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乳酸菌資源化利用農(nóng)副產(chǎn)品廢渣生產(chǎn)飼料添加劑的研究

2017-07-10 09:22:43      點(diǎn)擊:

導(dǎo)讀

乳酸菌是發(fā)酵糖類(lèi)且主要產(chǎn)物為乳酸的一類(lèi)無(wú)芽孢和革蘭染色陽(yáng)性細(xì)菌的總稱(chēng),乳酸菌廣泛存在于自然界和人和動(dòng)物的消化系統(tǒng)中,幾乎所有菌型都對(duì)人和動(dòng)物無(wú)毒無(wú)害,可維護(hù)人和動(dòng)物的身體健康。乳酸菌具備多種有益功能,其在醫(yī)藥、生物技術(shù)、食品和飼料等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。截至2010年,我國(guó)乳酸菌產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)超過(guò)200億元,產(chǎn)量突破160萬(wàn)t。在養(yǎng)殖業(yè)中,抗生素的使用日漸威脅人類(lèi)健康和環(huán)境安全,世界各國(guó)已普遍禁用或限用飼用抗生素;此外,微生物飼料添加劑已經(jīng)在畜禽養(yǎng)殖業(yè)中得到廣泛地認(rèn)可和使用,其中最受推崇的微生物飼料添加劑之一就是乳酸菌。乳酸菌在動(dòng)物體內(nèi)能發(fā)揮許多生理功能,有促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng),調(diào)節(jié)胃腸道正常菌群,維持微生態(tài)平衡及改善胃腸道的功能,可提高食物消化率和生物效價(jià),降低血清膽固醇及控制內(nèi)毒素,抑制腸道內(nèi)腐敗菌生長(zhǎng),提高機(jī)體免疫力及防治多種腸道疾病。2008年12月中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部1126號(hào)公告《飼料添加劑品種目錄(2008)》中規(guī)定可直接飼喂動(dòng)物的飼料級(jí)微生物添加劑菌種:地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、兩歧雙歧桿菌、糞腸球菌、屎腸球菌、乳酸腸球菌、嗜酸性乳桿菌、干酪乳桿菌、乳酸乳桿菌、植物乳桿菌、乳酸片球菌、戊糖片球菌、產(chǎn)朊假絲酵母、釀酒酵母、沼澤紅假單胞菌和保加利亞乳桿菌,共16種,其中11種為乳酸菌。

盡管乳酸菌在養(yǎng)殖業(yè)中意義重大,但其作為生物飼料添加劑的規(guī)模還比較小,目前市場(chǎng)份額約為10億元,其主要原因在于目前乳酸菌的研究和應(yīng)用更多地集中在發(fā)酵乳制品(益生菌酸奶、益生菌發(fā)酵乳飲料和益生菌奶酪)、發(fā)酵豆乳制品、功能性食品配料、食品添加劑(在嬰兒配方乳粉、中老年乳粉和果汁等中的添加等)和膳食補(bǔ)充劑(片劑和膠囊等)等方面上,研究方向更多地集中在發(fā)酵菌劑的研制和使用等。規(guī)模的局限也造成乳酸菌飼料添加劑研發(fā)滯后。要為消費(fèi)者提供更多健康的肉類(lèi)食品,就必須加快乳酸菌工業(yè)化生產(chǎn)的研究。目前乳酸菌飼料添加劑的規(guī)?;a(chǎn)需要解決3個(gè)問(wèn)題,原料廉價(jià)易得,最好是廢棄的農(nóng)副產(chǎn)品;工藝低碳環(huán)保,盡量減少能源消耗和二次污染;操作簡(jiǎn)便,不需添加外源物質(zhì),如都符合就能生產(chǎn)出高密度的乳酸菌,為此研究者們不懈努力。劉曉紅等以玉米粉和麥麩等為固態(tài)基質(zhì),對(duì)一株植物乳桿菌進(jìn)行固態(tài)混合發(fā)酵試驗(yàn),培養(yǎng)結(jié)束后乳桿菌活菌數(shù)可達(dá)100億CFU/g;方芳等以玉米粉、豆粕和麥麩為基質(zhì)對(duì)保加利亞乳桿菌、嗜酸乳桿菌和嗜熱鏈球菌進(jìn)行固態(tài)混合發(fā)酵試驗(yàn),40℃時(shí)得出最好發(fā)酵結(jié)果,各活菌數(shù)超過(guò)10億CFU/mL。許贛榮等明一種利用糖渣培養(yǎng)乳酸菌及生產(chǎn)乳酸活菌飼料的方法,以玉米淀粉制糖工業(yè)副產(chǎn)物糖渣為主要原料,添加麩皮和蛋白胨等物質(zhì),采用固態(tài)分批液態(tài)分批或液態(tài)補(bǔ)料的方式,研制出液態(tài)培養(yǎng)活菌含量超過(guò)10億CFU/mL,固態(tài)培養(yǎng)活菌含量超過(guò)10億CFU/g的乳酸菌劑。然而對(duì)照規(guī)?;a(chǎn)需要解決的3個(gè)問(wèn)題,上述研究離目標(biāo)要求還有一定距離。在我國(guó),每年都有數(shù)以萬(wàn)t的菠蘿渣、羅漢果渣、燒仙草渣、馬蹄淀粉廢水及馬蹄渣等農(nóng)產(chǎn)品加工廢渣,量大且相對(duì)集中,對(duì)其進(jìn)行資源化利用的意義十分重大。研究植物乳桿菌對(duì)上述農(nóng)副產(chǎn)品廢渣的利用情況,同時(shí)發(fā)現(xiàn)一種利用馬蹄淀粉廢水及馬蹄渣生產(chǎn)乳酸菌飼料添加劑的新方法。

1材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)菌種

植物乳桿菌,實(shí)驗(yàn)室分離保存,標(biāo)記為L(zhǎng)P199,菌劑為干粉狀,活菌含量400B/g。

1. 1. 2 農(nóng)副產(chǎn)品廢渣

菠蘿渣(菠蘿經(jīng)壓榨機(jī)壓榨取汁后的果渣),羅漢果渣(鮮羅漢果經(jīng)浸提壓榨后的果渣,主要為羅漢果核),燒仙草渣(燒仙草干草經(jīng)浸提后的草渣),馬蹄淀粉廢水(馬蹄經(jīng)勻漿、去渣和流槽沉淀后的廢水),馬蹄渣(馬蹄勻漿經(jīng)漿渣分離再作壓濾后之渣)。

1. 2 試驗(yàn)方法

1. 2. 1 可資源化利用農(nóng)副產(chǎn)品廢渣的快速篩選

取0.40 g 植物乳桿菌菌劑,加入至1 000 mL滅菌氯化鈉注射液中,混勻,制得1億CFU/mL 的菌種液。將菌種液按1∶10 分別接種于下列試驗(yàn)編號(hào)的樣品中。

1 號(hào): 450 g 菠蘿渣,加入450 mL 蒸餾水,置于1 000 mL廣口瓶中; 2 號(hào): 450 g 羅漢果渣, 加入450 mL 蒸餾水, 均質(zhì), 置于1 000 mL廣口瓶中; 3 號(hào): 450g 燒仙草渣,加入450mL 蒸餾水,均質(zhì),置于1 000 mL 廣口瓶中; 4 號(hào): 900 mL 馬蹄淀粉廢水, 置于1 000mL廣口瓶中; 5 號(hào): 450 g 馬蹄渣,加入450mL 蒸餾水,置于1 000mL廣口瓶中。密封置30 ℃發(fā)酵24 h,進(jìn)行感官、菌相鏡檢及pH 測(cè)定,其中pH 用檢定合格的pH 計(jì)測(cè)定。5個(gè)樣品同時(shí)另備一份,相應(yīng)編號(hào)為A、B、C、D 和E,進(jìn)行發(fā)酵前的感官、菌相鏡檢及pH 測(cè)定。選取發(fā)酵后色澤和氣味較好、革蘭陽(yáng)性短桿菌較多且純及pH 較低的樣品作為植物乳桿菌可資源化利用的基質(zhì)。

1. 2. 2 植物乳桿菌LP199 對(duì)選用基質(zhì)營(yíng)養(yǎng)成分利用的試驗(yàn)

對(duì)篩選出的基質(zhì),重復(fù)1.2.1 中試驗(yàn),檢測(cè)其發(fā)酵前后的總糖、蛋白質(zhì)、總酸( 以乳酸計(jì)) 、乳酸、脂肪、淀粉、粗纖維和膳食纖維等營(yíng)養(yǎng)成分,并分析前后變化。相關(guān)方法根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB /T5009.8—2008、GB 5009.5—2010、GB/T 12456—2008、SN/T 2007—2007、GB/T 5009.6—2003、GB/T 5009.9—2008、GB/T 5009.10—2003 及GB/T 5009.88—2008進(jìn)行。對(duì)固體廢渣進(jìn)行氨基酸檢測(cè),分析發(fā)酵前后變化。對(duì)氨基酸的檢測(cè)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB /T5009.124-2003方法進(jìn)行。

1.2.3 選擇基質(zhì)生產(chǎn)乳酸菌劑的試驗(yàn)

試驗(yàn)前,現(xiàn)場(chǎng)取樣,測(cè)可溶性固形物、pH、鏡檢和菌落總數(shù)??扇苄怨绦挝镉檬殖质秸酃鈨x直接讀數(shù),菌落總數(shù)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4789.2—2010方法檢測(cè)。試驗(yàn)時(shí),將植物乳桿菌菌種液按1∶10 直接接入基質(zhì)中過(guò)夜進(jìn)行一級(jí)放大,再按同比例接種培養(yǎng),發(fā)酵24 h,測(cè)鏡檢、感官、pH 及乳桿菌數(shù),同時(shí)作對(duì)照試驗(yàn)。

2結(jié)果與分析

2. 1 可資源化利用的農(nóng)副產(chǎn)品廢渣快速篩選結(jié)果

利用植物乳桿菌LP199 對(duì)菠蘿渣、羅漢果渣、燒仙草渣、馬蹄淀粉廢水及馬蹄渣等進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表1。

試驗(yàn)所用菌種LP199,為一種植物乳桿菌,系革蘭陽(yáng)性桿菌,分散排列,菌體大小( 0. 8~1. 0) μm×( 1. 0~2.0) μm。菌種LP1999 在菠蘿渣中未能占據(jù)主導(dǎo)地位,大量生長(zhǎng)的是一種革蘭陽(yáng)性鏈桿菌; 羅漢果渣發(fā)酵后總體菌量較少,并且酵液發(fā)臭; 燒仙草渣接種培養(yǎng)后呈現(xiàn)混合菌相,pH 未能明顯下降,且出現(xiàn)產(chǎn)氣和腐爛味; 因此上述3 種廢渣均不適合作為生產(chǎn)乳酸菌劑的基質(zhì)。馬蹄淀粉廢水和馬蹄渣發(fā)酵后,其pH 迅速下降,具有特殊發(fā)酵的酸香味,菌體主要為植物乳桿菌,故研究首先選取此2 種物質(zhì)作為培養(yǎng)植物乳桿菌的基質(zhì)。

2. 2 植物乳桿菌LP199 對(duì)馬蹄淀粉廢水和馬蹄渣營(yíng)養(yǎng)成分的利用結(jié)果

將菌種LP199 接種于馬蹄淀粉廢水和馬蹄渣中,檢測(cè)其發(fā)酵前后總糖、蛋白質(zhì)及總酸等營(yíng)養(yǎng)成分含量,結(jié)果見(jiàn)表2。

發(fā)酵后,馬蹄淀粉廢水和馬蹄渣總糖接近0,而總酸大幅增加。總酸成分主要為乳酸,馬蹄淀粉廢水中乳酸與總酸的比為82%,馬蹄渣中乳酸與總酸的比為98%,說(shuō)明菌種LP199 是同型乳酸發(fā)酵,如此高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳酸足以抑制或殺滅其他細(xì)菌,為其免于對(duì)基質(zhì)的熱處理從而實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)酵奠定基礎(chǔ)。

發(fā)酵前后,蛋白質(zhì)、脂肪和淀粉的含量沒(méi)有明顯變化,提示菌種LP199 與其他大多數(shù)乳酸菌一樣,缺乏這些物質(zhì)的分解酶系,其生長(zhǎng)所需因子主要來(lái)源于馬蹄淀粉廢水和馬蹄渣中已有的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),同時(shí)也說(shuō)明馬蹄淀粉廢水和馬蹄渣的利用前景廣闊。試驗(yàn)同時(shí)檢測(cè)的還有馬蹄渣發(fā)酵前后氨基酸的含量,結(jié)果見(jiàn)表3。

馬蹄渣經(jīng)菌種LP199 發(fā)酵后,其氨基酸含量由4.400 g /100 g 增加至5.743 g /100 g,總量增加30. 50%。氨基酸中,只有胱氨酸減少,其余全部增加,增加超過(guò)50%的有谷氨酸、酪氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、賴(lài)氨酸、組氨酸和精氨酸,其中后5 種氨基酸為畜禽必需氨基酸。氨基酸含量的變化反映出菌種LP199 復(fù)雜的生理代謝作用,因?yàn)榘被岜旧砭褪侨樗峋牧己玫孜铮园l(fā)酵后氨基酸含量的增加可能來(lái)源于菌體的增加,表明菌種LP199 是一種優(yōu)良的單細(xì)胞蛋白。

2.3 馬蹄淀粉廢水及馬蹄渣生產(chǎn)乳酸菌劑試驗(yàn)結(jié)果

將菌種放大一級(jí)后再分別接種于馬蹄淀粉廢水和馬蹄渣中,自然環(huán)境條件下密封放置,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。試驗(yàn)于2012 年12 月23 日和2013 年2 月1 日在宏源公司生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行2 次,日平均氣溫20 ℃ ~15 ℃,結(jié)果取2 次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均數(shù)。

從表4 可見(jiàn): 馬蹄淀粉廢水和馬蹄渣基質(zhì)中,含有一定的雜菌,數(shù)量超過(guò)100 萬(wàn)CFU/( mL·g-1) ,主要是一些革蘭陽(yáng)性小球菌, 如不接種菌種LP199,24 h 后,該菌會(huì)大量繁殖,菌體密度超過(guò)10 億CFU/( mL· g-1) 。而接入10% 的菌種LP199 一級(jí)放大菌液后,菌種LP199 的生長(zhǎng)數(shù)量居于主導(dǎo)地位,培養(yǎng)液中幾乎全為植物乳桿菌,由于沒(méi)有其他外源菌,表中乳桿菌的數(shù)量就是菌種LP199 的數(shù)量,它在馬蹄淀粉廢水中的純度是91. 70%,在馬蹄渣中的純度幾乎是100%,而且密度較高,活菌數(shù)超過(guò)10億CFU/(mL·g-1)。

目前由于我國(guó)還沒(méi)有乳酸菌菌劑的國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),如以中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部光合細(xì)菌菌劑的標(biāo)準(zhǔn)作為生物菌劑的判定依據(jù),可發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)得到的乳酸菌菌劑數(shù)量的雜菌率均滿足其要求,是一種優(yōu)良的生物飼料添加劑,特別是馬蹄渣中還含有大量的膳食纖維(見(jiàn)表2),更凸顯其作為飼料添加劑的優(yōu)越性。

3討論

研究發(fā)現(xiàn)一種利用馬蹄淀粉廢水和馬蹄渣生產(chǎn)植物乳桿菌飼料添加劑的新方法,該方法具有原料廉價(jià)易得、工藝低碳環(huán)保和操作簡(jiǎn)便可行等特點(diǎn),由此生產(chǎn)的生物飼料添加劑可廣泛應(yīng)用于畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖。

植物乳桿菌屬于乳桿菌屬,其營(yíng)養(yǎng)要求比較復(fù)雜,需要氨基酸、核酸衍生物、維生素和可發(fā)酵的糖等,因此并非所有的農(nóng)副產(chǎn)品廢渣都可被其利用,如菠蘿渣、羅漢果渣和燒仙草渣等,廢棄柑橘和柿子則更難被利用。研究發(fā)現(xiàn),馬蹄淀粉廢渣是培養(yǎng)植物乳桿菌LP199 的優(yōu)良基質(zhì)。馬蹄淀粉加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢水和廢渣, 可溶性固形物達(dá)1.50%~2.00%,實(shí)際上可看作是馬蹄勻漿的上清液( 因廢渣含水量也達(dá)到79.60%) ,其中蘊(yùn)含著豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),非常適合植物乳桿菌的生長(zhǎng),植物乳桿菌接種至馬蹄淀粉的廢水和廢渣后,能迅速增殖,產(chǎn)生大量的乳酸,pH 低于4.0,抑制和殺滅其他微生物,使雜菌率控制在10%以?xún)?nèi),這一培養(yǎng)特性可用于生物飼料添加劑的工業(yè)化生產(chǎn),因其不需添加任何外源物質(zhì),不需任何熱處理措施,甚至可做到0排放。

與馬蹄淀粉廢水相比,馬蹄渣作為基質(zhì)更有利于植物乳桿菌LP199 的增殖,利用后不僅活菌含量更高,且菌物更純,純度幾乎可達(dá)100%。有趣的是,馬蹄渣接種植物乳桿菌LP199培養(yǎng)后,其氨基酸含量增加30. 50%,這可能是由于菌體蛋白的增加造成的,這一結(jié)果表明菌體本身可作為高質(zhì)量的單細(xì)胞蛋白。然而由于氨基酸的總含量不高,因此其應(yīng)用意義更多地在植物乳桿菌的大量增殖足以達(dá)到發(fā)揮對(duì)動(dòng)物的益生作用,同時(shí)通過(guò)改善馬蹄渣的營(yíng)養(yǎng)成分,增加其適口性,從而增加其作為生物飼料添加劑的性?xún)r(jià)比。

采用一級(jí)放大,二級(jí)10%的接種量,自然環(huán)境條件下直接培養(yǎng),無(wú)需任何特殊的工藝,即可將馬蹄淀粉廢水和馬蹄渣變?yōu)榛罹砍^(guò)10億CFU/(mL·g-1)的乳酸菌飼料添加劑。由于乳酸菌對(duì)環(huán)境敏感,不易保存,因此還需對(duì)其活性保存條件作進(jìn)一步研究。

以年產(chǎn)2 000 t 馬蹄淀粉來(lái)計(jì),馬蹄淀粉廢水和馬蹄渣量將分別約達(dá)到1.20 萬(wàn)和0.45 萬(wàn)t,其量大,且相對(duì)集中,因此對(duì)其進(jìn)行資源化利用生產(chǎn)乳酸菌飼料添加劑前景廣闊,馬蹄濕渣中還含有13.50 g /100 g 的膳食纖維,折合干物質(zhì)基礎(chǔ)含量為67.60 g /100 g,這將大幅增加其作為生物飼料添加劑的潛在價(jià)值。

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