汽爆預(yù)處理對檸檬酸發(fā)酵菌渣制備氨基葡萄糖鹽酸鹽的影響

張傳惠

(濰坊英軒實(shí)業(yè)有限公司，山東 濰坊 262499)

氨基葡萄糖(氨糖)，化學(xué)名稱為2-氨基-2-脫氧-D-葡萄糖，是蛋白質(zhì)多糖的重要組成部分，具有較高的親水性[1]，它也是軟骨細(xì)胞形成的重要營養(yǎng)物質(zhì)，是軟骨基質(zhì)和關(guān)節(jié)液的基本組成成分。工業(yè)用氨糖產(chǎn)品主要有氨糖鹽酸鹽和氨糖硫酸鹽，被廣泛應(yīng)用于食品、化妝品、醫(yī)療保健和制藥行業(yè)[2-5]。氨糖的最大市場是北美、歐洲、亞洲和大洋洲，全球的氨糖總產(chǎn)能已經(jīng)超過3萬t[6-8]，中國是全球最大的氨糖生產(chǎn)商[9]。

氨糖主要是由蝦蟹殼來源的幾丁質(zhì)或菌體來源的幾丁質(zhì)經(jīng)化學(xué)法提取獲得，目前以葡萄糖為原料直接經(jīng)過基因工程菌株發(fā)酵生產(chǎn)也已經(jīng)日漸成熟。但蝦蟹殼來源的氨糖存在過敏原及重金屬等問題，發(fā)酵氨糖存在轉(zhuǎn)基因問題，而菌體來源特別是經(jīng)玉米發(fā)酵檸檬酸獲得的黑曲霉菌體來源的氨糖則被公認(rèn)為是目前最受歡迎的氨糖產(chǎn)品。然而隨著檸檬酸發(fā)酵菌渣作為飼料原料的應(yīng)用，其作為氨糖生產(chǎn)原料的成本不斷提高，加之我國對環(huán)保的重視，菌體來源的氨糖產(chǎn)量不斷降低。所以，迫切需要開發(fā)菌體來源氨糖的生產(chǎn)新工藝。

作者采用高效、低成本的汽爆預(yù)處理工藝[10-11]對檸檬酸發(fā)酵菌渣進(jìn)行預(yù)處理，考察不同汽爆預(yù)處理?xiàng)l件對化學(xué)法制備氨糖鹽酸鹽的影響，研究汽爆預(yù)處理過程中產(chǎn)生的可溶性副產(chǎn)物的綜合利用，以期通過高效的預(yù)處理手段增加菌體幾丁質(zhì)相對含量，提高菌體氨糖收率，降低化學(xué)品消耗，為檸檬酸行業(yè)的副產(chǎn)物綜合利用及菌體氨糖的生產(chǎn)新工藝提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

檸檬酸發(fā)酵菌渣、黑曲霉菌種、檸檬酸發(fā)酵玉米培養(yǎng)基，均由濰坊英軒實(shí)業(yè)有限公司提供。

QBS-2008型汽爆設(shè)備，由5L反應(yīng)室、蒸汽發(fā)生器和收集器組成，由鶴壁正道生物能源有限公司提供。

1.2 檸檬酸發(fā)酵菌渣的汽爆預(yù)處理

處理前，將檸檬酸發(fā)酵菌渣樣品的含水率調(diào)至30%，處理量為1 kg，處理時(shí)間為90 s，汽爆壓力分別為1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa。處理后樣品被瞬間排放到收集器中[12]，將收集器中的所有樣品(包括液體)全部收集到樣品收集袋中，105 ℃烘干至恒重(以下簡稱汽爆菌渣)，于4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 氨糖鹽酸鹽的制備

參照文獻(xiàn)[13]，取10 g汽爆菌渣，加入到25 mL 30%濃鹽酸中，95 ℃反應(yīng)2 h，過濾，收集濾液，105 ℃烘干至恒重，即得氨糖鹽酸鹽。稱重，計(jì)算氨糖鹽酸鹽的收率。

1.4 氨糖鹽酸鹽純度的檢測

稱取0.5 g氨糖鹽酸鹽溶于5 mL去離子水中，采用高效液相色譜法測定峰面積，通過峰面積的比值計(jì)算氨糖鹽酸鹽的純度。色譜條件：柱溫為65 ℃、流動相為5 mmol·L-1硫酸、流速為0.6 mL·min-1，檢測器為示差檢測器[14]。

1.5 汽爆預(yù)處理副產(chǎn)物的分析

取5 g汽爆菌渣，加入到20 mL去離子水中，充分混合均勻，過濾，分別采用菲林試劑法和福林-酚試劑法檢測濾液中的可溶性總糖和可溶性總蛋白的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 汽爆預(yù)處理對檸檬酸發(fā)酵菌渣外觀的影響

在汽爆壓力分別為1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa時(shí)，對檸檬酸發(fā)酵菌渣進(jìn)行汽爆預(yù)處理，通過比較汽爆菌渣的顏色來考察汽爆預(yù)處理對檸檬酸發(fā)酵菌渣外觀的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 汽爆預(yù)處理對檸檬酸發(fā)酵菌渣外觀的影響Fig.1 Effect of steam explosion pretreament on appearance of citric acid fermentation residue

由圖1可知，汽爆預(yù)處理對檸檬酸發(fā)酵菌渣外觀的影響很大。檸檬酸發(fā)酵菌渣經(jīng)過汽爆預(yù)處理后，其顏色變深，且隨著汽爆壓力的增大，菌渣的顏色不斷加深。這可能是因?yàn)椋瑝毫υ酱螅饔脺囟仍礁撸械鞍着c殘?zhí)堑拿览潞肿兎磻?yīng)越劇烈，導(dǎo)致菌渣的顏色越深。

2.2 汽爆預(yù)處理對檸檬酸發(fā)酵菌渣中固形物含量的影響

將1.2所得汽爆菌渣稱重；充分洗滌，將可溶性物質(zhì)洗滌干凈后再次烘干至恒重，稱重；計(jì)算總不溶性固形物含量，考察汽爆預(yù)處理對檸檬酸發(fā)酵菌渣中總不溶性固形物含量的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 汽爆預(yù)處理對檸檬酸發(fā)酵菌渣中總不溶性固形物含量的影響Fig.2 Effect of steam explosion pretreatment on content of total insoluble solids in citric acid fermentation residue

由圖2可知，經(jīng)過汽爆預(yù)處理的檸檬酸發(fā)酵菌渣中總不溶性固形物含量較未經(jīng)汽爆預(yù)處理的少；且隨著汽爆壓力的增大，菌渣中總不溶性固形物含量不斷減少，在2.5 MPa下汽爆預(yù)處理90 s后的總不溶性固形物含量降至69.6%，較未經(jīng)汽爆預(yù)處理的降低了25.64%。表明，汽爆預(yù)處理可以對菌渣起到很好的破碎作用，增加菌渣中可溶性固形物含量，這可能與菌體胞內(nèi)成分釋放增加有關(guān)，且隨著汽爆壓力的增大，菌渣中可溶性成分釋放越徹底。

2.3 汽爆預(yù)處理對氨糖鹽酸鹽收率的影響

在不同壓力下對檸檬酸發(fā)酵菌渣進(jìn)行汽爆預(yù)處理，按1.3方法制備氨糖鹽酸鹽，計(jì)算收率，結(jié)果見表1。

表1 汽爆預(yù)處理對氨糖鹽酸鹽收率的影響

Tab.1 Effect of steam explosion pretreatment on yield of glucosamine hydrochloride

由表1可知，檸檬酸發(fā)酵菌渣經(jīng)過汽爆預(yù)處理后，氨糖鹽酸鹽收率較未經(jīng)汽爆預(yù)處理的明顯升高；且隨著汽爆壓力的增大，氨糖鹽酸鹽收率不斷升高，在2.5 MPa下汽爆預(yù)處理90 s的氨糖鹽酸鹽收率較未經(jīng)汽爆預(yù)處理的提高了(88.89±7.32)%。從化學(xué)品消耗的角度來看，檸檬酸發(fā)酵菌渣經(jīng)汽爆預(yù)處理后，生產(chǎn)同等產(chǎn)量的氨糖鹽酸鹽，可減少鹽酸用量(88.89±7.32)%，減少廢棄物排放(88.89±7.32)%。

所制備的氨糖鹽酸鹽的HPLC圖譜如圖3所示。

由圖3可知，所制備的氨糖鹽酸鹽的雜質(zhì)較少，純度達(dá)到了93.14%。表明，汽爆預(yù)處理有利于檸檬酸發(fā)酵菌渣中菌體氨糖的化學(xué)提取，可能是汽爆預(yù)處理增加了殘留固體中菌體幾丁質(zhì)的相對含量。

圖3 氨糖鹽酸鹽的HPLC圖譜Fig.3 HPLC spectrum of glucosamine hydrochloride

2.4 汽爆預(yù)處理對檸檬酸發(fā)酵菌渣中可溶性總糖和可溶性總蛋白含量的影響(圖4)

由圖4可知，經(jīng)過汽爆預(yù)處理的檸檬酸發(fā)酵菌渣中可溶性總糖和可溶性總蛋白的含量較未經(jīng)汽爆預(yù)處理的明顯增加；且隨著汽爆壓力的增大，可溶性總糖和可溶性總蛋白的含量均逐漸增加；在2.5 MPa下汽爆預(yù)處理90 s后的可溶性總糖和可溶性總蛋白的含量分別達(dá)到6.44%和9.37%，分別是未經(jīng)汽爆預(yù)處理的4.41倍和8.01倍。表明，較高的汽爆壓力可以更徹底地促進(jìn)菌體細(xì)胞的破裂和可溶性成分的釋放。

2.5 汽爆預(yù)處理副產(chǎn)物的回收利用

為了回收利用汽爆預(yù)處理過程中產(chǎn)生的可溶性總糖和可溶性總蛋白，將汽爆菌渣溶解過濾獲得的可溶性成分烘干，然后按不同比例(2%、4%、6%)添加至檸檬酸發(fā)酵玉米培養(yǎng)基中，在250 mL三角瓶中接種黑曲霉進(jìn)行檸檬酸發(fā)酵，考察汽爆預(yù)處理產(chǎn)生的可溶性成分對檸檬酸發(fā)酵的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 汽爆預(yù)處理產(chǎn)生的可溶性成分對檸檬酸發(fā)酵的影響Fig.5 Effect of soluble components produced by steam explosion pretreatment on citric acid fermentation

由圖5可知，與正常的檸檬酸發(fā)酵相比，添加4%和6%汽爆預(yù)處理產(chǎn)生的可溶性成分后，檸檬酸酸度略有升高，但升高并不明顯，并未對檸檬酸發(fā)酵產(chǎn)生不良的影響。可能是因?yàn)椋m然汽爆菌渣中可溶性總糖及可溶性總蛋白的含量明顯增加，但總量并不多，且可發(fā)酵用可溶性總糖和可溶性總蛋白的占比未知，所以添加一定量的汽爆預(yù)處理產(chǎn)生的可溶性成分并不會對檸檬酸發(fā)酵產(chǎn)生不良影響，在實(shí)際生產(chǎn)中，這部分可溶性成分可以返回檸檬酸發(fā)酵的原料預(yù)處理工序進(jìn)行調(diào)漿重新回收利用。

3 結(jié)論

通過測定外觀、固形物含量、可溶性成分含量及收率，研究了不同汽爆壓力下檸檬酸發(fā)酵菌渣的汽爆預(yù)處理效果，確定汽爆預(yù)處理工藝可以顯著提升氨糖鹽酸鹽的收率，降低化學(xué)品消耗和廢棄物排放。在2.5 MPa下對檸檬酸發(fā)酵菌渣汽爆預(yù)處理90 s，氨糖鹽酸鹽的收率較未經(jīng)汽爆預(yù)處理提高了(88.89±7.32)%。同時(shí)汽爆預(yù)處理產(chǎn)生的副產(chǎn)物富含可溶性總糖和可溶性總蛋白，對檸檬酸發(fā)酵無不良影響，可以回收利用。本研究構(gòu)建了一種檸檬酸發(fā)酵菌渣新的利用策略，同時(shí)也提出了一種提高菌體氨糖收率的預(yù)處理方法，為檸檬酸行業(yè)的廢棄物綜合利用和菌體氨糖的高效生產(chǎn)提供了借鑒。