赖氨酸发酵过程中不同氮源的代谢作用研究

曾兆国 李承钰 陈永辉 张智清 文 红

赖氨酸属于二氨基的碱性氨基酸，赖氨酸是人体必需氨基酸之一，能促进人体发育、增强免疫功能，并有提高中枢神经组织功能的作用，在微生物菌体中氮是构成细胞蛋白质和核酸的主要元素，蛋白质和核酸是构成微生物原生质的主要部分。氮也是构成赖氨酸的组成部分，赖氨酸发酵过程中添加的氮源较其它发酵产品多。通常微生物生长过程中对于有机氮和无机氮而言优先利用有机氮，其次氨氮和尿素，最后是硝基氮。

本实验旨在探索玉米浆取代豆粕水解液后在发酵过程中对于产酸、转化率有无影响，以期达到玉米浆取代豆粕水解液从而降低生产成本的目的。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 实验菌种

谷氨酸棒状杆菌 (Corynebacterium glutamicum)，日本味之素公司提供。

1.1.2 实验设备

1000 ml种子罐、2000 L发酵罐、1500 L浓糖流加罐、1000 L液氨流加罐、25 L消泡剂瓶、2000 L搪玻璃反应罐等。

1.1.3 实验材料

葡萄糖，潍坊圣泰化工有限公司生产；磷酸，潍坊市晨阳化工有限公司生产；玉米浆，山东西王集团生产；豆粕，山东邹平怡康集团有限公司生产；氯化钾，瓮福(集团)有限责任公司生产；液氨 ，山东恒立化工有限公司生产；硫酸，山东济宁煤化公司生产；硫酸铵，山东沃蓝化工有限公司生产；生物素，迪赛诺医药股份有限公司生产；聚醚泡敌，济南宜丰化工有限公司生产；MgSO4·7H2O，国药集团化学试剂公司生产；FeSO4·7H2O，国药集团化学试剂公司生产；MnSO4·H2O，国药集团化学试剂公司生产。

1.2 方法

本次实验采用二级发酵形式，采用同一批号生产菌种，种子罐原料配比及各项控制指标不变。

1.2.1 豆粕水解液制取

在2 m3搪玻璃反应釜中，加入一次水1000 L，在搅拌状态下缓慢加入96%的浓硫酸160 L，再投入豆粕760 kg。打开并调节反应釜夹套蒸汽，加热料液达120℃，保温维持，24 h后停蒸汽。打开并调节夹套循环水把物料温度冷却至80℃以下，热物料经板框过滤，收集滤液即为“豆粕水解液”，可收集滤液约940 kg。经化验豆粕水解液主要指标为：总氮2.80%、氨氮0.35%、有机氮2.45%、硫酸根24.51%。

1.2.2 发酵配料

发酵过程中为防止豆粕水解液或玉米浆中蛋白质和葡萄糖之间的美拉德反应，把实验发酵罐基础料分成基础料一、基础料二两部分配制、消毒处理。发酵基础料除去按照比例添加的豆粕水解液或玉米浆外，其它原料均相同，以作对比分析。基础料一为葡萄糖、磷酸，定容250 L，控制发酵初糖为4.5%～5%；基础料二为豆粕水解液或玉米浆、硫酸铵、Mg-SO4·7H2O、FeSO4·7H2O、生物素、MnSO4·H2O、泡敌；定容为500 L。

在基础料二配置过程中，按照发酵初始基础料总氮0.3%比例添加豆粕水解液或玉米浆。经测算豆粕水解液每罐批采用160 kg，玉米浆每罐批采用168 kg。基础料二消后定容控制在750 L。

1.2.3 基础料消毒

利用2台2000 L发酵罐分别装基础料一、基础料二。基础料一、基础料二分别按照发酵罐实罐灭菌规程操作，温度控制121℃，灭菌维持20 min；冷却到35℃时，把基础料一通过灭菌后的管道，经无菌操作，压入基础料二罐作为发酵实验罐，各批次均采用相同工艺操作。

1.2.4 发酵主要控制参数

发酵接种量控制在 8%～10%，发酵初糖控制4.5%～5%，搅拌转速控制在180～200 r/min范围，通过风量调节控制溶解氧在13%～15%，发酵罐压维持在0.05 MPa，发酵温度为（35±0.5）℃，发酵 pH 值通过液氨自动调节在6.9～7.0左右，发酵残糖控制在≤0.8%。

1.2.5 流加糖控制

采用消毒后的70%葡萄糖连续补料，0～12 h原则上不补糖，发酵残糖开始下降至0.8%时开始补糖，控制残糖0.5%～0.8%，当糖浓度高于1.0%，可暂停补糖一段时间，控制发酵周期54 h，放罐前2 h停止补糖。

1.2.6 流加无机盐控制

采用50%硫酸铵无菌液，连续补加，控制氨氮0.15%～0.25%，40 h控制0.1%，48 h停止补。

1.2.7 发酵过程泡沫控制

采用5%泡敌无菌液消除发酵过程中产生的泡沫，根据泡沫情况，采用外悬挂25 L瓶手动流加消泡剂，以每次少量，泡沫不“顶罐”为原则。

2 实验结果

按照上述方法，发酵基础料分别采用豆粕水解液和玉米浆各进行3批发酵实验，结果见表1。

表1 发酵指标比较

3 结果与讨论

通过3批发酵过程看，采用豆粕水解液前期产酸速率较快，平均在35 h左右开始出现下降。而采用玉米浆后发酵产酸速率基本从40 h左右开始降低，产酸曲线开始出现拐点，而随着发酵继续进行，产酸速率进一步降低。

3.1 采用豆粕水解液作为发酵添加的有机氮源，发酵产酸平均在14.58%；采用玉米浆作为发酵添加的有机氮源，发酵平均产酸在14.70%。采用两种原料后发酵产酸差值0.12%，处于正常波动3%范围。

3.2 采用豆粕水解液后，发酵转化率平均在40.11%；采用玉米浆后，发酵转化率平均在38.54%，差值在1.57%，处于正常波动3%范围。

从上述指标看，单罐发酵产酸在0.12%波动，转化率在0.03%波动，均属正常发酵过程。

根据上述实验推算，平均每吨赖氨酸发酵产品消耗豆粕水解液731.73 kg，折算商品豆粕为591.61 kg。平均每吨赖氨酸发酵产品消耗玉米浆794.85 kg。目前市场上，商品豆粕价格在3320元/t，经折算每吨65%赖氨酸发酵产品消耗豆粕费用为1277元。40%干物质的商品玉米浆市场售价为500元/t，经折算每吨65%赖氨酸发酵产品消耗玉米浆费用为258元，除去制取豆粕水解液的硫酸、蒸汽、水、电、人工的消耗，仅从用玉米浆取代豆粕水解液一项而言，每吨65%赖氨酸发酵产品将节省生产费用1019元。

因此，从本实验来看采用玉米浆替代豆粕水解液在生产上完全可行，具有非常明显的成本优势，可以较大的降低赖氨酸的生产成本。