氨基酸组成和调酸速率对谷氨酸结晶的影响

食品与发酵工业 F0。d d F 丌n rati。 Ind r ‘ s Vo[．26 No 2 氨基酸组成和调酸速率对谷氨酸结晶的影响 战 宇 周 琦 钟 敏 宁正祥 r 。 栅 队 学食品 物 。 程 ’广。朋’ “ T s2 于 欣 V ～ 丫、 (广州味精食 品厂．广卅I，510280) 摘 要 对不同工较谷氨酸发酵痕及多次结晶母寝的氧基酸含量进行了测定，并探讨了谷氨 酸游度和调酸速率对备氨酶结晶的影响。结果明，正常形成 型结晶和结晶异常—— 出现 B型结晶的各氧酸发酵瘦、超滤藏和西效浓缩液中的氨基酸摩尔组分 无显著性差异。脯氧酸 极易掺入到 “型晶体中。各氧酸浓度和调酸速率是影响晶型的主要固素，适 当降低 浓缩灌流 加结晶和调酸速率可有效防止p型晶体的产生。 、 ． ．． 关键词兰 璺兰垦望堂。笪鱼桷伯受 ，焉辛 自 谷氨酸产酸率、转化率、提取率、精制收 率等相对较低是 目前我国与国外味精生产技 术相比存在的主要差距。特别是在提取工艺 上，技术先进国家采用带菌体或除菌体浓缩 等电点法，提取率约 85％～90％，而 国内味 精厂普遍采用一次冷冻等电点提取工艺，提 取率一般为 75％～80％左右。虽然国内大 部分厂家采用等电点离子交换法，提取率可 达 88％以上，但要耗用大量酸碱，带来严重 的环境污染。我国味精行业要参与国际市场 竞争，就必须采用先进技术，降低生产成本。 但在采用除菌体浓缩等电点工艺过程中，极 易产生异常的 8结晶现象，导致提取分离困 难，提取收率低。本文报道在浓缩等电点谷 氨酸提取过程中，谷氨酸结晶的影响因素及 对异常结晶的防止。 1 材料与方法 1．1 实验材料 谷氨酸发酵液和谷氨酸结晶母液均取 白 广州味精厂生产车 间的发酵罐、浓缩罐和结 晶罐。 1．2 实验方法 *第一作者：硕七研究生 收稿时间：t999 07 09．政同时问：1990 t0 14 氨基酸含量和组成分析采用苯异硫氰酸 与 一氨基酸反应 (即 Edman反应)生成苯异 硫氰氨基酸衍生物⋯。然后采用 Waters高 效液相色谱进行 测定。分析柱：PICO·TAG 氨基酸分析专用柱；柱箱温度 ：38℃ ；流动相： 乙腈一水，梯度洗脱 ；流速 ：1mI ／rain；检测器： waterS 486分 光光度检测器；检测波长： 254nm 2 结果与讨论 2．1 氨基酸组成对谷氨酸结晶的影响 2 1．1 发酵液氨基酸组 成对谷氨酸晶型的 影 响 谷氨酸晶体有 和 B 2种不同的晶型 J。 n型晶体中的谷氨酸分子的构象呈环状，外 观为颗粒状或短柱状，含水量少，易沉淀过滤 分离。8型晶体中的谷氨 酸分 子构象呈链 状，其晶体为针状或叶片状，晶粒细小，极易 与发酵液 中的菌体聚在一起形成“轻麸酸”， 很难与母液分离，沉淀十分困难。所以，工业 生产上都希望得到 a型晶体，防止 B型晶体 的生成。采用浓缩等 电点法进行谷氨酸结 晶，极易产生 8型晶体。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 26卷 第 2期 战宇等：氨基酸组成和 啊酸速率对谷氯酸结晶的影响 47 为探讨发酵液中共存氨基酸的种类与相对数 量对 谷氨酸结 晶行 为的影 响，对 结晶正常 — — 获得 型谷氨酸晶体和结晶异常—— 出 现 B型谷氨酸晶体时的发酵液 超滤液和网 效浓缩液的氨基酸组成和含量分别进行了测 定，结果列于表 1。可看 出，出现 口型谷氨酸 晶体与正常 n结晶的发酵液的谷氨酸孽尔比 均在 96％ 上。检测到的其它共存氨基酸 主要 是 脯 氨 酸，相 对 摩 尔 比 为 1．5％ ～ 2．0％。发酵液中其它种类共存氨基酸的相 对摩 尔比均小 于 0．5％。 对表 1数据进行统计学分析的结果表 明，谷氨酸结晶正常和出现异常在不 同工段 的发酵 液氨基酸组 成上并不存在显著性差 别，相关系数为 0．999988；在氨基酸含量上， 则出现 B型结晶的四效浓缩液较高，为 8．48 tool／L，比正常结晶的6．45tool／I 高31．5％。 这说明氨基酸组成不是出现 B型结晶的主要 影响因素，谷氨酸浓度的高低才是产生 B型 谷氨酸结晶的决定性因素。 表 1 不同工段谷氨酸发酵液的氨基酸相对摩尔组分 ％ 2．1．2 结晶母液氨基酸组成对谷氨酸结 晶 的影 响 结晶是一种纯化物质的重要手段，杂质 的存在毫无疑问会影响物质的结晶行为。为 了探讨谷氯酸发酵液中杂质成分对谷氨酸结 晶行为的影响，将谷氨酸结晶母 液适当浓缩 后再回流加人发酵液中进行结晶，然后对不 同重复利用次数的回流结晶母液的氨基酸组 成进行测定，结果到 于表 2。从表中可看 出 如下几点： 表 2 回流利用次数对结昌母液氨基酸相对摩尔组分的影响 ％ 维普资讯 http://www.cqvip.com 食品与发酵工业 Fooa and Fermentation lndustfie~ Vol 26 No．2 (1)结晶母液 中可检测刊的氨基酸种类 由结晶正常发酵液的 6种增加到 l4种。常 见氨基酸中的精氨酸、色氨酸和半胱氨酸均 未检出。 (2)共存氨基酸中以脯氨酸摩尔含量比 最高(表 1)，且极易参与谷氨酸结晶，因而在 结晶母液中检测不到。脯氨酸是一种唯一的 以五元环形式存在的亚氨基酸，具有很高的 疏水能，AG R 达 10．8S k]／mo!n J。谷氨酸 结晶实质上是一个疏水过程，加之脯氨酸的 等电点为 6．3，从结晶动力学和晶体结构化 学的角度分析，脯氨酸的带 电特性和分子结 构特征使脯氨酸在谷氨酸发酵液的调酸过程 中极易掺入谷氨酸结晶的疏水核中。但脯氨 酸是否是 a型谷氨酸结晶的重要成核诱导因 子之一，尚有待进一步证实。 (3)结晶母液中含量最高的是天冬氨酸， 相对摩尔 比在 40％以上。天冬氨酸 比谷氨 酸少一个 Ct-I，一链节，是蛋白质结构氨基 酸中仅有的 2个 R基 团带负电荷的氨基酸， 极易与谷氨酸形成混晶。随着回流掺入结晶 次数的增加，结晶母液中的天冬氨酸相对摩 尔比下降，极差最大，达 11．53 o,6，谷氨酸的 残留量则增加，这说明在谷氨酸 的结晶过程 中。天冬氨酸对谷氨酸有置换效用。 (4)甘氨酸、组氨酸依回流结晶次数的增 加，相对摩尔比呈线性增加，说明这2种氨基 酸不易混带进入谷氨酸品格中。其它种类的 杂质氨基酸的摩尔组成比变化相对较小。 2．2 浓度和调酸速率对谷氨酸结晶的影响 2．2．1 浓度对谷氨酸结晶的影响 谷氨酸分子中有 2个羧基和一个氨基， 共 3个可解离的基团，随溶液 pH的不同，可 呈现 4种不同的解离形式，其中只有电中性 的谷 氨 酸 (GA )才 能 结 晶。在 25℃ 时， GA 浓度与溶液 DH值存在如下函数关系： 【GA ]= 【GAt]／(1 4-10_2”一P“4- lOPH 25+ 10ZPH一13· 2 式中G：A 为谷氨酸的总浓度。 采用四效浓 缩器将发 酵液浓缩至 2．5 倍，谷氨酸总浓度达 20％时，在 pH 5．5以上 就会 出现 较高 浓度 的 电 中性谷 氨 酸分 子 GA 而析出谷氨酸晶体(图 I)。谷氨酸古量 为 8％的发酵液则要在 pH 5以下才析出谷 氨酸。在较高 pH条件下，带一价负电荷的 谷氨酸离子(GA )浓度比较高： fGA ]= [GAt]／(1 + l0 “ 2P“+ 10 · 5一P“+ 10pH一9 此时极易析出 8型谷氨酸晶体。 图 1 谷氨酸发酵液滴定曲线 因此，当结晶液中的谷氨酸浓度较高时，电 中性的谷氨酸分子出现过饱和的 DH相应也较 高，结晶罐中流加浓缩液的速率应酌情降低，这 样才能有效防止 B型谷氨酸晶体的产生。 2．2．2 调酸速率对谷氨酸结晶的影响 结晶液中，只有处于电中性 的谷氨酸分 子才是所需结晶的溶质，只有环状的谷氨酸 分子才能 形成所需 的 a型 晶体，呈直链状 GA 分子则极易 产生 8型晶体。GA 的环 (球)状构象能量稍高于直链(棒)状构象，因 而在溶液 中以直链 GA 占优势。但谷氨酸 结晶是一个疏水的动力学过程，疏水能是结 晶析出的重要动力，球状构象 GA 的比表面 积小于棒状 GA ，因而疏水能相对较高，有 利于环状 GA 结晶析出。 在调酸前，发酵液的 pH多在 6．0以上， 谷氨酸主要以二价负离子 GA 形态存在。 由于同种电荷的相斥作用，GAI2呈直链状构 象，调 酸 时 首先 形 成 的 是 直 链 状 构 象 的 GA ，环状的 GA 主要 由直链状的 GA 转 化而来。由于结晶过程主要制约于晶体的表 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 26卷 第 2期 战字等：氨基酸组成和调酸速率对各氨酸结晶的影响 49 面反应，而非界面的扩散过程l3 J。 因此，界 面反应和环状 GA 的生成速率及稳定性 是 影响 型结晶过程的重要因素。当调酸速率 高于直链状 GA 转化成环状 GA 的速率及 a型晶体的生长速率时，就会过量累积链状 GA ，导致 8型晶体的生成。 采用 60mL答氨酸含量为 8％的发酵液 进行不同调酸速率对发酵液 pH值影 响的测 定结果见 图2。结果表明，在酸用量相同的 条件下，调酸速率小时，结晶液的 pH变化相 对平衡，特别是在达到 GA 过饱和度以后， 这种差异更为明显。 F=。 } 墒 ，＆I L：：!翌 查j ， l＼＼ 盐酸用 量／aL 图 2 调酸速率对答氨酸发酵液 漓定曲线的影响 谷氨酸的结晶过程实质上是谷氨酸从溶 液中析出的过程，也是谷氨酸束缚氢离子，释 放钠离子等金属离子的过程。调酸时，pH变 化愈平缓，这一缚氧吐钠过程就愈充分。从 图 2可看 出．当调酸速率 为每次 4滴 时，约 5．5mL的酸用量就可将 60mL 8％的谷氨酸 从溶液中基本析 出。每次 1滴时，则需 消耗 约8mL酸液。这说明调酸速率愈快，析出的 谷氨酸 中 GA 愈多，GA 愈多，愈易产生 S 型晶体。 因此，采用浓缩低温等电点结晶时，当生 成大量 GA!时．适 当降低调酸速度．使 谷氨 酸缚氢吐钠和构象转化充分，是防止 B型晶 体生成的有效手段。 参 考 文 献 1 宁正祥，赵谋 明编 著 ．食 品生物化学 ．广 州 ：华南理工大学出版社，1995 2 Himkawa S．Acta Cryst．，1955，(8)：637～ 64l 3 Sakata Yo~hiki，Maruyama H，Takenouchi K Agr．Bio1．Chem．，1963，27(2)}133～142 The InflHence of Amino Acid M ole Fraction and Acidification Speed on L -Glutamic Acid Crystallization Zhan Yu Zhou Qi Zhong Min Ning Zhengxiang (D t 0fFood Science，South ChinaUniversity 0fTechnology，Guangzhou，510640) Yu Xin (Guangzhou MsG Food Factory，Guangzhou，510280) ABSTRACT The contents of L—glutamic acid(GA)of fermented broth and crystallized mother solution in different workshop sections were determined．The influence of concentration of GA and acidification speed on GA crystallization were also investigated．The results were she Wn that there was no significant differefice among amino acid mole fraction 0f GA fermented broth，ultrafiltrat— ed solution and four—stage condensed solution that crystallized a form and B form GA ．Praline crystallized with a form GA largely．The GA concentration and the acidificaion speed were impor tant factors that influenced the polymorph of GA．Properly reduced the addition speed 0f GA con— densed solution and the acidification speed COUld prevent B form GA formation． Key WOrds L 一 otanlic acid，amino acid mole fraction，crystallization 毫 掣 Hd 维普资讯 http://www.cqvip.com