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本论文旨在通过乳酸菌发酵从虾头虾壳中提取回收蛋白质和甲壳素,解决传统甲壳素生产工艺中高污染、不能回收蛋白质等成分的问题,充分利用虾头虾壳资源。利用乳酸菌发酵产酸脱除虾头虾壳中的矿物质,同时结合虾头内源蛋白酶作用使蛋白质水解液化,从而得到含有大量多肽、氨基酸的发酵液和脱除了大部分矿物质和蛋白质的发酵残渣。将发酵液干燥即得到蛋白粉;发酵残渣即是粗甲壳素,再经脱色即可得到食品级甲壳素。
本论文的研究内容包括:筛选性能优良,适合发酵虾头虾壳的乳酸菌菌种;优化发酵工艺条件;发酵过程中成分变化情况;初步研究半连续发酵工艺条件并开展工厂中试实验;发酵残渣的后处理。主要研究结果如下:
1.从虾头虾壳中筛选得到一株发酵性能优良的嗜酸乳杆菌SW01,该菌发酵产酸快,发酵仅24h,pH达到3.72;产酸量多,发酵72h酸度达到25.91mmol/100mL;并且耐酸能力强,发酵过程中受氧的影响小,除了添加必要的碳源,无需提供其他生长因子,对生产操作要求简单,是一株适合发酵虾头虾壳的优良菌种。
2.经单因素实验研究,初步确定嗜酸乳杆菌SW01发酵虾头、虾壳的工艺条件为:发酵时间48h、温度40℃、碳源为葡萄糖、葡萄糖添加量15％、接种量10%、初始pH7.0、固液比1:0.5、接种龄为12h或24h。在单因素实验的基础上,以发酵时间(A)、发酵温度(B)、葡萄糖添加量(C)为试验因子,以虾头、虾壳乳酸菌发酵液的水解度(Y1)和最终pH值(Y2)为评定指标,采用响应曲面分析法优化了嗜酸乳杆菌SW01发酵虾头、虾壳的条件,得到嗜酸乳杆菌SW01发酵虾头虾壳的最优条件为:发酵时间72h,发酵温度39℃,加糖量10%,在此条件下,预测水解度为39.61%,pH为3.60,进行验证试验,实际测得水解度为40.7%,pH为3.61。得出的数学回归模型为:
Y1=35.44+4.99*A-0.93℃-1.73*A*B-1.63*A2+1.47*B2Y2=3.66-0.020*B+0.015*A*C-0.025*A2+0.023*B2-0.010*C23.研究了嗜酸乳杆菌SW01发酵虾头虾壳过程中的各种成分变化情况。发酵菌种SW01在0～8h处于对数期,8～24h为稳定期,菌种密度达到最大值2.6×108cfu/mL,24h后活菌数减少进入衰亡期;发酵初期葡萄糖消耗迅速,24h内葡萄糖含量由15.0%降为6.0%,后期葡萄糖消耗量迅速下降,168h后最低值仅降至5.4%;发酵产生的乳酸使pH值迅速下降,12h后达到3.86,24h后pH降至最低值3.73,酸度在48h达到最大值46.54mmol/100 mL;虾头虾壳中蛋白质水解液化,48 h后氨态氮达到0.612g/100 mL,发酵残渣中蛋白质含量降为7.8%,蛋白质脱除率接近85%;0～8h内挥发性盐基氮(TVBN)上升较快,之后TVBN变化较小,说明腐败菌被抑制;虾头虾壳中矿物质被乳酸除去,48h内发酵残渣中灰分含量降至1%以下,灰分脱除率达96.7%,灰分含量已达到食品级甲壳素标准。
4.在半连续发酵试验中采用12h种龄的菌种接种进行半连续发酵10批,发酵的各项性能指标基本保持稳定,采用24h种龄的菌种接种进行半连续发酵5批,发酵的各项性能指标基本保持稳定,添加真菌抑制剂可有效抑制真菌污染,有利于半连续发酵的稳定性。
5.通过工厂中试研究了嗜酸乳杆菌SW01在中型发酵罐中发酵虾头虾壳产酸的过程,第2～8h大量产酸pn急剧降低,是发酵的最重要时期,各发酵批次24h后产酸量减少pH稳定;测定了各批次发酵残渣的蛋白质和灰分,确定了发酵周期为2 d。
6.发酵残渣脱色处理的最佳条件为:将1.0%的高锰酸钾溶液加入发酵残渣中,在50℃浸泡75min,然后用还原剂1.0%草酸溶液处理,干燥得到洁白的片状甲壳素。对比乳酸菌发酵法得到的甲壳素与化学酸碱法处理得到的甲壳素,在同样的条件下处理得到壳聚糖的黏度没有显著差异。