灰褐鏈霉菌對淀粉糖工業副產物糖渣發酵利用的研究

王 楠，周宏霞，楊 揚，李 樹

（1.威海市食品藥品檢驗檢測中心，山東威海 264209；2.山東大學（威海）海洋學院，山東威海 264209）

在玉米深加工中，淀粉經過液化酶和糖化酶處理后生成葡萄糖。由于淀粉中少量的蛋白質和脂肪仍然是不溶性成分，在料液中呈懸浮狀態，因此需要利用過濾設備將其去除，過濾后得到的固體稱為“糖渣”或“糖糟”。目前，葡萄糖生產企業大多采用真空轉鼓過濾機移除蛋白質和脂肪，原因在于該設備自動化程度高、處理量大，可以連續作業，節省大量的人力，從而提高生產效率。但是，該設備在運行時需要在表面預涂一層硅藻土作為助濾劑，因此糖渣中由于含有大量的硅藻土而失去了作為飼料的價值，目前尚無有效方法將硅藻土從糖渣中分離出來，只能以低廉的價格作為土壤肥料出售，造成了嚴重的資源浪費，而且糖渣在漚肥過程中產生難聞的氣味，也帶來了一定的環境問題。將糖渣作為營養物質加入到灰褐鏈霉菌（S.griseofuscus）發酵生產ε-聚賴氨酸的培養基中[1]，不僅能夠作為碳源和氮源被微生物利用[2]，剩余的硅藻土還能作為助濾劑加快后續的板框過濾速率，實現了將糖渣變廢為寶，降低了生產成本，具有重要的經濟效益和社會效益。

真空轉鼓過濾機（a）和含硅藻土的糖渣（b）見圖1，糖渣的成分組成及含量（以干基計算）見表1。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

糖渣，西王糖業有限公司葡萄糖四廠提供；灰褐鏈霉菌，由山東大學（威海）海洋學院提供；葡萄糖、酵母膏、蛋白胨、硫酸銨等試劑，均為分析純。

圖1 真空轉鼓過濾機（a）和含硅藻土的糖渣（b）

表1 糖渣的成分組成及含量（以干基計算）/ %

（1）固體瓊脂培養基[3]。各成分質量濃度為葡萄糖10 g/L，酵母抽提物2 g/L，胰蛋白胨5 g/L，瓊脂20 g/L；初始pH 值7.0，于121 ℃下滅菌20 min。

（2）液體發酵培養基[4]。各成分質量濃度為葡萄糖50 g/L，（NH4）2SO410 g/L，酵母粉5 g/L，MgSO4·7H2O 0.5 g/L，K2HPO40.8 g/L，KH2PO41.4 g/L，ZnSO4·7H2O 0.04 g/L；初始pH 值7.0，于121 ℃下滅菌20 min。

1.2 試驗方法

1.2.1 搖瓶發酵中加入糖渣

在液體發酵培養基中加入烘干的糖渣，添加量為5 g/L，然后進行滅菌[5]。從固體瓊脂培養基上刮取灰褐鏈霉菌的孢子2 環，無菌條件下接入50 mL/250 mL的上述培養基中，于30 ℃條件下以轉速200 r/min搖床培養96 h，觀察糖渣的利用情況及檢測ε-聚賴氨酸含量[6]。

1.2.2 糖渣質量濃度為對灰褐鏈霉菌發酵生產ε-聚賴氨酸的影響

在液體發酵培養基中加入烘干的糖渣，質量濃度分別為0，5，10，15，20，25 g/L，然后進行滅菌。從固體瓊脂培養基上刮取灰褐鏈霉菌的孢子2 環，無菌條件下接入50 mL/250 mL 的上述培養基中，于30 ℃條件下以轉速200 r/min 搖床培養96 h，檢測ε-聚賴氨酸含量、殘留葡萄糖、菌體量及菌絲球直徑等。

1.2.3 發酵液中殘留硅藻土對過濾效果的影響

使用直徑12 cm 的新華濾紙測定灰褐鏈霉菌發酵液的過濾速度。過濾條件為單層濾紙、常規大氣壓，以獲得50 mL 濾液所需的時間進行比較與判定，用時較短者則過濾效果好。

2 結果與分析

2.1 灰褐鏈霉菌對糖渣中營養物質利用的確認

糖渣中的營養物質包括葡萄糖、蛋白質和脂肪，其中葡萄糖是可溶的且為微生物發酵的通用碳源。蛋白質和脂肪是不可溶的，理論上其既可為微生物發酵提供碳源，又能夠提供氮源，所以首選要確認糖渣能否被灰褐鏈霉菌分解利用[7]。在液體發酵培養基中加入烘干的糖渣，質量濃度為5 g/L，接種灰褐鏈霉菌后，分別在發酵的初始0，12，24，36，48，60 h 時觀察搖瓶中的糖渣。

糖渣在灰褐鏈霉菌發酵生產ε-聚賴氨酸過程中的變化情況見圖2。

圖2 糖渣在灰褐鏈霉菌發酵生產ε-聚賴氨酸過程中的變化情況

由圖2 可知，由于灰褐鏈霉菌能夠分泌蛋白酶和脂肪酶，可以將胞外的不溶性蛋白和脂肪分解并吸收利用，所以搖瓶中的沉淀，即糖渣會越來越少。在發酵進行至48 h 時，剩余的沉淀已經不明顯，而當發酵至60 h 時，糖渣已經被完全分解。研究證明糖渣中的不溶性蛋白質和脂肪是能夠作為營養物質被灰褐鏈霉菌分解利用的。

2.2 糖渣質量濃度為對灰褐鏈霉菌發酵生產ε-聚賴氨酸的影響

上述研究中，糖渣質量濃度為5 g/L，接下來對糖渣質量濃度進行了不同的發酵驗證，以評估其對灰褐鏈霉菌發酵生產ε-聚賴氨酸的影響。糖渣質量濃度分別為5，10，15，20，25 g/L，并以不添加（0）作為對照。搖瓶發酵結束后，分別檢測產物ε-聚賴氨酸、生物量和殘留葡萄糖的質量濃度。

糖渣質量濃度對灰褐鏈霉菌發酵生產ε-聚賴氨酸的影響見表2。

由表2 可知，隨著糖渣質量濃度的增加，ε-聚賴氨酸質量濃度也隨之增加，在對照試驗中，ε-聚賴氨酸質量濃度為1.54 g/L，而糖渣質量濃度15 g/L時，ε-聚賴氨酸質量濃度達到最高值為2.46 g/L，提高幅度為59.7%。但是，當糖渣質量濃度進一步增大時，ε-聚賴氨酸質量濃度反而會減小，最終在糖渣質量濃度25 g/L 時降低到了1.62 g/L，幾乎與對照組持平。灰褐鏈霉菌的生物量表現的與ε-聚賴氨酸不同，隨著糖渣質量濃度的增加一直在持續增加，最高達到了5.75 g/L，是對照的1.8 倍。研究表明，在灰褐鏈霉菌的發酵培養基中添加糖渣，不僅能夠作為營養被分解利用，還對ε-聚賴氨酸質量濃度有明顯的提高。

表2 糖渣質量濃度對灰褐鏈霉菌發酵生產ε-聚賴氨酸的影響/g·L-1

灰褐鏈霉菌屬于放線菌，是一種絲狀菌，而絲狀菌在培養過程中往往會形成菌絲球的形態，這也是絲狀菌的通性。在絲狀微生物的發酵過程中，眾多研究發現，產物水平的高低和微生物的形態，即菌絲球的大小有密切關系[8]。對于鏈霉菌產ε-聚賴氨酸而言，一般是菌球越小越有利于質量濃度的提高。這主要是因為顆粒的直徑越小，則比表面積越大，微生物跟營養物質和氧氣的接觸就越充分，在高的傳質傳氧條件下，細胞活力很高，結果就導致了質量濃度的提高[9]。而調控絲狀菌球大小的有效方法之一就是添加無機微粒，如氧化鋁、滑石粉等[10]。研究發現，糖渣里面含有大量的硅藻土，也屬于無機微粒。在搖瓶發酵中，硅藻土在培養基里進行高速轉動，會與灰褐鏈霉菌的菌絲發生碰撞，由此干擾了大尺寸菌絲球的形成，結果導致了菌球變小。用顯微攝影儀對搖瓶中菌絲球觀察發現，不添加糖渣時，菌球的平均直徑為324 μm，菌球隨著糖渣質量濃度增加而減少，當糖渣質量濃度為20 g/L 時，菌球直徑降低到了145 μm，這與報道的結果是一致的。而當糖渣質量濃度增大到25 g/L 時，灰褐鏈霉菌不再以菌球的形態出現，完全變成了菌絲。試驗表明，雖然菌球的直徑變小有利于質量濃度的增加，但是當小到一定程度，如145 μm 甚至更小時，ε-聚賴氨酸質量濃度反而降低，因此菌球大小應當適度。此外，菌球變小后，灰褐鏈霉菌雖然產ε-聚賴氨酸降低了，但由于生物量的升高，最終殘留葡萄糖質量濃度也在降低。

顯微攝影儀拍攝的灰褐鏈霉菌菌絲球大小見圖3，糖渣質量濃度對菌球直徑的影響見表3。

2.3 發酵液中殘留硅藻土對過濾效果的影響

圖3 顯微攝影儀拍攝的灰褐鏈霉菌菌絲球大小

表3 糖渣質量濃度對菌球直徑的影響

放線菌在發酵結束后，要進行下游的提取與精制，而過濾除菌往往是進行固液分離的第一步，工業中常用的過濾設備是板框壓濾機。為了提高過濾速度，工廠經常往板框中預涂一層硅藻土或者直接把硅藻土加入到發酵液中。研究中，糖渣中的葡萄糖、蛋白質和脂肪等營養物質已經被灰褐鏈霉菌分解利用，只剩余了硅藻土，所以可以預見的是，在后續的板框過濾中，硅藻土能夠加快過濾速度。研究采用簡單的濾紙過濾方法粗略的測定了一下加入糖渣（15 g/L）發酵液的過濾速度，獲得50 mL 濾液所用的時間為465±72 s，而不加糖渣的發酵液，獲得相同體積的濾液所需的時間為742±85 s，節省了近40%的時間，這就意味著在實際生產可以少加入大量的硅藻土甚至不加入，從而能夠節省生產成本。

濾紙過濾發酵液測定過濾速度見圖4。

圖4 濾紙過濾發酵液測定過濾速度

3 結論

淀粉糖工業中，產生了大量含硅藻土的副產物糖渣，目前尚無有效方法將硅藻土從糖渣中分離出來，只能以非常低廉的價格作為土壤肥料出售，造成了嚴重的資源浪費。將糖渣作為營養物質加入到灰褐鏈霉菌發酵生產ε-聚賴氨酸的培養基中。結果表明，①糖渣中的葡萄糖、蛋白質和脂肪能夠作為碳源和氮源被微生物利用，說明處理糖渣的思路是可行的；②糖渣中的硅藻土在發酵過程中能夠有效減小灰褐鏈霉菌的菌球直徑，提高了產物ε-聚賴氨酸的質量濃度，當糖渣質量濃度達15 g/L 時，ε-聚賴氨酸質量濃度達到最高值為2.46 g/L，提高幅度為59.7%；③剩余的硅藻土還可作為助濾劑加快后續的板框過濾速率，能夠節省新助濾劑的添加量。總之，實現了將糖渣變廢為寶，降低了生產成本，產生出重要的經濟效益和社會效益。