玉米漿在發酵工業中的應用及研究進展

畜牧人小李

導讀

玉米漿 (Corn steep liquer, CSL) 是玉米淀粉制備的副產物, 可通過濕磨法制備。玉米漿含有大量的亞硫酸、肽、多糖、蛋白質和各種氨基酸, 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、復合肥料添加劑、發酵氮源和纖維飼料。玉米漿中的大多數化學成分是通過發酵法合成的氨基酸前體, 占玉米漿干質量的25%。用鹽酸水解18h, 肽和蛋白質水解成氨基酸, 且含量可達到干質量的50%以上。目前, 僅有很少一部分玉米漿用于氨基酸發酵。玉米漿在氨基酸發酵中被用作有機氮源和生長因子的供應者, 它富含的生物素和限制性氨基酸對各種氨基酸的發酵有很大影響。作為廉價高效的發酵氮源, 增加氨基酸發酵中玉米漿的使用量, 以減少或代替一部分有機氮源, 如豆粕水解液、酵母粉和毛發粉等, 可以提高玉米漿價值, 降低氨基酸生產成本。在青霉素發酵培養基中, 玉米漿的含量對菌絲、氨氮代謝、糖代謝、發酵周期和發酵效價等工藝參數影響很大。
1、玉米漿的基本化學組成

通常, 用于氨基酸發酵的玉米漿約20°Be′, 質量濃度1.08~1.15kg/L, 水的質量分數為46%~50%, 還原糖的質量分數>5.5%, 氨的質量分數>3.6%, 無機物的質量分數>10%, 氨氮的質量分數>0.9%, 乳酸的質量分數為9%~12%。


1.1 氨基酸

測定玉米漿的組成成分, 顯示含有組成蛋白質的20種氨基酸;檢測三氯乙酸的提取物, 發現了氨基酸化合物, 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與葉酸含量相對較少。

1.3 礦物質元素

陳逸琚等利用電感耦合等離子體質譜 (ICP-MS) 檢測到玉米漿干粉中存在砷、鎘、鉻、銅、鉛和鋅。研究結果表明, 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。

2、玉米漿主要營養成分及特點

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分, 具有營養豐富和營養價值高的特點。玉米漿的營養成分包括:可溶性蛋白質、乳酸 (LA) 、糖類和淀粉等, 并富含多種氨基酸、礦物質、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。
3、玉米漿生產工藝

玉米深加工的第一步為玉米浸泡。在浸泡過程中, 有大量的浸泡水產生, 玉米浸泡水被直接排放至污水處理廠, 造成了資源浪費和環境污染。為了變廢為寶, 鼓勵企業深度開發玉米漿及其生產工藝顯得尤為重要。

呂滿霞等研究了玉米漿的生產工藝。采用中溫α-淀粉酶和糖化酶的雙酶法進行分段酶解, 獲得生產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。最終測定玉米汁中可溶性固形物的質量分數為3.9%。

郭成宇等用速凍玉米研究了玉米漿生產的新工藝。該工藝中, 沒有過濾和糊化過程, 玉米的利用率為100%。通過檢測玉米漿的顆粒直徑、沉降速率、懸浮物的穩定性和感官評價來確定玉米漿最優的工藝參數為:磨漿2次;均質壓力30MPa;均質溫度40℃;均質2次;滅菌121℃, 25min。最終, 產品保質期達6個月。工藝流程為:蔗糖和復合穩定劑→混合均勻→化膠→新鮮速凍糯玉米→緩凍→磨漿→定容→攪拌→均質→灌裝→滅菌→檢測和感官評定。
4、玉米漿的應用4.1 在氨基酸發酵工藝中的應用
玉米漿是最廉價的氮源, 含有豐富的營養成分, 是微生物合成代謝的促進劑, 目前, 在生物制藥、氨基酸發酵和酶制劑等領域中, 作為氮源被廣泛利用。左瑩等研究表明:在氨基酸發酵時, 為了降低發酵成本, 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。向夢雄優化了發酵培養基, 采用堿法對玉米漿預處理, 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到60.36mg/L。丁涓等報道在用玉米漿為氮源的培養基中培養嗜熱乳酸鏈球菌并進行L-乳酸發酵, 實驗結果顯示: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。對比其他乳酸發酵培養基, 可以在很大程度上降低生產成本。張俊剛比較了有機氮源在氨基酸發酵生產中的作用, 與豆粕、毛發水解液和毛發粉溶液相比, 使用玉米漿水解液生產絲氨酸、脯氨酸、胱氨酸、精氨酸和蘇氨酸, 產量顯著高于其他氮源。


4.2 在動物飼料中的應用

在加工玉米副產物及農副產品的過程中, 可通過提高玉米利用率降低發酵飼料的生產成本。同時, 玉米漿含可溶性蛋白、糖分、生長素和一些前體物, 其中可溶性蛋白和糖分的質量分數分別為16%~30%和11%, 為微生物生長提供了優質有機氮源和碳源。所以, 在生物發酵過程中, 可以用玉米漿作為營養成分的補充劑;還可以利用乳酸桿菌和玉米漿, 與葡萄糖釀酒渣一起發酵生產乳酸;也可以使用酵母與低乳糖的玉米漿和蔗糖蜜, 進行乳糖酶工業化生產。李紅宇等的研究指出:通過玉米漿與秸稈不同比例混合發酵, 在黃貯玉米秸中添加25%~30%玉米漿, 制成纖維發酵飼料, 增加了飼料的能量、蛋白質含量及其他營養成分, 提高了適口性。
目前, 微生物發酵飼料相關的研究報道很多。李泳寧等報道了微生物發酵飼料在飼養仔豬中的作用。該研究通過分組對照實驗, 研究了微生物發酵飼料對仔豬的生長和預防腹瀉中的作用。實驗結果顯示:當微生物發酵飼料的用量為1.0%時, 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:微生物發酵飼料是一種安全、高效、綠色的產品, 并且可以減少獸用抗生素在畜牧養殖中的使用。也有研究按照一定比例混合以下副產品: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, 再進行復合菌種的微生物發酵, 制備出高能量或高蛋白質的微生物飼料。該研究對生物發酵副產品的有機整合、變廢為寶以及提高廉價原料的附加值產生積極意義, 同時也可解決大型氨基酸生產企業的玉米浸泡液過剩的問題。

4.3 在生物制藥中的應用

在生物反應器中, 微生物發酵的過程受各種因素影響, 如基因的遺傳特性、細胞的代謝調節以及反應器的傳遞混和等。在發酵過程中, 某個因素的影響常常會對全局產生負面作用。在青霉素的發酵生產中, 玉米漿的添加比例不僅影響菌絲最大濃度、菌絲生長、菌絲結構和菌體代謝, 還影響發酵周期和發酵效價。龐巧蘭等研究了玉米漿的添加比例在青霉素發酵培養基中對發酵產物的影響。當玉米漿的質量分數為3.6%~4.0% (以玉米漿干物質計) 時, 可在最大程度上提高發酵液質量和降低發酵成本。

4.4 應用中存在的問題

在實際生產中, 不同批次的玉米漿品質差異較大, 影響其作為氮源的穩定性。為了在谷氨酸的發酵過程中避免此問題, 叢澤峰等在發酵培養基中添加了玉米漿水解液 (10g/L) , 把玉米漿進行水解, 并優化了發酵工藝, 提高了發酵水平。有研究表明玉米漿中的天冬氨酸和蘋果酸是谷氨酸棒桿菌中磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 (Phosphoenolpyruvate carboxylase, PPC) 的強抑制劑, 解決該問題時可將該菌株進行基因組改造, 獲得PPC酶營養缺陷型菌株, 降低玉米漿中PPC酶抑制劑的作用, 增加氨基酸的積累和轉化率, 降低生產成本, 增加經濟收益。
5、結論

由于玉米漿富含氨基酸、維生素、生長因子和氨基酸的前體物, 尤其是其中的VH和限制性氨基酸對菌體細胞生長、發酵和產酸、糖酸轉化率提高有積極作用。在調整生產工藝后, 玉米漿可代替昂貴的有機氮源, 如豆粕水解液、酵母粉和蛋白胨。玉米漿穩定性差的問題可以通過添加水解液和使用前嚴格檢測的方式解決, 揚長避短, 充分發揮玉米漿在微生物發酵過程中積極作用。在微生物制藥產業中, 大多數藥物都是通過發酵獲得, 但長期服用抗生素, 會對機體造成損傷, 并使機體產生耐藥性。獸用抗生素在畜牧養殖中應用廣泛, 開發不含抗生素的微生物發酵飼料, 可以在很大程度上解決抗生素濫用、藥物殘留和抗藥性問題, 為生產無抗生素的、富含多種氨基酸的飼料開辟新的經濟道路。

注：本文由生物飼料開發國家工程研究中心（BFC）小編整理發布，如有任何建議或意見及投稿等，請您加小編微信（13260429991）交流互動。

參考文獻略

責編：馬維軍；審閱：劉晶晶博士

來源：發酵科技通訊；作者：王婷，張德志，蔡檸勻，陳寧，徐慶陽