玉米浆硫酸水解工艺研究

白长胜

(黑龙江省农业科学院 畜牧兽医分院,黑龙江 齐齐哈尔 161005)

玉米浆是湿磨法生产玉米淀粉过程中产生的浸泡液经四效蒸发器加热蒸发浓缩所制得的黄褐色液体[1],其干物质的质量分数约为40%～50%。玉米浆中除了含有丰富的蛋白质、多肽、氨基酸和微量元素,还含有生物素、核黄素、维生素B1和一些前体物质[2]。作为有机氮源,玉米浆在发酵过程中为菌体生长提供氮元素和必要的生长因子,用于构成菌体蛋白质、核酸和维生素等含氮物质和含氮的代谢产物,对发酵起着至关重要的调节作用[3]。因价格低廉、来源丰富,玉米浆被广泛应用于发酵行业的培养基配制[4-5]。

温敏型谷氨酸发酵需要丰富的有机氮源,在培养基配制中大量使用玉米浆组成菌体细胞物质,虽然既能满足发酵的营养需求,又能合成谷氨酸的氨基,提高发酵产酸率和糖酸转化率[6],但是随着玉米浆使用量的加大,发酵过程中产生的泡沫增多,会引起逃液,造成浪费和环境污染,同时玉米浆中不溶性颗粒物及不易被灭菌的含芽孢微生物也会增多,导致发酵染菌风险增大[7]。不同批次生产的玉米浆在生产工艺、生产季节和运输储存等方面存在差异,品质差异较大[8]。在温敏型谷氨酸发酵工艺中,玉米浆用量大,质量要求高,因此玉米浆质量波动对温敏型谷氨酸发酵的影响较为明显,故在使用不同批次玉米浆原料前,均需进行发酵小试以确定实际使用量,给生产带来不便。针对这些问题,近年来的研究中采取将豆粕、菌体蛋白和麸皮等含丰富有机氮源的原料进行水解处理后再应用[9-10],虽然发酵效果良好,但这些原料价格高于玉米浆,不利于生产成本的控制。

由于市场竞争日益激烈、环保压力加大,味精生产企业利润率越来越低。笔者以廉价易得的玉米浆为原料进行水解研究,将水解后的玉米浆作为温敏型谷氨酸发酵原料,不仅可以充分利用工厂自有的原料优势,而且能消除因使用玉米浆带来的一些不利因素,从而降低生产成本,增加企业效益。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 菌 种

黄色短杆菌(BrevibacteriumflavumFN-08)。

1.1.2 试 剂

玉米浆、98%硫酸均为工业规格;葡萄糖为淀粉酶法水解糖;Na2HPO4,KCl,MgSO4,MnSO4,FeSO4和VB1均为国药集团分析纯试剂。

1.2 仪器与设备

烧杯,四川蜀玻(集团)有限责任公司;JJ-1精密增力电动搅拌器,金坛市顺华仪器有限公司;YXQ-100SⅡ立式压力蒸汽灭菌器,上海博迅医疗生物仪器股份有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 水解工艺流程

取1 L玉米浆置于5 L烧杯中,按照试验设计的料酸比V(硫酸)∶V(玉米浆)分别为0.04∶1,0.06∶1,0.08∶1和0.10∶1加入浓硫酸,使用玻璃棒缓慢搅拌,混匀后在90 ℃水浴锅中搅拌3 h,然后用耐酸滤布封口,置入立式压力蒸汽灭菌器中,设定水解温度分别为105,110,115,120 ℃,水解时间分别为10,12,14,16 h,水解完成后关闭灭菌器,待其自然降温后取出烧杯,过滤后的滤液即为玉米浆水解液。

1.3.2 玉米浆硫酸水解单因素试验

以水解液中氨基酸态氮质量浓度为考核指标,分别研究因素A(酸料体积比V(硫酸)∶V(玉米浆))、因素B(水解时间)和因素C(水解温度)对玉米浆硫酸水解的影响[11-12]。其中V(硫酸)∶V(玉米浆)分别为0.04∶1,0.06∶1,0.08∶1和0.10∶1;水解时间分别为10,12,14,16 h;水解温度分别为105,110,115,120 ℃。

1.3.3 玉米浆硫酸水解正交试验设计

单因素试验结果为酸料体积比0.06∶1,水解时间12 h,水解温度115 ℃。根据该结果设计正交试验,优化玉米浆硫酸水解工艺条件[11-12],正交试验设计表如表1所示。

表1 L9(33)正交试验设计表

由表1可知:各因素对玉米浆硫酸水解效果影响大小的顺序为A>C>B。最优水解工艺条件为A3B2C2,即酸料体积比为0.07∶1,水解温度为115 ℃,水解时间为12 h。

1.3.4 发酵试验

比较采用玉米浆和玉米浆水解液的发酵结果。做法是:1) 分别将不同批次的玉米浆按照优化后的硫酸水解工艺水解制成玉米浆水解液,再用进行敏型谷氨酸发酵;2) 将不同批次的玉米浆直接进行温敏型谷氨酸发酵。

1.3.5 检测方法

总氮质量浓度按照GB 5009.5—2016测定[13]。

氨基酸态氮质量浓度按照GB 5009.235—2016测定[14]。

以水解率作为判断水解程度的指标,其计算公式[15]为

1.3.6 数据处理

采用Excel绘图;采用SPSS进行方差分析。

2 结果与讨论

2.1 玉米浆硫酸水解单因素试验

2.1.1 酸料体积比对玉米浆硫酸水解的影响

不同酸料体积比对玉米浆硫酸水解效果的影响如图1所示。

图1 酸料体积比对玉米浆硫酸水解效果的影响Fig.1 Effects of acid volume to raw material ratio on sulfuric acid hydrolysis of CSL

硫酸过多会使水解副反应增加,消耗水解出的氨基酸;水解液在发酵配料时需要添加碱性物质调整pH,所以减少水解时的硫酸用量可以降低碱性物质的消耗,但硫酸用量太少,则水解反应不完全,水解出的氨基酸质量浓度过低。由图1可知酸料体积比为0.06∶1时水解效果最好。

2.1.2 水解时间对玉米浆硫酸水解的影响

不同水解时间对玉米浆硫酸水解效果的影响如图2所示。

图2 水解时间对玉米浆硫酸水解效果的影响Fig.2 Effects of hydrolysis time on sulfuric acid hydrolysis of CSL

随着水解时间的延长,水解液中的氨基酸态氮质量浓度先逐渐增加至最大,随后开始下降。水解时间过长,葡萄糖与氨基酸会发生美拉德反应,使水解液色泽焦黑,一些水解出的氨基酸受到破坏,减少了水解液中的氨基酸态氮质量浓度,并且使能耗增加;水解时间过短,则水解反应不彻底,也会降低水解率。由图2可知水解12 h时效果最好。

2.1.3 水解温度对玉米浆硫酸水解的影响

不同水解温度对玉米浆硫酸水解效果的影响如图3所示。

图3 水解温度对玉米浆水解效果的影响Fig.3 Effects of hydrolysis temperature on sulfuric acid hydrolysis of CSL

随着水解温度的升高,水解出的氨基酸态氮质量浓度先升高后下降。温度升高虽然可以促进酸水解反应进行,但温度过高时氨基酸会发生脱羧反应,水解率也会降低,导致水解液中氨基酸态氮质量浓度下降。由图3可知在115 ℃时水解效果最好。

2.2 玉米浆硫酸水解正交试验

正交试验优化玉米浆硫酸水解工艺条件,结果如表2所示。

表2 L9(34)正交试验

由表2可知:各因素对玉米浆硫酸水解效果影响的大小顺序为A>C>B。最优水解工艺条件为A3B2C2,即酸料体积比为0.07∶1,水解温度为115 ℃,水解时间为12 h。采用优化后工艺条件水解玉米浆,水解液中氨基酸态氮质量浓度为18.9 g/L,水解率达73.2%。

2.3 发酵试验

发酵试验结果如图4所示,由图4可知:使用不同批次玉米浆发酵产酸结果波动较大,使用玉米浆水解液的发酵产酸结果基本保持稳定。

图4 不同玉米浆对温敏型-谷氨酸发酵的影响Fig.4 The effects of different CSL on temperature-sensitive L-glutamic acid fermentation

使用玉米浆发酵产酸结果为(153.94±24.69) g/L,使用玉米浆水解液发酵产酸结果为(180.18±3.22) g/L,二者差异显著(p<0.05)。

以上试验结果表明:将玉米浆水解后应用可以很大程度上减少由于玉米浆质量的波动给发酵带来的不利影响,可以将玉米浆水解液代替玉米浆用于温敏型谷氨酸发酵生产。

3 结 论

玉米浆虽然营养丰富,廉价易得,是发酵生产中有机氮源的理想原料,但玉米浆品质不稳定,会对温敏型谷氨酸发酵产生不利影响。笔者采用单因素和正交试验对玉米浆硫酸水解条件进行优化,优化后的水解工艺条件为酸料体积比0.07∶1,水解温度115 ℃,水解时间12 h,在此最优条件下制得的水解液中氨基酸态氮质量浓度为18.9 g/L,水解率为73.2%。将玉米浆水解液应用在温敏型谷氨酸发酵工艺中,可以克服因玉米浆质量不稳定给发酵带来的波动,维持发酵水平稳定。