《广州食品工业科技》总 Guangzhou Food Science and Technology Vol.20 No.3(81)

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。

020406080100

380400420440460480500520540560580600吸收波长/nm透光率/%

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-1 0.0 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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在同样的处理量下，体积流量越小，K-15活性炭对丙

酮酸的吸附量也越大。本实验可选择5mL/ (mL﹒h)

作为K-15活性炭脱色的理想流速。

00.010.020.030.040.050.060.070.08

50150250350450550流出体积/mLA

3mL/ (mL﹒h)5mL/ (mL﹒h)8mL/ (mL`

14 图2 体积流量对脱色效果的影响

表5 不同体积流量时K15-活性炭对丙酮酸损失的影响

收集体积/mL 50 50 50 50 5050损失

率/% 3ml/ (ml⋅h) 34.4 33.232.0 31.0 29.150.3

5ml/ (ml⋅h) 34.0 31.629.1 27.8 26.150.4

8ml/ (ml⋅h) 33.5 30.328.7 26.1 23.451.4 收集体积/mL 50 50 50 50 50 50损失

率/% 3ml/ (ml⋅h) 27.0 25.124.2 23.4 22.020.6

5ml/ (ml⋅h) 24.7 24.221.6 21.0 20.917.5

8ml/ (ml⋅h) 22.1 20.517.6 16.8 16.315.9

2.4 732阳离子树脂的脱色试验

00.010.020.030.040.050.06

2575125175225流出体积/mLA1mL/ (mL﹒h)1.25mL/ (mL﹒h)1.5mL/ (mL﹒h)

图3 体积流量对脱色效果的影响

表6 不同体积流量下丙酮酸损失率和Na+穿透时间

体积流量 1.00 ml/ (ml⋅h) 1.25 ml/ (ml⋅h) 1.50 ml/(ml⋅h)

损失率/% 2.1 2.3 2.4

Na+穿透时间 晚 中 早

本试验主要考察了发酵液体积流量对脱色效果和

Na+穿透的影响。732阳离子树脂在此有三中功用：一

是脱除发酵液中的色素；二是发生阳离子交换作用，

去除发酵液中的阳离子，使丙酮酸钠改性为丙酮酸；三是部分吸附发酵液中的蛋白质，并使蛋白质变性沉

淀下来，这是因为阳离子树脂具有相当大的比表面积，

能吸附带电蛋白质大分子，加上由于阳离子交换作用

使H+离子交换下来，从而发酵液显强酸性，两者同时

使带电蛋白质大分子发生变性凝集。

在离交柱中(Φ20mmX60Omm)装入100mL 732阳离

子树脂，取100mL发酵液以不同的体积流量恒速流

入，分段收集流出液，并随时测定钠离子是否穿透。

离心流出液，测定吸光度值和丙酮酸损失率。由图3

和表6可知，732阳离子树脂脱色效果理想，对丙酮

酸的吸附也少。综合考虑脱色效果和Na+穿透时间，

确定1.25 mL/ (mL﹒h)作为最佳的体积流量。

2.5 脱色工艺的确定

本论文通过对粉末活性炭、K-15颗粒活性炭和

732阳离子树脂的脱色条件及其丙酮酸损失率的研

究，发现K-15颗粒活性炭的脱色效果最佳，但是对

丙酮酸的吸附量相当大；粉末活性炭的脱色效果和对

丙酮酸的吸附量居中，且除去粉末活性炭又要增加一

道处理工序；732阳离子树脂的脱色效果也不错，对

丙酮酸的吸附量最小，集三种功用于一身，是较理想

的脱色剂。

有机酸常规的脱色工艺为：发酵液预处理 → 活

性炭脱色 → 阳离子柱改性发酵液 → 后续工序。经

过本课题的研究，可以确立这样的脱色工艺：离心发

酵液 → 阳离子柱脱色和改性发酵液 → 后续工序。

由于把脱色和改性两道工序合并，减少了离交法提取

丙酮酸的环节，从而增加丙酮酸提取的收率。

3 结论

用732阳离子树脂作为脱色剂，60g/L的丙酮酸

发酵液在250C、体积流量为1.25 mL/ (mL﹒h)的条件

下脱色效果明显，丙酮酸的损失小，并且可以同时沉

淀蛋白质和去除钠离子。确立了丙酮酸发酵液的脱色

工艺：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，从而增

加丙酮酸提取的收率。

参考文献

1 王博彦,金其荣主编.发酵有机酸生产与应用手册[M].北京:

中国轻工业出版社.2000,383-384.

2 华中师范大学等编.分析化学[M].北京: 高等教育出版

社.1991,71-72. 3 邓存,刘怡春编.结构化学基础[M].北京:高等教育出版

社.1991,234-235.