谷氨酸菌體蛋白硫酸水解工藝研究

白長勝

(黑龍江省農業科學院畜牧獸醫分院，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

味精生產過程中會產生大量廢水，其中含有1%左右的谷氨酸菌體。在發酵廢液中加入絮凝劑，將pH調至等電點后經提取、干燥、磨粉制得谷氨酸菌體蛋白。菌體蛋白是一種單細胞蛋白，含粗蛋白60%～70%，氨基酸態氮組成和比例較為均衡，此外,還含有豐富的維生素、礦物質、核酸、糖類及生長因子等[1]，主要直接用作畜禽、水產的蛋白飼料，還有將其開發成生物肥料以培養食用菌[2-4]，水解后作為氨基酸態氮飼料添加劑、氨基酸葉面肥，水解后開發調味品或提取寡肽、核酸開發新型食品調味品等諸多方面研究[5-9]。

溫敏型谷氨酸發酵需要豐富的有機氮源，提供菌體生長繁殖及代謝產酸所必需的各種營養成分，豆粕水解液是溫敏型谷氨酸發酵生產中常用的有機氮源，其價格相對較高。谷氨酸菌體蛋白經水解后會產生各種氨基酸態氮及多肽，與谷氨酸生產菌所需基本一致，如果能將谷氨酸菌體蛋白水解后替代豆粕水解液作為發酵原料，可以充分利用自身的原料優勢，降低生產成本，增加企業效益。

本試驗采用硫酸水解谷氨酸菌體蛋白，對水解條件進行研究，獲得合適的水解工藝，將谷氨酸菌體蛋白按優化后的工藝制備水解液后代替豆粕水解液應用于溫敏型谷氨酸發酵生產，對比發酵指標，驗證谷氨酸菌體蛋白水解液代替豆粕水解液的可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 材料與試劑

谷氨酸菌體蛋白；98%工業硫酸。

1.1.2 儀器與設備

1 L燒杯、立式壓力蒸汽滅菌器；JJ-1精密增力電動攪拌器 金壇市順華儀器有限公司；FE20實驗室pH計 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。

1.2 試驗方法[10]

取100 g菌體蛋白置于1 L燒杯中，根據試驗設計方案按酸料比與硫酸濃度配制硫酸溶液，同時用玻璃棒攪拌混勻后加入燒杯中，首先在90 ℃水浴鍋中攪拌3 h作為預處理，然后采用耐酸板框濾布封口，置于立式壓力蒸汽滅菌器，設定工作溫度后進行高溫高壓水解，達到水解時間后按滅菌器使用要求待其自然降溫后取出，過濾后濾液即為菌體蛋白水解液，記錄濾液體積。

1.3 分析方法[11]

1.3.1 總氮含量測定

采用凱式定氮法測定。

1.3.2 氨基酸態氮測定

采用甲醛滴定法測定。

1.3.3 水解率計算

以水解率作為判斷水解程度的指標，其計算公式如下：

2 結果與討論

2.1 單因素試驗

2.1.1 酸料比對水解效果的影響

圖1 酸料比對水解效果的影響Fig.1 Effects of ratio of acid volume to rawmaterial on hydrolyzation

硫酸過多，會增加高酸下的副反應，另外水解液在應用過程中需要使用堿性物質調整pH值，所以水解時應盡可能減少硫酸用量，但用量太少，會造成水解不徹底，而且產物濃度過低，不利于發酵生產。由圖1可知，酸料比為0.4∶1時水解效果最好。

2.1.2 水解時間對水解效果的影響

圖2 水解時間對水解效果的影響Fig.2 Effects of hydrolysis time on hydrolyzation

隨著水解時間增加，氨基酸態氮濃度逐漸積累至最大，再繼續水解，不僅氨基酸態氮增加甚微，而且一些氨基酸態氮在酸性條件下受到破壞，減少水解液中的氨基酸態氮濃度，并且使能耗增大；在水解過程中，葡萄糖與氨基酸態氮在高溫下還會發生美拉德反應，使產品色澤焦黑，同時也消耗了水解液中的氨基酸態氮，使產品氨基酸態氮含量下降。但時間過短，水解不完全，也將影響收率，因此，當氨基酸態氮積累至最大濃度時，應停止水解，避免發生副反應。由圖2可知，水解24 h時效果最好。

2.1.3 水解溫度對水解效果的影響

圖3 水解溫度對水解效果的影響Fig.3 Effects of hydrolysis temperature on hydrolyzation

溫度升高，酸水解速度隨之加快，但溫度過高會引起氨基酸態氮發生脫羧反應，使游離氨基酸態氮含量減少，其水解度也明顯降低。由圖3可知，控制溫度在115 ℃時水解效果最好。

2.1.4 pH值對水解效果的影響

圖4 pH值對水解效果的影響Fig.4 Effects of initial pH on hydrolyzation

pH低則水解速度快且水解程度高，但pH過低時水解液中和耗堿過多，且會發生副反應，降低水解液中氨基酸態氮含量。由圖4可知，pH值在1.0時水解效果最好。

2.2 正交試驗[12-15]

在上述單因素試驗的基礎上，采用四因素三水平方案，設計正交試驗來優化酸水解工藝條件，正交試驗設計及結果見表1，極差分析見表2。

表1 L9(34)正交試驗設計及結果Table 1 Results and design of L9(34) orthogonal experiments

表2 正交試驗極差分析Table 2 Range analysis of orthogonal experiments

由表2可知，各因素對谷氨酸菌體蛋白水解效果影響的主次順序為：酸料比>水解溫度>水解時間>pH值。最優組合是A2B2C2D1，即酸料比0.4∶1，水解溫度為115 ℃，水解時間為24 h， pH值為0.8。采用此最優條件進行驗證試驗，氨基酸態氮為39.3 g/L，水解率達到76.8%。

2.3 替代效果驗證

按照優化后的水解工藝制作谷氨酸菌體蛋白水解液用于溫敏型谷氨酸發酵與使用豆粕水解液的原始發酵配方比較(二者等量替代，其余配方和工藝條件相同)，結果見表3。

表3 不同有機氮源對溫敏型谷氨酸發酵的影響Table 3 The effects of different nitrogen sources on temperature-sensitive glutamic acid fermentation

由表3可知，對谷氨酸菌體蛋白水解液和豆粕水解液分別進行溫敏型谷氨酸的發酵生產，對比二者的各項生產指標未有明顯差異。證明谷氨酸菌體蛋白水解液代替豆粕水解液用于溫敏型谷氨酸發酵生產中是可行的。

3 結論

對菌體蛋白酸水解條件進行研究，采用單因素和正交試驗得到了一種較優的酸水解工藝：酸料比0.4∶1，水解溫度為115 ℃，水解時間為24 h，pH值為0.8，在此條件下水解液中氨基酸態氮為39.3 g/L，水解率可達76.8%。將谷氨酸菌體蛋白按優化后的水解工藝水解后應用于溫敏型谷氨酸生產，發酵水平無明顯差異。菌體蛋白是谷氨酸生產的副產品，含有豐富的蛋白質和其他營養物質，而且價格便宜，主要作為飼料添加劑，將其水解后作為發酵原料代替價格較高的豆粕水解液，充分利用了自身的原料優勢，降低了生產成本，而且與做飼料添加劑相比，其價值更高，直接提高了企業的經濟效益。