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      多菌種分步固態(tài)發(fā)酵果渣生產(chǎn)菌體蛋白飼料的工藝優(yōu)化

      2014-02-21 02:47:24陳娟王治業(yè)魏甲乾祁宏山季彬曾楊周劍平王鳴剛
      中國釀造 2014年3期
      關(guān)鍵詞:蛋白飼料粗蛋白質(zhì)黑曲霉

      陳娟,王治業(yè)*,魏甲乾,祁宏山,季彬,曾楊,周劍平,王鳴剛

      (1.甘肅省科學(xué)院生物研究所,甘肅蘭州730000;2.蘭州理工大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,甘肅蘭州730050;3.甘肅省微生物資源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州730000)

      多菌種分步固態(tài)發(fā)酵果渣生產(chǎn)菌體蛋白飼料的工藝優(yōu)化

      陳娟1,3,王治業(yè)1,3*,魏甲乾1,3,祁宏山1,3,季彬1,3,曾楊1,3,周劍平3,王鳴剛2

      (1.甘肅省科學(xué)院生物研究所,甘肅蘭州730000;2.蘭州理工大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,甘肅蘭州730050;3.甘肅省微生物資源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州730000)

      實(shí)驗(yàn)研究了多菌種分步固態(tài)發(fā)酵果渣生產(chǎn)菌體蛋白飼料的工藝條件,以果渣為主要原料,麩皮、豆粕、谷糠等為輔料,通過對多菌種(黑曲霉、產(chǎn)朊假絲酵母、熱帶假絲酵母和釀酒酵母)接種及培養(yǎng)方法、菌液的接種量、發(fā)酵的最佳溫度、共發(fā)酵時(shí)間、固液比及物料酸堿度因素的優(yōu)化研究,獲得了優(yōu)化后的多菌種分步固態(tài)發(fā)酵果渣生產(chǎn)菌體蛋白飼料生產(chǎn)工藝。通過單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn),確定最佳發(fā)酵條件為固液比60%,初始pH5.5,溫度30℃,黑曲霉的接種量為7.50%,復(fù)合酵母液的接種量為10%,黑曲霉在發(fā)酵初期接入,復(fù)合酵母液在發(fā)酵24h后接入,共培養(yǎng)時(shí)間為72h。在最佳菌種配比和發(fā)酵條件下,發(fā)酵終產(chǎn)物的粗蛋白質(zhì)含量從4.97%增加至27.60%,增長了22.63個(gè)百分點(diǎn),達(dá)到優(yōu)質(zhì)蛋白飼料標(biāo)準(zhǔn)。

      果渣;分步發(fā)酵;蛋白飼料;工藝;多菌種

      我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國,每年可產(chǎn)果渣約1 000萬t[1-3],除少量被直接利用外[2],絕大部分由于含水量過大、蛋白質(zhì)低等原因無法直接作為畜禽飼料而被遺棄,造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染[4-5]。近幾年來,隨著我國畜牧業(yè)的發(fā)展,蛋白質(zhì)飼料的需求量與日俱增,因此探索如何將果渣轉(zhuǎn)化為動(dòng)物可以利用的營養(yǎng)價(jià)值高的蛋白飼料是一個(gè)值得研究的課題。

      用果渣生產(chǎn)菌體蛋白飼料的報(bào)道很多,但對于分步固態(tài)發(fā)酵果渣生產(chǎn)菌體蛋白飼料的報(bào)道較少。糖化、發(fā)酵過程分開進(jìn)行能使發(fā)酵產(chǎn)物蛋白質(zhì)含量更高,因此該試驗(yàn)以果渣為主要原料,麩皮、豆粕和谷糠為輔料,利用多菌種(黑曲霉、產(chǎn)朊假絲酵母、熱帶假絲酵母和釀酒酵母)進(jìn)行分步固態(tài)發(fā)酵。通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對其接種及培養(yǎng)方法、菌液的接種量、發(fā)酵的最佳溫度、共發(fā)酵時(shí)間、固液比及物料酸堿度因素的優(yōu)化研究,以確定菌體蛋白飼料的最佳發(fā)酵生產(chǎn)工藝,欲在菌種搭配選擇及多分步發(fā)酵上為蘋果渣利用提供一種新途徑。

      1 材料與方法

      1.1 材料與試劑

      黑曲霉、產(chǎn)朊假絲酵母、熱帶假絲酵母、釀酒酵母:由中國工業(yè)微生物菌種保藏中心甘肅分中心提供。

      黑曲霉斜面培養(yǎng)基采用馬鈴薯葡萄糖瓊脂(potato dextrose agar,PDA)培養(yǎng)基[6-8];酵母斜面培養(yǎng)基:麥芽汁瓊脂培養(yǎng)基[9-10];固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基:麩皮/豆粕/果渣/谷糠=1∶1∶7∶1。

      麩皮、豆粕、果渣、谷糠均由甘肅帝旺生物科技有限責(zé)任公司提供。

      發(fā)酵前測定原料中粗蛋白質(zhì)的含量為4.97%。

      PDA培養(yǎng)基:土豆(去皮)200g,葡萄糖20g,瓊脂20g,蒸餾水1L。

      麥芽汁瓊脂培養(yǎng)基:12°Bx麥芽汁1.0L,瓊脂15.0g。1.2儀器與設(shè)備

      AS型干燥箱:北京科偉永興儀器有限公司;LBH-300T多功能粉碎機(jī):永康科徠爾有限公司;SKY-100C恒溫?fù)u床:上海蘇坤實(shí)業(yè)有限公司;島津UV-120-02紫外可見分光光度計(jì):杭州庫侖科技有限公司;MJ-150Ⅱ培養(yǎng)箱:上海一恒科技有限公司;ZRN-PH-D型臺式pH計(jì):北京中瑞能儀表技術(shù)有限公司。

      1.3 試驗(yàn)方法

      1.3.1 黑曲霉種子接種量確定

      以不同接種量的黑曲霉種子接種進(jìn)行混合固態(tài)發(fā)酵,比較發(fā)酵后酸性蛋白酶活性,確定最佳接種量。

      1.3.2 復(fù)合酵母液及其接種量優(yōu)化

      在固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基中,以不同接種量的復(fù)合酵母菌種液接種進(jìn)行混合固態(tài)發(fā)酵,比較發(fā)酵后的粗蛋白質(zhì)含量,確定最佳接種量?;旌辖湍妇N液為產(chǎn)朊假絲酵母/熱帶假絲酵母/釀酒酵母=1∶1∶1。

      1.3.3 接種及培養(yǎng)方法的確定

      由于本試驗(yàn)采用多菌種分步發(fā)酵,因此對于菌種的接種次序及培養(yǎng)方法采用以下3種不同的方案進(jìn)行比較,如表1所示。

      表1 接種及培養(yǎng)方法Table 1 Inoculation and cultivation methods

      1.4 固態(tài)發(fā)酵工藝條件的優(yōu)化

      1.4.1 發(fā)酵溫度的選取

      按先接種黑曲霉菌液7.5%、24h后接種10%的混合酵母菌液于固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基中,分別在24℃、27℃、30℃、33℃和36℃培養(yǎng),發(fā)酵結(jié)束后分別測定發(fā)酵產(chǎn)物中的粗蛋白質(zhì)的含量。

      1.4.2 最佳共發(fā)酵時(shí)間的確定

      在確定的最佳溫度條件下,按先接種黑曲霉菌液7.5%、24h后接種10%的混合酵母菌液于固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基中,每24h測定1次粗蛋白質(zhì)含量,確定最佳共發(fā)酵時(shí)間。

      1.4.3 固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基的固液比的確定

      在確定以上兩步試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn),按先接種黑曲霉菌液7.5%、24h后接種10%的混合酵母菌液于固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基中,分別按50%、60%、70%的固液比進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵,發(fā)酵結(jié)束后分別測定發(fā)酵產(chǎn)物中的粗蛋白質(zhì)的含量。

      1.4.4 固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基的初始pH值的選取

      在以上三步試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn),按先接種黑曲霉菌液7.5%、24h后接種10%的混合酵母菌液于固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基中,分別按初始pH值為5.5、6.0、6.5進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵,發(fā)酵結(jié)束后分別測定發(fā)酵產(chǎn)物中的粗蛋白質(zhì)的含量。

      1.4.5 發(fā)酵條件優(yōu)化正交試驗(yàn)

      采用4因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,4個(gè)試驗(yàn)因素分別為發(fā)酵溫度(A)、共發(fā)酵時(shí)間(B)、固液比(C)和初始pH值(D),原料經(jīng)121℃滅菌,按先接種黑曲霉菌液7.5%、24h后接種10%的混合酵母菌液于固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基中。發(fā)酵條件優(yōu)化正交試驗(yàn)因素水平見表2。

      表2 固態(tài)發(fā)酵條件的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素和水平Table 2 Factors and levels of orthogonal test for solid state fermentation

      1.5 測定指標(biāo)

      粗蛋白含量的測定:采用微量凱氏定氮法測定樣品的含氮量。

      酸性蛋白酶活性測定:采用Folin酚法,在一定pH值(pH3.6或7.0)和40℃溫度條件下,每分鐘水解酪蛋白產(chǎn)生1μg酪氨酸定義為一個(gè)蛋白酶活力單位,以每克固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)物所含酶活力單位表示發(fā)酵單位,U/g[14-15]。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 接種量的確定

      2.1.1 黑曲霉種子接種量確定

      表3 黑曲霉接種量對發(fā)酵結(jié)果的影響Table 3 Effect ofAspergillus nigerinoculation on fermentation results

      由表3可見,接種量為7.50%時(shí),酸性蛋白酶活最高,因此7.50%為黑曲霉種子的最佳接種量。

      2.1.2 復(fù)合酵母液及其接種量優(yōu)化

      從圖1可以看出,當(dāng)復(fù)合酵母液接種量低于10%時(shí),發(fā)酵物中粗蛋白的含量隨接種量的增加而增加;當(dāng)接種量高于10%時(shí),發(fā)酵物中粗蛋白的含量隨接種量的增加而呈下降趨勢,故復(fù)合酵母液適宜的接種量為10%。若接種量過低,發(fā)酵產(chǎn)物中的菌種數(shù)量過少,從而獲得的粗蛋白含量也過少;當(dāng)接種量過高時(shí),發(fā)酵物中的菌種數(shù)量過多,營養(yǎng)物質(zhì)很快被消耗,并釋放大量的熱能,容易導(dǎo)致溫度過高使菌體失活,從而粗蛋白含量減少。

      圖1 不同的復(fù)合酵母液接種量對粗蛋白含量的影響Fig.1 Effect of different compound yeast inoculum on crude protein content

      2.2 接種及培養(yǎng)方法的確定

      表4 不同接種方法發(fā)酵果渣產(chǎn)物粗蛋白質(zhì)含量比較Table 4 Comparison of crude protein content of fruit residue products fermented by different inoculation method

      由表4可見,采用方法3——先接種黑曲霉,24h后接種復(fù)合酵母液,此時(shí)發(fā)酵后的產(chǎn)物粗蛋白質(zhì)含量增幅最大。由此表明,分階段發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白質(zhì)含量高于同時(shí)發(fā)酵。多菌種的作用并不是簡單的加和效應(yīng),糖化、發(fā)酵過程分開進(jìn)行能使發(fā)酵產(chǎn)物粗蛋白質(zhì)含量更高。黑曲霉具有多種活性較強(qiáng)的酶系,如淀粉酶、酸性蛋白酶等,可將原料中的纖維素等大分子化合物降解轉(zhuǎn)化為動(dòng)物易消化利用的養(yǎng)分,也為微生物提供能量來源。酵母菌是菌體蛋白的主要生產(chǎn)菌種。因此粗蛋白質(zhì)含量的提高是黑曲霉和復(fù)合酵母共同作用的結(jié)果。

      2.3 固態(tài)發(fā)酵條件的優(yōu)化

      2.3.1 最佳發(fā)酵溫度的選擇

      從圖2可以看出,起初粗蛋白質(zhì)的含量隨著溫度的升高而逐漸上升,在培養(yǎng)溫度為30℃時(shí),粗蛋白質(zhì)含量最高,可達(dá)25.94%;之后隨著溫度的升高,粗蛋白質(zhì)含量反而下降。溫度是發(fā)酵過程中影響微生物生長繁殖最重要的因素之一。溫度過低,會(huì)抑制微生物的生長,并阻礙其他的生物化學(xué)反應(yīng);溫度過高,則會(huì)影響菌體孢子的萌發(fā)、生長及產(chǎn)物的形成。每種微生物都有其最佳的生長溫度,因此,選擇30℃為發(fā)酵的最佳培養(yǎng)溫度。

      圖2 不同的溫度對粗蛋白含量的影響Fig.2 Effect of different temperature on crude protein content

      2.3.2 共發(fā)酵時(shí)間的確定

      圖3 不同的發(fā)酵時(shí)間對粗蛋白含量的影響Fig.3 Effect of different fermentation time on crude protein content

      從圖3可以看出,起初粗蛋白含量隨發(fā)酵時(shí)間的增加而升高,發(fā)酵72h時(shí)粗蛋白含量達(dá)到最高,而隨著發(fā)酵時(shí)間繼續(xù)延長,粗蛋白含量則會(huì)隨發(fā)酵時(shí)間的延長而下降。發(fā)酵時(shí)間是決定發(fā)酵是否結(jié)束的定時(shí)點(diǎn)。發(fā)酵時(shí)間過短,菌體不能充分生長,會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白質(zhì)含量過低;發(fā)酵時(shí)間過長,發(fā)酵進(jìn)入了衰退期,粗蛋白質(zhì)含量的增幅減緩,甚至出現(xiàn)下降,且生產(chǎn)成本也增加。共發(fā)酵的最佳周期為72h。

      2.3.3 固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基的固液比的確定

      固液比的控制在飼料發(fā)酵過程中非常重要,固液比過低,會(huì)延緩甚至阻礙菌體的生長繁殖、產(chǎn)酶;固液比過高時(shí),導(dǎo)致物料多孔性降低,空氣流通不暢,供氧不足,內(nèi)部微生物難于生長。在固體發(fā)酵過程中適宜的固液比,使得基質(zhì)有合適的疏松度,顆粒間膨松有空隙,有助于菌體從基質(zhì)獲得營養(yǎng)物質(zhì)和氧的傳遞,從而促進(jìn)生長繁殖和產(chǎn)物的合成。從圖4可以看出,固液比為60%時(shí)粗蛋白質(zhì)的含量最大,因此選擇固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基的固液比為60%。

      圖4 不同的固液比對粗蛋白含量的影響Fig.4 Effect of different solid-liquid ratio on crude protein content

      2.3.4 固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基的初始pH值的選取

      對于黑曲霉和酵母的混合發(fā)酵,在合適的pH值范圍生長時(shí)蛋白質(zhì)產(chǎn)量可達(dá)最高。如圖5所示,在初始pH值為6.0時(shí)發(fā)酵效果最好,因此固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基的最佳初始pH值為6.0。

      圖5 不同的初始pH值對粗蛋白含量的影響Fig.5 Effect of different initial pH on crude protein content

      2.3.5 發(fā)酵條件優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果

      各因素對發(fā)酵原料中的粗蛋白質(zhì)含量的影響正交試驗(yàn)見表5,驗(yàn)證試驗(yàn)見表6,方差分析見表7。

      從正交試驗(yàn)結(jié)果極差(R)分析可看出,4個(gè)因素對發(fā)酵原料中的粗蛋白質(zhì)含量的影響次序依次為A>B>D>C。即各因素中發(fā)酵溫度對粗蛋白質(zhì)含量的影響最大。最佳組合為A1B2C2D1,但該組合不在9次試驗(yàn)內(nèi),而表觀最佳組合為A1B2C2D2,為驗(yàn)證正交試驗(yàn)結(jié)果,按正交最佳組合和表觀最佳組合的配方進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),結(jié)果見表6。

      表5 固態(tài)發(fā)酵條件的正交試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of orthogonal test for solid-state fermentation condition

      表6 正交試驗(yàn)驗(yàn)證試驗(yàn)Table 6 Verification test of orthogonal experiment

      從表6可見,按正交最佳組合進(jìn)行發(fā)酵所產(chǎn)生的粗蛋白質(zhì)含量最高。因而綜合單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)結(jié)果可見,多菌種分步固態(tài)發(fā)酵果渣的最佳發(fā)酵條件為A1B2C2D1,即培養(yǎng)溫度30℃,共培養(yǎng)時(shí)間72h,固液比60%,初始pH值5.5。此時(shí),發(fā)酵得到的粗蛋白質(zhì)含量最高,可達(dá)27.60%,比發(fā)酵前提高了22.63個(gè)百分點(diǎn),達(dá)到蛋白飼料對蛋白質(zhì)含量的要求。

      表7 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 7 Variance analysis of orthogonal experiment result

      由于無空列和重復(fù)試驗(yàn),因此將極差分析結(jié)果中最次要的因素C作為空列,進(jìn)行方差分析。方差分析結(jié)果由表7可見,因素A極顯著,因素B顯著,因素D不顯著,因素作用的主次順序?yàn)锳>B>D,與極差分析得出的結(jié)果一致。

      3 結(jié)論

      3.1 發(fā)酵前后,粗蛋白質(zhì)的含量變化較大。所有試驗(yàn)組粗蛋白含量均增加,最大增長了22.63個(gè)百分點(diǎn)。

      3.2 試驗(yàn)結(jié)果表明,多菌種分步固態(tài)發(fā)酵果渣的最佳接種及培養(yǎng)方式為先接種黑曲霉菌液7.50%,24h后接種10%的復(fù)合酵母液。

      3.3 通過對培養(yǎng)條件的優(yōu)化研究,得到最佳的發(fā)酵條件:培養(yǎng)溫度30℃,共培養(yǎng)時(shí)間72h,固液比為60%,初始pH值為5.5。

      3.4 多菌種分步固態(tài)發(fā)酵果渣生產(chǎn)菌體蛋白飼料的工藝發(fā)酵時(shí)間短、污染少、蛋白質(zhì)含量高,具有一定的可行性、實(shí)用性,可廣泛地應(yīng)用于以果渣為基質(zhì)的蛋白飼料的發(fā)酵生產(chǎn),這種工藝為果渣利用提供了一種新途徑。

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      Technology optimization of multi-strains multi-step solid-state fermentation of fruit residue to produce cell protein feeds

      CHEN Juan1,3,WANG Zhiye1,3*,WEI Jiaqian1,3,QI Hongshan1,3,JI Bin1,3,ZENG Yang1,3,ZHOU Jianping3,WANG Minggang2
      (1.Gansu Provincial Academy of Sciences Institute of biology,Lanzhou 730070,China; 2.School of Life Sciences,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China; 3.Key Laboratory of Gansu Province,resource development and utilization of microorganisms,Gansu Lanzhou 730000)

      The condition of multi-strains multi-step solid-state fermentation of fruit residue to produce cell protein feeds was studied.Taking fruit residue as the main raw material,bran,soybean meal,carvings and others as accessories,through the study on multi-strains(Aspergillus niger,Candida utilis,Candida tropicalisandSaccharomyces cerevisiae)inoculation and cultivation methods,inoculum,optimum temperature for fermentation, co-fermentation time,solid-liquid ratio and material pH,the optimized multi-strains multi-step solid-state fermentation of fruit residue to produce cell protein feeds production process was obtained.By single factor test and orthogonal test,the optimum fermentation conditions were obtained as follows:material quality/water volume 60%,initial pH 5.5,temperature 30℃,inoculum ofAspergillus niger7.50%,inoculums of compound 10%,A.nigerwas inoculated in the early stage of fermentation,compound liquid yeast was inoculated after fermentation for 24h,co-fermentation time 72h. Under the optimized condition,the crude protein in end product increased from 4.97%to 27.6%,increased by 22.63%,which achieved the high quality protein feed standard.

      fruit residue;multi-step fermentation;protein feeds;technology;multi-strains

      TQ920.9

      A

      0254-5071(2014)03-0040-05

      10.3969/j.issn.0254-5071.2014.03.011

      2014-01-13

      甘肅省科技支撐計(jì)劃(1204JKCA190);甘肅省自然基金(096RJZA023)

      陳娟(1983-),女,研實(shí)員,本科,研究方向?yàn)閺U棄資源綜合利用及微生物發(fā)酵。

      *通訊作者:王治業(yè)(1976-),男,高級工程師,碩士,研究方向?yàn)樯锕こ獭?/p>

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