枯草芽孢桿菌固態發酵玉米粉的研究

閆亞婷 周安國 王之盛

(四川農業大學動物營養研究所,雅安 625014)

枯草芽孢桿菌固態發酵玉米粉的研究

閆亞婷 周安國 王之盛

(四川農業大學動物營養研究所,雅安 625014)

以玉米粉為原料,選用枯草芽孢桿菌進行固態發酵,研究適宜的發酵條件及發酵對玉米粉營養成分的影響。試驗結果表明,適宜的發酵條件為:發酵時間 72 h,接種量 15%,料水比為 1∶0.4,硫酸銨添加量為 1.5%。發酵產物中淀粉含量顯著下降,降解率達到 37.76%(70.48%～43.87%)。淀粉相對分子質量顯著下降 (1.07×106～3.86×105)。可溶性糖含量提高了 171.9%(11.96%～32.52%),其中還原糖含量提高了 2.1倍 (3.94%～12.22%),糊精含量提高了 3.22倍 (3.77%～15.94%)。枯草芽孢桿菌發酵玉米粉能顯著提高可溶性糖的含量,從而改善飼用品質。

枯草芽孢桿菌 玉米粉 固態發酵 營養成分

玉米作為一種優質的能量飼料,在養殖業上得到廣泛的應用。但由于仔豬胃腸道還沒有發育完全,淀粉酶活力低,對復雜碳水化合物利用有限[1-3],致使仔豬對玉米的能量利用率低,進而引起仔豬腹瀉,生長停滯等問題[4]。

研究表明微生物發酵對飼料有很好的改造作用[5-8]。微生物在生長過程中產生的各種酶可以降低飼料中營養物質的相對分子質量,使其更加有利于幼齡動物消化吸收。淀粉的水解產物糊精能被仔豬有效利用。Lee等[9]在比較糊精、玉米淀粉、乳糖、葡萄糖、蔗糖對 21日齡斷奶仔豬生產性能的影響時,發現玉米淀粉組的平均日增重,平均日采食量顯著低于其他各組 (P<0.05);飼喂糊精與其他各組相比顯著提高了飼料轉化效率 (P<0.05)。

枯草芽孢桿菌能夠產生淀粉酶,同時也作為微生態制劑在飼料中得到廣泛應用[10-11]。因此本試驗旨在研究枯草芽孢桿菌發酵玉米的適宜發酵條件及發酵后玉米中營養物質的變化,探討微生物對玉米中碳水化合物的改造作用,為發酵能量飼料的應用提供依據。使玉米在幼齡動物上得到更好的應用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

枯草芽孢桿菌 (B acillus subtilus CICC20018):中國工業微生物菌種保藏管理中心;玉米粉:四川農業大學動物營養研究所實驗場;牛肉膏蛋白胨固態培養基:牛肉膏 5 g,蛋白胨 10 g,氯化鈉 5 g,瓊脂 20 g,水 1 000 mL,pH 7.2;牛肉膏蛋白胨液態培養基:牛肉膏 5 g,蛋白胨 10 g,氯化鈉 5 g,水 1 000 mL,pH 7.2;固態培養基:100 g玉米粉 (過 20目篩),蒸餾水,硫酸銨,pH自然;支鏈淀粉和直鏈淀粉:美國 Sigma公司;

GRP-9160型隔水式恒溫培養箱:上海森信實驗儀器有限公司;UV-1100型分光光度計:上海美普達有限公司;PHS-3C型精密 pH計:上海精密科學儀器有限公司;S W-CJ-1FD型單人單面凈化工作臺:上海一恒科學儀器有限公司;QYC-2102型大容量雙層全溫搖床:上海新苗醫療器械制造有限公司;LDZX-50KBS型立式壓力蒸汽滅菌器:上海申安醫療器械廠;

1.2 發酵工藝

1.2.1 活化培養

牛肉膏蛋白胨固態培養基斜面培養,121℃滅菌25 min,冷卻后接入一環枯草芽孢桿菌菌體,放入37℃恒溫培養箱,培養 48 h。

1.2.2 發酵種子液制備

從活化好的斜面培養基上,挑取兩環菌體接入牛肉膏蛋白胨液態培養基,37℃,120 r/min搖床培養 24 h,制得發酵種子液,用血球計數板計數,菌體達到 1×107個 /mL。

1.2.3 固態發酵方法

將玉米粉裝入 500 mL三角瓶中,按照正交試驗設計加入硫酸銨和水到指定含量,裹牛皮紙封口,121℃滅菌 25 min,冷卻后打散,將發酵種子液以不同的接種量接入發酵培養基中,攪拌均勻,封口,在37℃恒溫培養箱培養不同的時間。發酵后樣品在65℃烘箱中烘干,粉碎過 60目篩。

1.2.4 正交試驗條件優化

設定對發酵時間,接種量,料水比和硫酸銨添加量 4個條件進行優化,每個條件設計 3個水平,采用正交試驗,按 L9(34)正交表進行設計,以可溶性糖為指標確定最佳的發酵條件,試驗設計見表 1。

表 1 發酵因素水平表L9(34)

1.3 測定指標及方法

1.3.1 常規成分的測定

干物質、粗灰分、粗脂肪、粗蛋白、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維的測定按文獻[12]的方法進行。

1.3.2 碳水化合物的測定

淀粉、支 /直鏈淀粉的測定:雙波長法[13];淀粉相對分子質量的測定:凝膠滲透色譜法[14];可溶性糖的測定:蒽酮法[15];糊精的測定:菲林試劑法測定[15];還原糖的測定:3,5-二硝基水楊酸比色法[16]。

1.3.3 酸度的測定

pH測定:酸度計測定[17],總酸的測定:直接滴定法[18]。

1.4 數據統計

采用 SPSS(13.0)軟件進行方差分析和多重比較。

2 結果與討論

2.1 枯草芽孢桿菌發酵玉米粉的正交試驗結果及分析

從表 2中可以得出最佳發酵條件為 A2B3C3D2。由極差值 RD>RB>RA>RC可知,硫酸銨的添加量是影響玉米粉發酵的主要因素,其次為接種量、發酵時間和水的添加量。通過發酵條件的優化,可溶性糖含量增加明顯,其中第 6組比原玉米粉提高了1.69倍 (11.96%～32.19%)。

表 2 L(34)正交試驗直觀分析表

2.2 驗證試驗結果

因為由極差分析得到的最優工藝條件組合A2B3C3D2沒有在正交表中出現,所以對該最佳組合進行驗證試驗。采用 3個批次,每批 3個樣品,可溶性糖平均值為 32.24%,與正交表中的最大值32.19%無顯著差異。綜合考慮到生產實踐,發酵后干燥費用較大,因此確定正交表中發酵效果最好的組合 A2B3C1D2為本試驗最優發酵條件,即發酵時間為 72 h、接種量為 15%、料水比為 1∶0.4、硫酸銨的添加量為 1.5%。

2.3 固態發酵產物的常規成分分析

從表 3可見,原玉米粉與滅菌的玉米粉相比,粗脂肪、粗蛋白、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維的差異均達到極顯著水平 (P<0.01),可見滅菌處理對玉米粉有較大的影響。

與原料玉米粉相比,發酵玉米粉的干物質損失了 14.8%,粗灰分的質量分數提高了 13.38%。干物質下降可能是因為枯草芽孢桿菌消耗玉米粉中的營養物質用于自身的生長繁殖,部分能量在能量的轉化過程中以熱量的形式散失。礦物質是守恒的,干物質的損失導致發酵產物中粗灰分所占比重上升。

發酵產物中粗蛋白也顯著提高,比原玉米粉提高了 52.85%,比滅菌玉米粉提高了 17.15%。陳寶林等[19]發現猴頭菌固體發酵的玉米粉蛋白質質量分數高達 16.83%,比對照組提高了 45.59%,與本研究結果相似。

與滅菌玉米粉相比,發酵玉米粉的中性洗滌纖維下降了 4.76%,酸性洗滌纖維下降了 41.63%。說明枯草芽孢桿菌對纖維有一定的降解作用。

表 3 發酵前后玉米粉中的常規成分含量

2.4 固態發酵對玉米粉中淀粉及糖類的影響

由表 4可以看出,與原玉米粉相比,發酵產物中淀粉的含量顯著下降 (P<0.01),其中支鏈淀粉質量分數下降了 53.68%,直鏈淀粉質量分數上升了11.43%。可能是由于枯草芽孢桿菌分泌的淀粉酶作用于相對分子質量較大的支鏈淀粉,其分解為相對分子質量較小的直鏈淀粉。陳寶林等[19]發現猴頭菌固體發酵玉米粉中淀粉質量分數只有 21.86%,降解率達到 65.21%。閔偉紅等[20]發現經過乳酸菌發酵的大米,直鏈淀粉的質量分數由 12.33%增加到17.37%,大米淀粉中的支鏈淀粉被降解,直鏈淀粉含量增加,與本試驗結果一致。

隨著淀粉的分解,發酵產物中可溶性糖質量分數由 11.96%增加至 32.52%,達到極顯著水平 (P<0.01),其中還原糖質量分數提高了 2.1倍,糊精質量分數提高了 3.22倍。說明玉米粉經過枯草芽孢桿菌固態發酵,淀粉分解為糊精和還原糖。

表 4 發酵前后玉米粉中淀粉及糖類的含量

2.5 固態發酵前后玉米淀粉相對分子質量的變化

由圖 1可以看出,滅菌對玉米淀粉的相對分子質量也有較大影響。經過枯草芽孢桿菌發酵玉米淀粉相對分子質量比原玉米淀粉下降了 63.93%。說明枯草芽孢桿菌發酵使淀粉的平均聚合度降低,更有利于仔豬的吸收利用。

李里特等[14]研究自然發酵對整粒大米中淀粉的作用發現發酵后淀粉大分子降解,中等及小分子質量淀粉比例增加,分子質量大小趨于均勻。閔偉紅等[20]發現乳酸菌發酵使大米中的支鏈淀粉的平均聚合度降低。

圖 1 發酵前后玉米粉中淀粉相對分子質量

2.6 玉米粉固態發酵前后酸度變化的分析

由表 5可知,與原玉米粉相比發酵后玉米粉中總酸度提高了 5.58倍,pH下降了 1.01。說明枯草芽孢桿菌在代謝過程中產生了各種有機酸。斷奶仔豬胃酸分泌不足也是導致飼料消化率下降的一個原因。總酸增加,pH的下降有利于仔豬的消化吸收。

表 5 發酵前后玉米中酸度的變化

3 結論

3.1 枯草芽孢桿菌發酵玉米粉的適宜條件為發酵時間 72 h、接種量 15%、料水比 1∶0.4、硫酸銨的添加量1.5%。

3.2 玉米粉經過枯草芽孢桿菌發酵后淀粉含量顯著下降,分解率達到 37.76%(70.48%～43.87%),淀粉相對分子質量顯著降低 (1.07×106～3.86×105),可溶性糖含量提高了 1.72倍 (11.96%～32.52%)。

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Solid-State Fer mention ofMaizeMealwithBacillus Subtilis

Yan Yating Zhou Anguo Wang Zhisheng
(Institute ofAnimalNutrition,Sichuan AgriculturalUniversity,Ya′an 625014)

To study the effect of fer mentation on the nutritional ingredient ofmaize meal,solid-state fer menta2 tion ofmaizemealwithB acillius Subtiliswas carried out,and the fer mentation conditionswere optimized.Results:The optimized fer mentation conditions are fermentation time 72 h,inoculum size 15%,ratio of material to liquid 1∶0.4,and ammonium sulfate 1.5%.Compared with the original maize,the starch content decreases from 70.48% to 43.87%,decline by 37.76%,and the relative molecular mass of starch decreases significantly from 1.07×106to 3.86×105;Soluble sugar increases from 11.96%to 32.52%,among which reducing sugar increases by 2.1 times(from 3.94%to 12.22%)and dextrin increases by 3.22 times(from 3.77%to 15.94%).Solid-state fermention withB acillius Subtiliscan significantly increase the soluble sugar content of maize meal,thus improve its feeding quality.

B acillus Subtilis,maize meal,solid-state fer mentation,nutritional ingredient

S816.6

A

1003-0174(2011)01-0052-04

教育部創新團隊發展計劃(I RT0555)

2010-01-13

閆亞婷,女,1984年出生,碩士,動物營養與飼料科學

周安國,男,1942年出生,研究員,博士生導師,動物營養與飼料科學