基于玉米芯水解液的斯達油脂酵母發酵產油脂研究

李光+余霜

摘要：通過正交試驗設計的方法主要考察了4因素4水平對玉米芯水解產糖的影響，優化了玉米芯水解產糖工藝，并對斯達油脂酵母利用該水解液產油脂能力進行了探討。結果表明，各影響因素的排序為料液比>硫酸濃度>提取時間>提取溫度。最佳提取工藝為硫酸濃度1%，料液比1∶10 （g/mL），提取溫度120 ℃，提取時間120 min。通過比較試驗發現，濃縮1倍的玉米芯水解液是斯達油脂酵母發酵產油脂量的合適水解液濃度。

關鍵詞：玉米芯；水解；正交設計；發酵

中圖分類號：TQ920.6 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）14-2746-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.14.037

Abstract： This study used L16（45） orthogonal table to optimize the process of production sugar using corn cob hydrolyzate，and discussed the ability to use this hydrolyzate by fermentation of lipomyces starkeyi. The effects of each factor in order were materials-liquid ratio>sulphuric acid concentration>extraction times>distilled temperature. The optimal parameters is precisely sulphuric acid concentration is 1%，liquid material ratio 1∶10 g/mL，distilled temperature 120 ℃，distilled 120 min. It was found by comparison that 1.0x concentrated corncob hydrolyzate is the most suitable concentrations for fermentation of lipomyces starkeyi.

Key words： corn cob； hydrolysis； orthogonal design； fermentation

中國是一個農業大國，農業廢棄物資源十分豐富，由于它們未得到有效利用，導致農業廢棄物對農業生態造成了極大的負面影響。玉米在中國的播種面積很大，種植面積僅次于小麥和水稻而居第三位，僅2014年中國玉米產量就達到2.156 7億t，相應的玉米芯產出估計在1億t以上，如不能合理利用這部分資源，將對中國的農業生態造成極大的負面影響。因此，玉米芯的妥善處理與資源化不僅關系到資源的再利用和環境安全，而且與農業的可持續發展和農村小康社會的建設緊密相關。

能源是現代社會賴以生存和發展的基礎，能源的供給能力密切關系著國民經濟的可持續性發展，是國家戰略安全保障的基礎之一。隨著傳統能源的日益枯竭，人們開始研究開發新能源，但復雜的技術和巨大的投資制約了新能源的廣泛使用。而利用微生物生產微生物油脂不受場地、季節、氣候變化及原料的影響，一年四季除設備維修外，都可連續生產。因此，利用微生物發酵生產油脂是開發新的生物質能源的良好途徑。本研究利用了玉米芯發酵產油脂技術，將為玉米芯所含木質纖維素資源的合理利用提供新思路和新技術，具有廣闊的應用前景。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

材料：玉米芯購自貴州省安順市農貿市場，硫酸、葡萄糖、3，5-二硝基水楊酸等試劑均為分析純。斯達油脂酵母（Lipomyce starkeyi）購自中國工業微生物菌種保藏中心（CICC）。

儀器設備：高速萬能粉碎機、中興101型電熱鼓風干燥箱（北京中興偉業儀器有限公司制造）；PYX-DHS-50X65S恒溫培養箱（上海躍進醫療器械廠）；HH-4恒溫水浴鍋、W201恒溫水浴鍋、R-201旋轉蒸發儀（上海申順生物科技有限公司）；飛鴿牌立式小型離心機（上海安亭儀器制造廠）；LDZX-50FB立式壓力蒸汽滅菌鍋（上海申安醫療器械廠）；PL203電子天平（上海天平儀器廠）；SHZ-3型水循環真空泵（鞏義市杜甫儀器廠）；752-紫外可見分光光度計（上海精科儀器有限公司）；HZQ-B數顯恒溫搖床（蘇州威爾實驗用品有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 玉米芯水解工藝優化 將玉米芯烘干粉碎后過30目篩子，每次準確稱取粉碎后粉末5.0 g進行正交試驗，正交試驗設計采用L16（45）正交表進行，考察硫酸濃度（A）、料液比（B）（g∶mL，下同）、提取溫度（C）、提取時間（D）等4項指標及其水平對玉米芯水解產糖的影響，每次正交試驗重復3次（表1）。

1.2.2 還原糖的測定 還原糖的測定參照方法如下。取6支試管，各試管中依次加入葡萄糖標準液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL，各加水補至1.0 mL，然后均加入DNS試劑2.0 mL。將充分搖勻的試管沸水浴5 min顯色，后用冰水迅速冷卻至室溫，最后加入蒸餾水9.0 mL，搖勻后于540 nm處測定吸光度，以葡萄糖含量（mg/mL）為橫坐標，吸光度為縱坐標，繪制標準曲線，玉米芯水解液還原糖測定按照標準曲線的方法進行。

1.2.3 玉米芯水解液的濃縮倍數對發酵產油脂的影響 將玉米芯水解液使用旋轉蒸發儀分別濃縮，再將不同濃縮倍數的水解液作為發酵培養基，于250 mL三角瓶裝水解液培養基50 mL，接種量為10%，以限氮產脂培養基為對照，接種斯達油脂酵母后，28 ℃，120 r/min搖床中培養120 h，考察水解液濃縮倍率對斯達油脂酵母產油脂能力的影響。

2 結果與分析

2.1 正交試驗設計方案及結果

按正交試驗方案進行試驗，每組重復3次，結果取平均值，試驗結果見表2。

由表3可知，料液比對玉米芯水解的影響達到顯著水平，其他因素的影響不顯著。由表2可知，料液比、硫酸濃度、提取時間和提取溫度對玉米芯水解的影響依次減弱，最佳工藝為A1B1C4D3，即采用1%濃度的硫酸，料液比1∶10，提取溫度120 ℃，提取時間120 min。準確稱取玉米芯粉末100 g，在正交試驗所得優化提取工藝條件下進行驗證試驗，重復3次，總還原糖量達到72.11 g/L，高于正交試驗中的各組結果，表明最佳工藝條件較好。

2.2 濃縮倍數對發酵產油脂的影響

通過對水解液濃縮發現，隨著水解液濃縮倍數的增加，水解液的顏色也隨之越來越深。濃縮1倍和2倍時水解液顏色較淺，但呈現渾濁狀態，濃縮3倍和4倍時水解液顏色相對較深，但較為澄清。而濃縮倍數對斯達油脂酵母產油脂能力的影響結果（圖1）表明，在不同濃縮倍數的條件下，斯達油脂酵母對水解液中還原糖的利用存在差異。濃縮1倍油脂產量3.98 g/L，與限氮培養基的5.23 g/L較為接近，而其他濃縮倍數水解液的油脂產量均遠小于限氮培養基。因此，水解液在濃縮倍數為1是斯達油脂酵母發酵產油脂量的合適倍數。

3 小結與討論

特定微生物在一定條件下可以將碳源化合物轉化為自身的油脂，應用它們生產油脂具有生產周期短、可大規模生產和可進行廢物利用等優點，可以極大提升資源的利用效率。現在已知的產油微生物種類眾多，常見的有黃被孢霉、產油油脂酵母、淺白色隱球酵母、斯達氏油脂酵母、高梁褶抱黑粉菌、彎隱球酵母、膠粘紅酵母、土霉菌、紫癱麥角菌、高山被孢霉、深硅藻和螺旋藻等。但在這些微生物中，它們傾向于利用葡萄糖產油脂，而在水解液中不但含有葡萄糖，還含有其他的糖類，所以要想高效的利用水解液發酵產油脂，就必須找到既能利用水解液中葡萄糖，又能利用其他糖類發酵產油脂微生物。本研究結果表明，斯達氏油脂酵母可以利用水解液中的多種糖類物質發酵產油脂，是一種較好的發酵產油脂微生物，與國內學者的研究相一致[1-4]。

通過微生物發酵，把農副產品加阻利用，附加值提高，有利于環境保護及中國農業發展。在目前人口不斷增長使得油脂需求量與自然資源日益貧乏，矛盾日益尖銳的情況下，開辟微生物油脂這一新的油脂資源具有重要的現實意義。玉米是世界上分布最廣泛的糧食作物之一，中國每年有大量的玉米芯被丟棄或作為燃料，產生了嚴重的環境問題。目前，學者已對玉米芯資源的合理利用進行了研究，但他們的研究多是利用玉米芯生產糠醛、木糖和纖維素等，利用玉米芯產油脂的研究相對較少，王雪等[5]篩選了可以利用玉米秸稈產油脂的木霉菌，劉澤君等[6]研究了圓紅冬孢酵母發酵玉米秸稈水解液產油脂工藝，崔振陽等[7]優化了皮狀絲孢酵母發酵玉米芯殘渣產油脂的營養因子，他們分別研究了木霉菌、圓紅冬孢酵母和皮狀絲孢酵母利用玉米芯原料發酵產油脂的情況，而本研究所使用的產油脂微生物為斯達氏油脂酵母，是對現有產油脂微生物利用玉米芯原料發酵產油脂研究的有益補充，具有較好的研究意義。

參考文獻：

[1] 郭書賢，王振偉，劉 歡，等.斯達油脂酵母發酵食品生產廢水產油脂的研究[J].中國食品學報，2010（4）：245-252.

[2] 王 華，劉 歡，郭書賢，等.啤酒生產廢水培養斯達油脂酵母發酵產油脂培養基的優化[J].中國油脂，2011（8）：31-36.

[3] 王冬梅，郭書賢，薛 剛，等.斯達油脂酵母在不同培養基中的生長與油脂蓄積的比較研究[J].中國食品學報，2008（5）：44-50.

[4] 郭書賢，羅建成，王冬梅，等.利用啤酒生產廢水培養斯達油脂酵母產油脂發酵條件的優化[J].中國食品學報，2014（1）：151-161.

[5] 王 雪，扈進冬，張新建，等.利用玉米秸稈產油脂木霉菌株的篩選[J].中國釀造，2012（5）：154-158.

[6] 劉澤君，張金祿，劉 玲，等.圓紅冬孢酵母發酵玉米秸稈水解液產油脂的研究[J].中國油脂，2013（2）：52-56.

[7] 崔振陽，張 建，高秋強，等.玉米芯殘渣原料發酵微生物油脂的營養因子優化[J].應用與環境生物學報，2013（6）：1058-1063.