枯草芽孢桿菌固態(tài)發(fā)酵玉米粉的研究

閆亞婷 周安國 王之盛

(四川農(nóng)業(yè)大學動物營養(yǎng)研究所,雅安 625014)

枯草芽孢桿菌固態(tài)發(fā)酵玉米粉的研究

閆亞婷 周安國 王之盛

(四川農(nóng)業(yè)大學動物營養(yǎng)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(tài)發(fā)酵,研究適宜的發(fā)酵條件及發(fā)酵對玉米粉營養(yǎng)成分的影響。試驗結(jié)果表明,適宜的發(fā)酵條件為:發(fā)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(fā)酵產(chǎn)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(zhì)量顯著下降 (1.07×106～3.86×105)?？扇苄蕴呛刻岣吡?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%)?？莶菅挎邨U菌發(fā)酵玉米粉能顯著提高可溶性糖的含量,從而改善飼用品質(zhì)。

枯草芽孢桿菌 玉米粉 固態(tài)發(fā)酵 營養(yǎng)成分

玉米作為一種優(yōu)質(zhì)的能量飼料,在養(yǎng)殖業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。但由于仔豬胃腸道還沒有發(fā)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(fā)酵對飼料有很好的改造作用[5-8]。微生物在生長過程中產(chǎn)生的各種酶可以降低飼料中營養(yǎng)物質(zhì)的相對分子質(zhì)量,使其更加有利于幼齡動物消化吸收。淀粉的水解產(chǎn)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(chǎn)性能的影響時,發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)化效率 (P<0.05)。

枯草芽孢桿菌能夠產(chǎn)生淀粉酶,同時也作為微生態(tài)制劑在飼料中得到廣泛應(yīng)用[10-11]。因此本試驗旨在研究枯草芽孢桿菌發(fā)酵玉米的適宜發(fā)酵條件及發(fā)酵后玉米中營養(yǎng)物質(zhì)的變化,探討微生物對玉米中碳水化合物的改造作用,為發(fā)酵能量飼料的應(yīng)用提供依據(jù)。使玉米在幼齡動物上得到更好的應(yīng)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(yè)微生物菌種保藏管理中心;玉米粉:四川農(nóng)業(yè)大學動物營養(yǎng)研究所實驗場;牛肉膏蛋白胨固態(tài)培養(yǎng)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(tài)培養(yǎng)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(tài)培養(yǎng)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(yǎng)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(yī)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(yī)療器械廠;

1.2 發(fā)酵工藝

1.2.1 活化培養(yǎng)

牛肉膏蛋白胨固態(tài)培養(yǎng)基斜面培養(yǎng),121℃滅菌25 min,冷卻后接入一環(huán)枯草芽孢桿菌菌體,放入37℃恒溫培養(yǎng)箱,培養(yǎng) 48 h。

1.2.2 發(fā)酵種子液制備

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

1.2.3 固態(tài)發(fā)酵方法

將玉米粉裝入 500 mL三角瓶中,按照正交試驗設(shè)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(fā)酵種子液以不同的接種量接入發(fā)酵培養(yǎng)基中,攪拌均勻,封口,在37℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)不同的時間。發(fā)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(yōu)化

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

表 1 發(fā)酵因素水平表L9(34)

1.3 測定指標及方法

1.3.1 常規(guī)成分的測定

干物質(zhì)、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(zhì)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(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用 SPSS(13.0)軟件進行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 枯草芽孢桿菌發(fā)酵玉米粉的正交試驗結(jié)果及分析

從表 2中可以得出最佳發(fā)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(fā)酵的主要因素,其次為接種量、發(fā)酵時間和水的添加量。通過發(fā)酵條件的優(yōu)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(jié)果

因為由極差分析得到的最優(yōu)工藝條件組合A2B3C3D2沒有在正交表中出現(xiàn),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(chǎn)實踐,發(fā)酵后干燥費用較大,因此確定正交表中發(fā)酵效果最好的組合 A2B3C1D2為本試驗最優(yōu)發(fā)酵條件,即發(fā)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(tài)發(fā)酵產(chǎn)物的常規(guī)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(fā)酵玉米粉的干物質(zhì)損失了 14.8%,粗灰分的質(zhì)量分數(shù)提高了 13.38%。干物質(zhì)下降可能是因為枯草芽孢桿菌消耗玉米粉中的營養(yǎng)物質(zhì)用于自身的生長繁殖,部分能量在能量的轉(zhuǎn)化過程中以熱量的形式散失。礦物質(zhì)是守恒的,干物質(zhì)的損失導致發(fā)酵產(chǎn)物中粗灰分所占比重上升。

發(fā)酵產(chǎn)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(fā)現(xiàn)猴頭菌固體發(fā)酵的玉米粉蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高達 16.83%,比對照組提高了 45.59%,與本研究結(jié)果相似。

與滅菌玉米粉相比,發(fā)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(fā)酵前后玉米粉中的常規(guī)成分含量

2.4 固態(tài)發(fā)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(fā)酵產(chǎn)物中淀粉的含量顯著下降 (P<0.01),其中支鏈淀粉質(zhì)量分數(shù)下降了 53.68%,直鏈淀粉質(zhì)量分數(shù)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(zhì)量較大的支鏈淀粉,其分解為相對分子質(zhì)量較小的直鏈淀粉。陳寶林等[19]發(fā)現(xiàn)猴頭菌固體發(fā)酵玉米粉中淀粉質(zhì)量分數(shù)只有 21.86%,降解率達到 65.21%。閔偉紅等[20]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過乳酸菌發(fā)酵的大米,直鏈淀粉的質(zhì)量分數(shù)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(jié)果一致。

隨著淀粉的分解,發(fā)酵產(chǎn)物中可溶性糖質(zhì)量分數(shù)由 11.96%增加至 32.52%,達到極顯著水平 (P<0.01),其中還原糖質(zhì)量分數(shù)提高了 2.1倍,糊精質(zhì)量分數(shù)提高了 3.22倍。說明玉米粉經(jīng)過枯草芽孢桿菌固態(tài)發(fā)酵,淀粉分解為糊精和還原糖。

表 4 發(fā)酵前后玉米粉中淀粉及糖類的含量

2.5 固態(tài)發(fā)酵前后玉米淀粉相對分子質(zhì)量的變化

由圖 1可以看出,滅菌對玉米淀粉的相對分子質(zhì)量也有較大影響。經(jīng)過枯草芽孢桿菌發(fā)酵玉米淀粉相對分子質(zhì)量比原玉米淀粉下降了 63.93%。說明枯草芽孢桿菌發(fā)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(fā)酵對整粒大米中淀粉的作用發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后淀粉大分子降解,中等及小分子質(zhì)量淀粉比例增加,分子質(zhì)量大小趨于均勻。閔偉紅等[20]發(fā)現(xiàn)乳酸菌發(fā)酵使大米中的支鏈淀粉的平均聚合度降低。

圖 1 發(fā)酵前后玉米粉中淀粉相對分子質(zhì)量

2.6 玉米粉固態(tài)發(fā)酵前后酸度變化的分析

由表 5可知,與原玉米粉相比發(fā)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(chǎn)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?？偹嵩黾?pH的下降有利于仔豬的消化吸收。

表 5 發(fā)酵前后玉米中酸度的變化

3 結(jié)論

3.1 枯草芽孢桿菌發(fā)酵玉米粉的適宜條件為發(fā)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(jīng)過枯草芽孢桿菌發(fā)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(zhì)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(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(I RT0555)

2010-01-13

閆亞婷,女,1984年出生,碩士,動物營養(yǎng)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(yǎng)與飼料科學