王 楠，周宏霞，杨 扬，李 树

（1.威海市食品药品检验检测中心，山东威海 264209；2.山东大学（威海）海洋学院，山东威海 264209）

在玉米深加工中，淀粉经过液化酶和糖化酶处理后生成葡萄糖。由于淀粉中少量的蛋白质和脂肪仍然是不溶性成分，在料液中呈悬浮状态，因此需要利用过滤设备将其去除，过滤后得到的固体称为“糖渣”或“糖糟”。目前，葡萄糖生产企业大多采用真空转鼓过滤机移除蛋白质和脂肪，原因在于该设备自动化程度高、处理量大，可以连续作业，节省大量的人力，从而提高生产效率。但是，该设备在运行时需要在表面预涂一层硅藻土作为助滤剂，因此糖渣中由于含有大量的硅藻土而失去了作为饲料的价值，目前尚无有效方法将硅藻土从糖渣中分离出来，只能以低廉的价格作为土壤肥料出售，造成了严重的资源浪费，而且糖渣在沤肥过程中产生难闻的气味，也带来了一定的环境问题。将糖渣作为营养物质加入到灰褐链霉菌（S.griseofuscus）发酵生产ε-聚赖氨酸的培养基中[1]，不仅能够作为碳源和氮源被微生物利用[2]，剩余的硅藻土还能作为助滤剂加快后续的板框过滤速率，实现了将糖渣变废为宝，降低了生产成本，具有重要的经济效益和社会效益。

真空转鼓过滤机（a）和含硅藻土的糖渣（b）见图1，糖渣的成分组成及含量（以干基计算）见表1。

1 材料与方法

1.1 试验材料

糖渣，西王糖业有限公司葡萄糖四厂提供；灰褐链霉菌，由山东大学（威海）海洋学院提供；葡萄糖、酵母膏、蛋白胨、硫酸铵等试剂，均为分析纯。

图1 真空转鼓过滤机（a）和含硅藻土的糖渣（b）

表1 糖渣的成分组成及含量（以干基计算）/ %

（1）固体琼脂培养基[3]。各成分质量浓度为葡萄糖10 g/L，酵母抽提物2 g/L，胰蛋白胨5 g/L，琼脂20 g/L；初始pH 值7.0，于121 ℃下灭菌20 min。

（2）液体发酵培养基[4]。各成分质量浓度为葡萄糖50 g/L，（NH4）2SO410 g/L，酵母粉5 g/L，MgSO4·7H2O 0.5 g/L，K2HPO40.8 g/L，KH2PO41.4 g/L，ZnSO4·7H2O 0.04 g/L；初始pH 值7.0，于121 ℃下灭菌20 min。

1.2 试验方法

1.2.1 摇瓶发酵中加入糖渣

在液体发酵培养基中加入烘干的糖渣，添加量为5 g/L，然后进行灭菌[5]。从固体琼脂培养基上刮取灰褐链霉菌的孢子2 环，无菌条件下接入50 mL/250 mL的上述培养基中，于30 ℃条件下以转速200 r/min摇床培养96 h，观察糖渣的利用情况及检测ε-聚赖氨酸含量[6]。

1.2.2 糖渣质量浓度为对灰褐链霉菌发酵生产ε-聚赖氨酸的影响

在液体发酵培养基中加入烘干的糖渣，质量浓度分别为0，5，10，15，20，25 g/L，然后进行灭菌。从固体琼脂培养基上刮取灰褐链霉菌的孢子2 环，无菌条件下接入50 mL/250 mL 的上述培养基中，于30 ℃条件下以转速200 r/min 摇床培养96 h，检测ε-聚赖氨酸含量、残留葡萄糖、菌体量及菌丝球直径等。

1.2.3 发酵液中残留硅藻土对过滤效果的影响

使用直径12 cm 的新华滤纸测定灰褐链霉菌发酵液的过滤速度。过滤条件为单层滤纸、常规大气压，以获得50 mL 滤液所需的时间进行比较与判定，用时较短者则过滤效果好。

2 结果与分析

2.1 灰褐链霉菌对糖渣中营养物质利用的确认

糖渣中的营养物质包括葡萄糖、蛋白质和脂肪，其中葡萄糖是可溶的且为微生物发酵的通用碳源。蛋白质和脂肪是不可溶的，理论上其既可为微生物发酵提供碳源，又能够提供氮源，所以首选要确认糖渣能否被灰褐链霉菌分解利用[7]。在液体发酵培养基中加入烘干的糖渣，质量浓度为5 g/L，接种灰褐链霉菌后，分别在发酵的初始0，12，24，36，48，60 h 时观察摇瓶中的糖渣。

糖渣在灰褐链霉菌发酵生产ε-聚赖氨酸过程中的变化情况见图2。

图2 糖渣在灰褐链霉菌发酵生产ε-聚赖氨酸过程中的变化情况

由图2 可知，由于灰褐链霉菌能够分泌蛋白酶和脂肪酶，可以将胞外的不溶性蛋白和脂肪分解并吸收利用，所以摇瓶中的沉淀，即糖渣会越来越少。在发酵进行至48 h 时，剩余的沉淀已经不明显，而当发酵至60 h 时，糖渣已经被完全分解。研究证明糖渣中的不溶性蛋白质和脂肪是能够作为营养物质被灰褐链霉菌分解利用的。

2.2 糖渣质量浓度为对灰褐链霉菌发酵生产ε-聚赖氨酸的影响

上述研究中，糖渣质量浓度为5 g/L，接下来对糖渣质量浓度进行了不同的发酵验证，以评估其对灰褐链霉菌发酵生产ε-聚赖氨酸的影响。糖渣质量浓度分别为5，10，15，20，25 g/L，并以不添加（0）作为对照。摇瓶发酵结束后，分别检测产物ε-聚赖氨酸、生物量和残留葡萄糖的质量浓度。

糖渣质量浓度对灰褐链霉菌发酵生产ε-聚赖氨酸的影响见表2。

由表2 可知，随着糖渣质量浓度的增加，ε-聚赖氨酸质量浓度也随之增加，在对照试验中，ε-聚赖氨酸质量浓度为1.54 g/L，而糖渣质量浓度15 g/L时，ε-聚赖氨酸质量浓度达到最高值为2.46 g/L，提高幅度为59.7%。但是，当糖渣质量浓度进一步增大时，ε-聚赖氨酸质量浓度反而会减小，最终在糖渣质量浓度25 g/L 时降低到了1.62 g/L，几乎与对照组持平。灰褐链霉菌的生物量表现的与ε-聚赖氨酸不同，随着糖渣质量浓度的增加一直在持续增加，最高达到了5.75 g/L，是对照的1.8 倍。研究表明，在灰褐链霉菌的发酵培养基中添加糖渣，不仅能够作为营养被分解利用，还对ε-聚赖氨酸质量浓度有明显的提高。

表2 糖渣质量浓度对灰褐链霉菌发酵生产ε-聚赖氨酸的影响/g·L-1

灰褐链霉菌属于放线菌，是一种丝状菌，而丝状菌在培养过程中往往会形成菌丝球的形态，这也是丝状菌的通性。在丝状微生物的发酵过程中，众多研究发现，产物水平的高低和微生物的形态，即菌丝球的大小有密切关系[8]。对于链霉菌产ε-聚赖氨酸而言，一般是菌球越小越有利于质量浓度的提高。这主要是因为颗粒的直径越小，则比表面积越大，微生物跟营养物质和氧气的接触就越充分，在高的传质传氧条件下，细胞活力很高，结果就导致了质量浓度的提高[9]。而调控丝状菌球大小的有效方法之一就是添加无机微粒，如氧化铝、滑石粉等[10]。研究发现，糖渣里面含有大量的硅藻土，也属于无机微粒。在摇瓶发酵中，硅藻土在培养基里进行高速转动，会与灰褐链霉菌的菌丝发生碰撞，由此干扰了大尺寸菌丝球的形成，结果导致了菌球变小。用显微摄影仪对摇瓶中菌丝球观察发现，不添加糖渣时，菌球的平均直径为324 μm，菌球随着糖渣质量浓度增加而减少，当糖渣质量浓度为20 g/L 时，菌球直径降低到了145 μm，这与报道的结果是一致的。而当糖渣质量浓度增大到25 g/L 时，灰褐链霉菌不再以菌球的形态出现，完全变成了菌丝。试验表明，虽然菌球的直径变小有利于质量浓度的增加，但是当小到一定程度，如145 μm 甚至更小时，ε-聚赖氨酸质量浓度反而降低，因此菌球大小应当适度。此外，菌球变小后，灰褐链霉菌虽然产ε-聚赖氨酸降低了，但由于生物量的升高，最终残留葡萄糖质量浓度也在降低。

显微摄影仪拍摄的灰褐链霉菌菌丝球大小见图3，糖渣质量浓度对菌球直径的影响见表3。

2.3 发酵液中残留硅藻土对过滤效果的影响

图3 显微摄影仪拍摄的灰褐链霉菌菌丝球大小

表3 糖渣质量浓度对菌球直径的影响

放线菌在发酵结束后，要进行下游的提取与精制，而过滤除菌往往是进行固液分离的第一步，工业中常用的过滤设备是板框压滤机。为了提高过滤速度，工厂经常往板框中预涂一层硅藻土或者直接把硅藻土加入到发酵液中。研究中，糖渣中的葡萄糖、蛋白质和脂肪等营养物质已经被灰褐链霉菌分解利用，只剩余了硅藻土，所以可以预见的是，在后续的板框过滤中，硅藻土能够加快过滤速度。研究采用简单的滤纸过滤方法粗略的测定了一下加入糖渣（15 g/L）发酵液的过滤速度，获得50 mL 滤液所用的时间为465±72 s，而不加糖渣的发酵液，获得相同体积的滤液所需的时间为742±85 s，节省了近40%的时间，这就意味着在实际生产可以少加入大量的硅藻土甚至不加入，从而能够节省生产成本。

滤纸过滤发酵液测定过滤速度见图4。

图4 滤纸过滤发酵液测定过滤速度

3 结论

淀粉糖工业中，产生了大量含硅藻土的副产物糖渣，目前尚无有效方法将硅藻土从糖渣中分离出来，只能以非常低廉的价格作为土壤肥料出售，造成了严重的资源浪费。将糖渣作为营养物质加入到灰褐链霉菌发酵生产ε-聚赖氨酸的培养基中。结果表明，①糖渣中的葡萄糖、蛋白质和脂肪能够作为碳源和氮源被微生物利用，说明处理糖渣的思路是可行的；②糖渣中的硅藻土在发酵过程中能够有效减小灰褐链霉菌的菌球直径，提高了产物ε-聚赖氨酸的质量浓度，当糖渣质量浓度达15 g/L 时，ε-聚赖氨酸质量浓度达到最高值为2.46 g/L，提高幅度为59.7%；③剩余的硅藻土还可作为助滤剂加快后续的板框过滤速率，能够节省新助滤剂的添加量。总之，实现了将糖渣变废为宝，降低了生产成本，产生出重要的经济效益和社会效益。