微生物轉(zhuǎn)化馬鈴薯渣生產(chǎn)SCP飼料研究

韓黎明，童　丹，安志剛，李芳蓉

(甘肅中醫(yī)藥大學(xué)定西校區(qū) 定西師范高等?？茖W(xué)校，甘肅 定西 743000)

微生物轉(zhuǎn)化馬鈴薯渣生產(chǎn)SCP飼料研究

韓黎明，童丹，安志剛，李芳蓉

(甘肅中醫(yī)藥大學(xué)定西校區(qū) 定西師范高等?？茖W(xué)校，甘肅 定西 743000)

摘要：馬鈴薯渣是生產(chǎn)SCP飼料的廉價易得的原料，利用微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)生產(chǎn)SCP飼料是馬鈴薯渣資源化利用的有效途徑。發(fā)酵馬鈴薯渣常用的微生物主要有酵母菌、霉菌、芽孢桿菌和乳酸菌。發(fā)酵方式主要有液體深層發(fā)酵、半固體和固體發(fā)酵。本文綜述了利用微生物轉(zhuǎn)化馬鈴薯渣生產(chǎn)SCP飼料的主要菌株、發(fā)酵工藝、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及今后的研究方向，為開展相關(guān)研究提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯渣；資源化利用；微生物；發(fā)酵；SCP飼料

SCP(Single cell protein，單細(xì)胞蛋白)是指利用各種基質(zhì)大規(guī)模培養(yǎng)微生物所獲得的菌體蛋白。在當(dāng)今世界蛋白質(zhì)資源嚴(yán)重不足情況下，應(yīng)用微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)來開發(fā)新的飼料資源、生產(chǎn)SCP飼料越來越受到人們的重視。近年來，利用微生物生產(chǎn)的酶制劑、抗生素、維生素、氨基酸、益生菌和SCP等飼料產(chǎn)品的使用使微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)在飼料工業(yè)上得到了更廣泛的應(yīng)用，這些產(chǎn)品彌補了常規(guī)飼料中氨基酸的缺乏，同時起到降低粗纖維、改變蛋白質(zhì)品質(zhì)、發(fā)酵脫毒、產(chǎn)生促生長因子等作用，能使其他粗飼料原料營養(yǎng)成分迅速轉(zhuǎn)化，達(dá)到增強消化吸收利用的效果。

馬鈴薯渣(potato pulp)是馬鈴薯淀粉生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，含有大量淀粉、纖維素、半纖維素、果膠、游離氨基酸、寡肽、多肽和灰分等可利用成分，有很高的開發(fā)利用價值。我國每年馬鈴薯淀粉加工產(chǎn)生 600多萬t廢渣，薯渣處理及利用成為馬鈴薯加工業(yè)中一個十分突出的問題。研究表明，通過微生物發(fā)酵處理可大幅度提高薯渣的蛋白質(zhì)含量，從發(fā)酵前占干重4.62%增加到57.49%。利用馬鈴薯渣作為微生物發(fā)酵底物，通過微生物轉(zhuǎn)化提高蛋白質(zhì)含量并改善其營養(yǎng)配比，改善粗纖維的結(jié)構(gòu)，增加適口性，可以將馬鈴薯渣轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)SCP飼料，實現(xiàn)資源化利用。

1利用馬鈴薯渣發(fā)酵SCP飼料的微生物菌株及組合

1989年，美國FDA批準(zhǔn)了41種認(rèn)為是安全有效、對人畜無害、可用作飼料添加劑的微生物。2008年12月我國農(nóng)業(yè)部發(fā)布《飼料添加劑品種目錄(2008)》，公布了16種可作為飼料級微生物添加菌種。用于生產(chǎn)SCP飼料的微生物應(yīng)具備以下條件：能有效利用基質(zhì)中的碳源、氮源，生長速率快、SCP含量高，產(chǎn)品安全無毒副作用，菌種性能穩(wěn)定。發(fā)酵馬鈴薯渣生產(chǎn)SCP飼料常用的微生物主要有酵母菌、霉菌、芽孢桿菌和乳酸菌等。

1.1酵母菌

酵母菌體中含有非常豐富的蛋白質(zhì)、B族維生素、脂肪、糖、酶等多種營養(yǎng)成分。酵母在提高動物免疫力、提高動物生產(chǎn)性能和減少應(yīng)激等方面均起作用。S. cerevisiae、C.utilis、C.tropicalis、C.humicola、C.curvata、R.glutinis、S.fragilis、S.fibuligera、S.alluvius等菌株可以利用馬鈴薯加工中的廢液和廢渣，將其中的有機物轉(zhuǎn)變成SCP，酵母菌對有機碳的生物轉(zhuǎn)化率可達(dá)70%～90%。

1.2霉菌

霉菌在馬鈴薯渣中生長的最大優(yōu)勢是它能產(chǎn)生淀粉水解酶，可以省去培養(yǎng)前先將馬鈴薯淀粉水解的步驟。G.candidum、A.niger、A.oryzae、A.foetidus、A.awamori T. koningii Oudem、T.viride、T.album、T.candida、T.wittenbergi、P.notatum、P.digitatum、G. deliguescens、E.fibuliger、C.lichorniae等在馬鈴薯渣培養(yǎng)基中發(fā)酵，可將馬鈴薯渣轉(zhuǎn)化成SCP。

1.3芽孢桿菌

芽孢桿菌能夠產(chǎn)生B族維生素、維生素C、蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶以及多種代謝產(chǎn)物，對飼料的降解消化吸收和動物的營養(yǎng)代謝起到促進作用。目前飼用芽孢桿菌常用的有B.subtilis、B.cereus、B.lincheniformis、B.brevis Migula等。

1.4乳酸菌

乳酸菌被廣泛用作微生物添加劑和飼料發(fā)酵劑，在家畜飼養(yǎng)和飼料環(huán)節(jié)中發(fā)揮著重要作用，乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)生的酸性環(huán)境可抑制和殺死飼料中的有害微生物，改善飼料的適口性，提高飼料消化率和營養(yǎng)價值。常用于飼料發(fā)酵的乳酸菌有L.actobacillus delbrueckii、L.helveticus、L.acidophilus、L.bulgaricus、L.casei、L.breris和L.fermentum等。

1.5菌株的組合

從目前報道的資料來看，發(fā)酵方式由單一菌種趨向于復(fù)合菌株的協(xié)同發(fā)酵，同時注重不同微生物之間的協(xié)同性、互補性，總體上發(fā)揮出正組合效應(yīng)。從組合情況看，轉(zhuǎn)化馬鈴薯渣的菌種應(yīng)包括纖維分解菌、氮素轉(zhuǎn)化菌、增加適口性的菌。霉菌、酵母菌和乳酸菌的組合發(fā)酵為多，由于木霉、黑曲霉等霉菌同化淀粉、纖維素的能力強，將馬鈴薯渣中的淀粉和纖維素降解為酵母能利用的簡單糖類物質(zhì)，使酵母得以良好生長繁殖，而利用乳酸菌產(chǎn)生乳酸等則可改善發(fā)酵飼料的適口性?；旌习l(fā)酵增加了發(fā)酵中許多基因的功能，通過不同代謝能力的組合，完成單個菌種難以完成的復(fù)雜代謝反應(yīng)，促進生長代謝，提高生產(chǎn)效率?；旌习l(fā)酵中酶促反應(yīng)生成的糖立即被發(fā)酵糖的微生物所利用，消除了降解物對酶合成的阻遏，也解除了反應(yīng)終產(chǎn)物對酶的反饋抑制，縮短發(fā)酵過程。協(xié)同發(fā)酵形式對各種原料的有效轉(zhuǎn)化、SCP飼料的品質(zhì)提高起到了重要作用。

在菌株選育和應(yīng)用方面，Gelinas等、Wang等、臺灣學(xué)者Shang-Shyng yang等進行了發(fā)酵馬鈴薯渣高產(chǎn)菌株的篩選；張宗舟等、張向陽等分別采用航天誘變、重離子束輻照選育發(fā)酵馬鈴薯渣優(yōu)良菌株；程方等、江成英等通過發(fā)酵試驗確定最佳菌種組合。發(fā)酵馬鈴薯渣飼料的微生物菌株及組合見表1。

表1　利用馬鈴薯渣發(fā)酵飼料的微生物菌株及組合

續(xù)表1

菌種及組合發(fā)酵方式參考文獻(xiàn)Chaetomiumcellulolyticum液態(tài)發(fā)酵Schugerl等Saccharomycescerevisiae、Fusariummoniliforme液態(tài)發(fā)酵AzizNH等Candidautilis、Trichodermaviride、Penicilliumchrysogenum液態(tài)發(fā)酵楊謙等Geotrichumcandidum、Candidautilis、AspergillasnigeSaccharomgcescerevisae、Tri-chodermakoningii生料多菌固態(tài)發(fā)酵贠建民等Geotrichumcandidum、Aspergillusniger、Schwanniomyces二次發(fā)酵趙萍等T-1、D-1固態(tài)發(fā)酵趙鳳敏等Aspergillusniger、Geotrichumcandidum固態(tài)發(fā)酵史琦云等Aspergillasniger、Geotrichumcandidum、Candidatropicalis固態(tài)發(fā)酵楊希娟等Aspergillusniger、GeotrichumcandidumCandidautilis、Saccharomycescerevisiae固態(tài)發(fā)酵劉隴生等AspergillusnigerH3、Bacilluslicheniformis兩步發(fā)酵Liu等Bacillussubtilis、Candidatropicalis、Acetobacterium液態(tài)制種固態(tài)發(fā)酵郝軍元等BacillusbrevisMigulaZY05液態(tài)發(fā)酵張向東等Streptococcusthermophilus、BacillussubtilisSaccharomycescerevisiae固態(tài)發(fā)酵Li等,Xue等

2微生物轉(zhuǎn)化馬鈴薯渣SCP飼料的發(fā)酵工藝

微生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)SCP飼料的方法包括固態(tài)發(fā)酵、液態(tài)發(fā)酵、吸附在固體表面的膜狀培養(yǎng)以及其它形式的固定化細(xì)胞培養(yǎng)等。常規(guī)發(fā)酵以固態(tài)發(fā)酵和液體深層發(fā)酵為主。

2.1馬鈴薯渣液態(tài)發(fā)酵

多菌種液態(tài)發(fā)酵馬鈴薯渣制備SCP飼料，是馬鈴薯渣轉(zhuǎn)化的一個有效途徑。液態(tài)發(fā)酵具有發(fā)酵充分、微生物生長快、產(chǎn)量大、機械化程度高、易于監(jiān)控、適合工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)勢，但存在耗能大、成本高、適口性及營養(yǎng)價值有待改善等不足。液態(tài)發(fā)酵馬鈴薯渣生產(chǎn)SCP飼料的產(chǎn)業(yè)化實現(xiàn)仍然較為困難。

為解決液態(tài)發(fā)酵中營養(yǎng)供給不適宜、抑制性物質(zhì)積累和發(fā)酵液流變學(xué)特性的影響等限制因素，可采用分批發(fā)酵、分批補料、重復(fù)補料和連續(xù)發(fā)酵的發(fā)酵方式。 Schugerl 等利用C.cellulolyticum對纖維素和馬鈴薯渣進行分批發(fā)酵和反復(fù)分批發(fā)酵生產(chǎn)SCP。Aziz NH和Mohsen GI等將薯渣用HCl水解后經(jīng)γ-射線照射處理，分別接種F.moniliform和S.cerevisiae以及它們的混合菌進行液態(tài)深層發(fā)酵，其混合菌株能快速高效利用自由糖，微生物量和蛋白質(zhì)含量均有提高。楊謙等采用C.utilis、T.virid、P.chrysogenum等多菌種制作混合菌劑，液態(tài)發(fā)酵馬鈴薯渣，12～15 d完成生物轉(zhuǎn)化，獲得了粗蛋白含量42%的高品質(zhì)SCP飼料。

2.2馬鈴薯渣半固態(tài)、固態(tài)發(fā)酵

半固態(tài)、固態(tài)發(fā)酵馬鈴薯渣生產(chǎn)SCP飼料，是目前馬鈴薯渣轉(zhuǎn)化飼料研究中廣泛采用的方法。以對原料處理條件的不同，可分為生料發(fā)酵和熟料發(fā)酵。

生料發(fā)酵是將馬鈴薯渣脫水后的半固態(tài)發(fā)酵。生料發(fā)酵耗能低，適合工業(yè)化生產(chǎn)，但染菌幾率大，工藝參數(shù)難以測準(zhǔn)和控制。贠建民等以馬鈴薯渣為主要原料，麩皮和蠶豆秸稈粉等為輔料，用纖維素酶對混合生料進行降解處理，再經(jīng)A.niger和T. koningii Oudem制備的糖化菌劑糖化降解，最后選用G.candidum、C.utilis、S.cerevisiae3種SCP發(fā)酵菌種，生料固態(tài)發(fā)酵馬鈴薯渣SCP飼料。趙萍等將G.candidum、A.niger、Schwanniomyces對馬鈴薯渣進行生料二次發(fā)酵。趙鳳敏等篩選出糖化菌株T-1和高蛋白菌株D-1，生料固態(tài)發(fā)酵馬鈴薯渣生產(chǎn)SCP飼料，對發(fā)酵產(chǎn)品進行了氨基酸檢測和安全性分析。

熟料發(fā)酵是將馬鈴薯渣糖化后再發(fā)酵的一種處理工藝，染菌率小，發(fā)酵條件易控制，可將非還原糖轉(zhuǎn)化為還原糖，增加了發(fā)酵過程中的可利用碳源，可提高SCP產(chǎn)量，但耗能較高，勞動強度大，經(jīng)濟效益差。史琦云等采用A.niger和G.candidum多菌協(xié)生固態(tài)發(fā)酵馬鈴薯渣，生產(chǎn)SCP飼料。楊希娟等以A.niger、G.candidum、C.tropicalis為發(fā)酵菌種，優(yōu)化馬鈴薯渣固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)SCP飼料工藝。劉隴生等對馬鈴薯渣進行熟料固態(tài)發(fā)酵，先經(jīng)淀粉酶和A.niger糖化，纖維素酶降解處理后，采用G.candidum、C.utilis和S.cerevisiae3株菌種協(xié)同發(fā)酵。

Liu等采用固態(tài)-液態(tài)兩步發(fā)酵處理馬鈴薯渣生產(chǎn)SCP。郝軍元等人以馬鈴薯加工廢水、廢渣和秸稈為原料，液體制種、固體發(fā)酵，通過B.subtilis、C.tropicalis、Acetobacterium等多種微生物發(fā)酵制備顆粒型SCP飼料。

3馬鈴薯渣SCP飼料的生物學(xué)價值評價及應(yīng)用

有研究者考察了馬鈴薯渣SCP飼料的生物學(xué)價值和安全性，但這方面的研究仍然非常有限。任雅萍等采用固態(tài)發(fā)酵及比色法對馬鈴薯渣發(fā)酵飼料進行了品質(zhì)分析?？紤]到馬鈴薯中含有龍葵素，Wang等對馬鈴薯渣發(fā)酵產(chǎn)品進行了相關(guān)的毒理性試驗和安全性分析。江成英等采用乙醇-乙酸提取法，研究了馬鈴薯渣發(fā)酵過程中龍葵素含量變化。張向東等對馬鈴薯渣發(fā)酵飼料進行了大鼠急性毒理試驗和小鼠采食量與增重試驗。

在飼料應(yīng)用研究方面，Li等和Xue等采用固態(tài)厭氧發(fā)酵馬鈴薯渣，生產(chǎn)商品豬和哺乳期母豬飼料。劉震等固態(tài)發(fā)酵馬鈴薯渣生產(chǎn)反芻動物飼料。徐興軍等研究了馬鈴薯渣SCP飼料對肉兔的體質(zhì)量、兔肉品質(zhì)、免疫功能、血液生化指標(biāo)以及病理特征的影響。張偉偉對馬鈴薯渣發(fā)酵飼料在雞生產(chǎn)上的應(yīng)用做了多篇報道，研究了飼料料重比以及對雞的生產(chǎn)性能和肉、蛋品質(zhì)的影響。張凡華等、張永根等分別進行了馬鈴薯渣飼料的發(fā)酵以及對育肥肉羊和奶牛的飼喂飼喂試驗。

4存在的問題及今后的研究方向

微生物轉(zhuǎn)化馬鈴薯渣生產(chǎn)SCP飼料已成為研究熱點，取得了一定的研究進展和成果。各國學(xué)者在對原料性質(zhì)、菌種選育、發(fā)酵工藝、營養(yǎng)學(xué)等方面進行了廣泛而系統(tǒng)的研究，重點集中在馬鈴薯渣的前處理；利用DNA分子重組和誘變技術(shù)構(gòu)建新菌種；建立發(fā)酵工藝?yán)碚撃Ｐ?，從理論推?dǎo)出微生物發(fā)酵的最優(yōu)條件。此方面的研究定會對馬鈴薯渣資源化利用起到積極的推動作用。

4.1存在的問題

4.1.1固有技術(shù)屏障鮮馬鈴薯渣含水量高達(dá)80%以上，粘性大，具有典型膠體物化特性，脫水困難，前處理成本高。自帶菌多，不易儲存運輸，易腐敗，給培養(yǎng)料滅菌和純種培養(yǎng)帶來困難。工業(yè)化生產(chǎn)存在固有的技術(shù)屏障。

4.1.2經(jīng)濟效益問題馬鈴薯渣的蛋白質(zhì)含量較低，粗纖維含量較高，營養(yǎng)物質(zhì)缺乏，適口性差，飼料品質(zhì)上沒有競爭優(yōu)勢，薯渣轉(zhuǎn)化產(chǎn)品的效益較差。馬鈴薯淀粉加工具有明顯季節(jié)性，利用馬鈴薯渣生產(chǎn)SCP飼料難以持續(xù)生產(chǎn)，空閑時間長?，F(xiàn)有研究大多停留在實驗室或中試階段，工業(yè)化生產(chǎn)的報道少，市場化推廣難度大。

4.1.3食用安全性問題馬鈴薯渣中可能存在龍葵素等毒素富集和二次工業(yè)污染的危險，且不同菌種發(fā)酵的馬鈴薯渣所含成分也有較大差別。目前國內(nèi)外關(guān)于馬鈴薯渣飼料的生物學(xué)價值評價和毒理學(xué)研究少，僅有部分飼喂動物實驗的研究。馬鈴薯渣發(fā)酵飼料的安全性有待評價。

4.1.4發(fā)酵機理研究方面的不足目前馬鈴薯渣SCP飼料的生產(chǎn)還存在生產(chǎn)菌株性能不穩(wěn)定，耐受性低，某些活菌制劑難保存，有益菌群協(xié)同作用機制或拮抗作用機理不明等問題。

4.2研究方向

4.2.1發(fā)酵技術(shù)基礎(chǔ)研究今后的研究應(yīng)著重于篩選高性能、高耐受性的菌株，利用基因工程技術(shù)對菌株進行遺傳改造，從生理、代謝和遺傳角度深入研究多菌株發(fā)酵的協(xié)同作用機制，促進生料發(fā)酵的應(yīng)用。

4.2.2發(fā)酵工藝研究主要包括馬鈴薯渣發(fā)酵菌種的篩選及發(fā)酵條件控制，發(fā)酵設(shè)備及其技術(shù)參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)和規(guī)范的飼料化生產(chǎn)工藝，發(fā)酵工藝模型建立，飼料發(fā)酵行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定等。

4.2.3飼料品質(zhì)研究馬鈴薯渣SCP飼料的生物學(xué)價值評價和毒理學(xué)研究有待強化。在改善適口性方面，發(fā)酵過程中可以添加產(chǎn)生香味的菌種如R.oryzae、G.candidum等，改善粗纖維結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生清香味，改善飼料品質(zhì)。也可以將馬鈴薯淀粉渣與其他農(nóng)副產(chǎn)品混合發(fā)酵，改善飼料的適口性，同時可以擴大飼料資源。

利用微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，對馬鈴薯渣等可再生資源進行工業(yè)化生產(chǎn)SCP飼料，發(fā)展前景廣闊。發(fā)酵生產(chǎn)SCP飼料，是未來馬鈴薯渣資源化利用最具發(fā)展?jié)摿Φ姆较颉?/p>

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Study on SCP Feed From Potato Residue by Microbial Transformation

HAN Li-ming, TONG Dan, AN Zhi-gang, LI Fang-rong

(DingxiCampus,GansuUniversityofTraditionalChineseMedicine/DingxiTeachersCollege,DingxiGansu743000)

Abstract:Potato residue is the cheap, easy-to-get material to produce the SCP feed. To produce the SCP feed by microbial transformation is an effective way of resourceful utilization of potato residue. The frequent microorganism to ferment potato residue are saccharomycetes, mould, bacillus and lactic acid bacteria. The fermenting ways include submerged fermentation, semisolid and solid fermentations. The paper reviews the chief bacteria strains to produce the SCP feed from potato residue by microbial transformation, fermenting techniques, the research status at home and abroad and the future research orientation, which provides reference for concerned research.

Key words:potato residue; resourceful utilization; microorganism; fermentation; SCP feed

[收稿日期]2015-10-18

[作者簡介]韓黎明(1963-)，男，教授，主要從事馬鈴薯產(chǎn)業(yè)化研究。

[中圖分類號]S 816.4

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1004-6704(2016)02-0053-05