(xiàn),粒狀活性炭表現(xiàn)為典型的單分子層吸附,而粉狀活性炭則表現(xiàn)為單分子層吸附和多分子層吸附的疊加。

乳鏈菌肽,活性炭,脫色

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

粒狀活性炭、粉狀活性炭 購自南開大學(xué)化工廠。

恒溫搖床培養(yǎng)箱,水浴鍋,超速離心機,721-W分光光度儀,pHS-3酸度計等。

1.2 乳鏈菌肽發(fā)酵液的制備及其澄清

乳鏈菌肽發(fā)酵液的制備工藝如下：在 1L攪拌式玻璃反應(yīng)器中(內(nèi)徑 100mm,高140mm),配有pH/溫度控制儀(JZ2001多參數(shù)測控儀,北京金眾科技有限公司 ),通過磁力攪拌器進行攪拌。L.lactis ATCC11454接入 CM種子培養(yǎng)基,30℃靜置培養(yǎng)12h,按 1(φ)的接種量轉(zhuǎn)入 1L反應(yīng)器中,裝料量為500mL,溫度由恒溫水浴控制在 30℃,通過蠕動泵自動流加 5mol/L的 NaOH維持 pH為 6.80±0.05。在發(fā)酵液上方通入適量過濾除菌的氮氣維持厭氧環(huán)境,輕微攪拌 (100r/min)保持發(fā)酵液均一,發(fā)酵 24h結(jié)束。

將發(fā)酵終了的乳鏈菌肽發(fā)酵液用濃鹽酸調(diào) pH為 2左右,煮沸 5min,以結(jié)束發(fā)酵過程。冷卻至室溫,于 4000r/min離心 15min,取上清得到澄清發(fā)酵液。

1.3 脫色實驗

1.3.1 粒狀活性炭和粉狀活性炭最適使用量的確定分別稱取 0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0g粒狀活性炭和 0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5g粉狀活性炭,置入內(nèi)盛 50mL澄清乳鏈菌肽發(fā)酵液的三角瓶, 25℃,120r/min搖床 10h左右,離心取上清,于 721分光光度計下λ=440nm處,測各個上清的吸光度,并利用瓊脂擴散法[4]測定各自的乳鏈菌肽效價,兼顧脫色效果和乳鏈菌肽效價確定粒狀活性炭的最適使用量。

1.3.2 粒狀活性炭和粉狀活性炭常溫吸附與熱吸附比較 根據(jù)粒狀活性炭和粉狀活性炭各自的最適使用量,粒狀活性炭選擇 0、0.5、2.5、4.5g三個梯度,粉狀活性炭則選擇 0、0.1、0.2、0.3、0.4g四個梯度,二者均分別稱取兩份,一份進行常溫吸附實驗,另一份用于熱吸附實驗。將 0、0.5、2.5、4.5g粒狀活性炭和0.1、0.2、0.3、0.4g粉狀活性炭,分別加入內(nèi)盛 50mL澄清乳鏈菌肽發(fā)酵液的三角瓶,一份于 25℃,120r/min搖床 10h左右,另一份于 90℃,水浴 30min,然后分別于 4000r/min,離心 10min取上清,于 721分光光度計下λ=440nm處,測各個上清的吸光度,并利用瓊脂擴散法測各自的乳鏈菌肽效價。而固體沉淀物則用pH 2的 HCl配制的 0.01N NaCl溶液于 120r/min搖床溶解洗滌(體積 30mL)10h左右后,離心取上清,測乳鏈菌肽效價。

1.3.3 粒狀活性炭和粉狀活性炭的靜態(tài)吸附動力學(xué)曲線 稱取 1g粒狀活性炭和 1g粉狀活性炭,分別加入內(nèi)盛 50mL澄清乳鏈菌肽發(fā)酵液的三角瓶, 120r/min搖床脫色,每隔 2h取樣離心取上清,于 721分光光度計下λ=440nm處測吸光度,以時間為橫坐標(biāo),以吸附量即每克吸附劑吸附發(fā)酵液中色素量(以每克吸附劑對發(fā)酵液脫色前后的吸光度的變化值表示)為縱坐標(biāo)作圖,得到粒狀活性炭和粉狀活性炭的靜態(tài)吸附動力學(xué)曲線。

1.3.4 粒狀活性炭和粉狀活性炭等溫吸附線 稱取1g粒狀活性炭和 1g粉狀活性炭,分別加入不同稀釋倍數(shù)的澄清乳鏈菌肽發(fā)酵液中 (50mL),稀釋倍數(shù)分別為 2、4、6、8、10倍,于 120r/min搖床脫色至吸附平衡。以加入吸附劑前的稀釋發(fā)酵液的吸光度為橫坐標(biāo),以吸附量即每克吸附劑吸附發(fā)酵液中色素量為縱坐標(biāo)作圖,得出各自的等溫吸附線。本實驗以加入吸附劑后稀釋發(fā)酵液的吸光度的變化值來表示吸附量。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒狀活性炭和粉狀活性炭最適用量的確定

圖 1和圖 2分別顯示了粒狀活性炭和粉狀活性炭對乳鏈菌肽發(fā)酵液的脫色結(jié)果。由圖 1可知,粒狀活性炭對發(fā)酵液中色素的吸附效果良好,而對發(fā)酵液中的乳鏈菌肽吸附作用不明顯,當(dāng)添加 4.5g粒狀活性炭于 50mL澄清乳鏈菌肽發(fā)酵液中,搖床脫色 10h左右后,脫色效果為 69.3%,乳鏈菌肽的收率為 93.4%,繼續(xù)增加活性炭克數(shù),脫色率不再變化,因此確定粒狀活性炭最適用量為 4.5g/50mL澄清發(fā)酵液。

圖1 粒狀活性炭脫色結(jié)果

圖 2顯示出粉狀活性炭對乳鏈菌肽和色素的吸附作用都有顯著變化,隨吸附劑活性炭克數(shù)的增加,發(fā)酵液吸光度下降,同時吸附劑對乳鏈菌肽的吸附量也增加。當(dāng)粉狀活性炭加入量為 0.1g/50mL和0.2g/50mL澄清發(fā)酵液時,脫色效果分別為 43.5%和66.1%,乳鏈菌肽收率接近 100%。但是,當(dāng)粉狀活性炭加入量為 0.3g時,乳鏈菌肽收率急劇下降,甚至全部被活性炭吸附,由此,可知粉狀活性炭最適用量為0.2g/50mL澄清發(fā)酵液,同時還可知粉狀活性炭脫色時存在進一步解吸附問題。

圖2 粉狀活性炭脫色分析

2.2 粒狀活性炭與粉狀活性炭常溫脫色與加熱脫色結(jié)果比較

圖 3和圖 4分別顯示了粒狀活性炭和粉狀活性炭常溫和加熱條件下,對乳鏈菌肽發(fā)酵液的脫色結(jié)果。由圖 3可知,常溫或加熱條件下,粒狀活性炭對發(fā)酵液的脫色效果及對乳鏈菌肽收率的影響規(guī)律一致,即隨活性炭劑量的增加,脫色效果增強,乳鏈菌肽收率下降。由圖 3還可知,粒狀活性炭 4.5g/50mL發(fā)酵液常溫搖床脫色8h后,脫色率為69.3%,乳鏈菌肽收率為 93.4%;90℃加熱脫色 30min,脫色率為42.6%,乳鏈菌肽收率為 90.78%。常溫和加熱條件下脫色比較可知,對于粒狀活性炭而言,常溫脫色效果優(yōu)于加熱脫色效果,且常溫脫色時的乳鏈菌肽收率也高于高溫脫色時的收率。

圖 3 粒狀活性炭常溫脫色與加熱脫色結(jié)果比較

由圖4可知,常溫或加熱條件下,粉狀活性炭對發(fā)酵液的脫色效果及對乳鏈菌肽收率的影響規(guī)律也一致,即隨活性炭劑量的增加,脫色效果增強,乳鏈菌肽收率下降。由圖 4還可知,粉狀活性炭 0.2g/50mL發(fā)酵液搖床 10h脫色后,脫色率為 57.47%,乳鏈菌肽收率為 83.2%,而 90℃加熱脫色 30min時,0.2g/50mL發(fā)酵液的脫色率為 56.76%,乳鏈菌肽收率為 89.84%?？梢?對于粉狀活性炭而言,常溫和加熱條件對粉狀活性炭脫色及對乳鏈菌肽收率的影響不顯著。

圖 4 粉狀活性炭常溫吸附與熱吸附比較

2.3 粒狀活性炭和粉狀活性炭靜態(tài)吸附動力學(xué)曲線

圖 5顯示了兩種不同形狀的活性炭的靜態(tài)吸附動力學(xué)曲線,由粒狀活性炭和粉狀活性炭靜態(tài)吸附動力學(xué)曲線可知,粒狀活性炭的吸附平衡時間為 8h,最大吸附量為 0.35,粉狀活性炭的吸附平衡時間為10h,最大吸附量為 0.13,可見,單位時間內(nèi)粒狀活性炭比粉狀活性炭有更大的吸附量,這可能說明了不同形狀造成色素與吸附劑發(fā)生吸附作用所經(jīng)歷的時間或路徑不同。

圖 5 粒狀活性炭與粉狀活性炭靜態(tài)吸附動力學(xué)曲線比較

2.4 粒狀活性炭與粉狀活性炭等溫吸附線

根據(jù) Langmuir吸附等溫線方程[13],將圖 6中的Q-1對 C-1作圖,得到一直線方程：Q-1=1.402C-1+ 1.207。粒狀活性炭對乳鏈菌肽發(fā)酵液內(nèi)色素的吸附等溫線方程：Q=0.828C/(1.16+C),而將圖 7中的Q-1對 C-1作圖,得到一直線方程：Q-1=0.9554C-1+ 0.9927,并算出粉狀活性炭對乳鏈菌肽發(fā)酵液內(nèi)色素的吸附等溫線方程：Q=1.007C/(0.962+C)。從粒狀活性炭和粉狀活性炭的等溫吸附線的類型看,粒狀活性炭表現(xiàn)為典型的單分子層吸附,而粉狀活性炭則表現(xiàn)為單分子層吸附和多分子層吸附的疊加。

圖6 粒狀活性炭吸附等溫線

圖7 粉狀活性炭吸附等溫線

3 討論

實驗考察了兩種不同形狀活性炭對乳鏈菌肽發(fā)酵液的脫色效果,確定了各自的最適用量,分別為粒狀活性炭 4.5g/50mL和粉狀活性炭 0.2g/mL,可知粉狀活性炭最適用量小于粒狀活性炭最適用量,原因主要是同質(zhì)量粉狀活性炭比粒狀活性炭具有更大的比表面積;通過溫度實驗發(fā)現(xiàn),溫度對粒狀活性炭脫色影響較明顯,對粉狀活性炭的脫色效果影響不明顯;對乳鏈菌肽效價的影響結(jié)果表明,無論是粒狀活性炭還是粉狀活性炭,影響效果均不明顯?？梢?在獲得相當(dāng)?shù)拿撋Ч耐瑫r要保持較高的乳鏈菌肽效價時,建議應(yīng)當(dāng)選用粉狀活性炭進行發(fā)酵液脫色。

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Decolorization of N isin’s ferm ent broth by active charcoal

JI A Cui-y ing,ZHANGM ing-xia,ZHANG Yu-hui
(School ofLife Science and Technology,Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China)

Decoloriza tion ofN is in’s fe rm ent b roth w ith two form s ac tive cha rcoa ls was inves tiga ted,and the effec t of decoloriza tion cond itions on decoloriza tion effic iency and N is in recove ry was a lso s tud ied,and fina lly the decoloriza tion kine tics of two form s ac tive cha rcoa ls we re a lso ana lyzed.The results showed tha t：the decoloriza tion effic iency of b roth and the recove ry effic iency of N is in we re69.3% and93.4% resp ec tive ly when us ing g ranula r ac tive cha rcoa l to decolorize a t25℃and rota tion sp eed of120r/m in for8h.For p owde r ac tive cha rcoa l,57.47%of decoloriza tion effic iency and83.2%ofN is in‘s recove ry effic iency we re ob ta ined resp ec tive ly,a t25℃and120r/m in rota tion sp eed for10h decoloriza tion.The decoloriza tion effic iency of b roth and the recove ry effic iency ofN is in we re 42.6%and90.78% resp ec tive ly when us ing g ranula r ac tive cha rcoa l to s ta tic decolorize by wa te r cooking a t90℃for30m in,and when us ing p owde r ac tive cha rcoa l to decolorize unde r the sam e cond itions,the decoloriza tion effic iency of b roth and the recove ry effic iency of N is in we re56.76% and 89.84% resp ec tive ly.The d iffe rent decoloriza tion m ode ls of two form s ac tive cha rcoa l we re p resented,for g ranula r ac tive cha rcoa l showed the s tanda rd s ing le m olecule adsorp tion and p owde r ac tive cha rcoa l showed the doub le orm ore m olecule adsorp tion.

N is in;ac tie cha rcoa l;decoloriza tion

TS201.3

A

1002-0306(2010)03-0300-04

乳鏈菌肽(Nisin)是由乳酸乳球菌的某些菌株產(chǎn)生的一種抗菌肽,是一種天然食品防腐劑,對人類的健康有著十分重要的意義,在食品、醫(yī)藥、飲料、化妝品等行業(yè)有著廣泛的作用[1-2]。乳鏈菌肽的生產(chǎn)多采用微生物發(fā)酵法[3-6],其發(fā)酵過程中培養(yǎng)基組分中碳源糖類物質(zhì)和氮源蛋白質(zhì)物質(zhì)之間發(fā)生美拉德反應(yīng),造成發(fā)酵液的顏色較深,一方面影響目標(biāo)產(chǎn)物乳鏈菌肽的質(zhì)量和感官,另一方面提取乳鏈菌肽后的發(fā)酵液中仍殘留大量色素物質(zhì),直接排放將對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。脫色是以吸附劑吸附為基礎(chǔ)的[7]。活性炭為最常用的吸附劑,具有比表面積大、吸附容量大、易再生、來源豐富且價格低廉等優(yōu)點[8],尤其是粉末活性炭具有驚人的比表面積 (800～2000m2/g),對液體的脫色率高、速度快、成本低?；钚蕴恳驯粡V泛應(yīng)用于發(fā)酵廢水的脫色以及糖廠發(fā)酵液色素的處理[9-11]。本文采用粒狀活性炭和粉狀活性炭,對乳鏈菌肽發(fā)酵液進行吸附脫色實驗,并在不同吸附條件下,進行了脫色效果的比較,考察兩種不同形狀活性炭對乳鏈菌肽發(fā)酵液脫色的動力學(xué)規(guī)律,為發(fā)酵行業(yè)的脫色研究提供新的參考。

2009-05-20

賈翠英(1974-),女,講師,研究方向：生物化工。