植物類有機氮源及其在發(fā)酵行業(yè)的應用

皮詩宇

(湖北工業(yè)大學 生物工程與食品學院 教學實驗中心 湖北 武漢 430068)

氮素[1]是組成氨基酸、蛋白質、激素、核酸以及葉綠素等有機大分子的基本元素[2],是調節(jié)植物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)物質[3]。近些年來,有關生物發(fā)酵以及農產品加工行業(yè)的應用日益廣泛,生產中利用有益微生物進行發(fā)酵,收集菌體或相關代謝產物用于增產、防病等方面的研究逐漸增多[4]。

植物類有機氮源,是有機氮源的一類分支,大部分植物類有機氮源作為飼料或肥料使用。但近年發(fā)現(xiàn),植物類有機氮源中含有大量蛋白質,且相較于無機氮源和動物類有機氮源而言,具有豐富性和易處理性。文章擬從來源、組成成分、應用等方面,對植物類有機氮源的研究進展和存在的問題進行探討,為植物類有機氮源的研發(fā)、生產和廣泛應用提供參考。

1 植物類有機氮源的研究歷史及現(xiàn)狀

植物類有機氮源含有豐富的蛋白質、多肽、游離氨基酸以及糖類、脂類、維生素和某些生長因子[5]。經實驗證明,無機氮源培養(yǎng)基中的菌體生長較慢,但在既有無機氮源又添加了有機氮源的菌體的生長明顯加快,菌絲也有明顯的增多。在有機氮源中富含的游離氨基酸及其他有機物都可以被菌體所利用生成不同結構的碳架,合成蛋白質,這種情況下甚至可以無需糖代謝合成。BELTRAN R等人通過研究發(fā)現(xiàn),無機氮源的銨鹽在發(fā)酵后期很難被利用,無機氮源發(fā)酵后總酸變化量較有機氮源明顯,個別濃度處理的總酸變化量與對照相比差異顯著,并隨著氮源濃度增加總酸變化量有增加的趨勢,經分析認為氯化銨和磷酸氫二銨都是生理酸性氮源,氨氮利用后游離出來的酸根使發(fā)酵后總酸增加[6-8],因此有機氮源發(fā)展前景可觀。

當前植物類有機氮源發(fā)展中存在著一些問題,一是安全問題,植物類有機氮源存在著轉基因和過敏性等爭議,例如使用酸水解方法生產的產品可能存在三氯丙醇這類致癌物,這樣的問題一直沒有合理有效的解決辦法。二是組分量化及穩(wěn)定性問題,植物類有機氮源結構組分相對復雜,不同生產廠家不同生產批次的同類氮源都有較大的差異。

2 植物類有機氮源特點

2.1 基本組成成分

不同種類植物有機氮源的組成成分有所差異,由表1可知,各植物類有機氮源的組成成分有所差別,其中玉米漿的蛋白質含量最高,雜質相對較少,是很好的植物類有機氮源。

植物類的有機氮源主要來源于工廠生產糖、油脂后的廢棄產物。在實際工廠生產糖、油脂物質時,會將大量的生產廢料直接處理,沒有進行二次加工利用。這不僅造成了資源浪費,而且對環(huán)境有一定不利影響。對植物類有機氮源的組成成分進行分析,可知植物類的有機氮源中除了高含量的蛋白質外,還含有大量的雜質,這些雜質是造成植物類的有機氮源無法在工業(yè)生產中進行大規(guī)模應用的主要原因。分析植物類有機氮源組成成分,可以從去除雜質組分的角度分析,從而提高植物類有機氮源中蛋白質的含量,使氮源含量增加,進一步提高植物類有機氮源的利用率。

表1 植物類有機氮源組成成分分析

2.2 植物類有機氮源蛋白質組成

植物類有機氮源提取主要利用其自身蛋白,不同種類的植物類有機氮源的蛋白質結構組成和含量不同。由表2可知,大多數(shù)植物類有機氮源都含有球蛋白,清蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白在部分植物類有機氮源中存在。對植物類有機氮源的蛋白組成成分進行分析,并進行進一步植物類有機氮源的乳化性、起泡性、疏水性等性質的分析,可以更好地掌握提高植物類有機氮源的方法。

表2 植物類有機氮源蛋白質量組成

2.3 氨基酸組成

植物類有機氮源作為飼料喂養(yǎng)禽畜的過程中,不同組氨基酸組成和含量的氨基酸會對禽畜生長造成不同的影響。對不同種的植物類有機氮源,存在同一種氨基酸的含量有所不同,含量的高低會使表觀代謝率、真代謝率和表觀消化率、真消化率有快慢之分,從而比較出差異。同時通過單因素、正交試驗等優(yōu)化微生物發(fā)酵條件,可知某一種或幾種氨基酸組成含量會對微生物生長造成一定影響。由表3可知十八種必需氨基酸在不同種類的植物類有機氮源中含量不同,可作為植物類有機氮源在飼料應用方向和微生物發(fā)酵方面的研究基礎。

表3 植物類有機氮源中氨基酸組成表 單位:g/(100 g)

3 植物類有機氮源在發(fā)酵行業(yè)的應用

3.1 L-氨基酸發(fā)酵

生物界各種蛋白質(除一些細菌的細胞壁中的短肽和個別抗生素外)幾乎都是由L-氨基酸所構成,含D-氨基酸的極少。

L-蘇氨酸是一種必需氨基酸,廣泛應用于醫(yī)藥、食品和飼料等領域,并且其需求量日益增加[26-27],梁靜波,馬躍超等人[28]以工業(yè)級的棉籽餅粉水解液與豆餅水解液為對象,分析并比較了兩種水解液在氨基氮和氨基酸成分上的差異,并以L-谷氨酸發(fā)酵為例[29],比較了兩種有機氮源對發(fā)酵的影響,得到棉籽餅粉水解液可以作為一種新型的有機氮源應用于發(fā)酵行業(yè)中,具有廣闊的工業(yè)應用前景。

3.2 產酸發(fā)酵

乳酸及其衍生物廣泛地應用于食品、醫(yī)藥、飼料、化妝品、化工等領域[30],同時L(+)乳酸是一種用發(fā)酵法生產產品,微生物發(fā)酵是目前乳酸生產的主要方法[31]。李文友等人實驗以玉米漿為有機氮源,以硫酸銨為主要無機氮源,研究了不同接種量對發(fā)酵過程的影響;并就以玉米漿替代酵母粉、豆粕水解液、生物素為有機氮源的L-乳酸發(fā)酵進行了對比研究實驗,實驗證明了玉米漿作為有機氮源用于L-乳酸發(fā)酵的可行性,使用玉米漿為有機氮源對保證生產能力的同時,進一步降低L-乳酸生產成本。

L(+)酒石酸是一種天然有機酸[32],其鹽類較穩(wěn)定,可用作食品添加劑,酸味值約為檸檬酸的1.3倍,而且是葡萄酒生產過程中唯一一種允許添加的酸味劑[33-34]。譚之磊,王洪翠等人[35]通過實驗提高5-酮基-葡萄糖酸產量,利用5KGA的氧化葡萄糖桿菌GluconobacteroxydansHGI-1為出發(fā)菌株,研究不同有機氮源對5KGA產量的影響,通過搖瓶試驗結果表明,玉米漿是最適氮源,可利用葡萄糖幾乎全部轉化為5KGA[36]。

3.3 抗生素

泰樂菌素從弗氏鏈霉菌(鏈球菌Mycesfradiae)是一種特殊的畜牧大環(huán)內酯類抗生素發(fā)酵產生的,低毒,廣譜。弗氏鏈霉菌是泰樂菌素的產生菌,楊德[37]利用Plackett-Burman實驗設計對泰樂菌素發(fā)酵培養(yǎng)基的有機氮源進行優(yōu)化。結果表明,玉米蛋白粉和魚粉的合理搭配使得培養(yǎng)基中的氨基酸含量更加平衡,但魚粉過量會導致失衡。

4 總結與展望

植物類有機氮源,例如,米渣、豆粕、芝麻餅粕等大多數(shù)都來源于工廠加工生產糖類、油脂后所剩下的廢棄物,這些廢棄物中富含蛋白質,對于資源而言造成了極大的浪費,同時也使得環(huán)境受到污染。近年來,對植物類有機氮源的研究取得了許多可觀的成果,大多數(shù)成果都應用于微生物的培養(yǎng)中,替代了常規(guī)的培養(yǎng)基組成,使食品、飼料、醫(yī)藥等方面發(fā)酵產業(yè)提高了產量。但同時植物類有機氮源的安全性、組分復雜和工廠生產的不規(guī)范化,造成如今的植物類有機氮源的發(fā)展沒有達到預想的結果。所以,具有能成為有機氮源的植物要去除蛋白質以外的雜質,盡可能使?jié)饪s蛋白中雜質減少的同時除雜手段應溫和無污染,并分析其內部組成成分和結構,此類有機氮源在微生物生長的過程中,是否有不利影響。

目前,提取植物類有機氮源有化學法、生物法和酶法。化學法雖然提取率最高,但對環(huán)境造成一定污染,并且在食品等方面很難做到應用;生物法和酶法相對安全,同時成本方面較貴。因此為了保障人類及動植物的健康,應該投入更多的精力去研究關于植物類有機氮源通過酶法和生物法提取的優(yōu)化方法,使得植物類有機氮源能夠更好的發(fā)展。