乳鏈菌肽發酵液活性炭脫色

賈翠英,張明霞,張玉輝

(河南科技學院生命科學技術學院,河南新鄉 453003)

乳鏈菌肽發酵液活性炭脫色

賈翠英,張明霞,張玉輝

(河南科技學院生命科學技術學院,河南新鄉 453003)

考察了兩種不同形狀活性炭對乳鏈菌肽發酵液的脫色效果,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作了初步考察。結果表明：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乳鏈菌肽發酵液脫色率為 57.47%,乳鏈菌肽收率為 83.2%;90℃,30min水浴靜態脫色,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%;吸附脫色動力學研究發現,粒狀活性炭表現為典型的單分子層吸附,而粉狀活性炭則表現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 購自南開大學化工廠。

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

1.2 乳鏈菌肽發酵液的制備及其澄清

乳鏈菌肽發酵液的制備工藝如下：在 1L攪拌式玻璃反應器中(內徑 100mm,高140mm),配有pH/溫度控制儀(JZ2001多參數測控儀,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種子培養基,30℃靜置培養12h,按 1(φ)的接種量轉入 1L反應器中,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。在發酵液上方通入適量過濾除菌的氮氣維持厭氧環境,輕微攪拌 (100r/min)保持發酵液均一,發酵 24h結束。

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

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,置入內盛 50mL澄清乳鏈菌肽發酵液的三角瓶, 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,分別加入內盛 50mL澄清乳鏈菌肽發酵液的三角瓶,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吸附動力學曲線 稱取 1g粒狀活性炭和 1g粉狀活性炭,分別加入內盛 50mL澄清乳鏈菌肽發酵液的三角瓶, 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,以吸附量即每克吸附劑吸附發酵液中色素量(以每克吸附劑對發酵液脫色前后的吸光度的變化值表示)為縱坐標作圖,得到粒狀活性炭和粉狀活性炭的靜態吸附動力學曲線。

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的澄清乳鏈菌肽發酵液中 (50mL),稀釋倍數分別為 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酵液的吸光度為橫坐標,以吸附量即每克吸附劑吸附發酵液中色素量為縱坐標作圖,得出各自的等溫吸附線。本實驗以加入吸附劑后稀釋發酵液的吸光度的變化值來表示吸附量。

2 結果與分析

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酵液的脫色結果。由圖 1可知,粒狀活性炭對發酵液中色素的吸附效果良好,而對發酵液中的乳鏈菌肽吸附作用不明顯,當添加 4.5g粒狀活性炭于 50mL澄清乳鏈菌肽發酵液中,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%,繼續增加活性炭克數,脫色率不再變化,因此確定粒狀活性炭最適用量為 4.5g/50mL澄清發酵液。

圖1 粒狀活性炭脫色結果

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的增加,發酵液吸光度下降,同時吸附劑對乳鏈菌肽的吸附量也增加。當粉狀活性炭加入量為 0.1g/50mL和0.2g/50mL澄清發酵液時,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,對乳鏈菌肽發酵液的脫色結果。由圖 3可知,常溫或加熱條件下,粒狀活性炭對發酵液的脫色效果及對乳鏈菌肽收率的影響規律一致,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果比較

由圖4可知,常溫或加熱條件下,粉狀活性炭對發酵液的脫色效果及對乳鏈菌肽收率的影響規律也一致,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發酵液的脫色率為 56.76%,乳鏈菌肽收率為 89.84%。可見,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吸附動力學曲線

圖 5顯示了兩種不同形狀的活性炭的靜態吸附動力學曲線,由粒狀活性炭和粉狀活性炭靜態吸附動力學曲線可知,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生吸附作用所經歷的時間或路徑不同。

圖 5 粒狀活性炭與粉狀活性炭靜態吸附動力學曲線比較

2.4 粒狀活性炭與粉狀活性炭等溫吸附線

根據 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酵液內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酵液內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,粒狀活性炭表現為典型的單分子層吸附,而粉狀活性炭則表現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;通過溫度實驗發現,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?在獲得相當的脫色效果的同時要保持較高的乳鏈菌肽效價時,建議應當選用粉狀活性炭進行發酵液脫色。

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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、醫藥、飲料、化妝品等行業有著廣泛的作用[1-2]。乳鏈菌肽的生產多采用微生物發酵法[3-6],其發酵過程中培養基組分中碳源糖類物質和氮源蛋白質物質之間發生美拉德反應,造成發酵液的顏色較深,一方面影響目標產物乳鏈菌肽的質量和感官,另一方面提取乳鏈菌肽后的發酵液中仍殘留大量色素物質,直接排放將對環境造成嚴重污染。脫色是以吸附劑吸附為基礎的[7]?；钚蕴繛樽畛Ｓ玫奈絼?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泛應用于發酵廢水的脫色以及糖廠發酵液色素的處理[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酵液脫色的動力學規律,為發酵行業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。