氨基酸母液资源化利用研究进展

柳宏原,吴 涛,,孙开济

(1.通辽梅花生物科技有限公司,内蒙古 通辽 028024;2.廊坊梅花生物技术开发有限公司,河北 廊坊 065001)

氨基酸是重要的食品、药品、保健品、化妆品和饲料原料,也是重要的医药中间体。2017年全球氨基酸产值达到195亿美元,预计2017—2022年全球氨基酸需求复合增长率达5.6%,到2022年将达到256亿美元。饲料氨基酸是规模最大、增长最快的氨基酸市场,其产值预计到2022年将达到104亿美元,每年复合增长6.9%[1]。自1958年日本首次使用谷氨酸棒杆菌生产谷氨酸以来[2],微生物发酵法为氨基酸行业带来了巨大的变革。目前,发酵法因其高效、安全和环保等诸多优势成为谷氨酸、赖氨酸、苏氨酸、色氨酸和支链氨基酸等多种氨基酸生产的首选方法。由于目前的技术受到限制,仍有少数几种氨基酸未能实现发酵生产,如蛋氨酸主要采用化学合成法生产[3],L-天冬氨酸采用酶催化法生产[4],L-半胱氨酸采用蛋白质水解法生产[5]。

我国是氨基酸的生产和消费大国,谷氨酸、赖氨酸和苏氨酸等多种产量均居全球首位[6],尽管发酵法较化学合成法具有更突出的环保优势,但大规模的工业生产仍不可避免的产生大量的固、液和气体副产物(废弃物),副产物如不能得到有效处理将对生态环境造成严重威胁,因此如何处理发酵副产物成为企业生存和发展的核心问题。对副产物进行资源化利用不但可以解决企业排污问题,降低环保成本,还能为企业带来可观的经济效益。母液是氨基酸发酵过程中占比较大、处理成本较高和潜在利用价值最大的副产物,其主要成分以菌体、菌体无法利用的碳水化合物、可溶性蛋白、未被回收的氨基酸、有机酸和无机盐为主,具有较高的氨基酸回收价值、肥用价值和饲用价值[7]。如将氨基酸母液作为有机废水处理,不仅难度大、成本高,更会造成严重的环境污染与资源浪费。因此对氨基酸母液资源化利用价值的深入挖掘具有广阔的研究前景和巨大的经济价值[8]。氨基酸母液主要为苏氨酸、色氨酸、谷氨酸、赖氨酸、异亮氨酸和胱氨酸等6种母液,其中仅胱氨酸需采用酸水解法,其余均可通过生物发酵法获得。苏氨酸、赖氨酸和色氨酸的生产菌种大多使用大肠杆菌Escherichiacoli;谷氨酸和亮氨酸的生产菌种为谷氨酸棒状杆菌Corynebacteriumglutamicum。氨基酸母液的成分随生产菌种的不同,发酵配方的差异,以及提取工艺的不同而存在较大差异,但主要成分均为菌体、菌体无法利用的碳水化合物、可溶性蛋白、未被回收的氨基酸、有机酸和无机盐等物质。笔者以氨基酸回收法、肥料化法和饲料化法为重点,对氨基酸母液资源化利用的最新进展、主要问题和发展方向进行综述,以期为后续研究提供思路和理论参考。

1 氨基酸母液资源化利用技术

1.1 氨基酸回收法

氨基酸发酵液经多级提取后,其母液中仍残留较多的氨基酸,难以分离。利用现代化膜技术、色谱分离技术和生物法将氨基酸进行回收,能够在显著提高生产效率的同时降低排放废水的COD水平。

1.1.1 膜分离技术

目前,膜分离技术主要以电渗析、反渗透、超滤、纳滤和液膜[9]等形式大规模应用于氨基酸母液提取工艺中,因其具有高效、节能、环保和实用等多方面的优势,使得膜分离技术有着广阔的发展前景[10]。

电渗析技术是膜分离技术的一种,主要原理是在直流电场的作用下,以电位差为推动力,利用离子交换膜的选择透过特性,把电解质从溶液中分离出来,从而实现溶液的淡化、提纯或精制等目的。张岩等[11]利用电渗析技术,研究不同条件下色氨酸母液电渗析脱盐的最佳条件,以此来提高色氨酸的回收率。结果表明:当电流密度15 mA/cm2,流量20 L/h时,脱盐率可达90%以上,色氨酸回收率可达85%以上,实现了色氨酸母液的资源化利用。田光超等[12]利用液膜法富集谷氨酸发酵废液中的氨基酸,通过研究载体、表面活性剂和乳水比等因素对氨基酸富集的影响,确定了最佳的乳状液膜体系,在该体系下,谷氨酸萃取率高达80%以上。大量研究证明了利用膜分离技术处理氨基酸母液的方法的可行性,该方法不仅能降低回收的氨基酸中无机盐、糖和色素等杂质的质量分数,还具有较高的收率,具有较好的经济和社会效益。

1.1.2 色谱分离技术

色谱分离技术是利用混合物组分在固定相中吸附和分配系数的微小差别,达到分离各组分的目的。该技术具有分离效率高、能耗低和材料可再生等优点,对于传统方法较难分离的混合物,具有明显的优越性[13]。汲广习等[14]利用色谱分离技术,将苏氨酸母液中的苏氨酸与色素、糖和无机盐等杂质有效分开,回收率可达96.2%以上,其实验流程如图1所示。将膜技术与色谱分离技术相结合,不仅能提高回收效率,还可提高回收物的纯度。刘海燕[15]以苏氨酸二次母液为研究对象,利用超滤色谱耦合工艺对二次母液中的苏氨酸进行高效回收,结果苏氨酸回收率达到了95.26%。

图1 L-苏氨酸母液色谱分离实验流程Fig.1 Flowchart of chromatographic separation of L-threonine mother liquor

1.1.3 生 物 法

生物法是指利用微生物对氨基酸发酵母液进行二次发酵的技术,该技术具有生产费用低、无二次污染的优点[16]。Yang等[17]利用酵母发酵和活性污泥联合系统处理味精废水,该联合系统可去除废水中95%的COD。将酵母系统产生的活性污泥进行处理,其中的单细胞蛋白及氨基酸,可作为优质的动物饲料蛋白质添加剂。尹相明等[18]利用高温水解技术,将苏氨酸母液中的二糖和多糖等不能被微生物直接利用的糖转化为具有还原性的单糖,降低糖的质量分数,使其能够被再次利用,不仅实现减少污染和保护环境的目的,还提高了苏氨酸的收率。郑立国[19]将酵母菌接种到糖化后的氨基酸母液中,研究不同接种量、发酵时间和发酵温度对苏氨酸母液中总糖和还原糖质量分数的影响。结果表明:在接种量为1 mg/L、发酵温度为32 ℃、发酵时间为18 h的条件下,酵母菌对苏氨酸母液中糖的消耗量最大。以上述发酵条件为基础,建立了酵母菌降解L-苏氨酸母液总糖的工艺,此工艺使L-苏氨酸母液的苏氨酸回收率达到了91.52%。生物法不仅能降低氨基酸母液处理成本,产物还具有一定的经济价值,相较膜分离和色谱分离技术具有操作简便,前期投入低,处理量大的优势,在资源化处理氨基酸母液的方法中有着广阔的发展前景。

1.2 肥料化法

氨基酸母液中含有较丰富的氮、磷、钾和有机质等植物必须的营养物质,是制备肥料的良好原料。对于养分较为均衡的母液,将其调配到适宜的浓度作为肥料灌溉作物,对提升作物产量,改善土壤微环境,有较好的效果。李艳等[20]以黄瓜和番茄为试验作物,研究了氨基酸母液对黄瓜和番茄种子萌发的影响。结果表明:适宜浓度的氨基酸母液能够显著提高番茄、黄瓜种子的发芽势、发芽指数和活力指数。彭智平等[21]在大田耕种的条件下,施用味精废液,研究其对花生产量、品质及土壤酶活的影响,结果表明:在花生生长过程中施用味精废液可促进花生的养分累积,具有增加产量和提升花生品质的作用,同时能够改善土壤微环境,具有较好的开发利用前景。张敬敏等[22]将谷氨酸发酵废液作为肥料应用在水稻种植上,结果表明：使用谷氨酸发酵废液可显著提高土壤有效磷、及微量元素的含量,并使水稻产量提高14.05%。张连秋等[23]以谷氨酸发酵废液为研究基础,发现单施谷氨酸发酵废液和同施“尿素+氨基酸”废液的处理,可明显增加土壤有效养分。以上研究表明:施用氨基酸发酵废液对提高土壤速效养分和有机质有明显作用,在实际生产中还应关注氨基酸母液的施用浓度,关注土壤的pH和盐度变化,避免出现抑制植物生长的现象。

大部分氨基酸母液成分复杂且各成分的质量浓度较高,其中的氮大部分为氨氮,属于速效氮,单一施用不仅易造成土壤有效氮含量偏低,更易造成土壤板结,不利于植物的生长,因此仅有少数氨基酸母液可直接施用于田间,多数需要经过处理后方可做肥料进行资源化利用。有机肥中的氮为缓效氮,单独施用可提高土壤有效氮含量,而且有机肥中含有较高的有机质,具有改良土壤的作用,但其养分不足,且肥效较慢。有机肥与氨基酸母液二者混合,可弥补彼此不足,复配后的有机肥养分更丰富,肥效更高,具备改良土壤和促进植物生长的双重作用,具有较高的研究价值。张世标等[24]将浓缩后的氨基酸发酵液与鸡粪混合后制备了一种有机肥,再将该有机肥与其他磷钾肥进行复配,进行了辣椒种植实验。与传统施肥方案相比,该有机肥能使辣椒产量提高79.7%,同时具有稳定土壤pH,提高土壤氮含量,促进辣椒生长的作用,具有推广价值。

1.3 饲料化法

当前我国动物蛋白饲料原料很大程度依赖进口,随着疫情的发展,多国逐渐限制了农产品的出口,大豆、鱼粉和苜蓿等蛋白原料的供应短缺会严重限制我国畜牧业的发展。Padunglerk等[25]研究了在奶牛饲料中添加味精副产物替代豆粕对奶牛产奶量的影响,结果表明:在奶牛饲料中添加20%～60%的味精副产物替代豆粕对奶牛的生产性能没有负面影响。添加60%味精副产物时,可降低饲料成本2.9%～17.3%,牛奶生产利润可提高到33.3%。Sato等[26]研究了在精料和秸秆中分别添加不同化学组分的谷氨酸钠母液,对离体瘤胃动物发酵特性的影响,结果表明:在精料和秸秆中添加母液,可提高动物对粗粮基质纤维的消化率,在一定条件下可激活瘤胃发酵,促进瘤胃动物消化。氨基酸母液中的主要成分菌体蛋白、可溶性蛋白、碳水化合物和氨基酸等均具有较高的饲用价值。因此,利用氨基酸母液为原料,经发酵、烘干、制粒和喷浆等工艺加工后生产能量蛋白饲料添加剂,能够最大限度地实现对母液中的营养物质的有效利用,不但可以缓解对进口蛋白原料的依赖,还从源头上避免了母液直接排放对环境造成的污染。

除直接将母液进行烘干、制粒和喷浆生产饲料产品外,将氨基酸母液作为培养基进行酵母发酵是目前研究较多的方法[27]。因提取过程和自身条件特性,氨基酸母液多为弱酸性和高糖环境条件,较适合酵母菌生长。庄镇民等[28]以赖氨酸废液为原料,在厌氧条件下发酵酵母生产蛋白饲料,每年可带来96万元的利润。曾德霞等[29]以亮氨酸母液为氮源,使用酿酒酵母为供试菌株,进行液体和固体发酵,最后得到一种蛋白饲料,经发酵后的豆粕饲料氮质量分数可达59.24%,粗蛋白质量分数可达45.82%,总氨基酸质量分数可达38.77%,与原豆粕相比,粗蛋白提高12.89%,总氨基酸提高9.15%。成细瑶等[30]以胱氨酸母液为氮源发酵生产饲料用汉逊德巴利酵母,通过配方优化,菌体质量浓度可达4.9 mg/L,较优化前提高了48.5%,既降低了饲料用汉逊德巴利酵母的发酵成本,还降低了废液中的氨氮质量分数,减小了废液处理难度,达到了资源化利用的目的。同年,成细瑶等[31]又利用胱氨酸提取废液为氮源,发酵生产产朊假丝酵母,因胱氨酸提取废液中含有大量的盐类物质,故通过筛选和驯化实验,从12株可饲用菌中确定产朊假丝酵母的耐盐性最好。通过配方优化,菌体质量浓度达到4.14 mg/L,较优化前提高了128.7%。刘丽等[32]将味精母液作为氮源,添加至培养基中,培养枯草芽孢杆菌,添加量为12.5 g/L,试验结果证明:同样条件下,添加味精废母液的菌体密度较传统营养肉汤培养基高出6.3倍。综上,将氨基酸母液作为微生物生长所必须的氮源,提高了饲用价值与产品价值,实现了氨基酸母液变废为宝、循环利用的目的。

2 氨基酸母液资源化利用存在的问题

1) 氨基酸回收法虽能回收母液中的氨基酸和无机盐等,但膜分离和色谱技术不仅材料昂贵,且容易发生堵塞,清理工序极为复杂,不适用于规模化处理氨基酸母液[33];生物法虽具有安全环保的优势,但其不适用于高浓度氨基酸母液处理。

2) 氨基酸母液中虽含有大量植物所需的有机质、氮磷钾、无机盐和微量元素,但通过肥料化法将其资源化利用仅存在理论意义。实际上,由于氨基酸发酵及提取过程有着特殊性及复杂性,绝大多数氨基酸母液都有较强的渗透压和复杂的化学成分,无论直接施用或同其余载体复合,均会对植物造成不可逆的伤害,可直接当做肥料被植物利用的氨基酸母液较少。此外,肥料化法虽可实现母液资源化,但将蛋白质、氨基酸等高价值物质转变为价格低廉的肥料,也间接的造成了资源的浪费。

3) 饲料化法在微生物的作用下,将母液中的糖、蛋白、氨基酸和无机盐等物质转化为具有高价值的单细胞蛋白饲料,是目前资源化氨基酸母液的最佳方法,具有极高的理论意义和实践价值。氨基酸母液中较高浓度的糖导致其粘度极大,直接喷浆造粒易堵塞设备,生产成本高,处理不当还有可能发生燃烧。利用氨基酸母液进行酵母发酵生产也会因母液中极高的渗透压使得酵母生长缓慢,导致生产效率较低。资源化氨基酸母液虽具有较为清晰的理论意义,但离实际生产中的大规模实施仍有一定的差距,需进一步深入研究。

3 结 论

氨基酸母液资源化利用技术朝着复合工艺多元化方向发展,研究全新的膜材料,优化现有膜分离技术,突破现有技术的局限性,应是膜分离技术的发展方向。生物法具有安全、环保和处理成本低等优点,将电渗析技术与生物法结合,可解决电渗析技术成本过高的问题,是氨基酸回收法的一个发展方向。氨基酸母液与畜禽粪便均属于生产废料,二者复配成为有机肥料,不仅创造了价值,更实现了废物利用。利用现有技术,减少氨基酸母液制作肥料的成本,增加氨基酸母液肥料的价值,是肥料化法的发展方向。从菌种筛选和驯化的角度入手,研究和开发功能性氨基酸母液发酵菌剂,是氨基酸母液饲料化发展的重要任务,也是氨基酸母液资源化的最优发展方向。氨基酸母液资源化利用技术应逐步扩大应用规模,并逐步实现产业化,为氨基酸行业的可持续发展打下坚实的基础。