全 文 ：第 ! 卷第 # 期
$%&& 年 && 月
生"物"加"工"过"程
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fB>;! ,B;#
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IBD%&%;!#!2P;DJJE;$ <#43;$%&&;%#;%%&
收稿日期%$%&& <%! <%
基金项目%国家高技术研究发展计划 "3# 计划#资助项目 "$%%#LL%$%%&*%( #&教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目
"$%&%%%!&$%%$#&江南大学工业微生物教育部重点实验室开放课题" .^O-*^]$%&%%##
作者简介%杨海麟"&!4&#$男$江苏无锡人$教授$硕士生导师$研究方向%发酵工程$0*HGD>%&!3!&!!#gJDEG;XBH
谷氨酸脱盐废液培养普通小球藻"!"#$%&#
()*%+,# ,>H($BCDC
杨海麟&$$$李昌灵$$$李宇佶$$徐国华&$王"武$
"&;阜丰集团有限公司$临沂 $4##%%& $;江南大学 工业生物技术教育部重点实验室$
无锡 $&1&$$& ;怀化学院 生命科学系$怀化 1&3%%3#
摘"要%研究小球藻在谷氨酸脱盐废液中生长$藻细胞组分及废液中营养利用的效果( 结果表明%停留时间 &% I$
小球藻在体积分数为 $h脱盐废液中生长最佳$对总糖)总氮及总磷的消耗率分别为 !!c&h)!#c%h和 !4c%h&细
胞干质量)比生长速率和最大生产强度分别为 (c#% F2.)%c$$ I <&和 (#%c% HF2".$I#$细胞中粗蛋白质)粗脂肪)
粗纤维)粗灰分及总磷含量"以质量百分数计#分别为 (%c%h i(c%h)&%c%h i$c%h)1c%h i%c(h)#c%h i
%c(h 和%c3%h i%c&%h(
关键词%普通小球藻&谷氨酸脱盐废液&发酵&营养去除&饲料蛋白
中图分类号%5!1!c$& j4""""文献标志码%L""""文章编号%$ <#43"$%&&#%# <%%%& <%(
,36F34027!"#$%&# ()*%+,,>H($BCDC ./;63F5I5F0G0156./5F.2/077630/F
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E=?@D?DBE XBHUBEAE?JBCXA>GEI E=?@DAE?@AHBaG>;b8A@AJ=>?J\A@AJ8B\AI GJCB>B\J% G>FG>XA>XB=>I
F@B\\A>DE $h "f2f# F>=?GHG?AIAJG>DEG?DBE AC>=AE?$ GEI ?B?G>J=FG@$ ED?@BFAE GEI U8BJU8B@=J@AJD*
I=AJ\A@A8G@I>VDE HAIDGGC?A@&% IGVJ$ DE \8DX8 ?8A@AHBaG>UA@XAE?GFAJ\A@A!!c&h$ !#c%h$ GEI
!4c%h GEI ?8AD@6DBHGJJVDA>IJ$ JUAXDCDXF@B\?8 @G?A$ GEI U@BI=X?DBE DE?AEJD?V\A@A(c## F2.$
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GEI %c3%h i%c&%h$ @AJUAX?DaA>Vc
K0L M24G1%!"#$%&# ()*%+,&F>=?GHG?AIAJG>DEG?DBE AC>=AE?&CA@HAE?G?DBE& E=?@DAE?@AHBaG>& U@B?ADE CAAI
""味精工业是我国主要发酵工业之一$是污染
较重的行业( 我国味精产量约占世界总产量的
4%h$而每生产 & ?味精约产生 &% k&( ?母液( 母
液产生的谷氨酸脱盐废液中有机物)氨氮)盐分浓
度高)酸度低$是较难处理的工业废水*&+ ( 同时$
谷氨酸脱盐废液中含有丰富的蛋白质)氨基酸)糖
类和多种微量元素$但不含有毒物质*$+ ( 谷氨酸
脱盐废液的传统资源化利用方式比较少$直接排
放导致资源浪费$增加处理成本及带来二次污染
等( 谷氨酸脱盐废液资源利用率低$导致大部分
作为废水排出*+ (
小球藻"!"#$%&##为绿藻门$普生性球形单细
胞绿藻$光利用率效率高$从环境中吸取营养物质
"如 )[
$
),和 9等#转化成有机化合物的能力强(
小球藻的营养价值全面且均衡$是无毒物质$已经
广泛用在饲料)食品添加剂)精细化工品和医药制
剂原料中*1+ ( 小球藻的干体细胞中约含质量分数
为 (%h蛋白质和 &%h脂肪$比粮食作物高( k#
倍$蛋白质有效系数接近动物性蛋白质$能很好地
为动物所吸收利用$可作为一种优良的蛋白饲料
添加剂*(+ ( 因此$$%%$ 年$农业部将小球藻列为首
批新饲料添加剂( 利用小球藻作为饲料蛋白$可
以节约饲料粮并提高养殖效果$是发展优良养殖
的新型饲料( 王新德等*#+的研究表明$在饲料中
添加藻粉$可提高动物生长速度和饲料转化率$减
少疾病( SG@I 等*4+利用养猪场废水培养小球藻
饲养澳大利亚裸腹蟤效果显著( 利用谷氨酸脱盐
废液培养小球藻生产饲料蛋白鲜有报道(
本研究以处理后的谷氨酸脱盐废液为培养
基$在高效气泡柱式光生物反应器中培养小球藻
生产饲料蛋白$为谷氨酸脱盐废液资源化利用和
谷氨酸绿色生产进行初步探索(
D?材料与方法
DND?材料
&c&c&"藻种
所用小球藻藻株!"#$%&# ()*%+,)!*+,$%&% 为
笔者从黄海海域的海水中分离并经过人工选育获
得$保藏于武汉大学中国典型培养物保藏中心$登
记号为))b))T$%&%4(
&c&c$"种子培养基
标准 -M&& 培养基组成 "HF2.#%,G,[
& (%%$
TFY[
1
!4N
$
[4($)G)>
$
!$N
$
[#$柠檬酸 #$,G
$
0/bL
&$柠檬酸铁铵 #$,G
$
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1
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[1%&微量元
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#
$
!#N
$
[%c%1!(
&c&c"谷氨酸脱盐液的特征
所用谷氨酸脱盐废液取自山东某味精工厂(
谷氨酸脱盐废液经过孔径为 1(
$
H筛绢过滤$去除
固形物$备用( 测定过滤后水中的总氮"b,#)氨氮
",N
j
1
*,#)总磷"b9#)总糖"bY#)灰分和 UN分别是
"1(c% i&c%#)"&$c% i%c(#)"1c% i%c&#)"(%c% i
(c%#和"#%c% i%c(# F2.$c% i%c((
DNB?实验方法
&c$c&"种子培养
挑取固体平板上培养的藻株至含有 & H.双蒸
水的 $ H.离心管中$混合物用枪头吹打均匀( 分别
取适量接种于含有 (% H.-M&& 液体培养基的
&%% H.三角烧瓶中$置于恒温光照摇床中振荡培
养( 培养条件%光暗周期时长分别为 &# 和 3 8$温度
为$( l$UN4c%$通气流量为 %c& .2".!HDE#$光照
强度 3 %%% >= 的`培养条件下( 随后$将所得种子逐
级放大培养(
&c$c$"发酵培养
以标准-M&& 培养基培养处于对数生长期的小
球藻种子液$接种于装有 3 .经稀释过的含 $h谷氨
酸脱盐废液的 &% .鼓泡式光反应器中$调整 UN为
4c%$初始接种浓度为吸光值 $c% i%c%(! " [/
#3%
#$折
合干细胞质量浓度约 %c# i%c%&( F2.$于温度为"$(
i&# l$光强为 3 %%% >= $`光暗周期时长分别为&#和
3 8的条件下$连续通气"气流量为 %c& .2".!HDE#$
由底部通入# 培养 &( I(
&c$c"生物量和生长速率测定
培养至一定浓度后取样$用灭菌双蒸水进行 &%
倍浓度梯度稀释$用紫外 <可见分光光度仪测定
#3% EH波长处各稀释试样的吸光值 [/
#3%
$同时取
各稀释试样于 3 %%% @2HDE)离心 &( HDE 后$洗涤并
将沉淀藻体在 3% l恒温干燥至恒质量后测定藻体
干质量$并制作标准曲线( 培养期间每 &$ 8 取样一
次$测吸光值 [/
#3%
$并依据标准曲线
"
"细胞干质
量# m%c&1 #[/
#3%
j%c%%% ($相关系数为 .$ m
%c!!3 4$换算其生物量(
每组实验设 个平行$平均比生长速率"
#
#用
式
#
m">E=
$
<>E=
&
#2"7
$
<7
&
#表示$式中%=
>
是第一
次取样时"7
&
#的生物量&=
$
是第二次取样时"7
$
#的
生物量(
&c$c1"总糖)总氮)氨氮及总磷分析
小球藻培养液于 &% %%% @2HDE)离心 ( HDE 后$
收集上清液用于总糖)总氮)氨氮及总磷含量测定(
$ 生"物"加"工"过"程"" 第 ! 卷"
总糖采用 $( 二硝基水杨酸法$,Nj
1
*,采用水杨
酸分光光度法"N+(#$%%!,水质氨氮的测定-#$
总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 "M-
&&3!13!,水质总氮的测定-#$总磷测定采用过硫
酸钾氧化 钼酸铵分光光度法 "M-&&3!3!,水质
总磷的测定-#(
&c$c("藻细胞主要组分的分析
藻细胞中一些主要营养组分分析测定方法%粗
蛋白测定方法"M-2b#1$&!!1#$粗脂肪测定方
法"M-2b#1&!!1#$粗纤维测定方法 "M-2b
#11$%%##$ 水分的测定方法 "M-2b#1(
$%%##$总磷量测定方法"M-2b#14$%%$#$粗灰
分测定方法"M-2b#13&!!$# 和氨基酸分析采
用日立型氨基酸自动分析仪(
&c$c#"数据分析方法
数据采用统计软件 YLY !c% 进行单因素方差分
析 "BEA*\GVL,[fL#$采用.Y/和b=WAVNY/法进
行统计检验 "4n%c%(#(
B?结果与讨论
BND?谷氨酸脱盐废液对小球藻培养的影响
小球藻初始接种量为 %c(% F2.$在自来水预处
理为含不同体积分数"% k(%h#谷氨酸脱盐废液培
养基中培养 &% I$以生物量"以细胞干质量计#为指
标$监测小球藻在含不同体积分数谷氨酸脱盐液废
水培养基中的生长情况$结果见图 &(
图 D?谷氨酸脱盐废液浓度对小球藻生长的影响
O.;=D?#70:F27G.7040/F:2/F0/F127;63F5I5F0G0156./5F.2/
07630/F2/;42MF-27!"#$%&# ()*%+,
由图 &可知%不加谷氨酸脱盐废液时$小球藻只
有少量增长&当谷氨酸脱盐废液加量为 $h k3h时$
小球藻生长较好( 在谷氨酸脱盐废液的量为 $h时$
小球藻生长最好$其生物量达最高为 (c$% F2.( 但
是$当脱盐废液添加量大于 %h时$发酵体系的
,N
j
1
*,质量浓度超过 $c%% F2.$小球藻则基本停止
生长$这可能是,Nj
1
*,浓度过高导致$当,Nj
1
*,质
量浓度超过 %c$( F2.时小球藻的生长受到抑制*3+ (
因此$选取最佳谷氨酸脱盐废液体积分数为 $h(
BNB?小球藻的生长及对营养消耗的效果
体积分数 $h谷氨酸脱盐废液$藻细胞初始接
种量为"%c(% i%c%(# F2.$置光照培养箱培养 &( I$
考察小球藻的生长状况( 以生物量)比生长速率)
b,)b9)总糖及生产强度等为指标$监测小球藻对其
中的营养消耗及其生长情况$结果见图 $ 和表 &(
图 B?在体积分数 BP谷氨酸脱盐废液中小球藻的
生长曲线和营养消耗
O.;=B?%42MF-:34A0127!-()*%+,5/G40I2A5627
/3F4.F.2/./BP "./.# ;63F5I5F0
G0156./5F.2/07630/F
根据图 $ 和表 & 的结果可知%在培养 &( I 的过
程中$小球藻培养在含体积分数 $h的谷氨酸脱盐
废液培养基中$在前 &% I 可以获得较快生长$生物
量达到最大值 (c#% F2.$比生长速率为 %c$$ I <&$
最大生产强度为 (#%c% HF2".!I#$随后停止生长进
入稳定期$至第 && 天营养不足且开始衰亡$小球藻
在该培养基中可以较快生长且生产强度较高( 后
期出现生物量下降$主要可能是由于培养基中某些
营养元素被消耗完而限制了藻细胞生长( 不过$培养
过程中小球藻对bY)b,及b9的消耗速率各不相同(
在培养至第 #天$bY被大量消耗$培养液中残留的bY
仅为&% HF2.$其最高去除率和最大生产强度分别达
!!c&%h和 &3&c4 HF2".!I#( 随后$bY一直保持在很
低的水平$主要可能是小球藻前期以培养基中的残糖
为)源进行异养发酵$且其中糖含量偏低$消耗速率
较快$到中后期进行自养发酵$以提供的)[
$
为主要
)源进行光合作用合成糖类物质( 而小球藻在培养
至第 &%天$b,才被大量消耗$培养液中 b,仅残留
1% HF2.$其最高消耗率和最大生产强度分别为
!#c%h和 !#c% HF2".!I#( 同时$小球藻利用 b9的
"第 # 期 杨海麟等%谷氨酸脱盐废液培养普通小球藻"!"#$%&# ()*%+,# )!*+,$%&%
速率也较快$培养至第 3 天$b9被大量消耗$培养液
中b9仅残留 HF2.$其最高消耗率和最大生产强度
分别达 !4c%h和 &$c& HF2".!I#( 随后$由于藻细胞
生长受限$藻体开始衰亡$b9消耗速率开始下降( 根
据以上结果$小球藻培养在 $h谷氨酸脱盐废液培养
基中$对总糖)总氮及总磷消耗速率均较快$尤其是糖
的消耗速率最快$在第 #天就基本消耗完(
该方法培养小球藻处理谷氨酸脱盐废液$在
$h谷氨酸脱盐废液中小球藻生长最佳$生物量最大
值为 (c#% F2.$其比生长速率为 %c$$ I <&$最大生
产强度为 (#%c% HF2".!I#$这与刘学铭等*!+的试验
结果 "最大生物量 (c!% F2.# 基本一致$高于SGEF
等*&%+的研究结果( 生物量含量及生产强度分别为
c&( F2.和 (%c% HF2".!I#( 同时$在此条件下$
可高效除去谷氨酸脱盐废液中氮和磷等营养$氮和
磷的去除率分别 !#c%h和 !4c%h$氮和磷的去除率
均高于 e=D7*TG@DE 等*&&+ 的研究结果$与 SBA@?7
等*&$+研究的结果相当(
表 D?小球藻在体积分数 BP谷氨酸脱盐废液中培养效果
E5J60D?%42MF-:-545:F0415/G070:F27/3F4.F.2/40I2A56./BP"./.# ;63F5I5F0G0156./5F.2/07630/FJL !-()*%+,
指标 "
"生物量#2
"F!.
<&
#
"
"营养消耗#2
"HF!.
<&
#
停留时间2
I
#
2I
<&
生产强度2
"HF!.
<&
!I
<&
#
消耗比例2
h
生物量 (c#% &% %c$$ (#%c%
bY & %!%c% # &3&c4 !!c&
b, !#%c% &% !#c% !#c%
b9 !4c% 3 &$c& !4c%
BNQ?小球藻的主要营养组分
根据方法 &c$c$将所获干燥粉进行主要营养
组分的检测$将其与一些常用饲料营养组分含量标
准*&+进行比较$考察其营养组分含量是否符合一些
饲料蛋白添加剂的营养标准$结果见表 $(
据表 $可知%利用 $h谷氨酸脱盐废液来培养小
球藻$其总蛋白)粗脂肪)粗纤维)粗灰分及总磷的质
量分数分别为 (%c%hi(c%h)&%c%hi$c%h)1c%hi
%c(h)#c%hi%c(h和 %c3%hi%c&%h( 这与徐扬辉
等*&1+报道的结果基本一致$但与杨鹭生等*&(+报道的
结果相比$蛋白含量偏低一些$但趋势基本相符( 存
在以上差异$可能与培养条件和藻种有关( 另外$小
球藻粉的蛋白质)氨基酸及各项营养指标含量较高(
其中$蛋白含量与大豆粉)花生仁粕及啤酒酵母饲料
蛋白含量接近$但略低于鱼粉和玉米蛋白粉( 小球藻
粉中氨基酸含量丰富$含有 &3种氨基酸"包括 3 种必
需氨基酸#$其中必需氨基酸总量接近鱼粉和啤酒酵
母$高于一般植物性蛋白饲料$与饲料中大豆饼)玉米
蛋白粉和饲料肉粉的氨基酸含量比较均有优势"表
$#( 蛋氨酸和胱氨酸含量较低$为限制性氨基酸( 研
究结果说明%小球藻粉是一种优良的蛋白源$该饲料
蛋白粗油脂含量较高$粗纤维)矿物质和磷含量较低$
维生素类物质和微量元素含量也较高$可作为营养丰
富均衡的优良饲料蛋白(
表 B?小球藻的主要营养组分和必需氨基酸与一些饲料营养组分标准的比较
E5J60B?R5.//3F4.F.2/:2I92/0/F5/G0110/F.565I./25:.G127!-()*%+,:2I9540GM.F-12I027942F0./700G1F5/G54G1
h
饲料
蛋白
饲料
编号
主要营养 必需氨基酸
>"粗蛋白质#>"粗脂肪#>"粗纤维#>"粗灰分# >"总磷# >".VJ# >"TA?# >")VJ# >"b8@# >"O>A# >".A=# >"fG># >"bV@# >"98A# >"b@U#
小球藻粉 (%c% i(c% &%c% i$c% 1c% i%c( #c% i%c( %c3% i%c&% 1c%( &c11 %c3% c&% c# (c&( c&1 $c#& c# &c#
大豆粉 & 1#c3 &c% c! 1c3 %c#& $c3& %c(# %c#% &c3! $c%% c## $c&% &c#( $c1# %c#1
花生仁粕 $ 14c3 &c1 #c$ (c1 %c(# &c1% %c1& %c1% &c&& &c$( $c(% &c# &c! &c!$ %c1(
玉米蛋白粉 #c( (c1 &c% &c% %c11 %c!4 &c1$ %c!# $c%3 $c3( &&c# $c!3 c&! 1c&% %c#
鱼粉 1 #$c3 !c4 &c% &1c( $c4# 1c!% &c31 %c(3 $c#& $c! 1c31 c$4 c$! &c1( $c$$
啤酒酵母 ( ($c1 %c1 %c# 1c4 &c%$ c3 %c3 %c3 $c $c3( 1c4% c1% %c&$ 1c%4 $c%3
"注%& k( 的中国饲料编号分别为 (*&%*%&%)(*&%*%&&()(*&&*%%%&)(*&*%%1$ 和 4*&(*%%%&(
1 生"物"加"工"过"程"" 第 ! 卷"
Q?结论
利用小球藻处理谷氨酸脱盐废液并生产饲料
蛋白是一种新的尝试( 实验结果表明$小球藻在谷
氨酸脱盐废液体积分数为 $h k3h时生长较好$而
在体积分数 $h谷氨酸脱盐废液中生长最佳$并能
高效除去废水中残余的糖)氮和磷等营养$达到处
理废水效果并生产饲料蛋白(
参考文献%
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*++;-DB@AJbAX8EB>$$%&&$&%$"&%#%(#!*(#11;
*&&+"e=D7*TG@DE L$TAEIB7G*0JUDEBJG.M$Y?AU8AEJBE b;M@B\?8 GEI
E=?@DAE?@AHBaG>DE C@AAGEI DHHB6D>D7AI F@AAE G>FGADE 6G?X8 GEI
JAHD*XBE?DE=B=JX=>?=@AJ?@AG?DEF@AG>\GJ?A\G?A@*++;-DB@AJ
bAX8EB>$$%&%$&%&"&#%(3*#1;
*&$+"SBA@?7O$]ACA@L$.=EI_=DJ?b$A?G>;L>FGAF@B\E BE IGD@VGEI
H=EDXDUG>\GJ?A\G?A@CB@JDH=>?GEAB=JE=?@DAE?@AHBaG>GEI >DUDI
U@BI=X?DBE CB@6DBC=A>CAAIJ?BXW*++;+0EaD@BE 0EF$$%%!$&(
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*&+"中国饲料数据库情报中心;中国饲料成分及营养价值表*++;
中国饲料$$%%%"$#%$1*$!;
*&1+"徐扬辉;小球藻及其在食品中的应用*++;冷饮与速冻食品工
业$&!!4"1#%3*!;
*&(+"杨鹭生$李国平$陈林水;蛋白核小球藻粉的蛋白质)氨基酸
含量及营养价值评价*++;亚热带植物科学$$%%$$ "&#%
""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
#*3;
国内简讯
生物法年产千吨丁二酸有望在 $%&$ 年开车
$%&% 年 4 月$中国石化科技开发部化工处处长庄毅主持了南京工业大学生物与制药工程学院的
.& %%% ?2G生物发酵法合成丁二酸技术中试研究/可行性论证及工艺包的审查会议( 中国工程院院士曹湘
洪担任评审委员会主任$中国石化科技开发部副主任王玉庆任评审委员会副主任( 经过评审委员会成员讨
论$一致认为%该研究采用环境友好型菌种$利用廉价易得的)),源原料$能够吸收固定)[
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$在厌氧条件下
生产丁二酸$通过节能的分离方法可获取纯度高于 !!c(h的丁二酸$产品能达到可降解塑料 9-Y 聚合工艺
技术的要求( 此项目具有完全自主知识产权$生产工艺路线先进可行$具有创新性$受到了中石化高层的高
度关注和支持$并将该项目立为中石化的重大科研项目(
目前$此项目已完成基础设计工作$进入详细设计及施工阶段$有望在 $%&$ 年 4 月开车试运行( 在完成
年产千吨丁二酸中试装置建设的基础上$将进行万吨级丁二酸工业化装置技术方案设计及经济性分析$完
善万吨级工艺包设计等工作$以最终实现生物法制丁二酸的产业化(
"马江锋#
("第 # 期 杨海麟等%谷氨酸脱盐废液培养普通小球藻"!"#$%&# ()*%+,# )!*+,$%&%