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      復(fù)合菌發(fā)酵海藻渣降解甲醛殘留工藝研究

      2016-11-28 17:26:02蘇東海魏玉西陳應(yīng)運(yùn)陳婷婷
      江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016年9期
      關(guān)鍵詞:發(fā)酵甲醛

      蘇東海+魏玉西+陳應(yīng)運(yùn)+陳婷婷

      摘要:以海藻渣為研究對象,使用自制復(fù)合菌劑進(jìn)行發(fā)酵,以甲醛含量作為主要評價(jià)指標(biāo),在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,采用正交試驗(yàn)優(yōu)化發(fā)酵工藝條件。結(jié)果表明,復(fù)合菌劑發(fā)酵海藻渣最佳工藝條件為培養(yǎng)基組成為海藻渣100 g、麩皮20 g、豆粕25 g,發(fā)酵溫度為45 ℃,發(fā)酵時(shí)間為10 d,復(fù)合菌劑接菌量為5%,海藻渣采用優(yōu)化工藝經(jīng)復(fù)合菌發(fā)酵后甲醛含量可由367.88 mg/kg降至57.14 mg/kg。

      關(guān)鍵詞:海藻渣;復(fù)合菌;發(fā)酵;甲醛

      中圖分類號: S188+.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

      文章編號:1002-1302(2016)09-0495-03

      我國海藻養(yǎng)殖量居世界首位。海藻工業(yè)產(chǎn)值在海洋經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。海藻營養(yǎng)豐富,具有藥用、食用等多種用途[1]。海藻渣是褐藻(海帶、巨藻等)經(jīng)過一系列工序提取海藻膠、碘、甘露醇等產(chǎn)品后所剩余的廢棄物[2]。研究發(fā)現(xiàn),海藻渣內(nèi)仍有大量的營養(yǎng)物質(zhì)(如蛋白質(zhì))和粗纖維,且其蛋白質(zhì)組成中精氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、半胱氨酸含量較高,因而有可能成為食品原料或動(dòng)物飼料的組成成分[3]。盡管如此,由于海藻加工過程中浸泡工序使用甲醛作為固色劑[4],致使藻渣因甲醛殘留高,加之海藻渣粗纖維含量高達(dá)35%以上,海藻渣不宜直接用于動(dòng)物飼料。目前,我國海藻加工企業(yè)將大部分海藻渣經(jīng)簡單漚制后用作肥料,對農(nóng)作物具有一定的營養(yǎng)、抗病、增產(chǎn)的功效[5-6]。但是,現(xiàn)有海藻渣的利用效率不高,亟待進(jìn)行高值化利用研究。

      利用微生物發(fā)酵,改善食物的口感、風(fēng)味,甚至生產(chǎn)出高值化功能性產(chǎn)品,已經(jīng)深入人類生活的諸多方面[7-12]。微生物發(fā)酵飼料早在20世紀(jì)90年代就在我國被廣泛應(yīng)用,分別經(jīng)歷了糖化飼料、酵母飼料以及如今的微生物發(fā)酵飼料發(fā)展階段[13]。由于海藻渣組成的特殊性,將其作為飼料的研究備受關(guān)注。韓玲證實(shí)了海藻粉作為飼料添加劑的可行性[14]。然而,采用海藻渣作為飼料添加劑,尚面臨海藻生產(chǎn)過程中因使用甲醛造成的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變(交聯(lián))問題,從而影響其作為動(dòng)物飼料蛋白質(zhì)的吸收利用。本研究利用自制復(fù)合菌劑,以甲醛含量為評價(jià)指標(biāo),對海藻渣發(fā)酵工藝進(jìn)行探索,以期為將海藻渣作為動(dòng)物飼料添加劑利用奠定基礎(chǔ)。

      1 材料與方法

      1.1 材料

      海藻渣、麩皮、紅糖、豆粕均為市售。復(fù)合菌劑由青島大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院自制。甲醛標(biāo)準(zhǔn)溶液從中國計(jì)量科學(xué)研究院購置。

      1.2 儀器與設(shè)備

      電子天平[奧豪斯儀器(上海)有限公司];電熱恒溫培養(yǎng)箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司);721G型可見分光光度計(jì)(上海精密儀器有限公司);101-3A型電熱鼓風(fēng)干燥箱(天津市泰斯特儀器有限公司)。

      1.3 方法

      1.3.1 原料處理 海藻渣為烘干的顆粒狀固體,過20目篩,放置陰涼干燥處備用。

      自制復(fù)合菌劑配制:將無菌水、紅糖、菌粉按質(zhì)量比15 ∶1 ∶0.1 比例配制,30~40 ℃活化5~7 d后,經(jīng)pH試紙測試顯酸性則為活化成功,密封備用。

      1.3.2 復(fù)合菌劑發(fā)酵海藻渣的工藝

      參照文獻(xiàn)[15-16]中復(fù)合菌劑發(fā)酵海藻渣的工藝,并加以改進(jìn)。取100 g海藻渣,分別添加一定量的麩皮、豆粕作為碳源、氮源,混勻后加入稀釋后的菌液,添加量以握手成團(tuán)、松開即散的程度為準(zhǔn)。在一定溫度下厭氧培養(yǎng)、固態(tài)發(fā)酵,直至發(fā)酵品發(fā)出濃郁酒曲香味為發(fā)酵終點(diǎn)。

      1.3.3 甲醛含量測定

      采用乙酰丙酮分光光度法對甲醛含量進(jìn)行檢測[17-18]。

      乙酰丙酮溶液制備:將乙酸銨25 g、冰乙酸3 mL、乙酰丙酮溶液0.25 mL試劑定容至100 mL水中。

      標(biāo)準(zhǔn)曲線制作:配制10.4 μg/mL甲醛標(biāo)準(zhǔn)溶液,分別吸取0、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL甲醛標(biāo)準(zhǔn)溶液,加入到25 mL 具塞比色管中,加水至10 mL,分別加入2 mL乙酰丙酮溶液,混勻后于100 ℃水浴中加熱15 min。取出冷卻后,于波長412 nm處測定吸光度。每個(gè)處理重復(fù)3次。以甲醛濃度為橫坐標(biāo)、吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得出回歸方程。

      樣品處理:稱取樣品15 g,用100 mL 50 ℃蒸餾水洗入250 mL容量瓶中,加入10 mL冰醋酸,85 ℃水浴1 h,取出冷卻至室溫,加入亞鐵氰化鉀溶液2.5 mL、乙酸鋅溶液2.5 mL以除去蛋白質(zhì),以蒸餾水定容,搖勻靜置,去除上層脂肪。經(jīng)過濾,舍棄30 mL初濾液,再過濾得待測濾液。

      顯色反應(yīng):取樣品濾液2 mL于比色管中,定容至10 mL,加入乙酰丙酮溶液2 mL于100 ℃水浴中反應(yīng)15 min,取出冷卻,于波長412 nm處測吸光度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算甲醛含量:樣品中甲醛含量(mg/kg)=標(biāo)準(zhǔn)曲線算得甲醛含量(μg/mL)×125/15。

      1.3.4 復(fù)合菌劑發(fā)酵海藻渣的單因素試驗(yàn) 以乙酰丙酮法測定發(fā)酵樣品甲醛含量,以此評價(jià)發(fā)酵效果并確定單因素?cái)?shù)值范圍。

      1.3.4.1 麩皮添加量的選擇 取海藻渣100 g,分別添加5、10、15、20、25 g麩皮,20 g豆粕,接入質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的菌液,調(diào)節(jié)濕度后放入37 ℃恒溫培養(yǎng)箱發(fā)酵6 d。

      1.3.4.2 豆粕添加量的選擇 取海藻渣100 g,添加20 g麩皮,分別添加10、15、20、25、30 g豆粕,接入質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的菌液,調(diào)節(jié)濕度后放入37 ℃恒溫培養(yǎng)箱發(fā)酵6 d。

      1.3.4.3 接種量的選擇 取海藻渣100 g,添加20 g麩皮,25 g 豆粕,分別接入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1、2、3、4、5、6%的菌液,調(diào)節(jié)濕度后放入37 ℃恒溫培養(yǎng)箱發(fā)酵6 d。

      1.3.4.4 發(fā)酵溫度的選擇 取海藻渣100 g,添加20 g麩皮,25 g豆粕,接入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的菌液,調(diào)節(jié)濕度后分別放入29、33、37、41、45 ℃恒溫培養(yǎng)箱發(fā)酵6 d。

      1.3.4.5 發(fā)酵時(shí)間的選擇 取海藻渣100 g,添加20 g麩皮,25 g豆粕,接入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的菌液,調(diào)節(jié)濕度后放入41 ℃恒溫培養(yǎng)箱分別發(fā)酵4、6、8、10、12 d。

      1.3.5 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,在復(fù)合菌接種量為5%條件下,選用L9(34)正交試驗(yàn)表,綜合考察麩皮添加量、豆粕添加量、發(fā)酵溫度、時(shí)間對復(fù)合菌劑發(fā)酵海藻渣的影響。正交試驗(yàn)因素與水平見表1。

      1.4 數(shù)據(jù)分析

      試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0軟件分析。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 海藻渣中甲醛含量的測定結(jié)果

      按照“1.3.3”節(jié)中的方法制作甲醛標(biāo)準(zhǔn)曲線,得出回歸方程:y=0.021x+0.006(r2 = 0.999 3)。測得原海藻渣中甲醛含量為367.875 mg/kg。

      2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果

      2.2.1 麩皮添加量對甲醛含量的影響 由圖1可知,在一定范圍內(nèi),海藻渣發(fā)酵品發(fā)酵前后甲醛含量的差值隨麩皮添加量增加而增加,當(dāng)麩皮添加量為15%時(shí),經(jīng)復(fù)合菌發(fā)酵的海藻渣中甲醛含量下降最多,隨后下降量減少。這可能是因?yàn)辂熎ぬ砑恿窟^多時(shí),復(fù)合菌過多地利用麩皮,而減少了對海藻渣的降解。

      2.2.2 豆粕添加量對甲醛含量的影響 由圖2可知,在一定范圍內(nèi),海藻渣發(fā)酵品發(fā)酵前后甲醛含量差值隨豆粕添加量增加而增加,當(dāng)豆粕添加量為20%時(shí),經(jīng)復(fù)合菌發(fā)酵的海藻渣中甲醛含量下降最多,隨后下降量減少。這可能是因?yàn)槎蛊商砑恿窟^多時(shí),復(fù)合菌更多地分解豆粕,減少了對海藻渣的降解。

      2.2.3 復(fù)合菌劑接種量對甲醛含量的影響 由圖3可知,海藻渣發(fā)酵品甲醛含量隨著復(fù)合菌劑接種量的增加而逐漸降低,當(dāng)復(fù)合菌劑接種量超過5%后,發(fā)酵品中甲醛含量不再有明顯降低,這可能是因?yàn)閺?fù)合菌劑達(dá)到了最大發(fā)酵接種量。

      2.2.4 發(fā)酵溫度對甲醛含量的影響 由圖4可知,在一定范圍內(nèi),海藻渣發(fā)酵品甲醛含量隨發(fā)酵溫度的升高而降低,當(dāng)發(fā)酵溫度達(dá)41 ℃時(shí),發(fā)酵品中甲醛含量最低;當(dāng)發(fā)酵溫度繼續(xù)升高,發(fā)酵品中甲醛含量隨之增多。說明41 ℃為復(fù)合菌降解甲醛的最佳溫度,這可能是因?yàn)闇囟冗^高抑制了復(fù)合菌生長及分解作用,不利于海藻渣降解。

      2.2.5 發(fā)酵時(shí)間對甲醛含量的影響 由圖5可知,海藻渣發(fā)酵品中甲醛含量隨發(fā)酵時(shí)間延長而降低,當(dāng)發(fā)酵時(shí)間超過10 d 時(shí),發(fā)酵品中甲醛含量隨發(fā)酵時(shí)間延長不再明顯降低,這可能因?yàn)榘l(fā)酵產(chǎn)物抑制了復(fù)合菌生長,降低了其分解海藻渣的能力。

      2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

      由表2中的極差(R)值可知,各因素對甲醛含量影響的大小順序依次為發(fā)酵溫度>發(fā)酵時(shí)間>豆粕添加量>麩皮添加量。通過分析k1、k2、k3可知,最優(yōu)工藝組合為A3B3C3D2,在該條件下,發(fā)酵的海藻渣樣品,甲醛含量由未經(jīng)發(fā)酵的367.88 mg/kg降至發(fā)酵后的57.14 mg/kg,該結(jié)果均小于9組正交試驗(yàn)結(jié)果,證明該工藝所得最優(yōu)組合的可靠性。

      3 結(jié)論與討論

      以海藻加工廢渣為原料,輔以麩皮、豆粕為碳源、氮源,以復(fù)合菌為發(fā)酵菌劑進(jìn)行發(fā)酵,開展單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)。結(jié)果表明:在海藻渣中添加20%麩皮和25%豆粕,在45 ℃下發(fā)酵10 d,發(fā)酵產(chǎn)物中甲醛含量最低,甲醛含量可由367.88 mg/kg 降至57.14 mg/kg。

      本研究通過復(fù)合菌發(fā)酵海藻渣,降解其生產(chǎn)加工過程中變性的纖維素及蛋白質(zhì),釋放并利用海藻加工時(shí)大量殘留的甲醛,該工藝方法具有可行性。本研究為海藻渣應(yīng)用于牲畜、魚類飼料或其他高值化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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