谷氨酸发酵废液在聚谷氨酸发酵中的应用试验研究

张英

摘   要：谷氨酸废水中谷氨酸含量在2 g/L左右，同时含有大量的铵盐，pH值在3.5左右，試验主要研究谷氨酸废水在多聚谷氨酸中应用的可行性。通过单因素试验，得到最佳的处理条件是使用酸性蛋白酶进行水解处理，温度50 ℃，水解10 h，然后按照聚谷氨酸发酵所需氮源要求，将谷氨酸废水与玉米浆进行不同比例配合使用，以此来替代聚谷氨酸发酵所需的氮源。

关键词：谷氨酸废液 ;水解;氮源;聚谷氨酸

聚谷氨酸-是一种由 L-谷氨酸和 D-谷氨酸单体通过酰胺键聚合而成的多肽分子，基本骨架是由r-酰胺键聚合而成的多肽分子，主链含有大量肽键，可在特定环境下降解成短肽小分子或氨基酸单体，具有水溶性、生物可降解性、金属螯合性、生物相容性等[1]。聚谷氨酸应用领域广泛，包括农业、医药、环保、食品和化妆品等。聚谷氨酸的制造方法主要有4种：提取法、化学合成法、酶转化法和微生物发酵法[2-4]。谷氨酸废液是一种有机废水，具有pH值低、硫酸根含量高、COD含量高等特点，同时还含有一部分谷氨酸、还原糖及氨氮，浓缩做成有机肥料是一种处理办法，但是能源消耗较大。本文主要通过正交试验验证谷氨酸废水在聚谷氨酸发酵中的应用[5]。

1   材料与方法

1.1   材料

谷氨酸废水：500 mL，取自蛋白车间，加热50 ℃，加入0.5 g/L酸性蛋白酶水解10 h，再加热煮沸 2 min 灭活酶，过滤待用;固体发酵培养基：葡萄糖1%和5%的谷氨酸钠，硫酸镁、硫酸亚铁、硫酸锰（pH值7.0）与玉米浆按照3∶1的比例搅拌均匀，110 ℃灭菌20 min。宁夏伊品生物科技有限公司;枯草芽孢杆菌 （Bacillus subtilis），研发中心保藏 （nxyp202123）;酸性蛋白酶（20万U/g）：江苏锐阳生物科技有限公司;其他试剂均为国产分析纯试剂。

1.2   试验仪器

KL-30 立式压力蒸汽灭菌锅;UV-1100 紫外可见分光光度计;KHLB200柜式恒温冷冻摇床;BCD-256KFA 冰箱;TDL-5-A 多管离心机;SW-CJ-1F 净化工作台。

1.3   5 L发酵罐产聚谷氨酸方法

1.3.1   菌种

枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis，nxyp202123），由宁夏伊品生物科技有限公司保藏并提供。

1.3.2   培养基

（1）对照培养基：葡萄糖40 g/L，谷氨酸钠200 g/L，NaCl 10 g/L，MgSO4·7H2O 1.0 g/L，CaCl2、KH2PO40.75 g/L，玉米浆100 mL，酵母膏40 g/L。

（2）加谷氨酸废水培养基，将废水水解液以不同比例混合。发酵离心后的湿菌体，按照物理、化学、生物酶解进行单因素优化试验。

（3）发酵方案：以正常培养基为对照组，氮源替代培养基为试验组，采用最优的水解液制备方法，按照培养基中总氮相等的原则，考察不同替代程度下聚谷氨酸的产量，确定最优替代方案。

1.4   分析方法

按照处理后的废水按5%、10%、15%的梯度进行验证。发酵罐培养方法，定容至1.8 L，温度 37 ℃，初始转速 200 r/min，通风量0.5 m3/h，通过自动流加液氨控制pH值维持在7.0～7.2，以泡敌消泡，通过溶氧反馈调节转速，维持罐内溶氧水平为20%左右，通过一定脉冲比进行流加补糖，控制发酵液内残糖浓度保持在10～15 g/L，培养时间 60 h。

2   结果与分析

2.1   谷氨酸废水水解单因素试验

通过单因素试验，确定废水通过酸性蛋白酶水解，温度50 ℃，水解10 h，氨基酸组分及其含量，运用全自动氨基酸分析仪进行测定，折算后干基中总氮含量在13.2%，高于酵母粉的总干基含量。

2.2   水解后废水添加量在发酵中的应用

通过单因素试验，确定废水添加比例为5%时，玉米浆15 g/L，酵母粉5 g/L，发酵各项指标稳定。对于枯草芽孢杆菌的发酵产物不同的氮源对其有着巨大的影响 根据上述单因素选取不同废水添加量后发酵产酸见图1，使用5%添加量的废水，其产酸趋势与对照基本保持一致。

3   结论

本试验以枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis，nxyp202123）为出发菌株进行试验，验证了谷氨酸废水在多聚谷氨酸中应用的可行性。通过单因素试验，得到最佳的处理条件是使用酸性蛋白酶进行水解处理，温度在50 ℃，水解10 h，然后按照聚谷氨酸发酵所需氮源要求，结果表明，谷氨酸废水通过处理后，可以替代聚谷氨酸发酵所需的部分氮源。

参考文献：

[ 1 ] 贾玉萍，李秀娥，邱文旭，等.聚谷氨酸的研究及应用进展[J].鲁东大学学报，2019，35（2）：122-128.

[ 2 ] 景中建.聚谷氨酸的合成方法及应用[J].广东化工，2011，38（2）：228-229.

[ 3 ] 刘旭，武琳慧，刘姣姣，等.谷氨酸发酵废菌体的水解与替代酵母膏生产多聚谷氨酸[J].环境工程学报，2018，12（8）：2403，2411.

[ 4 ] 黄敏，曾凤彩.谷氨酸发酵废液中菌体蛋白的应用进展[J].发酵科技通讯，2013，42（1）：49-50.

[ 5 ] 杨小姣，冯雪荣，孙金斗，等.谷氨酸发酵废水中提取菌体蛋白研究进展[J].中国酿造，2009（8）：20-24.