玉米漿在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用及研究進(jìn)展
玉米漿 (Corn steep liquer, CSL) 是玉米淀粉制備的副產(chǎn)物, 可通過(guò)濕磨法制備。玉米漿含有大量的亞硫酸、肽、多糖、蛋白質(zhì)和各種氨基酸, 如精氨酸、谷氨酸、組氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸和β-苯乙胺。玉米漿的主要用途有:用作水溶性植物蛋白及水溶性維生素、復(fù)合肥料添加劑、發(fā)酵氮源和纖維飼料。玉米漿中的大多數(shù)化學(xué)成分是通過(guò)發(fā)酵法合成的氨基酸前體, 占玉米漿干質(zhì)量的25%。用鹽酸水解18h, 肽和蛋白質(zhì)水解成氨基酸, 且含量可達(dá)到干質(zhì)量的50%以上。目前, 僅有很少一部分玉米漿用于氨基酸發(fā)酵。玉米漿在氨基酸發(fā)酵中被用作有機(jī)氮源和生長(zhǎng)因子的供應(yīng)者, 它富含的生物素和限制性氨基酸對(duì)各種氨基酸的發(fā)酵有很大影響。作為廉價(jià)高效的發(fā)酵氮源, 增加氨基酸發(fā)酵中玉米漿的使用量, 以減少或代替一部分有機(jī)氮源, 如豆粕水解液、酵母粉和毛發(fā)粉等, 可以提高玉米漿價(jià)值, 降低氨基酸生產(chǎn)成本。在青霉素發(fā)酵培養(yǎng)基中, 玉米漿的含量對(duì)菌絲、氨氮代謝、糖代謝、發(fā)酵周期和發(fā)酵效價(jià)等工藝參數(shù)影響很大。
通常, 用于氨基酸發(fā)酵的玉米漿約20°Be′, 質(zhì)量濃度1.08~1.15kg/L, 水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%~50%, 還原糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>5.5%, 氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>3.6%, 無(wú)機(jī)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>10%, 氨氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>0.9%, 乳酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%~12%。 1.1 氨基酸 測(cè)定玉米漿的組成成分, 顯示含有組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸;檢測(cè)三氯乙酸的提取物, 發(fā)現(xiàn)了氨基酸化合物, 如羥基脯氨酸、γ-氨基丁酸和天門冬酰胺等。 1.2 維生素 玉米漿含有維生素B25μg/mL, 尼克酰胺89μg/mL, 泛酸22.5μg/mL, 生物素0.125μg/mL。在玉米漿所含的11種維生素中, 膽堿 (0.2%) 和肌醇 (0.35%) 所占比例最高, 而維生素B12與葉酸含量相對(duì)較少。 1.3 礦物質(zhì)元素 陳逸琚等利用電感耦合等離子體質(zhì)譜 (ICP-MS) 檢測(cè)到玉米漿干粉中存在砷、鎘、鉻、銅、鉛和鋅。研究結(jié)果表明, 玉米漿干粉中還含有微量金屬元素銅、鋅和鉛, 含量如表1所示。1玉米漿的基本化學(xué)組成
玉米漿主要營(yíng)養(yǎng)成分及特點(diǎn)
濃縮后的玉米浸漬液為黏稠狀, 帶有芳香氣息的糊味, 呈黃棕色。玉米浸漬液富含玉米的可溶性養(yǎng)分, 具有營(yíng)養(yǎng)豐富和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高的特點(diǎn)。玉米漿的營(yíng)養(yǎng)成分包括:可溶性蛋白質(zhì)、乳酸 (LA) 、糖類和淀粉等, 并富含多種氨基酸、礦物質(zhì)、微量元素和維生素, 其中膽堿含量為6.99×103IU/kg, 肌醇含量為1.20×103 IU/kg。
玉米深加工的第一步為玉米浸泡。在浸泡過(guò)程中, 有大量的浸泡水產(chǎn)生, 玉米浸泡水被直接排放至污水處理廠, 造成了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。為了變廢為寶, 鼓勵(lì)企業(yè)深度開(kāi)發(fā)玉米漿及其生產(chǎn)工藝顯得尤為重要。 呂滿霞等研究了玉米漿的生產(chǎn)工藝。采用中溫α-淀粉酶和糖化酶的雙酶法進(jìn)行分段酶解, 獲得生產(chǎn)甜玉米汁的最佳條件為:料液比為m (玉米) ∶V (水) =14 g/mL, 中溫α-淀粉酶0.35%, 55℃液化25min, 糖化酶0.15%, 55℃糖化20min。最終測(cè)定玉米汁中可溶性固形物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.9%。 郭成宇等用速凍玉米研究了玉米漿生產(chǎn)的新工藝。該工藝中, 沒(méi)有過(guò)濾和糊化過(guò)程, 玉米的利用率為100%。通過(guò)檢測(cè)玉米漿的顆粒直徑、沉降速率、懸浮物的穩(wěn)定性和感官評(píng)價(jià)來(lái)確定玉米漿最優(yōu)的工藝參數(shù)為:磨漿2次;均質(zhì)壓力30MPa;均質(zhì)溫度40℃;均質(zhì)2次;滅菌121℃, 25min。最終, 產(chǎn)品保質(zhì)期達(dá)6個(gè)月。工藝流程為:蔗糖和復(fù)合穩(wěn)定劑→混合均勻→化膠→新鮮速凍糯玉米→緩凍→磨漿→定容→攪拌→均質(zhì)→灌裝→滅菌→檢測(cè)和感官評(píng)定。 4.1 在氨基酸發(fā)酵工藝中的應(yīng)用 玉米漿是最廉價(jià)的氮源, 含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分, 是微生物合成代謝的促進(jìn)劑, 目前, 在生物制藥、氨基酸發(fā)酵和酶制劑等領(lǐng)域中, 作為氮源被廣泛利用。左瑩等研究表明:在氨基酸發(fā)酵時(shí), 為了降低發(fā)酵成本, 可以使用玉米漿替代或部分替代其他氮源, 如豆粕水解液、酵母粉和蛋白胨。向夢(mèng)雄優(yōu)化了發(fā)酵培養(yǎng)基, 采用堿法對(duì)玉米漿預(yù)處理, 并將玉米漿作為唯一氮源, 使Blakeslea trispora的β-胡蘿卜素的積累量達(dá)到60.36mg/L。丁涓等報(bào)道在用玉米漿為氮源的培養(yǎng)基中培養(yǎng)嗜熱乳酸鏈球菌并進(jìn)行L-乳酸發(fā)酵, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:用41g/L的玉米漿代替牛肉膏作為氮源是可行的, L-乳酸的積累量為11g/L。對(duì)比其他乳酸發(fā)酵培養(yǎng)基, 可以在很大程度上降低生產(chǎn)成本。張俊剛比較了有機(jī)氮源在氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)中的作用, 與豆粕、毛發(fā)水解液和毛發(fā)粉溶液相比, 使用玉米漿水解液生產(chǎn)絲氨酸、脯氨酸、胱氨酸、精氨酸和蘇氨酸, 產(chǎn)量顯著高于其他氮源。 4.2 在動(dòng)物飼料中的應(yīng)用 在加工玉米副產(chǎn)物及農(nóng)副產(chǎn)品的過(guò)程中, 可通過(guò)提高玉米利用率降低發(fā)酵飼料的生產(chǎn)成本。同時(shí), 玉米漿含可溶性蛋白、糖分、生長(zhǎng)素和一些前體物, 其中可溶性蛋白和糖分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為16%~30%和11%, 為微生物生長(zhǎng)提供了優(yōu)質(zhì)有機(jī)氮源和碳源。所以, 在生物發(fā)酵過(guò)程中, 可以用玉米漿作為營(yíng)養(yǎng)成分的補(bǔ)充劑;還可以利用乳酸桿菌和玉米漿, 與葡萄糖釀酒渣一起發(fā)酵生產(chǎn)乳酸;也可以使用酵母與低乳糖的玉米漿和蔗糖蜜, 進(jìn)行乳糖酶工業(yè)化生產(chǎn)。李紅宇等的研究指出:通過(guò)玉米漿與秸稈不同比例混合發(fā)酵, 在黃貯玉米秸中添加25%~30%玉米漿, 制成纖維發(fā)酵飼料, 增加了飼料的能量、蛋白質(zhì)含量及其他營(yíng)養(yǎng)成分, 提高了適口性。 目前, 微生物發(fā)酵飼料相關(guān)的研究報(bào)道很多。李泳寧等報(bào)道了微生物發(fā)酵飼料在飼養(yǎng)仔豬中的作用。該研究通過(guò)分組對(duì)照實(shí)驗(yàn), 研究了微生物發(fā)酵飼料對(duì)仔豬的生長(zhǎng)和預(yù)防腹瀉中的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:當(dāng)微生物發(fā)酵飼料的用量為1.0%時(shí), 料肉比下降, 仔豬腹瀉率減少, 糞便中大腸桿菌危害降低, 直腸中雙歧桿菌和乳酸桿菌增多。該研究有力證明:微生物發(fā)酵飼料是一種安全、高效、綠色的產(chǎn)品, 并且可以減少獸用抗生素在畜牧養(yǎng)殖中的使用。也有研究按照一定比例混合以下副產(chǎn)品:木薯酒精糟、濕法糖渣、DDS、檸檬酸糟、玉米漿和玉米芯, 在加入輔料后, 再進(jìn)行復(fù)合菌種的微生物發(fā)酵, 制備出高能量或高蛋白質(zhì)的微生物飼料。該研究對(duì)生物發(fā)酵副產(chǎn)品的有機(jī)整合、變廢為寶以及提高廉價(jià)原料的附加值產(chǎn)生積極意義, 同時(shí)也可解決大型氨基酸生產(chǎn)企業(yè)的玉米浸泡液過(guò)剩的問(wèn)題。 4.3 在生物制藥中的應(yīng)用 在生物反應(yīng)器中, 微生物發(fā)酵的過(guò)程受各種因素影響, 如基因的遺傳特性、細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)以及反應(yīng)器的傳遞混和等。在發(fā)酵過(guò)程中, 某個(gè)因素的影響常常會(huì)對(duì)全局產(chǎn)生負(fù)面作用。在青霉素的發(fā)酵生產(chǎn)中, 玉米漿的添加比例不僅影響菌絲最大濃度、菌絲生長(zhǎng)、菌絲結(jié)構(gòu)和菌體代謝, 還影響發(fā)酵周期和發(fā)酵效價(jià)。龐巧蘭等研究了玉米漿的添加比例在青霉素發(fā)酵培養(yǎng)基中對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物的影響。當(dāng)玉米漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.6%~4.0% (以玉米漿干物質(zhì)計(jì)) 時(shí), 可在最大程度上提高發(fā)酵液質(zhì)量和降低發(fā)酵成本。 4.4 應(yīng)用中存在的問(wèn)題 在實(shí)際生產(chǎn)中, 不同批次的玉米漿品質(zhì)差異較大, 影響其作為氮源的穩(wěn)定性。為了在谷氨酸的發(fā)酵過(guò)程中避免此問(wèn)題, 叢澤峰等在發(fā)酵培養(yǎng)基中添加了玉米漿水解液 (10g/L) , 把玉米漿進(jìn)行水解, 并優(yōu)化了發(fā)酵工藝, 提高了發(fā)酵水平。有研究表明玉米漿中的天冬氨酸和蘋(píng)果酸是谷氨酸棒桿菌中磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 (Phosphoenolpyruvate carboxylase, PPC) 的強(qiáng)抑制劑, 解決該問(wèn)題時(shí)可將該菌株進(jìn)行基因組改造, 獲得PPC酶營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株, 降低玉米漿中PPC酶抑制劑的作用, 增加氨基酸的積累和轉(zhuǎn)化率, 降低生產(chǎn)成本, 增加經(jīng)濟(jì)收益。 由于玉米漿富含氨基酸、維生素、生長(zhǎng)因子和氨基酸的前體物, 尤其是其中的VH和限制性氨基酸對(duì)菌體細(xì)胞生長(zhǎng)、發(fā)酵和產(chǎn)酸、糖酸轉(zhuǎn)化率提高有積極作用。在調(diào)整生產(chǎn)工藝后, 玉米漿可代替昂貴的有機(jī)氮源, 如豆粕水解液、酵母粉和蛋白胨。玉米漿穩(wěn)定性差的問(wèn)題可以通過(guò)添加水解液和使用前嚴(yán)格檢測(cè)的方式解決, 揚(yáng)長(zhǎng)避短, 充分發(fā)揮玉米漿在微生物發(fā)酵過(guò)程中積極作用。在微生物制藥產(chǎn)業(yè)中, 大多數(shù)藥物都是通過(guò)發(fā)酵獲得, 但長(zhǎng)期服用抗生素, 會(huì)對(duì)機(jī)體造成損傷, 并使機(jī)體產(chǎn)生耐藥性。獸用抗生素在畜牧養(yǎng)殖中應(yīng)用廣泛, 開(kāi)發(fā)不含抗生素的微生物發(fā)酵飼料, 可以在很大程度上解決抗生素濫用、藥物殘留和抗藥性問(wèn)題, 為生產(chǎn)無(wú)抗生素的、富含多種氨基酸的飼料開(kāi)辟新的經(jīng)濟(jì)道路。3玉米漿生產(chǎn)工藝
4玉米漿的應(yīng)用
5結(jié) 論
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