張順棠,任 偉,劉繼東

(蓮花健康產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司 博士后科研工作站,河南 項(xiàng)城 466200)

谷氨酸被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品和飼料等行業(yè),是國內(nèi)生產(chǎn)量最大的氨基酸,在我國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)中占有非常重要的地位,2016年全國谷氨酸鈉產(chǎn)量達(dá)到270萬噸[1]。我國是世界上最大的谷氨酸生產(chǎn)國,谷氨酸產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的70%以上[2]。發(fā)酵法生產(chǎn)谷氨酸的底物碳源物質(zhì)是淀粉糖,淀粉糖是采用玉米、大米和薯類等富含淀粉的作物為原料,經(jīng)過深加工產(chǎn)出淀粉或淀粉乳,酶法水解生產(chǎn)的一類糖[3]。國內(nèi)谷氨酸生產(chǎn)廠家大多利用玉米淀粉糖生產(chǎn)谷氨酸,通常從玉米加工淀粉開始,采用濕法工藝將玉米加工成淀粉乳,加工淀粉乳的過程需要制備浸泡水,浸泡水中SO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%,浸泡后的玉米蛋白質(zhì)網(wǎng)充分分散,最后網(wǎng)狀組織破壞,轉(zhuǎn)變成細(xì)小的球形蛋白質(zhì)顆粒,經(jīng)過離心分離,蛋白質(zhì)從淀粉乳中分離出來。制備SO2和浸泡玉米的過程中揮發(fā)出大量的SO2氣體產(chǎn)生大氣污染;浸泡水的pH為3.5,對(duì)生產(chǎn)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重,設(shè)備損壞較快。濕法工藝生產(chǎn)的淀粉乳中淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%～25%,蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.3%。淀粉乳中蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高低對(duì)制備葡萄糖液的黏度影響很大,黏度的高低影響糖液過濾時(shí)的難度和速度,也影響谷氨酸發(fā)酵過程中泡沫的形成和逃液現(xiàn)象。

隨著玉米加工裝備水平的提高,玉米脫胚去皮設(shè)備性能和效率有了很大的提升[4-5],玉米干法和半干法加工工藝得到了發(fā)展[6-8]。酶制劑行業(yè)新型酶制劑的推廣和應(yīng)用給淀粉生產(chǎn)過程中黏度的降低和過濾問題的解決提供了新方案[9],纖維素酶、蛋白酶和脂肪酶等新型酶制劑在淀粉和淀粉糖加工過程中的應(yīng)用,促進(jìn)了淀粉加工和制糖工藝的改進(jìn)和提高。筆者采用玉米半干法脫胚工藝,首先利用脫胚機(jī)去除玉米粒的胚和皮,制成玉米糝;接著再利用磨粉機(jī)將玉米糝磨成玉米粉,進(jìn)而配制成玉米粉乳,氣浮分離玉米蛋白質(zhì);然后采用復(fù)合酶法分步水解工藝將玉米粉乳制成葡萄糖液,在糖化過程中添加不同比例的普魯蘭酶可提高糖液中葡萄糖的質(zhì)量濃度,添加木瓜蛋白酶將玉米蛋白質(zhì)水解成氨基酸或多肽,降低糖液的黏度;最后利用含有氨基酸的玉米粉糖發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸,提高谷氨酸產(chǎn)酸率,確定普魯蘭酶和木瓜蛋白酶合適的添加比例。

1 設(shè)備儀器與原輔料

1.1 主要設(shè)備儀器

Beall-1000型玉米脫胚機(jī),美國Beall公司;50-B型玉米磨粉機(jī),江陰市正則機(jī)械設(shè)備有限公司;HYZ-3噴射液化器,安徽興全液化裝備機(jī)械有限公司;4 m3配料罐、浸潤罐、氣浮漂浮槽、液化罐、儲(chǔ)糖罐,蓮花健康產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司產(chǎn)品;400-3型板框過濾機(jī),揚(yáng)州潤明智能科技有限公司;50 L發(fā)酵罐、10 L種子罐(溫度、風(fēng)量和pH為自控),上海國強(qiáng)生化裝備有限公司;凱氏定氮儀,上海玻璃儀器廠;SBA-40C生物傳感儀,山東省科學(xué)院生物研究所;NDJ-8S型數(shù)字旋轉(zhuǎn)黏度計(jì),山東美科儀器有限公司;721分光光度計(jì),上海奧析科學(xué)儀器有限公司;MATRIX-1型近紅外光譜分析儀,德國布魯克BRUKER公司。

1.2 主要原輔料

谷氨酸棒桿菌“LHWJ-12”,蓮花健康產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股有限公司保藏;商品玉米(簡稱玉米,水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%),蓮花健康產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司收儲(chǔ);玉米淀粉乳,蓮花健康產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司;耐高溫α-淀粉酶、α-糖化酶,河南蓮花酶制劑有限公司;纖維素酶、普魯蘭酶、木瓜蛋白酶,諾維信公司;純堿,山東嘉潤化工有限公司;鹽酸,天津樂金渤海化學(xué)有限公司。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 玉米粉的制備

玉米經(jīng)過3層篩分(1層篩面圓孔Φ18～20 mm、2層篩面圓孔Φ12～15 mm、3層篩面圓孔Φ2～5 mm)去除雜質(zhì)和小玉米粒[10]。稱量玉米并投入浸潤罐,噴淋加入約7.5%的清水,溫度維持為50 ℃,浸潤時(shí)間為2～4 h,玉米水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%后,將玉米輸送進(jìn)入脫胚機(jī)(脫胚、脫皮、破糝一體機(jī)),改變玉米顆粒形狀和大小[11],風(fēng)選分離出玉米胚、皮和糝,將玉米糝送入磨粉機(jī),磨制成細(xì)度100目以上的玉米粉。

2.2 玉米粉糖的制備

將玉米粉投入調(diào)漿罐,加入2.5倍的清水,攪拌均勻,加入0.2‰的纖維素酶,攪拌30 min泵入氣浮漂流槽,氣浮20 min開啟漂流槽刮板分離器,分離出漂浮于液面上層的玉米蛋白質(zhì),分離出的玉米蛋白輸送到烘干箱,控制溫度為130 ℃進(jìn)行烘干。分離后的料液泵入配料罐,加入鹽酸調(diào)節(jié)pH為6±0.1配制成玉米粉乳,加入0.35‰的耐高溫α-淀粉酶,攪拌10 min。開啟液化噴射器,控制噴射器進(jìn)料流量為2 m3/h,控制噴射溫度為(110±2) ℃,噴射液泵入液化罐,噴射完成后調(diào)節(jié)料液溫度為(96±2) ℃,保溫120～150 min后進(jìn)行液化。當(dāng)液化液DE達(dá)到15%時(shí),降低溫度到(60±1) ℃,加入鹽酸調(diào)節(jié)pH為4.3±0.1,加入0.45‰的α-糖化酶,同時(shí)分別加入不同比例的普魯蘭酶和酸性木瓜蛋白酶,保溫維持45 h后進(jìn)行糖化。當(dāng)DE達(dá)到96%～98%時(shí),加熱至80 ℃,保溫30 min滅酶,滅酶后加入純堿調(diào)節(jié)糖化液pH為4.9±0.1,絮凝水解不徹底的蛋白質(zhì)。將糖化液泵入板框,控制流量為2 m3/h進(jìn)行過濾,過濾后的糖液溫度調(diào)到60 ℃貯存?zhèn)溆?糖渣送到烘干箱,控制溫度為130 ℃進(jìn)行烘干。

2.3 谷氨酸發(fā)酵

利用“LHWJ-12”谷氨酸棒桿菌,采用一次投糖亞適量三級(jí)發(fā)酵工藝進(jìn)行谷氨酸發(fā)酵。

2.3.1 二級(jí)種子培養(yǎng)

1) 培養(yǎng)基配比:質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為葡萄糖4%、尿素0.5%、硫酸鎂0.05%、玉米漿3%、磷酸氫二鉀0.14%、硫酸亞鐵2 mg/kg、硫酸錳2 mg/kg,pH為7.1±0.1。

2) 種子培養(yǎng)控制:種子罐培養(yǎng)基實(shí)消溫度為115 ℃,滅菌20 min。當(dāng)溫度降低到33 ℃時(shí),接入搖瓶培養(yǎng)好的一級(jí)種子。溫度控制為(33.2±0.2) ℃,pH為7.05±0.05,通風(fēng)量為(4±0.2) L/min,罐壓為0.1 MPa。培養(yǎng)8～11 h,當(dāng)OD凈增大于0.45時(shí),移入發(fā)酵罐。

2.3.2 谷氨酸發(fā)酵

1) 培養(yǎng)基配比:質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為葡萄糖23%、玉米漿0.27%、糖蜜0.29%、磷酸氫二鈉0.12%、硫酸鎂0.06%、硫酸亞鐵2 mg/kg、硫酸錳2 mg/kg、生物素2 mg/kg,pH為7。

2) 發(fā)酵培養(yǎng)控制:發(fā)酵罐培養(yǎng)基實(shí)消溫度為115 ℃,滅菌20 min。當(dāng)溫度降低到34 ℃時(shí),移入培養(yǎng)好的二級(jí)種子開始發(fā)酵。溫度控制:0～5 h,34 ℃;5～12 h,35 ℃;12～16 h,36 ℃;16～24 h,37 ℃;24～28 h,38 ℃;28 h至放罐,39 ℃。風(fēng)量控制:0時(shí),通風(fēng)量(5.2±0.2) L/min;OD凈增0.22±0.02時(shí),通風(fēng)量(8±0.2) L/min;OD凈增0.5±0.1時(shí),通風(fēng)量(12.8±0.2) L/min;OD凈增大于0.85時(shí),通風(fēng)量(16.0±0.2) L/min。pH控制:0～2 h,pH=7.1±0.1;2～26 h,pH=6.9±0.1;26 h以后pH=6.7;放罐時(shí)pH=6.6±0.1。

2.4 檢測(cè)方法

1) 水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定:采用105 ℃恒質(zhì)量法測(cè)定。

2) 淀粉測(cè)定:利用近紅外光譜儀(GB/T 25219—2010《糧油檢驗(yàn) 玉米淀粉含量測(cè)定 近紅外法》)測(cè)定。

3) 蛋白質(zhì)測(cè)定:采用凱氏定氮法(GB/T 5009.5—2003《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》)測(cè)定。

4) 黏度測(cè)定:利用NDJ-8S型數(shù)字旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定。

5) 葡萄糖液質(zhì)量濃度測(cè)定:利用SBA-40C生物傳感儀測(cè)定。

6) 谷氨酸質(zhì)量濃度測(cè)定:利用SBA-40C生物傳感儀測(cè)定。

7)DE值測(cè)定:采用直接滴定法(GB法)。

8) 透光率測(cè)定:利用721分光光度計(jì),以蒸餾水作對(duì)照,波長為650 nm下測(cè)定。

9) pH測(cè)定:利用pH電極與pH精密試紙測(cè)定。

10) 溫度測(cè)定:使用溫度計(jì)電極置于料液中讀取溫度值。

2.5 計(jì)算方法

1) 干基質(zhì)量=[物質(zhì)質(zhì)量×(100-物質(zhì)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù))]÷100。

2) 折商品質(zhì)量=干基質(zhì)量÷86%。

3) 收率=[(玉米粉或玉米胚或玉米皮質(zhì)量)÷玉米質(zhì)量]×100%(商品質(zhì)量對(duì)商品質(zhì)量)。

4) 蛋白質(zhì)量=蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度×淀粉乳或玉米粉乳體積。

5) 葡萄糖質(zhì)量=葡萄糖質(zhì)量濃度×葡萄糖液體積。

6) 谷氨酸質(zhì)量=谷氨酸質(zhì)量濃度×發(fā)酵液體積。

7) 糖酸轉(zhuǎn)化率=(谷氨酸質(zhì)量÷葡萄糖質(zhì)量)×100%。

3 結(jié)果與討論

3.1 玉米脫胚效果

玉米籽粒結(jié)構(gòu)主要包括胚、胚乳和種皮3部分,其中:種皮占籽粒質(zhì)量的6%～8%;胚占籽粒質(zhì)量的10%～15%;胚乳占籽粒質(zhì)量的80%～85%[12-13]。玉米濕法加工工藝,脫胚率為97%,脫皮率為96%;半干法脫胚工藝粉質(zhì)型玉米脫胚率為96.2%[5]。玉米粒在安全水份為14%時(shí),皮、胚和胚乳之間結(jié)合緊密,此時(shí)用破糝機(jī)進(jìn)行干法加工,大部分胚會(huì)被打碎,皮上也會(huì)黏有胚乳,導(dǎo)致這3種組分在后道工序中無法有效分開[14]。筆者采用半干法加工工藝,選用質(zhì)量為1 000 kg的玉米,將玉米的水分浸潤到20%時(shí)脫皮、去胚和制粉,制備的玉米粉、胚和皮的質(zhì)量情況如表1所示。

表1 玉米粉、玉米胚和玉米皮的質(zhì)量情況

從表1可知:將玉米的水分浸潤到20%,此時(shí)由纖維素和半纖維素組成的胚體組織松散而富有韌性和彈性[15],玉米粒經(jīng)過脫胚機(jī)外力打擊后,皮、胚可以有效地與胚乳分開,脫出的胚基本都是個(gè)體較大的整粒,皮中黏糧很少,可以通過風(fēng)選分出[14]。選用質(zhì)量為1 000 kg的玉米,采用半干法,制備得到的玉米粉、玉米胚和玉米皮的質(zhì)量分別為767.73,141.37,89.6 kg;玉米粉、玉米胚和玉米皮相對(duì)于玉米的收率分別為76.77%,14.14%,8.96%;其所含淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為88.62%,3.42%,4.26%;玉米粉中蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.82%,玉米粉質(zhì)量為1 000 kg中含蛋白質(zhì)的質(zhì)量為78.2 kg;除去玉米皮和玉米胚中的淀粉,玉米皮和玉米胚的收率分別為10.94%和5.7%。數(shù)據(jù)表明:采用半干法工藝脫皮去胚,玉米皮和胚收率與濕法工藝的收率基本相同,半干法工藝脫皮去胚分離效果較好。

3.2 氣浮分離蛋白效果

玉米粒中一般含有8.5%的蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)主要指醇溶蛋白、谷蛋白和球蛋白,各種蛋白通過一定的結(jié)構(gòu)層次形成球狀蛋白體結(jié)構(gòu),其中醇溶蛋白占65%～68%,谷蛋白占22%～33%[16]。玉米濕法工藝生產(chǎn)的玉米蛋白粉也稱為玉米黃粉、玉米麩質(zhì)粉,其含有大量的蛋白質(zhì)、淀粉和纖維素等營養(yǎng)物質(zhì),粗蛋白約占60%[17-18]。將質(zhì)量為1 000 kg的玉米粉加水混合,添加纖維素酶配制成玉米粉液,氣浮分離蛋白質(zhì),具體情況如表2所示。

表2 氣浮分離蛋白質(zhì)情況

由表2可知:玉米粉加水混合后加入纖維素酶,利用纖維素酶降解纖維素,使纖維素、蛋白和淀粉之間相互脫離,蛋白質(zhì)的密度較輕,利用清潔空氣氣浮使蛋白質(zhì)漂浮于液面上層,漂流分離出玉米蛋白質(zhì),經(jīng)氣浮分離出的粗蛋白質(zhì)質(zhì)量為92.43 kg,蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為56.2%,蛋白質(zhì)質(zhì)量為51.95 kg,相對(duì)于玉米粉中的蛋白質(zhì),氣浮漂流分離蛋白質(zhì)的提取率為66.4%;氣浮漂流分離蛋白質(zhì)后,玉米粉乳中的蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%,所含蛋白質(zhì)質(zhì)量為25.56 kg。氣浮分離后,雖然玉米粉乳中的蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低,但與玉米濕法工藝中碟片分離機(jī)分離后淀粉乳中的蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%相比還有較大的差距。

3.3 添加普魯蘭酶對(duì)玉米粉糖液質(zhì)量的影響

淀粉分子由成百上千的葡萄糖單元通過C1位氧原子形成的葡萄糖苷鍵連接而成,1個(gè)淀粉分子通常包含50到幾千個(gè)葡萄糖單元[19],淀粉中的葡萄糖苷鍵主要包括α-1,4-糖苷鍵和α-1,6-糖苷鍵[20]。大部分淀粉質(zhì)原料中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%～85%的支鏈淀粉,支鏈淀粉中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～5%的α-1,6-糖苷鍵[21]。在α-淀粉酶水解淀粉時(shí),隨機(jī)作用于中間的α-1,4-糖苷鍵,不能水解α-1,6-糖苷鍵,殘留在水解產(chǎn)物中的α-1,6-糖苷鍵對(duì)水解速度有降低的作用;糖化酶能把淀粉從非還原性未端水解α-1,4-葡萄糖苷鍵產(chǎn)生葡萄糖,對(duì)α-1,6-糖苷鍵作用能力很弱[22]。普魯蘭酶是一種在低pH下應(yīng)用的熱穩(wěn)定脫支酶,最適的pH為5～6,在溫度為55～65 ℃時(shí)活性較強(qiáng),不僅可以水解普魯蘭多糖和分支寡糖底物中的α-1,6-糖苷鍵,而且還能水解分支或線性多糖底物分子中的α-1,4-糖苷鍵,生成小分子質(zhì)量的葡萄糖、麥芽糖和麥芽三糖[23]。實(shí)驗(yàn)在糖化開始時(shí),普魯蘭酶添加量分別為0.01‰,0.05‰,0.‰,0.15‰,0.2‰,與0添加做平行實(shí)驗(yàn),糖化過程中不同量的普魯蘭酶對(duì)糖液的葡萄糖質(zhì)量濃度和透光率會(huì)產(chǎn)生不同的影響,變化情況如圖1所示。

圖1 添加普魯蘭酶對(duì)葡萄糖質(zhì)量濃度和透光率的影響Fig.1 Effects of pullulanase addition on glucose mass concentration and light transmittance

從圖1可知:糖化開始時(shí)添加不同量的普魯蘭酶,糖化過程中普魯蘭酶可以將玉米支鏈淀粉中的α-1,6-糖苷鍵水解,提高糖液的葡萄糖質(zhì)量濃度,隨著淀粉水解率的提高,糖液的透光率也明顯提高。與0添加量相比,當(dāng)普魯蘭酶添加量為0.15‰時(shí),糖液的葡萄糖質(zhì)量濃度由21.2 g/dL提高到23.4 g/dL,此時(shí)達(dá)到峰值,糖液的葡萄糖質(zhì)量濃度提高了2.2 g/dL;糖液的透光率由65%提高到70.2%,此時(shí)達(dá)到峰值,糖液的葡萄糖質(zhì)量濃度提高了5.2%。當(dāng)添加量繼續(xù)加大時(shí),葡萄糖質(zhì)量濃度不再升高,透光率也不再升高。綜上所述,普魯蘭酶適合的添加量為0.15‰,此時(shí)糖液的葡萄糖質(zhì)量濃度為23.4 g/dL,透光率為70.2%。

3.4 添加木瓜蛋白酶對(duì)玉米粉糖液質(zhì)量的影響

氣浮漂流將玉米粉中的蛋白質(zhì)分離提取66.4%后,玉米粉乳中還含有0.75%的蛋白質(zhì),與淀粉、纖維素糾纏網(wǎng)結(jié)在一起,影響淀粉的水解,過濾時(shí)影響過濾速度。蛋白酶是一類能夠催化水解蛋白質(zhì)為氨基酸和多肽的酶的總稱,在工業(yè)酶制劑中占有重要的地位。木瓜蛋白酶是一種最佳酶解玉米蛋白粉制備多肽的商業(yè)化蛋白酶[24]。酸性木瓜蛋白酶(簡稱木瓜蛋白酶)是一種含巰基(—SH)肽鏈內(nèi)切酶,具有蛋白酶和酯酶的活性,有較廣泛的特異性,對(duì)動(dòng)植物蛋白、多肽、酯和酰胺等有較強(qiáng)的水解能力[25]。玉米蛋白質(zhì)經(jīng)木瓜蛋白酶酶解得到氨基酸或玉米肽。玉米肽具有溶解性高、持水性高、黏度低和穩(wěn)定性好等良好的理化性質(zhì)[26]。實(shí)驗(yàn)在糖化開始時(shí),木瓜蛋白酶添加量分別為0.04‰,0.06‰,0.8‰,0.1‰,0.12‰,與0添加做平行實(shí)驗(yàn),添加不同量的木瓜蛋白酶對(duì)糖液的葡萄糖質(zhì)量濃度和透光率產(chǎn)生的變化情況如圖2所示。

圖2 添加木瓜蛋白酶對(duì)葡萄糖質(zhì)量濃度和透光率的影響Fig.2 Effects of papain addition on glucose massconcentration and light transmittance

從圖2可知:糖化開始時(shí)添加不同量的木瓜蛋白酶,糖化過程中將與淀粉糾纏在一起的蛋白質(zhì)水解成氨基酸或多肽后釋放出淀粉,釋放的淀粉水解后提高糖液的葡萄糖質(zhì)量濃度,隨著蛋白質(zhì)、淀粉的逐漸水解,糖液的透光率也明顯提高。與0添加量相比,當(dāng)添加0.08‰的蛋白酶時(shí),糖液的葡萄糖質(zhì)量濃度由21.2 g/dL提高到24.2 g/dL,此時(shí)達(dá)到峰值,糖液的葡萄糖質(zhì)量濃度提高3 g/dL;糖液的透光率由65%提高到82.3%,此時(shí)達(dá)到峰值,糖液的透光率提高17.3%。當(dāng)添加量繼續(xù)加大時(shí),葡萄糖質(zhì)量濃度不再升高,透光率也不再提高。綜上所述,適合木瓜蛋白酶的最佳添加量為0.08‰,糖液的葡萄糖質(zhì)量濃度為24.2 g/dL,透光率為82.3%。

3.5 普魯蘭酶和木瓜蛋白酶組合添加對(duì)玉米粉糖液質(zhì)量的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,利用濕法工藝生產(chǎn)淀粉,調(diào)配淀粉乳中的淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù),使其與玉米粉乳中的淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同,分別制備葡萄糖液。糖化開始時(shí),分別與組合添加的普魯蘭酶0.15‰和木瓜蛋白酶0.08‰進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)。在糖化過程中,普魯蘭酶和木瓜蛋白酶對(duì)糖液的葡萄糖質(zhì)量濃度和透光率會(huì)產(chǎn)生不同的影響,組合添加的普魯蘭酶和木瓜蛋白酶對(duì)糖液黏度和過濾產(chǎn)生的變化情況如圖3所示,對(duì)糖液的葡萄糖質(zhì)量濃度和透光率產(chǎn)生的變化情況如圖4所示。

1—0添加玉米粉糖;2—組合添加玉米粉糖;3—0添加淀粉乳糖;4—組合添加淀粉乳糖。圖3 組合對(duì)糖液的蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏度和過濾通量的影響Fig.3 Effects of combined addition on protein mass concentration,viscosity and filtration flux of sugar solution

從圖3可知:玉米粉中的蛋白質(zhì)經(jīng)過氣浮分離后,玉米粉乳中蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%,通過添加木瓜蛋白酶,蛋白質(zhì)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變得松散,進(jìn)而破裂水解成可溶的氨基酸或多肽,糖液中氨基酸或多肽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.32%,表明玉米粉乳中的蛋白質(zhì),在糖液中有42.67%的蛋白質(zhì)被水解成氨基酸或多肽溶解,其中有57.3%沒有水解或水解不徹底,加堿調(diào)節(jié)pH絮凝后板框過濾進(jìn)入糖渣中;隨著蛋白質(zhì)的逐漸水解,與0添加相比,糖液的黏度從860.5 cPa·s降低到155.6 cPa·s,過濾通量從0.26 m3/h提高到0.83 m3/h,過濾速度調(diào)高3倍以上。淀粉乳中蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.26%,相對(duì)較低,其他雜質(zhì)也較少,添加木瓜蛋白酶水解后,糖液的氨基酸或多肽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.12%,與0添加相比,糖液的黏度從187.2 cPa·s降低到126.7 cPa·s,過濾通量從0.72 m3/h提高到0.92 m3/h,對(duì)降低糖液的黏度和提高過濾通量也有一定的效果。

從圖4可知:玉米粉糖組合添加魯蘭酶和木瓜蛋白酶,糖液的葡萄糖質(zhì)量濃度為26.5 g/dL,透光率為85%,比單獨(dú)添加普魯蘭酶和木瓜蛋白酶效果明顯,與0添加的質(zhì)量濃度為21.2 g/dL和透光率為65%相比,分別提高5.3 g/dL和20%,作用效果更加明顯。淀粉乳糖組合添加魯蘭酶和木瓜蛋白酶后,糖液的葡萄糖質(zhì)量濃度為26.8 g/d,透光率為98.2%,與0添加時(shí)質(zhì)量濃度為24.6 g/dL和透光率為97.5%相比,分別提高2.4 g/dL和0.7%。綜上所述,在玉米粉制糖的過程中,蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)制備糖液的葡萄糖質(zhì)量濃度和透光率影響很大,組合添加普魯蘭酶和木瓜蛋白酶可以明顯提高玉米粉糖的過濾速度、葡萄糖的質(zhì)量濃度和透光率,比單獨(dú)添加效果更好,生產(chǎn)的糖液中葡萄糖質(zhì)量濃度與淀粉乳糖相比雖然基本一致,但透光率相差13.2%,差別非常明顯。

3.6 玉米粉糖谷氨酸發(fā)酵

在發(fā)酵過程中,添加氨基酸促進(jìn)發(fā)酵產(chǎn)量的方法已在很多微生物中進(jìn)行了應(yīng)用[27-29]。氨基酸作為重要的生物小分子,在微生物發(fā)酵過程中對(duì)菌體生長以及抗生素合成起著關(guān)鍵性作用[30]。葡萄糖是谷氨酸菌體生長和產(chǎn)物合成的主要碳源,由其引起的滲透脅迫也最為常見,在高質(zhì)量濃度葡萄糖引起的滲透脅迫條件下,外源添加堿性氨基酸可以有效地促進(jìn)谷氨酸棒桿菌的生長、生產(chǎn)氨基酸的能力,如添加甘氨酸、谷氨酸、丙氨酸及纈氨酸等[31]。玉米黃粉蛋白水解后亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、丙氨酸和谷氨酸等質(zhì)量濃度很高[32]。筆者利用玉米粉糖的透光率為85%、質(zhì)量濃度為26.5 g/dL,淀粉乳糖的透光率為98.2%、質(zhì)量濃度為26.8 g/dL,分別配制成葡萄糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%的發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行谷氨酸發(fā)酵,利用玉米粉糖和淀粉乳糖進(jìn)行谷氨酸發(fā)酵的產(chǎn)酸率和轉(zhuǎn)化率情況如表3所示。

表3 玉米粉糖和淀粉乳糖谷氨酸發(fā)酵產(chǎn)酸率和轉(zhuǎn)化率情況

從表3可知:利用玉米粉糖和淀粉乳糖進(jìn)行一次性投糖亞適量谷氨酸發(fā)酵,發(fā)酵周期相同表明完成發(fā)酵的時(shí)間一致,發(fā)酵結(jié)束后發(fā)酵液中剩余的殘?zhí)橇炕疽粯颖砻鲀煞N糖都完全發(fā)酵;玉米粉糖發(fā)酵消耗的消泡劑量為0.15 g/dL,比淀粉乳糖發(fā)酵消耗的消泡劑量為0.11 g/dL增加了0.04 g/dL,增加量不明顯;玉米粉糖比淀粉乳糖發(fā)酵產(chǎn)酸率和轉(zhuǎn)化率分別提高了0.5 g/dL和0.9%。結(jié)果表明:玉米粉糖液中的氨基酸或多肽對(duì)谷氨酸發(fā)酵時(shí),雖然泡沫產(chǎn)生了影響,但影響不明顯;玉米粉糖液的透光率較低,對(duì)谷氨酸發(fā)酵產(chǎn)酸率和轉(zhuǎn)化率沒有明顯的影響。對(duì)于同樣底糖的質(zhì)量濃度,糖液中含有一定量的氨基酸,將有利于提高谷氨酸發(fā)酵的產(chǎn)酸率和轉(zhuǎn)化率。

3.7 經(jīng)濟(jì)效益估算

目前,國內(nèi)玉米濕法工藝生產(chǎn)淀粉乳制糖用于谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn),生產(chǎn)1 t玉米淀粉可以消耗電125 kW·h、蒸汽0.75 t和清水5.5 t,產(chǎn)生廢水0.9 t、廢氣5 000 m3,設(shè)備折舊人工費(fèi)用120元。玉米半干法工藝生產(chǎn)玉米粉制糖,玉米皮和玉米胚的分離提取效果與濕法工藝沒有明顯的差別;玉米粉中的蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.82%,經(jīng)過氣浮分離蛋白質(zhì)提取率達(dá)到66.4%,分離后玉米粉乳中含有0.75%的蛋白質(zhì),其中有42.67%在糖化過程中被水解成氨基酸或多肽溶解溶解于糖液中,有57.3%進(jìn)入糖渣被烘干后生產(chǎn)成飼料。與濕法工藝相比,雖然蛋白質(zhì)分離收率有所降低,但利用率并沒有明顯減低。用半干法工藝生產(chǎn)玉米粉糖代替濕法工藝生產(chǎn)淀粉乳糖用于發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸,在加工淀粉的過程中,電耗降低80%,蒸汽消耗降低90%,清水消耗降低90%,折舊人工費(fèi)用降低70%。在不考慮發(fā)酵產(chǎn)酸率提高的情況下,生產(chǎn)1 t谷氨酸可以消耗1.6 t的淀粉,每噸谷氨酸可以降低生產(chǎn)成本300元以上,經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。

4 結(jié) 論

谷氨酸發(fā)酵通常采用玉米濕法工藝生產(chǎn)淀粉糖,在濕法生產(chǎn)淀粉的過程中,浸泡玉米消耗能源,產(chǎn)生污染。采用半干法工藝加工玉米,脫皮去胚生產(chǎn)淀粉,氣浮漂流分離蛋白質(zhì);在制糖過程中,添加量分別為普魯蘭酶0.15‰,木瓜蛋白酶0.08‰的,其中普魯蘭酶水解淀粉中有4%～5%的α-1,6-糖苷鍵可以提高葡萄糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù);木瓜蛋白酶將糖液中的蛋白質(zhì)水解成氨基酸或多肽可以降低糖液黏度,提高透光率;糖液中一定量的氨基酸可以使谷氨酸發(fā)酵產(chǎn)酸率提高0.5 g/dL,轉(zhuǎn)化率提高0.9%;利用半干法工藝代替濕法工藝生產(chǎn)玉米淀粉糖用于谷氨酸發(fā)酵,可以簡化生產(chǎn)流程,減少投資,節(jié)能降耗,減少環(huán)境污染,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。