丙酮酸发酵液脱色工艺的研究

中图分类号：TQ921.7；文献标识码：A；文章篇号:1007-2764(2004)03-0012-04

丙酮酸发酵液脱色工艺的研究

楼良旺

高年发

（天津科技大学生物工程系，天津 300222）

摘 要：研究了粉末活性炭、K-15颗粒活性炭和732阳离子树脂等三种脱色剂对丙酮酸发酵液的脱色条件、脱色效果及其对丙酮酸的吸附程度。结果表明，732阳离子树脂是理想的脱色剂，具有脱色、沉淀蛋白质和去除钠离子三种功用。确立丙酮酸发酵液的脱色工艺为：离心发酵液→阳离子柱脱色和改性发酵液→后续工序，减少了离交法提取丙酮酸的环节，增加丙酮酸提取的收率。

关键词：丙酮酸；发酵液；脱色

Decolorization of Pyruvate Fermentation Broth

Lou Liang-wang, Gao Nian-fa

（Department of Bio-engineering ，Tianjin University of Science and Technology ，Tianjin 300222）

Abstract: In this paper the conditions and effect of decolorization and the absorption of pyruvate in broth were studied among power activated carbon and K-15 granule activated carbon and 732# cationic resin. The 732# cationic resin have better effect of decolorization and absorb little pyruvate, besides ,it can precipitate protein and remove Na +. Then the process of decolorization was builded: centrifugation of broth →decororization and exchange of Na + in cationic resin column →next process. Because the processes of decororization and exchange of Na + are together, the recovery percent of pyruvic acid was improved.

Keywords: Pyruvate; Broth; Decororization

丙酮酸是糖代谢过程中的一个重要中间代谢产物，同时作为一种重要的精细化工中间体，广泛应用于医药、农药、食品添加剂等领域。发酵法生产丙酮酸是国内近年来研究比较热的课题。发酵液是一种非常复杂的多元混合体系，色素是其中的一类。发酵液中的色素来源主要有三种：其一是原料本身带有的；其二是来自于发酵过程中的菌体代谢；再者是产生于发酵液某些成分的相互反应，例如残糖与溶液中的含氮物质在高温下反应产生有色物质[1]。色素的存在不仅影响产品的外观，而且涉及产品是否符合标准，所以脱色是离子交换法提取发酵液中丙酮酸的必要步骤。本文研究了粉末活性炭、K-15颗粒活性炭、732树脂的脱色能力和对丙酮酸的损耗程度，确定了适合丙酮酸发酵液的脱色剂及其脱色工艺。 1 材料与方法

1.1 材料

丙酮酸发酵液：以工业葡萄糖为原料，由本实验

收稿日期:2004-6-7

作者简介：楼良旺（1972-），男，浙江缙云人，在读硕士研究生

室经5L 发酵罐发酵提供，pH4.8~5.3，丙酮酸在发酵

液中以钠盐形式存在，按丙酮酸计，含量60g/L 左右。离心除去菌体。

粉末活性炭，天津味精厂；K-15颗粒活性炭，天津味精厂；732阳离子树脂，南开大学化工厂 1.2 主要仪器与试剂

Φ20mmX15Omm 玻璃离子交换柱、Φ20mmX600mm 玻璃离子交换柱

752型紫外光栅分光光度计，上海精密科学仪器有限公司

TGL-16G 台式高速离心机，上海医用分析仪器厂 pHSJ-4A 型pH 计，上海精密仪器厂 丙酮酸钠（生化试剂），天津市精细化工研究所 1.3 实验方法

1.3.1 K-15活性炭和732阳离子树脂预处理：按常规方法碱、酸处理，再用去离子水洗至中性。 1.3.2 脱色实验

静态法：往发酵液中加入一定量的粉末活性炭，在800C 下恒温搅拌30min 。

动态法：离子交换柱中装入若干体积的脱色剂，

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在25℃温度下以一定流速流入发酵液，并分段收集，测定吸光度值。

1.4 分析方法

1.4.1 丙酮酸钠浓度的测定：按化工部部颁标准HG3-1166-78规定的方法或用紫外分光光度法

1.4.2 色素浓度的测定：分光光度法

420nm处测定待测样吸光度值(A)，待测样A≤

0.090(透光率(%)≥80)时，脱色效果即达到工艺要求。

1.4.3 pH值的测定：pH计法

1.4.4 Na+的定性测定：醋酸铀酰锌法[2]

2 结果与讨论

2.1 发酵液中色素测量波长的确定

将发酵液在380-600nm可见光区用752分光光度计测定透光率，结果见图1。从图1可以看出，在380nm 处透光率最小，考虑到发酵液显棕黄色，根据物质吸收光的波长与呈现的颜色的关系，如表1所示[3]，选420nm作为发酵液色素的测量波长。

图1 发酵液的吸收光谱

表1 吸收光的颜色和观察到的颜色

吸收光

观察到的颜色波长/nm 频率/cm-1颜色

400 25000 紫绿黄

425 23500 深黄黄

450 22200 蓝橙

490 20400 蓝绿红

510 19600 绿玫瑰

530 18900 黄绿紫

550 18500 橙黄深蓝

590 16900 橙蓝

2.2 粉末活性炭的脱色试验

2.2.1 发酵液pH值对脱色效果的影响

用浓硫酸将发酵液调成不同的pH值，并分别加入等量的粉末活性炭，按静态法进行脱色试验后，离心，测定吸光度值和丙酮酸被吸附的损失率，结果如表2。从表2可知，在pH=5.0时脱色效果最好，丙酮酸损失率也较少；在pH=4.0时丙酮酸损失最少，但脱色效果并不理想。故可选择pH=5.0作为发酵液脱

色的条件。

从表2也可以看出，pH值降低脱色效果反而不

理想，丙酮酸损失率也增加。一般说来，活性炭与大

分子色素之间的吸附作用主要是物理吸附，范德华力

强，所以降低pH值有利于大分子色素以分子形态存

在，也就更容易被吸附。但丙酮酸是弱酸(pKa=2.49)，

pH值降低也利于其以分子形态存在，于是丙酮酸和大

分子色素竞争与活性炭吸附，从而产生以上的结果。

表2 不同pH值对脱色效果和丙酮酸损失的影响

pH 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

吸光度值/A 0.0990.093 0.085 0.0640.070

损失率/% 16.9 12.8 11.1 11.5 12.8 2.2.2 不同剂量粉末活性炭对发酵液脱色效果的影响

在pH5.0的条件下，往发酵液准确加入不同剂量

的活性炭，然后按静态法脱色，离心，并测定吸光度

值和丙酮酸被吸附的损失率。从表3数据可知，加入

2g/L的粉末活性炭即可达到脱色要求。

表3 不同剂量粉末活性炭对脱色效果和丙酮酸损失的影响

加入量/g.L-10.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 吸光度值/A 0.1160.090 0.084 0.062 0.0640.063

损失率/% 0 1.3 7.6 10.7

14.1516.4

通过以上试验，确定粉末活性炭脱色条件为

pH5.0，加入剂量为2g/L。

2.3 K-15颗粒活性炭的脱色试验

2.3.1 发酵液pH值对脱色效果的影响

在离交柱(Φ20mmX15Omm) 中装入30mL K-15活

性炭，取100mL发酵液按动态法恒速流入，收集流出

液，离心后,再测定其吸光度值和丙酮酸损失率。从表

4看出，随着pH降低，吸光度值逐渐减少，丙酮酸损

失率逐渐增加。考虑到丙酮酸损失率随pH降低而增

加以及尽量不向发酵液添加新的物质，以免给后提取

增加负担，确定pH5.0为K-15活性炭的脱色条件。

表4 不同pH值对脱色效果和丙酮酸损失的影响

pH 2.0

3.0

4.0

5.0

吸光度值/A 0.009 0.010 0.023 0.036

损失率/% 51.5 49.0 44.2 37.2 3.3.2 发酵液体积流量对脱色效果的影响

取600mL pH5.0的发酵液以不同的体积流量恒速

流入装有30mL K-15活性炭的离交柱，分段收集流出

液，离心除去沉淀，测定吸光度值和丙酮酸被吸附量，

结果如图2和表5。从图2看出，体积流量的大小明

显地影响了活性炭对发酵液的脱色效果：体积流量越

小，脱色效果越好，理论处理量也越大。从表5可知，

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