賴氨酸發酵過程中不同氮源的代謝作用研究

曾兆國 李承鈺 陳永輝 張智清 文 紅

賴氨酸屬于二氨基的堿性氨基酸，賴氨酸是人體必需氨基酸之一，能促進人體發育、增強免疫功能，并有提高中樞神經組織功能的作用，在微生物菌體中氮是構成細胞蛋白質和核酸的主要元素，蛋白質和核酸是構成微生物原生質的主要部分。氮也是構成賴氨酸的組成部分，賴氨酸發酵過程中添加的氮源較其它發酵產品多。通常微生物生長過程中對于有機氮和無機氮而言優先利用有機氮，其次氨氮和尿素，最后是硝基氮。

本實驗旨在探索玉米漿取代豆粕水解液后在發酵過程中對于產酸、轉化率有無影響，以期達到玉米漿取代豆粕水解液從而降低生產成本的目的。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實驗菌種

谷氨酸棒狀桿菌 (Corynebacterium glutamicum)，日本味之素公司提供。

1.1.2 實驗設備

1000 ml種子罐、2000 L發酵罐、1500 L濃糖流加罐、1000 L液氨流加罐、25 L消泡劑瓶、2000 L搪玻璃反應罐等。

1.1.3 實驗材料

葡萄糖，濰坊圣泰化工有限公司生產；磷酸，濰坊市晨陽化工有限公司生產；玉米漿，山東西王集團生產；豆粕，山東鄒平怡康集團有限公司生產；氯化鉀，甕福(集團)有限責任公司生產；液氨 ，山東恒立化工有限公司生產；硫酸，山東濟寧煤化公司生產；硫酸銨，山東沃藍化工有限公司生產；生物素，迪賽諾醫藥股份有限公司生產；聚醚泡敵，濟南宜豐化工有限公司生產；MgSO4·7H2O，國藥集團化學試劑公司生產；FeSO4·7H2O，國藥集團化學試劑公司生產；MnSO4·H2O，國藥集團化學試劑公司生產。

1.2 方法

本次實驗采用二級發酵形式，采用同一批號生產菌種，種子罐原料配比及各項控制指標不變。

1.2.1 豆粕水解液制取

在2 m3搪玻璃反應釜中，加入一次水1000 L，在攪拌狀態下緩慢加入96%的濃硫酸160 L，再投入豆粕760 kg。打開并調節反應釜夾套蒸汽，加熱料液達120℃，保溫維持，24 h后停蒸汽。打開并調節夾套循環水把物料溫度冷卻至80℃以下，熱物料經板框過濾，收集濾液即為“豆粕水解液”，可收集濾液約940 kg。經化驗豆粕水解液主要指標為：總氮2.80%、氨氮0.35%、有機氮2.45%、硫酸根24.51%。

1.2.2 發酵配料

發酵過程中為防止豆粕水解液或玉米漿中蛋白質和葡萄糖之間的美拉德反應，把實驗發酵罐基礎料分成基礎料一、基礎料二兩部分配制、消毒處理。發酵基礎料除去按照比例添加的豆粕水解液或玉米漿外，其它原料均相同，以作對比分析。基礎料一為葡萄糖、磷酸，定容250 L，控制發酵初糖為4.5%～5%；基礎料二為豆粕水解液或玉米漿、硫酸銨、Mg-SO4·7H2O、FeSO4·7H2O、生物素、MnSO4·H2O、泡敵；定容為500 L。

在基礎料二配置過程中，按照發酵初始基礎料總氮0.3%比例添加豆粕水解液或玉米漿。經測算豆粕水解液每罐批采用160 kg，玉米漿每罐批采用168 kg。基礎料二消后定容控制在750 L。

1.2.3 基礎料消毒

利用2臺2000 L發酵罐分別裝基礎料一、基礎料二。基礎料一、基礎料二分別按照發酵罐實罐滅菌規程操作，溫度控制121℃，滅菌維持20 min；冷卻到35℃時，把基礎料一通過滅菌后的管道，經無菌操作，壓入基礎料二罐作為發酵實驗罐，各批次均采用相同工藝操作。

1.2.4 發酵主要控制參數

發酵接種量控制在 8%～10%，發酵初糖控制4.5%～5%，攪拌轉速控制在180～200 r/min范圍，通過風量調節控制溶解氧在13%～15%，發酵罐壓維持在0.05 MPa，發酵溫度為（35±0.5）℃，發酵 pH 值通過液氨自動調節在6.9～7.0左右，發酵殘糖控制在≤0.8%。

1.2.5 流加糖控制

采用消毒后的70%葡萄糖連續補料，0～12 h原則上不補糖，發酵殘糖開始下降至0.8%時開始補糖，控制殘糖0.5%～0.8%，當糖濃度高于1.0%，可暫停補糖一段時間，控制發酵周期54 h，放罐前2 h停止補糖。

1.2.6 流加無機鹽控制

采用50%硫酸銨無菌液，連續補加，控制氨氮0.15%～0.25%，40 h控制0.1%，48 h停止補。

1.2.7 發酵過程泡沫控制

采用5%泡敵無菌液消除發酵過程中產生的泡沫，根據泡沫情況，采用外懸掛25 L瓶手動流加消泡劑，以每次少量，泡沫不“頂罐”為原則。

2 實驗結果

按照上述方法，發酵基礎料分別采用豆粕水解液和玉米漿各進行3批發酵實驗，結果見表1。

表1 發酵指標比較

3 結果與討論

通過3批發酵過程看，采用豆粕水解液前期產酸速率較快，平均在35 h左右開始出現下降。而采用玉米漿后發酵產酸速率基本從40 h左右開始降低，產酸曲線開始出現拐點，而隨著發酵繼續進行，產酸速率進一步降低。

3.1 采用豆粕水解液作為發酵添加的有機氮源，發酵產酸平均在14.58%；采用玉米漿作為發酵添加的有機氮源，發酵平均產酸在14.70%。采用兩種原料后發酵產酸差值0.12%，處于正常波動3%范圍。

3.2 采用豆粕水解液后，發酵轉化率平均在40.11%；采用玉米漿后，發酵轉化率平均在38.54%，差值在1.57%，處于正常波動3%范圍。

從上述指標看，單罐發酵產酸在0.12%波動，轉化率在0.03%波動，均屬正常發酵過程。

根據上述實驗推算，平均每噸賴氨酸發酵產品消耗豆粕水解液731.73 kg，折算商品豆粕為591.61 kg。平均每噸賴氨酸發酵產品消耗玉米漿794.85 kg。目前市場上，商品豆粕價格在3320元/t，經折算每噸65%賴氨酸發酵產品消耗豆粕費用為1277元。40%干物質的商品玉米漿市場售價為500元/t，經折算每噸65%賴氨酸發酵產品消耗玉米漿費用為258元，除去制取豆粕水解液的硫酸、蒸汽、水、電、人工的消耗，僅從用玉米漿取代豆粕水解液一項而言，每噸65%賴氨酸發酵產品將節省生產費用1019元。

因此，從本實驗來看采用玉米漿替代豆粕水解液在生產上完全可行，具有非常明顯的成本優勢，可以較大的降低賴氨酸的生產成本。