乳链菌肽发酵液活性炭脱色

贾翠英,张明霞,张玉辉

(河南科技学院生命科学技术学院,河南新乡 453003)

乳链菌肽发酵液活性炭脱色

贾翠英,张明霞,张玉辉

(河南科技学院生命科学技术学院,河南新乡 453003)

考察了两种不同形状活性炭对乳链菌肽发酵液的脱色效果,分析了吸附条件对活性炭脱色效果及对乳链菌肽收率的影响,并对两种不同形状活性炭的吸附动力学作了初步考察。结果表明：25℃,120r/min,摇床脱色 8h,4.5g粒状活性炭对 50mL乳链菌肽发酵液脱色率为 69.3%,乳链菌肽收率为 93.4%,而 0.2g粉状活性炭 25℃,120r/min,摇床脱色 10h对 50mL乳链菌肽发酵液脱色率为 57.47%,乳链菌肽收率为 83.2%;90℃,30min水浴静态脱色,粒状活性炭脱色率 42.6%,乳链菌肽收率为 90.78%;粉状活性炭脱色率为 56.76%,乳链菌肽收率为 89.84%;吸附脱色动力学研究发现,粒状活性炭表现为典型的单分子层吸附,而粉状活性炭则表现为单分子层吸附和多分子层吸附的叠加。

乳链菌肽,活性炭,脱色

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

粒状活性炭、粉状活性炭 购自南开大学化工厂。

恒温摇床培养箱,水浴锅,超速离心机,721-W分光光度仪,pHS-3酸度计等。

1.2 乳链菌肽发酵液的制备及其澄清

乳链菌肽发酵液的制备工艺如下：在 1L搅拌式玻璃反应器中(内径 100mm,高140mm),配有pH/温度控制仪(JZ2001多参数测控仪,北京金众科技有限公司 ),通过磁力搅拌器进行搅拌。L.lactis ATCC11454接入 CM种子培养基,30℃静置培养12h,按 1(φ)的接种量转入 1L反应器中,装料量为500mL,温度由恒温水浴控制在 30℃,通过蠕动泵自动流加 5mol/L的 NaOH维持 pH为 6.80±0.05。在发酵液上方通入适量过滤除菌的氮气维持厌氧环境,轻微搅拌 (100r/min)保持发酵液均一,发酵 24h结束。

将发酵终了的乳链菌肽发酵液用浓盐酸调 pH为 2左右,煮沸 5min,以结束发酵过程。冷却至室温,于 4000r/min离心 15min,取上清得到澄清发酵液。

1.3 脱色实验

1.3.1 粒状活性炭和粉状活性炭最适使用量的确定分别称取 0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0g粒状活性炭和 0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5g粉状活性炭,置入内盛 50mL澄清乳链菌肽发酵液的三角瓶, 25℃,120r/min摇床 10h左右,离心取上清,于 721分光光度计下λ=440nm处,测各个上清的吸光度,并利用琼脂扩散法[4]测定各自的乳链菌肽效价,兼顾脱色效果和乳链菌肽效价确定粒状活性炭的最适使用量。

1.3.2 粒状活性炭和粉状活性炭常温吸附与热吸附比较 根据粒状活性炭和粉状活性炭各自的最适使用量,粒状活性炭选择 0、0.5、2.5、4.5g三个梯度,粉状活性炭则选择 0、0.1、0.2、0.3、0.4g四个梯度,二者均分别称取两份,一份进行常温吸附实验,另一份用于热吸附实验。将 0、0.5、2.5、4.5g粒状活性炭和0.1、0.2、0.3、0.4g粉状活性炭,分别加入内盛 50mL澄清乳链菌肽发酵液的三角瓶,一份于 25℃,120r/min摇床 10h左右,另一份于 90℃,水浴 30min,然后分别于 4000r/min,离心 10min取上清,于 721分光光度计下λ=440nm处,测各个上清的吸光度,并利用琼脂扩散法测各自的乳链菌肽效价。而固体沉淀物则用pH 2的 HCl配制的 0.01N NaCl溶液于 120r/min摇床溶解洗涤(体积 30mL)10h左右后,离心取上清,测乳链菌肽效价。

1.3.3 粒状活性炭和粉状活性炭的静态吸附动力学曲线 称取 1g粒状活性炭和 1g粉状活性炭,分别加入内盛 50mL澄清乳链菌肽发酵液的三角瓶, 120r/min摇床脱色,每隔 2h取样离心取上清,于 721分光光度计下λ=440nm处测吸光度,以时间为横坐标,以吸附量即每克吸附剂吸附发酵液中色素量(以每克吸附剂对发酵液脱色前后的吸光度的变化值表示)为纵坐标作图,得到粒状活性炭和粉状活性炭的静态吸附动力学曲线。

1.3.4 粒状活性炭和粉状活性炭等温吸附线 称取1g粒状活性炭和 1g粉状活性炭,分别加入不同稀释倍数的澄清乳链菌肽发酵液中 (50mL),稀释倍数分别为 2、4、6、8、10倍,于 120r/min摇床脱色至吸附平衡。以加入吸附剂前的稀释发酵液的吸光度为横坐标,以吸附量即每克吸附剂吸附发酵液中色素量为纵坐标作图,得出各自的等温吸附线。本实验以加入吸附剂后稀释发酵液的吸光度的变化值来表示吸附量。

2 结果与分析

2.1 粒状活性炭和粉状活性炭最适用量的确定

图 1和图 2分别显示了粒状活性炭和粉状活性炭对乳链菌肽发酵液的脱色结果。由图 1可知,粒状活性炭对发酵液中色素的吸附效果良好,而对发酵液中的乳链菌肽吸附作用不明显,当添加 4.5g粒状活性炭于 50mL澄清乳链菌肽发酵液中,摇床脱色 10h左右后,脱色效果为 69.3%,乳链菌肽的收率为 93.4%,继续增加活性炭克数,脱色率不再变化,因此确定粒状活性炭最适用量为 4.5g/50mL澄清发酵液。

图1 粒状活性炭脱色结果

图 2显示出粉状活性炭对乳链菌肽和色素的吸附作用都有显著变化,随吸附剂活性炭克数的增加,发酵液吸光度下降,同时吸附剂对乳链菌肽的吸附量也增加。当粉状活性炭加入量为 0.1g/50mL和0.2g/50mL澄清发酵液时,脱色效果分别为 43.5%和66.1%,乳链菌肽收率接近 100%。但是,当粉状活性炭加入量为 0.3g时,乳链菌肽收率急剧下降,甚至全部被活性炭吸附,由此,可知粉状活性炭最适用量为0.2g/50mL澄清发酵液,同时还可知粉状活性炭脱色时存在进一步解吸附问题。

图2 粉状活性炭脱色分析

2.2 粒状活性炭与粉状活性炭常温脱色与加热脱色结果比较

图 3和图 4分别显示了粒状活性炭和粉状活性炭常温和加热条件下,对乳链菌肽发酵液的脱色结果。由图 3可知,常温或加热条件下,粒状活性炭对发酵液的脱色效果及对乳链菌肽收率的影响规律一致,即随活性炭剂量的增加,脱色效果增强,乳链菌肽收率下降。由图 3还可知,粒状活性炭 4.5g/50mL发酵液常温摇床脱色8h后,脱色率为69.3%,乳链菌肽收率为 93.4%;90℃加热脱色 30min,脱色率为42.6%,乳链菌肽收率为 90.78%。常温和加热条件下脱色比较可知,对于粒状活性炭而言,常温脱色效果优于加热脱色效果,且常温脱色时的乳链菌肽收率也高于高温脱色时的收率。

图 3 粒状活性炭常温脱色与加热脱色结果比较

由图4可知,常温或加热条件下,粉状活性炭对发酵液的脱色效果及对乳链菌肽收率的影响规律也一致,即随活性炭剂量的增加,脱色效果增强,乳链菌肽收率下降。由图 4还可知,粉状活性炭 0.2g/50mL发酵液摇床 10h脱色后,脱色率为 57.47%,乳链菌肽收率为 83.2%,而 90℃加热脱色 30min时,0.2g/50mL发酵液的脱色率为 56.76%,乳链菌肽收率为 89.84%。可见,对于粉状活性炭而言,常温和加热条件对粉状活性炭脱色及对乳链菌肽收率的影响不显著。

图 4 粉状活性炭常温吸附与热吸附比较

2.3 粒状活性炭和粉状活性炭静态吸附动力学曲线

图 5显示了两种不同形状的活性炭的静态吸附动力学曲线,由粒状活性炭和粉状活性炭静态吸附动力学曲线可知,粒状活性炭的吸附平衡时间为 8h,最大吸附量为 0.35,粉状活性炭的吸附平衡时间为10h,最大吸附量为 0.13,可见,单位时间内粒状活性炭比粉状活性炭有更大的吸附量,这可能说明了不同形状造成色素与吸附剂发生吸附作用所经历的时间或路径不同。

图 5 粒状活性炭与粉状活性炭静态吸附动力学曲线比较

2.4 粒状活性炭与粉状活性炭等温吸附线

根据 Langmuir吸附等温线方程[13],将图 6中的Q-1对 C-1作图,得到一直线方程：Q-1=1.402C-1+ 1.207。粒状活性炭对乳链菌肽发酵液内色素的吸附等温线方程：Q=0.828C/(1.16+C),而将图 7中的Q-1对 C-1作图,得到一直线方程：Q-1=0.9554C-1+ 0.9927,并算出粉状活性炭对乳链菌肽发酵液内色素的吸附等温线方程：Q=1.007C/(0.962+C)。从粒状活性炭和粉状活性炭的等温吸附线的类型看,粒状活性炭表现为典型的单分子层吸附,而粉状活性炭则表现为单分子层吸附和多分子层吸附的叠加。

图6 粒状活性炭吸附等温线

图7 粉状活性炭吸附等温线

3 讨论

实验考察了两种不同形状活性炭对乳链菌肽发酵液的脱色效果,确定了各自的最适用量,分别为粒状活性炭 4.5g/50mL和粉状活性炭 0.2g/mL,可知粉状活性炭最适用量小于粒状活性炭最适用量,原因主要是同质量粉状活性炭比粒状活性炭具有更大的比表面积;通过温度实验发现,温度对粒状活性炭脱色影响较明显,对粉状活性炭的脱色效果影响不明显;对乳链菌肽效价的影响结果表明,无论是粒状活性炭还是粉状活性炭,影响效果均不明显。可见,在获得相当的脱色效果的同时要保持较高的乳链菌肽效价时,建议应当选用粉状活性炭进行发酵液脱色。

[1]Goulhen F,Meghrous J,Lacroix C.Production of a Nisin Z/ Pediocin Mixture by pH ControlledMixed StrainBatch Cultures in Supplemented Whey Per meate [J].JournalofApplied Microbiology,1999,86(3)：399-406.

[2]Hiroshi S,TaijiM,Eiji T,et al.Nisin Production by a Mixed Culture System Consisting of Lactococcus lactis and Kluyveromyces Marxianus [J] .Applied Environmental Microbiology,1999,65(7)：3134-3141.

[3]都立辉,刘 芳,霍贵成 .Nisin产生菌株的筛选及其鉴定[J].食品工业科技,2007,28(6)：107-109.

[4]云雪霞,胡 静,陈清 .乳链菌肽抗性基因的筛选、分离及鉴定[J].南方医科大学学报,2006,26(6)：839-842.

[5]吴兆亮,宫立鹏,赵艳丽,等 .乳链菌肽发酵工艺的研究[J].化学反应工程与工艺,2006,22(4)：377-380.

[6]张秀明,张文生,李慧,等 .培养条件对乳酸乳球菌 N302合成乳酸链球菌素的影响 [J].南开大学学报：自然科学版, 2005,38(3)：88-92.

[7]杨娜,杨栋梁,刘佳佳 .颗粒活性炭脱色对发酵大蒜水提液中活性成分的影响 [J].食品工业科技,2007,28(5)： 75-80.

[8]王凤松,王家荣,李军,等 .丙烯腈和丙烯酸甲酯在活性炭上的吸附平衡 [J].化学反应工程与工艺,2004,20(4)：367-371.

[9]林英,吕淑霞,马瑞国,等 .蔗渣木糖提取液活性炭脱色工艺的研究 [J].中国酿造,2008,23(12)：64-66.

[10]孔凡利,张名位,于淑娟,等 .荔枝多糖活性炭脱色方法研究 [J].食品科技,2008(6)：115-117.

[11]林英,吕淑霞,代义,等 .酒糟木糖提取液活性炭脱色工艺的研究 [J].食品科技,2008(7)：116-119.

[12]De VuystL,Vandamme E J.Influence of the Carbon Source on Nisin Production in Lactococcus lactis Batch Fermentation [J].Journal of GeneralMicrobiology,1992,138(3)：571-578.

[13].E C Bernardo,R Egashira,J Kawasaki.Decolorization of molasses wastewater using activated carbon prepared from cane bagasse[J].Carbon,1997,35：1217-1221.

Decolorization of N isin’s ferm ent broth by active charcoal

JI A Cui-y ing,ZHANGM ing-xia,ZHANG Yu-hui
(School ofLife Science and Technology,Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China)

Decoloriza tion ofN is in’s fe rm ent b roth w ith two form s ac tive cha rcoa ls was inves tiga ted,and the effec t of decoloriza tion cond itions on decoloriza tion effic iency and N is in recove ry was a lso s tud ied,and fina lly the decoloriza tion kine tics of two form s ac tive cha rcoa ls we re a lso ana lyzed.The results showed tha t：the decoloriza tion effic iency of b roth and the recove ry effic iency of N is in we re69.3% and93.4% resp ec tive ly when us ing g ranula r ac tive cha rcoa l to decolorize a t25℃and rota tion sp eed of120r/m in for8h.For p owde r ac tive cha rcoa l,57.47%of decoloriza tion effic iency and83.2%ofN is in‘s recove ry effic iency we re ob ta ined resp ec tive ly,a t25℃and120r/m in rota tion sp eed for10h decoloriza tion.The decoloriza tion effic iency of b roth and the recove ry effic iency ofN is in we re 42.6%and90.78% resp ec tive ly when us ing g ranula r ac tive cha rcoa l to s ta tic decolorize by wa te r cooking a t90℃for30m in,and when us ing p owde r ac tive cha rcoa l to decolorize unde r the sam e cond itions,the decoloriza tion effic iency of b roth and the recove ry effic iency of N is in we re56.76% and 89.84% resp ec tive ly.The d iffe rent decoloriza tion m ode ls of two form s ac tive cha rcoa l we re p resented,for g ranula r ac tive cha rcoa l showed the s tanda rd s ing le m olecule adsorp tion and p owde r ac tive cha rcoa l showed the doub le orm ore m olecule adsorp tion.

N is in;ac tie cha rcoa l;decoloriza tion

TS201.3

A

1002-0306(2010)03-0300-04

乳链菌肽(Nisin)是由乳酸乳球菌的某些菌株产生的一种抗菌肽,是一种天然食品防腐剂,对人类的健康有着十分重要的意义,在食品、医药、饮料、化妆品等行业有着广泛的作用[1-2]。乳链菌肽的生产多采用微生物发酵法[3-6],其发酵过程中培养基组分中碳源糖类物质和氮源蛋白质物质之间发生美拉德反应,造成发酵液的颜色较深,一方面影响目标产物乳链菌肽的质量和感官,另一方面提取乳链菌肽后的发酵液中仍残留大量色素物质,直接排放将对环境造成严重污染。脱色是以吸附剂吸附为基础的[7]。活性炭为最常用的吸附剂,具有比表面积大、吸附容量大、易再生、来源丰富且价格低廉等优点[8],尤其是粉末活性炭具有惊人的比表面积 (800～2000m2/g),对液体的脱色率高、速度快、成本低。活性炭已被广泛应用于发酵废水的脱色以及糖厂发酵液色素的处理[9-11]。本文采用粒状活性炭和粉状活性炭,对乳链菌肽发酵液进行吸附脱色实验,并在不同吸附条件下,进行了脱色效果的比较,考察两种不同形状活性炭对乳链菌肽发酵液脱色的动力学规律,为发酵行业的脱色研究提供新的参考。

2009-05-20

贾翠英(1974-),女,讲师,研究方向：生物化工。