玉米浆在发酵工业中的应用及研究进展

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导读

玉米浆 (Corn steep liquer, CSL) 是玉米淀粉制备的副产物, 可通过湿磨法制备。玉米浆含有大量的亚硫酸、肽、多糖、蛋白质和各种氨基酸, 如精氨酸、谷氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸和β-苯乙胺。玉米浆的主要用途有:用作水溶性植物蛋白及水溶性维生素、复合肥料添加剂、发酵氮源和纤维饲料。玉米浆中的大多数化学成分是通过发酵法合成的氨基酸前体, 占玉米浆干质量的25%。用盐酸水解18h, 肽和蛋白质水解成氨基酸, 且含量可达到干质量的50%以上。目前, 仅有很少一部分玉米浆用于氨基酸发酵。玉米浆在氨基酸发酵中被用作有机氮源和生长因子的供应者, 它富含的生物素和限制性氨基酸对各种氨基酸的发酵有很大影响。作为廉价高效的发酵氮源, 增加氨基酸发酵中玉米浆的使用量, 以减少或代替一部分有机氮源, 如豆粕水解液、酵母粉和毛发粉等, 可以提高玉米浆价值, 降低氨基酸生产成本。在青霉素发酵培养基中, 玉米浆的含量对菌丝、氨氮代谢、糖代谢、发酵周期和发酵效价等工艺参数影响很大。
1、玉米浆的基本化学组成

通常, 用于氨基酸发酵的玉米浆约20°Be′, 质量浓度1.08~1.15kg/L, 水的质量分数为46%~50%, 还原糖的质量分数>5.5%, 氨的质量分数>3.6%, 无机物的质量分数>10%, 氨氮的质量分数>0.9%, 乳酸的质量分数为9%~12%。


1.1 氨基酸

测定玉米浆的组成成分, 显示含有组成蛋白质的20种氨基酸;检测三氯乙酸的提取物, 发现了氨基酸化合物, 如羟基脯氨酸、γ-氨基丁酸和天门冬酰胺等。

1.2 维生素

玉米浆含有维生素B25μg/mL, 尼克酰胺89μg/mL, 泛酸22.5μg/mL, 生物素0.125μg/mL。在玉米浆所含的11种维生素中, 胆碱 (0.2%) 和肌醇 (0.35%) 所占比例最高, 而维生素B12与叶酸含量相对较少。

1.3 矿物质元素

陈逸琚等利用电感耦合等离子体质谱 (ICP-MS) 检测到玉米浆干粉中存在砷、镉、铬、铜、铅和锌。研究结果表明, 玉米浆干粉中还含有微量金属元素铜、锌和铅, 含量如表1所示。

2、玉米浆主要营养成分及特点

浓缩后的玉米浸渍液为黏稠状, 带有芳香气息的糊味, 呈黄棕色。玉米浸渍液富含玉米的可溶性养分, 具有营养丰富和营养价值高的特点。玉米浆的营养成分包括:可溶性蛋白质、乳酸 (LA) 、糖类和淀粉等, 并富含多种氨基酸、矿物质、微量元素和维生素, 其中胆碱含量为6.99×103IU/kg, 肌醇含量为1.20×103 IU/kg。
3、玉米浆生产工艺

玉米深加工的第一步为玉米浸泡。在浸泡过程中, 有大量的浸泡水产生, 玉米浸泡水被直接排放至污水处理厂, 造成了资源浪费和环境污染。为了变废为宝, 鼓励企业深度开发玉米浆及其生产工艺显得尤为重要。

吕满霞等研究了玉米浆的生产工艺。采用中温α-淀粉酶和糖化酶的双酶法进行分段酶解, 获得生产甜玉米汁的最佳条件为:料液比为m (玉米) ∶V (水) =14 g/mL, 中温α-淀粉酶0.35%, 55℃液化25min, 糖化酶0.15%, 55℃糖化20min。最终测定玉米汁中可溶性固形物的质量分数为3.9%。

郭成宇等用速冻玉米研究了玉米浆生产的新工艺。该工艺中, 没有过滤和糊化过程, 玉米的利用率为100%。通过检测玉米浆的颗粒直径、沉降速率、悬浮物的稳定性和感官评价来确定玉米浆最优的工艺参数为:磨浆2次;均质压力30MPa;均质温度40℃;均质2次;灭菌121℃, 25min。最终, 产品保质期达6个月。工艺流程为:蔗糖和复合稳定剂→混合均匀→化胶→新鲜速冻糯玉米→缓冻→磨浆→定容→搅拌→均质→灌装→灭菌→检测和感官评定。
4、玉米浆的应用4.1 在氨基酸发酵工艺中的应用
玉米浆是最廉价的氮源, 含有丰富的营养成分, 是微生物合成代谢的促进剂, 目前, 在生物制药、氨基酸发酵和酶制剂等领域中, 作为氮源被广泛利用。左莹等研究表明:在氨基酸发酵时, 为了降低发酵成本, 可以使用玉米浆替代或部分替代其他氮源, 如豆粕水解液、酵母粉和蛋白胨。向梦雄优化了发酵培养基, 采用碱法对玉米浆预处理, 并将玉米浆作为唯一氮源, 使Blakeslea trispora的β-胡萝卜素的积累量达到60.36mg/L。丁涓等报道在用玉米浆为氮源的培养基中培养嗜热乳酸链球菌并进行L-乳酸发酵, 实验结果显示:用41g/L的玉米浆代替牛肉膏作为氮源是可行的, L-乳酸的积累量为11g/L。对比其他乳酸发酵培养基, 可以在很大程度上降低生产成本。张俊刚比较了有机氮源在氨基酸发酵生产中的作用, 与豆粕、毛发水解液和毛发粉溶液相比, 使用玉米浆水解液生产丝氨酸、脯氨酸、胱氨酸、精氨酸和苏氨酸, 产量显著高于其他氮源。


4.2 在动物饲料中的应用

在加工玉米副产物及农副产品的过程中, 可通过提高玉米利用率降低发酵饲料的生产成本。同时, 玉米浆含可溶性蛋白、糖分、生长素和一些前体物, 其中可溶性蛋白和糖分的质量分数分别为16%~30%和11%, 为微生物生长提供了优质有机氮源和碳源。所以, 在生物发酵过程中, 可以用玉米浆作为营养成分的补充剂;还可以利用乳酸杆菌和玉米浆, 与葡萄糖酿酒渣一起发酵生产乳酸;也可以使用酵母与低乳糖的玉米浆和蔗糖蜜, 进行乳糖酶工业化生产。李红宇等的研究指出:通过玉米浆与秸秆不同比例混合发酵, 在黄贮玉米秸中添加25%~30%玉米浆, 制成纤维发酵饲料, 增加了饲料的能量、蛋白质含量及其他营养成分, 提高了适口性。
目前, 微生物发酵饲料相关的研究报道很多。李泳宁等报道了微生物发酵饲料在饲养仔猪中的作用。该研究通过分组对照实验, 研究了微生物发酵饲料对仔猪的生长和预防腹泻中的作用。实验结果显示:当微生物发酵饲料的用量为1.0%时, 料肉比下降, 仔猪腹泻率减少, 粪便中大肠杆菌危害降低, 直肠中双歧杆菌和乳酸杆菌增多。该研究有力证明:微生物发酵饲料是一种安全、高效、绿色的产品, 并且可以减少兽用抗生素在畜牧养殖中的使用。也有研究按照一定比例混合以下副产品:木薯酒精糟、湿法糖渣、DDS、柠檬酸糟、玉米浆和玉米芯, 在加入辅料后, 再进行复合菌种的微生物发酵, 制备出高能量或高蛋白质的微生物饲料。该研究对生物发酵副产品的有机整合、变废为宝以及提高廉价原料的附加值产生积极意义, 同时也可解决大型氨基酸生产企业的玉米浸泡液过剩的问题。

4.3 在生物制药中的应用

在生物反应器中, 微生物发酵的过程受各种因素影响, 如基因的遗传特性、细胞的代谢调节以及反应器的传递混和等。在发酵过程中, 某个因素的影响常常会对全局产生负面作用。在青霉素的发酵生产中, 玉米浆的添加比例不仅影响菌丝最大浓度、菌丝生长、菌丝结构和菌体代谢, 还影响发酵周期和发酵效价。庞巧兰等研究了玉米浆的添加比例在青霉素发酵培养基中对发酵产物的影响。当玉米浆的质量分数为3.6%~4.0% (以玉米浆干物质计) 时, 可在最大程度上提高发酵液质量和降低发酵成本。

4.4 应用中存在的问题

在实际生产中, 不同批次的玉米浆品质差异较大, 影响其作为氮源的稳定性。为了在谷氨酸的发酵过程中避免此问题, 丛泽峰等在发酵培养基中添加了玉米浆水解液 (10g/L) , 把玉米浆进行水解, 并优化了发酵工艺, 提高了发酵水平。有研究表明玉米浆中的天冬氨酸和苹果酸是谷氨酸棒杆菌中磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 (Phosphoenolpyruvate carboxylase, PPC) 的强抑制剂, 解决该问题时可将该菌株进行基因组改造, 获得PPC酶营养缺陷型菌株, 降低玉米浆中PPC酶抑制剂的作用, 增加氨基酸的积累和转化率, 降低生产成本, 增加经济收益。
5、结论

由于玉米浆富含氨基酸、维生素、生长因子和氨基酸的前体物, 尤其是其中的VH和限制性氨基酸对菌体细胞生长、发酵和产酸、糖酸转化率提高有积极作用。在调整生产工艺后, 玉米浆可代替昂贵的有机氮源, 如豆粕水解液、酵母粉和蛋白胨。玉米浆稳定性差的问题可以通过添加水解液和使用前严格检测的方式解决, 扬长避短, 充分发挥玉米浆在微生物发酵过程中积极作用。在微生物制药产业中, 大多数药物都是通过发酵获得, 但长期服用抗生素, 会对机体造成损伤, 并使机体产生耐药性。兽用抗生素在畜牧养殖中应用广泛, 开发不含抗生素的微生物发酵饲料, 可以在很大程度上解决抗生素滥用、药物残留和抗药性问题, 为生产无抗生素的、富含多种氨基酸的饲料开辟新的经济道路。

注：本文由生物饲料开发国家工程研究中心（BFC）小编整理发布，如有任何建议或意见及投稿等，请您加小编微信（13260429991）交流互动。

参考文献略

责编：马维军；审阅：刘晶晶博士

来源：发酵科技通讯；作者：王婷，张德志，蔡柠匀，陈宁，徐庆阳