酵母菌與乳酸菌共培養發酵馬鈴薯渣的研究

張 鑫，高愛武，黃雅娟，云美林，苗海明

（內蒙古農業大學食品科學與工程學院，內蒙古呼和浩特010018）

酵母菌與乳酸菌共培養發酵馬鈴薯渣的研究

張 鑫，高愛武，黃雅娟，云美林，苗海明

（內蒙古農業大學食品科學與工程學院，內蒙古呼和浩特010018）

選用4株酵母菌和2株乳酸菌固態發酵馬鈴薯渣，通過測定發酵產物粗蛋白和真蛋白含量變化情況，確定酵母菌與乳酸菌的共生關系，最終篩選生產SCP（單細胞蛋白）的適宜菌種組合。實驗結果表明，適宜的菌株配伍為釀酒酵母+白地霉+熱帶假絲酵母+植物乳桿菌，經過發酵，馬鈴薯渣粗蛋白含量為35.63%，真蛋白含量為14.05%。

酵母菌，乳酸菌，共培養，馬鈴薯渣

單細胞蛋白（single cell protein，簡稱SCP）亦稱微生物蛋白或菌體蛋白，主要指酵母、細菌、真菌和某些低等藻類生物等微生物，在其生長過程中利用各種基質在適宜條件下，培養單細胞或絲狀微生物的個體而獲得的菌體蛋白（Microbial protein）[1]。用于生產SCP的微生物種類很多，主要包括四大類群，即非致病和非產毒的酵母、細菌、霉菌及藻類[2]。微生物發酵生產單細胞蛋白，關鍵是菌種，目前由單一菌株趨向于復合菌株的協同發酵報道越來越多，復合菌株多由霉菌和酵母組成，也有霉菌與霉菌組成的，但是對酵母菌和乳酸菌組合報道很少[3]。在食品中，乳酸菌和酵母菌之間穩定的共培養是普遍存在的，因為這種共生作用可以增加微生物對于復雜食品系統的適應性[4]，同時也能增加菌種之間的協同作用。研究表明，在食物中由乳酸菌創造的酸性環境對酵母菌的增殖有促進作用，同時，酵母菌產生許多生長因子，如維生素、可溶性氮化合物，這些物質的存在也對乳酸菌的生長有促進作用。在發酵過程中，乳酸菌和酵母菌的共培養也可能會產生一些代謝產物，這些代謝產物會改善產品的風味[4]。目前，許多食品加工廠針對鮮薯渣常規的做法是將其廉價賣掉或者當廢棄物扔掉，這不僅會造成資源浪費，還會導致嚴重的環境污染。研究表明，鮮薯渣中含有大量的纖維素、果膠等可利用成分，同時含有部分淀粉和少量蛋白質[5]，其營養豐富，是很好的培養基，如果合理利用，不僅能實現馬鈴薯渣變廢為寶的目的，而且還解決了食品工廠廢渣處理的難題，達到食品工業副產物綜合利用的目的。本研究的目的是以馬鈴薯渣為原料，對釀酒酵母、產阮假絲酵母、白地霉、熱帶假絲酵母、植物乳桿菌和嗜酸乳桿菌進行單一菌株發酵培養和混合菌株發酵培養，通過對發酵產物的粗蛋白和真蛋白含量的比較，確定生產單細胞蛋白較好的最佳菌株或混合菌株，為合理開發共生菌株生產單細胞蛋白提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯渣 粗蛋白和真蛋白含量均為4.98%，內蒙古清水河脫水蔬菜廠提供；麩皮 市售；釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、產阮假絲酵母（Candida tails）、白地霉（Geotr ichum candidum）、熱帶假絲酵母（Candida tropicalis）、植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum） 內蒙古農業大學食品科學與工程學院微生物實驗室提供；嗜酸乳桿菌（Lactobacillus acidophilus）由中國工業微生物菌種保藏中心購得。為了便于標記，菌種編號為：1#釀酒酵母、2#產阮假絲酵母、3#白地霉、4#熱帶假絲酵母、5#植物乳桿菌、6#嗜酸乳桿菌；尿素、硫酸銨、磷酸氫二鉀、硫酸鎂 均為分析純；MRS斜面培養基[5]；YEPD斜面培養基[6]；種子培養基成分同斜面培養基，不加瓊脂；馬鈴薯渣固體發酵培養基 馬鈴薯渣80%、麩皮20%、尿素1.5%、硫酸氨1.5%、磷酸氫二鉀0.6%、硫酸鎂0.05%、水分65%～ 70%；以上培養基均在115℃滅菌30min。

LDZX-50FA型立式高壓蒸汽滅菌器 上海申安醫療器械廠；DHP-9272型電熱恒溫培養箱、DHG-9145A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒科技有限公司；2HJH-1112B型垂直流超凈工作臺 上海智城分析儀器制造有限公司；PL303-01型電子分析天平 上海梅特勒-托利多儀器有限公司；水浴恒溫振蕩器 深圳市沙頭角國華儀器廠；KDA-08A型凱氏定氮儀 上海新嘉電子有限公司；HN-12A型紅外線消煮爐 上海勇規分析儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 馬鈴薯渣發酵工藝路線

1.2.2 操作要點

1.2.2.1 乳酸菌種子液的制備 將4℃保存的植物乳桿菌和嗜酸乳桿菌接于MRS斜面培養基上活化，37℃培養24h，再將斜面菌種挑取一環接于MRS液體試管培養基中，37℃培養24h，作為一級種子培養基；以10%接種量接入裝液量20mL/50mL MRS三角瓶液體培養基中，于37℃下以240r·min-1振蕩培養24h，作為二級種子培養基。

1.2.2.2 酵母菌種子液的制備 將4℃保存的酵母菌接于YEPD斜面培養基上活化，28℃培養48h，再將斜面活化后的菌種挑取一環接于YEPD液體試管培養基中，28℃培養24h，作為一級種子培養基；以10%接種量接入裝有20ml/50mL YEPD三角瓶液體培養基中，于28℃下以240r·min-1振蕩培養24h，作為二級種子培養基。

1.2.2.3 接種發酵 將二級種子培養基按10%接入馬鈴薯渣固體培養基中，28℃恒溫培養箱培養72h，每天用無菌玻棒翻動培養物。

1.2.2.4 干燥 恒溫鼓風干燥箱干燥。

1.2.2.5 粉碎 干燥樣粉碎過40目篩。

1.2.3 菌種篩選實驗

1.2.3.1 單一菌種發酵 將6株菌分別接種于已滅菌的馬鈴薯渣固態發酵培養基上，自然pH，置于28～ 30℃培養箱，培養72h，低溫烘干至恒重，以粗蛋白和真蛋白含量為檢測指標，通過單菌種實驗，分析各個菌種發酵前后產物中蛋白質含量的變化情況。

1.2.3.2 復合菌種發酵實驗 考慮所有的菌種組合，進行發酵，篩選最優的菌種組合。

在燒杯內裝入100g馬鈴薯渣固體發酵培養基，分別接入10%不同組合的混菌種，雙菌接種比例為1∶1，三菌接種比例為1∶1∶1，四菌接種比例為1∶1∶1∶1，五菌接種比例為1∶1∶1∶1∶1，自然pH，置于28～30℃恒溫箱中培養72h，低溫烘干至恒重后測定其粗蛋白質和真蛋白含量。

1.3 檢測指標

水分的測定：直接干燥法[7]；粗蛋白的測定：凱氏定氮法[7]；真蛋白的測定：硫酸銅沉淀法[8]。

1.4 數據統計

采用DPS軟件對數據進行統計分析，結果采用平均數±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 單一菌種發酵實驗

通過單菌種實驗，測得發酵后產物的粗蛋白和真蛋白含量見表1。

表1 單菌種發酵粗蛋白和真蛋白含量（%）Table 1 The content of single strain fermentation crude protein and true protein（%）

由表1可知，6株菌分別進行單菌發酵，其粗蛋白和真蛋白含量均比原馬鈴薯渣蛋白質含量高，表明6株菌均能利用馬鈴薯渣生產單細胞蛋白。單菌產蛋白高低順序為：白地霉＞釀酒酵母＞產阮假絲酵母＞熱帶假絲酵母＞嗜酸乳桿菌＞植物乳桿菌。其中，加入3#（白地霉）菌株后，發酵產物表面形成白色菌絲體，發酵產物粗蛋白和真蛋白含量在單菌發酵實驗組中最高，分別為31.4%和12.15%。資料表明，白地霉、假絲酵母和釀酒酵母都是SCP生產中被應用的菌種[9-12]，而且具有生長快、生物量高、蛋白質含量高等特點，尤其是白地霉具有良好地利用淀粉的能力。加入1#（釀酒酵母）菌株后的固體發酵產物，有輕微的醇香味，粗蛋白和真蛋白含量分別為30.62%和11.71%。

2.2 復合菌種發酵實驗

2.2.1 雙菌種組合發酵實驗 對菌種兩兩混合進行發酵，根據1株酵母菌+1株乳酸菌的原則，發酵產物粗蛋白和真蛋白含量見表2。

表2 雙菌種組合發酵粗蛋白和真蛋白含量（%）Table 2 The content of double strains fermentation crude protein and true protein（%）

由表2可知，雙菌種混合發酵產物粗蛋白含量范圍為31.42%～32.98%，真蛋白含量范圍為12.22%～12.94%。其中，3#6#（白地霉+嗜酸乳桿菌）菌種組合發酵粗蛋白和真蛋白含量最高，分別為32.98%和12.94%，對其發酵后的產物進行觀察發現，48h后的發酵產物表面被一層白色的菌絲所覆蓋，菌絲體潔白，發酵產物為淡黃色。

2.2.2 三菌種組合發酵實驗 對菌種三菌混合進行發酵，根據2株酵母菌+1株乳酸菌的原則，發酵產物粗蛋白和真蛋白含量見表3。

表3 三菌種發酵粗蛋白和真蛋白含量（%）Table 3 The content of three strains fermentation crude protein and true protein（%）

由表3可知，三菌種混合發酵產物的粗蛋白含量范圍為32.98%～33.94%，真蛋白含量范圍為12.95%～13.61%。其中，3#4#5#（白地霉+熱帶假絲酵母+植物乳桿菌）菌種組合粗蛋白和真蛋白含量最高，分別為33.94%和13.61%。

2.2.3 四菌種組合發酵實驗 對四菌混合進行發酵，根據3株酵母菌+1株乳酸菌的原則，發酵產物粗蛋白和真蛋白含量見表4。

由表4可知，四菌種混合發酵產物的粗蛋白含量范圍為34.29%～35.63%，真蛋白含量范圍為13.60%～14.05%，其中1#3#4#5#（釀酒酵母+白地霉+熱帶假絲酵母+植物乳桿菌）菌種組合粗蛋白和真蛋白含量最高，分別為35.63%和14.05%。

2.2.4 五菌種組合發酵實驗 對菌種五菌混合進行發酵，根據4株酵母菌+1株乳酸菌的原則，發酵產物蛋白和真蛋白含量見表5。

表4 四菌種發酵粗蛋白和真蛋白含量（%）Table 4 The content of four strains fermentation crude protein and true protein（%）

表5 五菌種發酵粗蛋白和真蛋白含量（%）Table 5 The content of five strains fermentation crude protein and true protein（%）

由表5可知，五菌種混合發酵粗蛋白和真蛋白含量情況，五菌發酵的粗蛋白和真蛋白含量明顯下降，粗蛋白含量最高為32.44%、真蛋白含量最高為12.73%。

3 結論與討論

單菌發酵馬鈴薯渣，白地霉產蛋白能力最高，粗蛋白和真蛋白含量為31.4%和12.15%。

混菌發酵馬鈴薯渣，釀酒酵母、白地霉、熱帶假絲酵母與植物乳桿菌混菌組合產蛋白能力最高，粗蛋白和真蛋白含量為35.63%和14.05%。

本研究結果顯示，在單菌發酵中，3#菌株（白地霉）發酵產蛋白的能力高于其它單一菌株，其粗蛋白和真蛋白含量為31.4%和12.15%；雙菌混合發酵中，3#6#組合（白地霉+嗜酸乳桿菌）產蛋白能力高于其它雙菌組合，其粗蛋白和真蛋白含量為32.98%和12.94%；三菌混合發酵中，3#4#5#組合（白地霉+熱帶假絲酵母+植物乳桿菌）產蛋白能力高于其它三菌混合，其粗蛋白和真蛋白含量為33.94%和13.61%；四菌混合發酵中，1#3#4#5#組合（釀酒酵母+白地霉+熱帶假絲酵母+植物乳桿菌）產蛋白能力高于其它四菌混合，其粗蛋白和真蛋白含量為35.63%和14.05%；五菌組合發酵粗蛋白和真蛋白含量高于單菌發酵，但是低于其他混菌組合。單一菌株和混合菌株發酵馬鈴薯渣產粗蛋白和真蛋白結果表明：四菌組合＞三菌組合＞雙菌組合＞五菌組合＞單菌。四菌組合生產的粗蛋白和真蛋白含量在p＜0.05顯著高于單菌發酵。由此說明，菌株的最佳組合為1#3#4#5#（釀酒酵母+白地霉+熱帶假絲酵母+植物乳桿菌）。

在馬鈴薯廢渣生產單細胞蛋白方面，國內的一些科研單位也做過相關研究。王文俠等[13]先用中溫a-淀粉酶和Nutrase中性蛋白酶將馬鈴薯渣中的纖維素和蛋白質分解，再接種產生單細胞蛋白的菌株—產骯假絲酵母和熱帶假絲酵母，可使單細胞蛋白中的真蛋白含量達到12.27%；史琦云等[14]用白地霉、假絲酵母和釀酒酵母多菌固體發酵馬鈴薯廢渣，生產出粗蛋白質含量22.16%的單細胞蛋白。本研究結果顯示，釀酒酵母、白地霉、熱帶假絲酵母三株酵母菌和一株植物乳酸菌，四菌株聯合共培養固體發酵馬鈴薯廢渣，可生產出粗蛋白含量為35.63%、真蛋白含量為14.05%的單細胞蛋白。通過比較，用酵母菌和乳酸菌混菌發酵法生產的單細胞蛋白粗蛋白含量要高于酶解法和單純酵母菌混菌法。

研究表明，酵母菌與乳酸菌兩者有著相似的生長條件，有著很好的共生基礎，如適宜的pH4～7，適宜生長和發酵的溫度25～37℃，都可以利用葡萄糖、果糖、麥芽糖等進行發酵，共同發酵不僅可以提高發酵速度，加速有益產物的積累，而且會產生豐富、良好的風味物質[15-16]。乳酸菌和酵母菌可廣泛應用于發酵食品，如開菲爾、酸馬奶酒、腌制品、精制米酒、日本面醬、醬油及發酵乳[17-18]。在這些環境中，乳酸菌與酵母菌存在著廣泛的共生關系，二者相互促進生長。Leroi和Pidoux曾報道了法國某地區的傳統發酵飲品中含糖開菲爾粒中的乳酸菌和酵母菌在增殖過程中的相互作用[19-20]。

酵母菌和乳酸菌混菌較單菌發酵馬鈴薯渣產生的粗蛋白和真蛋白含量高，表明3株酵母菌和1株乳酸菌在生長和代謝過程中可能存在相互作用。酵母菌為兼性好氧菌，乳酸菌為微好氧菌，酵母菌和乳酸菌都耐酸，并且乳酸菌的一般培養基中都含有蛋白胨和酵母膏，在進行有氧培養時，酵母菌產生大量的菌體和代謝產物，同時這種培養條件又不會影響乳酸菌的存活，乳酸菌通過作用于馬鈴薯渣中的碳水化合物產生乳酸，為酵母菌生長提供了良好的酸性生長環境[21]，碳源充足時，酵母菌大量的繁殖。同時3株酵母菌對乳酸菌的生長有促進作用。與Loretan等[22]對開菲爾乳研究結果相同，研究認為酵母菌能提供氨基酸、維生素等其他化合物作為生長因子促進乳酸菌生長，暗示了乳酸菌和酵母菌之間的共生關系。

目前乳酸菌與酵母菌共同發酵生產單細胞蛋白的研究較少，也未見共培養發酵馬鈴薯渣的報道。本實驗利用3株酵母菌和1株乳酸菌發酵馬鈴薯渣，對共生菌株生產單細胞蛋白的條件進行初步探索，為食品工廠廢棄物的綜合利用提供了理論依據。

[1]黃群，馬美湖，夏巖石，等.單細胞蛋白開發及其在蛋雞營養中應用的研究[J].飼料研究，2004（2）：20-24.

[2]董衍明，馬雁玲.單細胞蛋白飼料的開發與利用[J].飼料研究，2005（9）：25-27.

[3]張偉心，馬艷玲，霍玉鵬.混合菌發酵玉米秸稈生產菌體蛋白飼料的研究[J].飼料研究，2000（6）：5-7.

[4]J K Mugula，J A Narvhus，T Sorhaug.Use of starter cultures of lactic acid bacteria and yeasts in the preparation of togwa，a Tanzanian fermented food[J].International Journal of Food Microbiology，2003，83：307-318.

[5]楊希娟，孫小鳳，肖明，等.馬鈴薯渣固態發酵制作單細胞蛋白飼料的工藝研究[J].飼料工業，2009，33（3）：19.

[6]范秀容，李廣武，沈萍.微生物學實驗[M].北京：高等教育出版社，1989：262.

[7]吳謀成.食品分析與感官評定[M].北京：中國農業出版社，2002：69.

[8]麻益良，秦良吉，劉樹年.飼料真蛋白質含量的測定[J].山東家禽，1999（5）：17-19.

[9]鐘鳴.利用油脂廢水生產飼料酵母的研究[J].糧食與飼料工業，1993（5）：27-30.

[10]馬桂榮，張玉臻，孔健.固態發酵淀粉渣生產蛋白飼料的研究[J].食品與發酵工業，1994（1）：20-23.

[11]張西寧.以醬渣為原料生產飼料蛋白的研究[J].食品與發酵工業，1996（2）：1-4.

[12]門大鵬，張震元，張啟先.微生物與生物工藝[M].北京：科學出版社，1989：252.

[13]王文俠，吳耘紅，吳紅艷.馬鈴薯渣酶法水解液制備單細胞蛋白飼料[J].食品與機械，2005，21（2）：17.

[14]史琦云，梁琪.馬鈴薯渣菌體蛋白飼料的研制與品質分析[J].糧食與飼料工業，2004（9）：32.

[15]Tendekayi H Gadaga，Anthony N Mutukumira，J udith Anarvhusl.The growth and interaction of yeasts and lactic acidbacteria isolated from Zombabwan naturally fermented milkin UHT milk[J].International Journal of Food Microbiology，2001，68：21-32.

[16]J udith A Narhus，Tendekayi Henry Gadaga.The role ofinteraction between yeasts and lactic acid bacteria in African fermented milks：a review[J].International Journal of Food Microbiology，2003，86：51-60.

[17]Satomi ISHII，Kunihiko SAMEJIMA.Feeding rats with Kumiss suppresses the serum cholesterol andtriglyceride levels[J].Milk Science，2001，50（3）.

[18]Satomi ISHII，Masanori KIKUCHI，Kei MURAMATSU，et al. Identification ofcompounds causing symbiotic growth of Lactobacillus paracasei subsp.tolerans and kluyveromyces marxianus var.lactis in Chigo，Inner Mongolia，China[J].Anim Sci J，1999，70（2）：81-89.

[19]Leroi F，Pidoux M.Detectio of interactions between yeasts and bacteria isolated from sugary kefir grains[J].Journal of Applied Bacteriology，1993，74：4-53.

[20]Leroi F，Pidoux M.Characterization of interactions between Lactobacillus hilgaradii and Saccharomyces florentinus isolated from sugary kefir grains[J].Journal of Applied Bacteriology，1993，74：54-60.

[21]張慧敏，李遠志.開菲爾營養成分、保健功能及其產品的研究進展[J].現代食品科技，2006，86（4）：118-120.

[22]NEVIANI E，GATTI M，VANNINI L，et al.Contribution of Gallactic acid bacteria to Saccharomyces cerevisiae metabolic activ-ity in milk[J].Int J Food Microbiol，2001，69：91-99.

Study on fermentation of potato residue by yeast and lactobacillus co-fermentation

ZHANG Xin，GAO Ai-wu，HUANG Ya-juan，YUN Mei-lin，MIAO Hai-ming
（College of Food Science and Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China）

The production of single cell protein by mixed yeast and lactobacillus solid state fermentation of potato residue was studied.Four yeast strains and two lactobacillus strains were used in the experiment.The contents of crude protein and true protein of the fermented products were measured to choose the appropriate strains.The results showed that the most efficient mixture of yeast and lactobacillus were saccharomyces cerevisiae+Geotr ichum candidum+Candida tropicalis+Lactobacillus plantarum.The crude protein and true protein yields of the microoganism after fermentation by the four strains were 35.63%and 14.05%respectively. Key words：yeast；lactobacillus；co-fermentation；potato residue

TS201.3

A

1002-0306（2012）01-0194-04

2010－12－13

張鑫（1986-），女，碩士研究生，研究方向：食品科學。