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      木薯渣混菌發(fā)酵替代麩皮飼料的研究

      2014-05-04 10:00:10廖美德劉偲嘉賀玉廣吳杰良
      飼料博覽 2014年11期
      關(guān)鍵詞:糖蜜黑曲霉木薯

      楊 婷,廖美德,劉偲嘉,賀玉廣,吳杰良

      (華南農(nóng)業(yè)大學(xué)天然農(nóng)藥與化學(xué)生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510642)

      麩皮是小麥面粉廠的主要加工副產(chǎn)品,是重要的飼料原料[1]。用麩皮直接飼喂畜禽,其蛋白質(zhì)的利用率不高,吸收率約為30%;膨化后飼喂,吸收率>90%。麩皮水解液中含有五碳糖和六碳糖,能被酵母菌代謝利用,用此水解液培養(yǎng)酵母可獲得優(yōu)質(zhì)飼料蛋白質(zhì)[2]。但近年來(lái)小麥種植面積持續(xù)下降,麩皮價(jià)格不斷上漲,成為制約其應(yīng)用的重要因素[3]。

      木薯渣不僅含有多種氨基酸和對(duì)動(dòng)物體有益的維生素,而且產(chǎn)量豐富,價(jià)格低廉,作為新型飼料資源受到眾多科研人員的重視,并取得一定的階段性成果[4-7]。但木薯渣在飼料應(yīng)用方面存在著不易貯存、蛋白質(zhì)含量低和適口性差等弊端,限制其應(yīng)用[8-9]。接種微生物,發(fā)酵木薯渣,利用微生物與相關(guān)化學(xué)物質(zhì)發(fā)生的一系列復(fù)雜生物化學(xué)作用,可改變木薯渣的物理化學(xué)性質(zhì),從而解決上述弊端[10-11]。此外,發(fā)酵過(guò)程中還能殺死大部分有害微生物,如腸道寄生蟲等。同時(shí),還可以提高粗蛋白質(zhì)和粗脂肪的消化率,促進(jìn)與細(xì)胞壁結(jié)合的礦物質(zhì)吸收;提高小腸絨毛的完整性,促進(jìn)小腸對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收[12]。

      本研究利用優(yōu)良的黑曲霉和釀酒酵母復(fù)配制成混合菌劑,通過(guò)微生物固體發(fā)酵工藝,探索最佳生料發(fā)酵條件,提高木薯渣蛋白質(zhì)含量,改善適口性,為木薯渣的開發(fā)利用提供參考。

      1 材料與方法

      1.1 試驗(yàn)材料

      木薯渣為廣畜動(dòng)物藥業(yè)有限公司生產(chǎn),產(chǎn)地為廣西。

      菌株來(lái)源:釀酒酵母和黑曲霉,由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院實(shí)驗(yàn)室保藏。

      改良察氏培養(yǎng)基:土豆浸出液5%、蔗糖3%、硫酸鎂0.5%、氯化鉀0.05%、磷酸氫二鉀0.1%、硝酸鈉或硫酸銨0.4%。

      酵母菌種子培養(yǎng)基1號(hào):PDA液體培養(yǎng)基,一級(jí)種子培養(yǎng)基分裝到試管,二級(jí)種子培養(yǎng)基分裝到三角瓶。

      酵母菌種子培養(yǎng)基2號(hào):YPG液體培養(yǎng)基,含酵母浸粉0.5%、蛋白胨1.0%、葡萄糖2.0%,一級(jí)種子培養(yǎng)基分裝到試管,二級(jí)種子培養(yǎng)基分裝到三角瓶。

      黑曲霉固體種子培養(yǎng)基:麩皮∶木薯渣∶水=1∶1∶1混合均勻。

      所有培養(yǎng)基在“熟料”試驗(yàn)時(shí),115℃下蒸汽滅菌30min,待冷卻后備用;“生料”試驗(yàn)時(shí),不做濕熱滅菌處理,原料混合均勻即可接種。

      1.2 試驗(yàn)方法

      1.2.1 酵母菌種子培養(yǎng)基篩選

      選用PDA培養(yǎng)基和YPG培養(yǎng)基作為供試種子培養(yǎng)基,控制接種量均為一個(gè)單菌落,28℃下?lián)u瓶培養(yǎng)24 h后,用血球計(jì)數(shù)板計(jì)算酵母菌細(xì)胞濃度。

      1.2.2 氮源和不同初始水分選擇

      選取硝酸鈉和硫酸銨作為供試氮源,添加量為0.4%,通過(guò)液體培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)(氮源0.4%+酵母菌1.5%+YPG培養(yǎng)基)和固體培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)[發(fā)酵底物為(木薯渣∶水=1∶0.4、1∶0.5、1∶0.6、1∶0.7、1∶0.8)+氮源0.4%+酵母菌1.5%],試驗(yàn)用同一規(guī)格三角瓶進(jìn)行,混合均勻后置于28℃培養(yǎng)箱培養(yǎng),定時(shí)觀察生長(zhǎng)情況并計(jì)數(shù)。

      1.2.3 混菌發(fā)酵接種時(shí)間

      木薯渣與水(70%)混合均勻后置于500mL三角瓶中,高壓滅菌(115℃,20min)后備用。先加入黑曲霉孢子懸浮液(2.5%),再設(shè)置4組間隔時(shí)間(1組 0 h、2組 12 h、3組 24 h和4組36 h)加入酵母菌(2.5%),混合均勻后置于28℃培養(yǎng)箱培養(yǎng),定時(shí)觀察生長(zhǎng)情況并計(jì)數(shù)。

      1.2.4 氮源添加量的篩選

      木薯渣培養(yǎng)基中硫酸銨的濃度共設(shè)置4個(gè)梯度(1組5%、2組10%、3組15%和4組20%),同時(shí)接入黑曲霉和酵母孢子懸浮液2.5%,混合均勻后置于28℃培養(yǎng)箱培養(yǎng),定時(shí)觀察生長(zhǎng)情況并計(jì)數(shù)。

      1.2.5 磷酸鹽和糖蜜對(duì)木薯渣發(fā)酵的影響

      設(shè)置兩組對(duì)立試驗(yàn),分別為添加磷酸鹽(0.2%)或糖蜜(2%)組,對(duì)照組為不添加磷酸鹽或糖蜜,其他培養(yǎng)條件不變,定時(shí)觀察生長(zhǎng)情況并計(jì)數(shù)。

      1.2.6 黑曲霉固體種子的可行性

      采取薄布包裹的擴(kuò)大培養(yǎng)方式,定量稱取培養(yǎng)好的黑曲霉固體種子(10%),混合均勻,其他培養(yǎng)條件不變,觀察生長(zhǎng)情況并計(jì)數(shù)。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 酵母菌種子培養(yǎng)基

      不同培養(yǎng)基對(duì)酵母菌生長(zhǎng)的影響見圖1。

      圖1 不同培養(yǎng)基對(duì)酵母菌生長(zhǎng)的影響

      由圖1可知,YPG培養(yǎng)基中的酵母菌濃度比PDA培養(yǎng)基的高88%。同時(shí),配制YPG時(shí)只需將3種試劑按比例添加混合均勻即可,操作比PDA的配制更為便捷,因此應(yīng)選擇YPG培養(yǎng)基作為酵母菌種子培養(yǎng)基。此外,酵母菌的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期約在培養(yǎng)12 h時(shí)出現(xiàn),24 h后其自溶現(xiàn)象比較明顯,應(yīng)在種子培養(yǎng)12~24 h內(nèi)轉(zhuǎn)接到下一級(jí)培養(yǎng),保證種子的濃度和活力。

      2.2 氮源的選擇

      2.2.1 液體培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

      不同氮源對(duì)酵母菌生長(zhǎng)的影響見圖2。

      圖2 不同氮源對(duì)酵母菌生長(zhǎng)的影響

      采用改良察氏培養(yǎng)基,選取硝酸鈉和硫酸銨作為供試氮源,添加量各為0.4%,28℃下?lián)u瓶培養(yǎng)24 h,測(cè)定吸光度(OD600nm)。發(fā)現(xiàn)在液體培養(yǎng)試驗(yàn)中,添加硫酸銨組的OD值比添加硝酸鈉的高,說(shuō)明硫酸銨更能促進(jìn)液體培養(yǎng)中酵母菌的生長(zhǎng)。

      2.2.2 固體培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

      不同氮源在不同初始水分下對(duì)酵母菌生長(zhǎng)的影響見圖3。

      圖3 不同氮源在不同初始水分下對(duì)酵母菌生長(zhǎng)的影響

      由圖3可知,以木薯渣為底物固體培養(yǎng)酵母菌,對(duì)比兩種氮源對(duì)酵母菌生長(zhǎng)的影響。其中,硝酸鈉和硫酸銨的添加量均為3%,不同初始水分下培養(yǎng)48 h,血球板計(jì)數(shù)表明,不同水分梯度下兩組的酵母菌濃度相當(dāng),差異不顯著(P>0.05)。因此,硝酸鈉和硫酸銨在固體培養(yǎng)中對(duì)酵母菌生長(zhǎng)無(wú)顯著差異(P>0.05)。

      結(jié)果表明,雖然固體培養(yǎng)中氮源的影響差異不顯著(P>0.05),但硫酸銨在培養(yǎng)基中很快解離為NH4+和SO42-,其中NH4+能直接被酵母菌等微生物吸收利用,SO42-能降低培養(yǎng)基的pH,抑制細(xì)菌生長(zhǎng),并且硝酸鈉的價(jià)格高于硫酸銨,所以硫酸銨更適宜作為木薯渣發(fā)酵的氮源。此外,從上述固體培養(yǎng)試驗(yàn)可知,原料水分為70%,經(jīng)過(guò)48 h培養(yǎng)后,酵母菌細(xì)胞濃度最高。

      2.3 混菌發(fā)酵接種時(shí)間

      不同間隔時(shí)間接入酵母菌對(duì)酵母菌生長(zhǎng)的影響見圖4。

      圖4 不同間隔時(shí)間接入酵母菌對(duì)酵母菌生長(zhǎng)的影響

      黑曲霉能產(chǎn)淀粉酶,將木薯渣中的多糖分解為還原糖,能較好地為酵母菌利用,同時(shí)黑曲霉能產(chǎn)酸降低pH,正好也是適合酵母菌生長(zhǎng)的pH范圍。考慮到黑曲霉合成相關(guān)酶系需要時(shí)間,需探究延長(zhǎng)接種酵母菌的必要性?;炀l(fā)酵,1組(0 h)、2組(12 h)、3組(24 h)、4組(36 h)分別表示在接入黑曲霉后,間隔0、12、24和36 h再接入酵母菌,培養(yǎng)期間,每12 h取樣一次檢測(cè)酵母菌細(xì)胞濃度。結(jié)果發(fā)現(xiàn),同時(shí)接入黑曲霉和酵母菌的混菌發(fā)酵方式更有利于酵母菌生長(zhǎng),同時(shí)也能簡(jiǎn)化接種操作。

      相對(duì)于單菌發(fā)酵,混菌發(fā)酵能促進(jìn)酵母菌的生長(zhǎng),表現(xiàn)為酵母菌細(xì)胞濃度較前者提高約20%,原因在于黑曲霉能產(chǎn)生相關(guān)酶系,降解淀粉和粗纖維含量。但在本試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了另一問題,到培養(yǎng)后期時(shí),各組酵母菌數(shù)量均有不同程度的下降。由于在三角瓶?jī)?nèi)培養(yǎng),木薯渣培養(yǎng)基水分變化不大,對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果影響不大。其原因是黑曲霉在生長(zhǎng)過(guò)程中逐漸生成孢子,抑制了酵母菌的生長(zhǎng)??蛇m當(dāng)調(diào)整兩者的接種量,以最適接種比例發(fā)酵,同時(shí)在培養(yǎng)過(guò)程中,多翻動(dòng)培養(yǎng)基,打斷黑曲霉菌絲,延緩孢子生成。

      2.4 氮源添加量

      不同濃度的硫酸銨對(duì)酵母菌生長(zhǎng)的影響見圖5。

      微生物生長(zhǎng)需要充足的氮源。氮源的配比主要影響發(fā)酵底物對(duì)礦質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)及其理化性質(zhì)。但是氮源濃度過(guò)低,合成不了足量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì);氮源濃度過(guò)高,即使不影響菌株生長(zhǎng),也會(huì)因產(chǎn)品中的殘氮量過(guò)多降低養(yǎng)殖效果,并造成原料浪費(fèi)。以硫酸銨為氮源,設(shè)置4個(gè)濃度梯度,即1組(5%)、2組(10%)、3組(15%)、4組(20%)。每隔12h測(cè)定酵母菌個(gè)數(shù)并觀察其生長(zhǎng)情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn),4組的酵母菌生長(zhǎng)曲線均呈先上升、后下降、最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì),拐點(diǎn)出現(xiàn)在36 h,此時(shí)黑曲霉菌絲生長(zhǎng)旺盛。在培養(yǎng)后期,黑曲霉孢子的形成導(dǎo)致酵母菌數(shù)量下降后趨于平穩(wěn)。

      圖5 不同濃度的硫酸銨對(duì)酵母菌生長(zhǎng)的影響

      總體而言,當(dāng)硫酸銨的添加量為5%時(shí),酵母菌生長(zhǎng)情況最佳,同時(shí)黑曲霉長(zhǎng)勢(shì)也較好??紤]到最終發(fā)酵目的是使真蛋白質(zhì)含量>15%,原料中必須添加足夠量的無(wú)機(jī)氮源。按硫酸銨含氮量為21.21%,蛋白質(zhì)平均含氮量為16%計(jì)算,要達(dá)到這個(gè)指標(biāo),木薯渣培養(yǎng)基中至少添加硫酸銨13%。綜合考慮,硫酸銨添加量最終定為15%。

      2.5 磷酸鹽

      磷酸鹽的添加對(duì)酵母菌生長(zhǎng)的影響見圖6。

      圖6 磷酸鹽的添加對(duì)酵母菌生長(zhǎng)的影響

      磷酸鹽提供金屬離子的同時(shí),又可以對(duì)發(fā)酵底物起緩沖作用,對(duì)pH的影響很大。因此,選取磷酸二氫鈉作為供試磷酸鹽,設(shè)置對(duì)比試驗(yàn),即1組(無(wú)磷酸鹽)和2組(磷酸鹽0.5%),每隔24 h對(duì)酵母菌計(jì)數(shù)并觀察生長(zhǎng)情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn),磷酸鹽的添加對(duì)酵母菌的生長(zhǎng)影響不大,但能促進(jìn)黑曲霉的生長(zhǎng)。黑曲霉有更好的長(zhǎng)勢(shì),意味著相關(guān)酶的產(chǎn)出會(huì)更多,能進(jìn)一步改良木薯渣的性質(zhì),因此,發(fā)酵過(guò)程應(yīng)添加磷酸二氫鈉,添加量初步定為0.5%。

      2.6 糖蜜

      糖蜜對(duì)酵母菌生長(zhǎng)的影響見圖7。

      圖7 糖蜜對(duì)酵母菌生長(zhǎng)的影響

      糖蜜含有大量可發(fā)酵糖(主要是蔗糖),可用作酵母、味精、有機(jī)酸等發(fā)酵制品的底物或基料。試驗(yàn)設(shè)置兩組,即1組(無(wú)糖蜜)、2組(糖蜜2%)每隔24 h對(duì)酵母菌計(jì)數(shù)并觀察生長(zhǎng)情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn),糖蜜在木薯渣混菌發(fā)酵中的作用是加快酵母菌生長(zhǎng)速度但不增加其數(shù)量,同時(shí)對(duì)黑曲霉生長(zhǎng)無(wú)顯著的促進(jìn)作用(P>0.05)。

      2.7 黑曲霉固體種子的可行性

      接入黑曲霉固體種子對(duì)酵母菌生長(zhǎng)的影響見圖8。

      圖8 接入黑曲霉固體種子對(duì)酵母菌生長(zhǎng)的影響

      試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),接種黑曲霉液體種子比較難控制接種量。為保證黑曲霉種子在木薯渣發(fā)酵培養(yǎng)基中能保持活力,并便于控制其接種量,應(yīng)探究接種固體黑曲霉固體種子的可行性。采取薄布包裹的擴(kuò)大培養(yǎng)方式,定量稱取黑曲霉固體種子。觀察生長(zhǎng)期并定時(shí)計(jì)數(shù)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),酵母菌的生長(zhǎng)情況比在三角瓶中好,是因?yàn)閿U(kuò)大培養(yǎng)后通氣量增加,有利于酵母菌有氧呼吸,促進(jìn)其增殖。培養(yǎng)到48和60 h時(shí)出現(xiàn)肉眼可見的白色菌絲和黑色孢子,說(shuō)明接種黑曲霉固體種子是可行的。

      3 討論

      木薯渣發(fā)酵降解之后微生物含量和蛋白質(zhì)含量增加,增加的蛋白質(zhì)可能是淀粉酶和纖維素酶的一些細(xì)胞外分泌物,或者是細(xì)菌/真菌復(fù)合形成的單細(xì)胞蛋白質(zhì)[13-14]。另外,降解可使氰化物含量下降,而營(yíng)養(yǎng)成分(脂肪、粗纖維、灰分、礦物質(zhì))含量沒有變化。為了能更好的降解木薯渣粗纖維含量,提高飼料蛋白質(zhì)含量,還有很多條件可以更進(jìn)一步優(yōu)化。可嘗試用產(chǎn)朊假絲酵母發(fā)酵,該菌種產(chǎn)蛋白質(zhì)能力比較強(qiáng)[15]。實(shí)際生產(chǎn)中不便對(duì)原料滅菌,生料中的淀粉難以被酵母菌利用,配料時(shí)可用60℃的熱水拌料,達(dá)到淀粉糊化的效果,增加培養(yǎng)基中單糖的含量,改變培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分,以利于酵母菌生長(zhǎng)[16]。黑曲霉是一種食用安全,能夠產(chǎn)生多種消化飼料的酶類,是常用的飼料復(fù)合酶產(chǎn)生菌,黑曲霉降解淀粉的能力比較強(qiáng),但因其產(chǎn)黑色孢子,影響發(fā)酵產(chǎn)物外觀,而糖化酶對(duì)木薯渣的淀粉降解率為74.87%,可選擇工業(yè)糖化酶替代黑曲霉[17]。米曲霉的效果比黑曲霉要好,而且米曲霉所產(chǎn)的孢子偏黃綠色,對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物外觀影響不大[18]。即可考慮采用“工業(yè)糖化酶+酵母菌+米曲霉”的混合培養(yǎng)方式發(fā)酵木薯渣。因此,為了不同需求可更進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)酵工藝,以便將木薯渣的利用價(jià)值發(fā)揮到最大。

      4 結(jié)論

      本試驗(yàn)對(duì)采用釀酒酵母菌和黑曲霉作為發(fā)酵菌株,對(duì)開發(fā)木薯渣發(fā)酵飼料進(jìn)行了初步探究,主要內(nèi)容為探討其發(fā)酵工藝條件,確定酵母菌以液體形式接入,其種子采用液體YPG培養(yǎng)基培養(yǎng),12~24 h后轉(zhuǎn)接到下一級(jí)培養(yǎng);黑曲霉以固體形式接入,其種子采用麩皮-木薯渣復(fù)合培養(yǎng)基培養(yǎng)。生料發(fā)酵工藝條件為硫酸銨15%、磷酸二氫鈉0.5%、底物水分70%,同時(shí)接入酵母菌和黑曲霉,接種量均為10%。24~48 h酵母菌即能到達(dá)最高生長(zhǎng)濃度,且黑曲霉此后在60~72 h生成較多肉眼可見的黑色孢子,導(dǎo)致培養(yǎng)基整體發(fā)黑,影響其外觀,不利于做成飼料成品,因此將培養(yǎng)周期定為60 h?;炀l(fā)酵過(guò)程應(yīng)及時(shí)翻動(dòng)培養(yǎng)基,目的在于打斷菌絲以延緩黑曲霉孢子生成。

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