谷氨酸提取液代替椰子水生產細菌纖維素的研究

摘要：通過對谷氨酸提取液和椰子水的組成成份分析，研究了原料濃度、發酵培養基的組成、發酵時間對細菌纖維素的影響。在采用相同工藝條件時，谷氨酸提取液代替椰子水生產細菌纖維素，生產周期基本相同，雖然產量稍低，但生產成本大大降低。

關鍵詞：谷氨酸提取液 椰子水 細菌纖維素

隨著人們對均衡營養認識的提高以及膳食纖維作為第七大營養素的獨特功效，作為膳食纖維的細菌纖維素的系列產品將具有非常廣闊的市場前景。細菌纖維素全部由葡萄糖苷鍵和氫鍵連接而成，化學結構式中含有大量的羥基基團，易于改性和表面修飾，具有良好的發展潛力。

谷氨酸提取液是味精生產中發酵液提取谷氨酸后的上清液，目前味精廠一般采用離子交換、污水處理達標后排放或制造肥料等進行綜合利用，有的甚至直接排廢。我國在前幾年開始利用被視為廢棄物的椰子水生產細菌纖維素，但近年來，椰子水的價格不斷上升，造成細菌纖維素的生產成本越來越高。

1．材料與方法

1.1材料

1.1.1 菌種：木醋桿菌（Acetobacter xylinum），海南億德食品有限公司提供。

谷氨酸提取液：大米雙酶法糖化、高糖流加發酵、等電、離子交換后的上清液，湖南晶鑫味精有限公司提供。

1.1.2椰子水：市售，海南產。

1.2儀器與設備酸度計、FA1104電子天平、高壓殺菌鍋、切割機、破碎機、恒溫培養箱、真空灌裝機。

1.3培養基的組成

斜面培養基：胰蛋白胨0.5%，酵母浸出汁0.5%，檸檬酸0.12%，葡萄糖2.0%，K2HPO40.5%，pH6.0。

種子培養基同斜面培養基，但不加瓊脂。

1.4操作要點

1.4.1使用過的塑料盤浸在10%的漂白粉溶液中清洗、新塑料盤用水直接沖洗干凈，倒扣干燥后采用KDA氣霧劑殺菌。

1.4.2報紙根據淺盤的大小裁成小片、培養基、玻璃器皿等均采用121℃、20min殺菌。

1.4.3取一環活化好的斜面種子接入種子培養基，30℃恒溫培養3～4d，按3%～5%的接種量接入發酵培養基，發酵培養基的厚度為1.2～2.0cm，起始pH值為3.8～4.0，靜態發酵溫度為28～32℃。

1.5分析方法

1.5.1總糖、還原糖：3，5-二硝基水楊酸比色法，蛋白質：凱氏定氮法，氨基酸：茚三酮比色法，灰分：燃燒、稱重法，pH值：酸度計。

1.5.2纖維素測定方法將已培養成片狀的纖維素收集后用水沖洗干凈，然后切成小塊懸浮在4%的NaOH溶液中，100℃煮沸20min后用去離子水多次沖洗，再用0.5%的醋酸中和，最后用去離子水沖洗干凈。在80℃干燥12～18h，冷卻到室溫后稱重。

2．結果與討論

2.1原料成分分析

表1：椰子水成分測定結果

表2：谷氨酸提取液測定結果

表1、表2的分析結果表明，椰子水中的總糖含量高于谷氨酸提取液，但谷氨酸提取液中氨基酸、有機酸、銨離子等的含量則要遠遠高于椰子水中的含量。

2.2原料濃度對細菌纖維素的影響

谷氨酸提取液如不進行綜合利用，則一般只會當作廢水直接排放，因此，無需考慮經濟效益就可以直接利用。而目前椰子水的價格約為800元/t，因此，生產中必需要考慮原料的生產成本。不同椰子水濃度對細菌纖維素發酵的影響結果見表3。

表3：椰子水濃度對發酵的影響

隨著椰子水濃度的增加，發酵基質的緩沖能力增加，細菌纖維素的厚度增長、產量增加。從表3可知，椰子水的含量在70%以上時，細菌纖維素的產量、質量差異不大。但椰子水的濃度越高，纖維素的產量越大，故本研究以70%的椰子水作為發酵培養基，同直接用谷氨酸提取液作為培養基進行比較。

2.3發酵培養基的選擇

谷氨酸提取液中含有殘糖0.5%，總糖1.0%，乳酸琥珀酸等有機酸0.8%，酮酸0.06%，銨離子0.6%～0.8%，還含有核酸和核苷酸類物質、腺嘌呤化合物、尿嘧啶化合物，殘留的消泡劑和其它培養基雜質，殘留的陰離子：SO42-、Cl-、PO43-，殘留的陽離子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe2+等。[1]這些物質未能被谷氨酸菌利用，或者是谷氨酸發酵過程中的副產物，但大多能被木醋桿菌利用生產細菌纖維素。因為木醋桿菌可利用多種碳源來合成纖維素，包括已糖及它們相對應的酸如葡萄糖酸，化合物如丙酮酸、甘油、二羥丙酮、TCA循環的中間產物如琥珀酸等，但不能直接利用淀粉作為碳源。[2]培養基的組成見表4。

表4：谷氨酸提取液和椰子水發酵培養基的組成

碳源是構成細胞和細菌纖維素的碳架及能量來源，常見的大都為糖類物質。針對木醋桿菌的生長特征以及細菌纖維素生物合成的要求，可選擇葡萄糖、果糖、蔗糖等作為碳源。合適的氮源有利于細胞生長，可選擇的有機氮有：牛肉膏、蛋白胨和酵母粉；無機氮有：硫酸銨、尿素、氯化銨和硝酸鈉。磷是構成菌體中核酸的重要元素，也是輔酶的組成成分之一，在能量轉變過程中起著關鍵作用。K+、Mg2+是細胞中許多酶的激活劑，一般選擇K2HPO4、Na2HPO4、KH2PO4和MgSO4。[3]

從表4可知，谷氨酸提取液發酵培養基中添加玉米漿補充氮源及生長因子，但無需添加無機鹽和有機酸調節pH值，而椰子水則添加硫酸銨補充氮源、添加檸檬酸調節pH值。檸檬酸濃度在0.2%時，細菌纖維素產量得到明顯提高，因為檸檬酸可以參加TCA循環，在細胞生長早期，檸檬酸可促進代謝流從纖維素合成轉向TCA循環，產生更多能量，加速細胞生長，從而提高了整體纖維素的產量。[4]考慮到蔗糖廉價易得，用于生產細菌纖維素時的產量也較高，故兩種培養基均選用蔗糖;同時，在兩種培養基中均加入KH2PO4以補充磷。

2.4培養周期的選擇

在使用谷氨酸提取液作為發酵培養基時，木醋桿菌靜止培養2d后表面開始出現薄膜，3d后開始快速增厚，6d后增速減慢，8～9d后基本停止，一般10d時可以收獲，結果見表5。

表5：谷氨酸提取液發酵培養基在不同發酵時間的細菌纖維素產量

使用椰子水發酵培養基時，第3天pH值陡然下降，以后趨于穩定，細菌纖維素的產量增加，5～6d后增速減慢，7d時pH值達到新的最大值，然后逐步降低，一般在8～10d時可以收獲，結果見表6。

表6：椰子水發酵培養基在不同發酵時間的細菌纖維素產量

由表5、表6可知，木醋桿菌首先將葡萄糖氧化為葡萄糖酸，造成培養基pH值下降，使菌體生長受到抑制，因此纖維素產量較低。蔗糖的水解產物為葡萄糖和果糖，在以蔗糖為主要碳源時會有少量葡萄糖酸形成，隨著培養時間延長，許多葡萄糖酸又可以轉化成纖維素及其它代謝產物，pH值逐漸回升。延長發酵時間，細菌纖維素的產量也不再提高，因為此時培養基的pH值比較低，而且大量的副產物的產生抑制細菌纖維素的生成。[5]

結論

（1）由于谷氨酸提取液中含有大量的糖類、銨離子、有機酸、礦物質等未能被谷氨酸菌利用或不能利用的物質，而這些物質大多可以被木醋桿菌直接利用生產細菌纖維素，只需添加糖類補充碳源、添加玉米漿補充氮源和生長因子、添加KH2PO4補充磷，而無需添加有機酸調節pH值就可以生產細菌纖維素。

（2）根據谷氨酸提取液的組成特點改變培養基質，在相同生產工藝條件下，利用谷氨酸提取液代替椰子水生產細菌纖維素時，發酵時間基本一致，雖然產量低于椰子水的生產，但生產成本大大降低，重要的是為谷氨酸提取液的綜合利用開辟了一條新路。

參考文獻

[1]于信令主編，味精工業手冊[M]，北京：中國輕工業出版社，1995.292

[2]D.Byrom.Microbial Cellulose，Biometerials[M].1991，263～283

[3]陳堅，堵國成等，微生物重要代謝產物-發酵生產與過程解析[M]，北京：化學工業出版社，2005.83～89

[4] 張鳳清，張海悅，玉米漿做Acetobacter xylinum培養基生產纖維素的發酵條件優化[J]，食品工業科技，2005（2）：108

[5]馬霞，王瑞明等，糖源對細菌纖維素產量的影響[J]，纖維素科學與技術，2002.10（3）：32

基金項目：湖南省教育廳高校科研項目（NO.05D032）

作者簡介：趙克勤（1963-）男， 副教授， 主要從事食品生物技術的教學和科研工作。