基于玉米芯水解液的斯達(dá)油脂酵母發(fā)酵產(chǎn)油脂研究

李光+余霜

摘要：通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法主要考察了4因素4水平對(duì)玉米芯水解產(chǎn)糖的影響，優(yōu)化了玉米芯水解產(chǎn)糖工藝，并對(duì)斯達(dá)油脂酵母利用該水解液產(chǎn)油脂能力進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，各影響因素的排序?yàn)榱弦罕?硫酸濃度>提取時(shí)間>提取溫度。最佳提取工藝為硫酸濃度1%，料液比1∶10 （g/mL），提取溫度120 ℃，提取時(shí)間120 min。通過比較試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，濃縮1倍的玉米芯水解液是斯達(dá)油脂酵母發(fā)酵產(chǎn)油脂量的合適水解液濃度。

關(guān)鍵詞：玉米芯；水解；正交設(shè)計(jì)；發(fā)酵

中圖分類號(hào)：TQ920.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）14-2746-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.14.037

Abstract： This study used L16（45） orthogonal table to optimize the process of production sugar using corn cob hydrolyzate，and discussed the ability to use this hydrolyzate by fermentation of lipomyces starkeyi. The effects of each factor in order were materials-liquid ratio>sulphuric acid concentration>extraction times>distilled temperature. The optimal parameters is precisely sulphuric acid concentration is 1%，liquid material ratio 1∶10 g/mL，distilled temperature 120 ℃，distilled 120 min. It was found by comparison that 1.0x concentrated corncob hydrolyzate is the most suitable concentrations for fermentation of lipomyces starkeyi.

Key words： corn cob； hydrolysis； orthogonal design； fermentation

中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)廢棄物資源十分豐富，由于它們未得到有效利用，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)廢棄物對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)造成了極大的負(fù)面影響。玉米在中國(guó)的播種面積很大，種植面積僅次于小麥和水稻而居第三位，僅2014年中國(guó)玉米產(chǎn)量就達(dá)到2.156 7億t，相應(yīng)的玉米芯產(chǎn)出估計(jì)在1億t以上，如不能合理利用這部分資源，將對(duì)中國(guó)的農(nóng)業(yè)生態(tài)造成極大的負(fù)面影響。因此，玉米芯的妥善處理與資源化不僅關(guān)系到資源的再利用和環(huán)境安全，而且與農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)村小康社會(huì)的建設(shè)緊密相關(guān)。

能源是現(xiàn)代社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，能源的供給能力密切關(guān)系著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展，是國(guó)家戰(zhàn)略安全保障的基礎(chǔ)之一。隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭，人們開始研究開發(fā)新能源，但復(fù)雜的技術(shù)和巨大的投資制約了新能源的廣泛使用。而利用微生物生產(chǎn)微生物油脂不受場(chǎng)地、季節(jié)、氣候變化及原料的影響，一年四季除設(shè)備維修外，都可連續(xù)生產(chǎn)。因此，利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)油脂是開發(fā)新的生物質(zhì)能源的良好途徑。本研究利用了玉米芯發(fā)酵產(chǎn)油脂技術(shù)，將為玉米芯所含木質(zhì)纖維素資源的合理利用提供新思路和新技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

材料：玉米芯購(gòu)自貴州省安順市農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)，硫酸、葡萄糖、3，5-二硝基水楊酸等試劑均為分析純。斯達(dá)油脂酵母（Lipomyce starkeyi）購(gòu)自中國(guó)工業(yè)微生物菌種保藏中心（CICC）。

儀器設(shè)備：高速萬能粉碎機(jī)、中興101型電熱鼓風(fēng)干燥箱（北京中興偉業(yè)儀器有限公司制造）；PYX-DHS-50X65S恒溫培養(yǎng)箱（上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠）；HH-4恒溫水浴鍋、W201恒溫水浴鍋、R-201旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海申順生物科技有限公司）；飛鴿牌立式小型離心機(jī)（上海安亭儀器制造廠）；LDZX-50FB立式壓力蒸汽滅菌鍋（上海申安醫(yī)療器械廠）；PL203電子天平（上海天平儀器廠）；SHZ-3型水循環(huán)真空泵（鞏義市杜甫儀器廠）；752-紫外可見分光光度計(jì)（上海精科儀器有限公司）；HZQ-B數(shù)顯恒溫?fù)u床（蘇州威爾實(shí)驗(yàn)用品有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 玉米芯水解工藝優(yōu)化 將玉米芯烘干粉碎后過30目篩子，每次準(zhǔn)確稱取粉碎后粉末5.0 g進(jìn)行正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用L16（45）正交表進(jìn)行，考察硫酸濃度（A）、料液比（B）（g∶mL，下同）、提取溫度（C）、提取時(shí)間（D）等4項(xiàng)指標(biāo)及其水平對(duì)玉米芯水解產(chǎn)糖的影響，每次正交試驗(yàn)重復(fù)3次（表1）。

1.2.2 還原糖的測(cè)定 還原糖的測(cè)定參照方法如下。取6支試管，各試管中依次加入葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL，各加水補(bǔ)至1.0 mL，然后均加入DNS試劑2.0 mL。將充分搖勻的試管沸水浴5 min顯色，后用冰水迅速冷卻至室溫，最后加入蒸餾水9.0 mL，搖勻后于540 nm處測(cè)定吸光度，以葡萄糖含量（mg/mL）為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，玉米芯水解液還原糖測(cè)定按照標(biāo)準(zhǔn)曲線的方法進(jìn)行。

1.2.3 玉米芯水解液的濃縮倍數(shù)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)油脂的影響 將玉米芯水解液使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀分別濃縮，再將不同濃縮倍數(shù)的水解液作為發(fā)酵培養(yǎng)基，于250 mL三角瓶裝水解液培養(yǎng)基50 mL，接種量為10%，以限氮產(chǎn)脂培養(yǎng)基為對(duì)照，接種斯達(dá)油脂酵母后，28 ℃，120 r/min搖床中培養(yǎng)120 h，考察水解液濃縮倍率對(duì)斯達(dá)油脂酵母產(chǎn)油脂能力的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

按正交試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，每組重復(fù)3次，結(jié)果取平均值，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表3可知，料液比對(duì)玉米芯水解的影響達(dá)到顯著水平，其他因素的影響不顯著。由表2可知，料液比、硫酸濃度、提取時(shí)間和提取溫度對(duì)玉米芯水解的影響依次減弱，最佳工藝為A1B1C4D3，即采用1%濃度的硫酸，料液比1∶10，提取溫度120 ℃，提取時(shí)間120 min。準(zhǔn)確稱取玉米芯粉末100 g，在正交試驗(yàn)所得優(yōu)化提取工藝條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，重復(fù)3次，總還原糖量達(dá)到72.11 g/L，高于正交試驗(yàn)中的各組結(jié)果，表明最佳工藝條件較好。

2.2 濃縮倍數(shù)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)油脂的影響

通過對(duì)水解液濃縮發(fā)現(xiàn)，隨著水解液濃縮倍數(shù)的增加，水解液的顏色也隨之越來越深。濃縮1倍和2倍時(shí)水解液顏色較淺，但呈現(xiàn)渾濁狀態(tài)，濃縮3倍和4倍時(shí)水解液顏色相對(duì)較深，但較為澄清。而濃縮倍數(shù)對(duì)斯達(dá)油脂酵母產(chǎn)油脂能力的影響結(jié)果（圖1）表明，在不同濃縮倍數(shù)的條件下，斯達(dá)油脂酵母對(duì)水解液中還原糖的利用存在差異。濃縮1倍油脂產(chǎn)量3.98 g/L，與限氮培養(yǎng)基的5.23 g/L較為接近，而其他濃縮倍數(shù)水解液的油脂產(chǎn)量均遠(yuǎn)小于限氮培養(yǎng)基。因此，水解液在濃縮倍數(shù)為1是斯達(dá)油脂酵母發(fā)酵產(chǎn)油脂量的合適倍數(shù)。

3 小結(jié)與討論

特定微生物在一定條件下可以將碳源化合物轉(zhuǎn)化為自身的油脂，應(yīng)用它們生產(chǎn)油脂具有生產(chǎn)周期短、可大規(guī)模生產(chǎn)和可進(jìn)行廢物利用等優(yōu)點(diǎn)，可以極大提升資源的利用效率?，F(xiàn)在已知的產(chǎn)油微生物種類眾多，常見的有黃被孢霉、產(chǎn)油油脂酵母、淺白色隱球酵母、斯達(dá)氏油脂酵母、高梁褶抱黑粉菌、彎隱球酵母、膠粘紅酵母、土霉菌、紫癱麥角菌、高山被孢霉、深硅藻和螺旋藻等。但在這些微生物中，它們傾向于利用葡萄糖產(chǎn)油脂，而在水解液中不但含有葡萄糖，還含有其他的糖類，所以要想高效的利用水解液發(fā)酵產(chǎn)油脂，就必須找到既能利用水解液中葡萄糖，又能利用其他糖類發(fā)酵產(chǎn)油脂微生物。本研究結(jié)果表明，斯達(dá)氏油脂酵母可以利用水解液中的多種糖類物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)油脂，是一種較好的發(fā)酵產(chǎn)油脂微生物，與國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究相一致[1-4]。

通過微生物發(fā)酵，把農(nóng)副產(chǎn)品加阻利用，附加值提高，有利于環(huán)境保護(hù)及中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展。在目前人口不斷增長(zhǎng)使得油脂需求量與自然資源日益貧乏，矛盾日益尖銳的情況下，開辟微生物油脂這一新的油脂資源具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。玉米是世界上分布最廣泛的糧食作物之一，中國(guó)每年有大量的玉米芯被丟棄或作為燃料，產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境問題。目前，學(xué)者已對(duì)玉米芯資源的合理利用進(jìn)行了研究，但他們的研究多是利用玉米芯生產(chǎn)糠醛、木糖和纖維素等，利用玉米芯產(chǎn)油脂的研究相對(duì)較少，王雪等[5]篩選了可以利用玉米秸稈產(chǎn)油脂的木霉菌，劉澤君等[6]研究了圓紅冬孢酵母發(fā)酵玉米秸稈水解液產(chǎn)油脂工藝，崔振陽等[7]優(yōu)化了皮狀絲孢酵母發(fā)酵玉米芯殘?jiān)a(chǎn)油脂的營(yíng)養(yǎng)因子，他們分別研究了木霉菌、圓紅冬孢酵母和皮狀絲孢酵母利用玉米芯原料發(fā)酵產(chǎn)油脂的情況，而本研究所使用的產(chǎn)油脂微生物為斯達(dá)氏油脂酵母，是對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)油脂微生物利用玉米芯原料發(fā)酵產(chǎn)油脂研究的有益補(bǔ)充，具有較好的研究意義。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 王 華，劉 歡，郭書賢，等.啤酒生產(chǎn)廢水培養(yǎng)斯達(dá)油脂酵母發(fā)酵產(chǎn)油脂培養(yǎng)基的優(yōu)化[J].中國(guó)油脂，2011（8）：31-36.

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[4] 郭書賢，羅建成，王冬梅，等.利用啤酒生產(chǎn)廢水培養(yǎng)斯達(dá)油脂酵母產(chǎn)油脂發(fā)酵條件的優(yōu)化[J].中國(guó)食品學(xué)報(bào)，2014（1）：151-161.

[5] 王 雪，扈進(jìn)冬，張新建，等.利用玉米秸稈產(chǎn)油脂木霉菌株的篩選[J].中國(guó)釀造，2012（5）：154-158.

[6] 劉澤君，張金祿，劉 玲，等.圓紅冬孢酵母發(fā)酵玉米秸稈水解液產(chǎn)油脂的研究[J].中國(guó)油脂，2013（2）：52-56.

[7] 崔振陽，張 建，高秋強(qiáng)，等.玉米芯殘?jiān)习l(fā)酵微生物油脂的營(yíng)養(yǎng)因子優(yōu)化[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2013（6）：1058-1063.