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        植物乳桿菌L-45發(fā)酵南極磷蝦殼的影響因素研究

        2015-11-07 09:28:26姜啟興陳雪姣許兆濱許艷順劉富俊于沛沛夏文水
        食品工業(yè)科技 2015年14期
        關(guān)鍵詞:蝦殼甲殼素磷蝦

        姜啟興,陳雪姣,許兆濱,許艷順,劉富俊,于沛沛,夏文水,*

        (1.江南大學(xué)食品學(xué)院,江蘇無錫214122;2.遼寧省大連海洋漁業(yè)集團(tuán)公司,遼寧大連116113)

        植物乳桿菌L-45發(fā)酵南極磷蝦殼的影響因素研究

        姜啟興1,陳雪姣1,許兆濱2,許艷順1,劉富俊2,于沛沛1,夏文水1,*

        (1.江南大學(xué)食品學(xué)院,江蘇無錫214122;2.遼寧省大連海洋漁業(yè)集團(tuán)公司,遼寧大連116113)

        本文對(duì)植物乳桿菌L-45發(fā)酵南極磷蝦殼進(jìn)行了研究。研究了外加碳源、發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵溫度等因素對(duì)發(fā)酵過程中植物乳桿菌L-45產(chǎn)乳酸的變化及蝦殼脫鈣率的影響。確定了較好的發(fā)酵條件為:發(fā)酵周期48h,發(fā)酵溫度37℃,葡萄糖添加量為10%,料液比為1∶1,接種量為6%,此條件下脫鈣率為84.6%,得到的甲殼素與傳統(tǒng)化學(xué)法相比,性質(zhì)相近,且對(duì)環(huán)境污染小。

        植物乳桿菌,南極磷蝦殼,pH,脫鈣率

        南極磷蝦分布在南大洋輻合區(qū)以南的水域,屬甲殼動(dòng)物綱磷蝦目,其成體雖小,但生物量龐大,科學(xué)家最新的估計(jì)是6.5~10億噸,是人類可以利用的最大蛋白資源,具有較高的開發(fā)價(jià)值[1]。南極水域的磷蝦種類很多,常見的是南極大磷蝦(Euphausia superb),南極磷蝦的開發(fā)利用始于上世紀(jì)60年代[2],是人類重要的后備蛋白庫[3],除富含蛋白外,還富含亞油酸、亞麻酸等不飽和脂肪酸及鈣、鉀、鎂、鍶等多種礦物質(zhì)元素,且類胡蘿卜素色素含量高[4-5]。目前,國內(nèi)外研究更多的是南極磷蝦肉中蛋白、脂溶性成分等的分離和應(yīng)用[6],對(duì)磷蝦殼資源的研究較少。

        蝦殼大多作為廢棄物丟棄,亟需有效的開發(fā)利用,例如利用蝦殼廢棄物制備甲殼素,但是目前的技術(shù)存在明顯不足:如一般采用強(qiáng)酸脫鈣和強(qiáng)堿脫蛋白,不僅對(duì)甲殼素的分子鏈有一定的破壞,且能耗高,對(duì)環(huán)境污染較嚴(yán)重,而且其中的蛋白、鈣質(zhì)等礦物質(zhì)均無法回收[7]。國外已有利用微生物發(fā)酵,對(duì)蝦蟹等廢棄物進(jìn)行生物發(fā)酵制備甲殼素的研究,Zakaria[8]使用副干酪乳桿菌發(fā)酵蝦殼,蛋白質(zhì)去除率為77.5%。Jung[9]使用了副干酪乳桿菌發(fā)酵蟹殼,最終脫蛋白率達(dá)到52%。該方法比傳統(tǒng)的酸堿法反應(yīng)更溫和、甲殼素結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定,成本低,是一種節(jié)能環(huán)保的清潔生產(chǎn)方法,發(fā)酵殘?jiān)礊榇旨讱に?,可以?shí)現(xiàn)對(duì)資源全面有效的利用,并且易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)[10]。

        從上述可見關(guān)于干酪乳桿菌發(fā)酵蝦蟹殼國內(nèi)外已有研究報(bào)道,本研究以實(shí)驗(yàn)室篩選出的高產(chǎn)乳酸的植物乳桿菌L-45發(fā)酵南極磷蝦殼,利用發(fā)酵產(chǎn)生的乳酸脫除蝦殼中的碳酸鈣,研究發(fā)酵過程中磷蝦殼的pH及脫鈣率的變化情況,優(yōu)化發(fā)酵脫鈣條件。

        1 材料與方法

        1.1材料與設(shè)備

        南極磷蝦(Euphausia superb) 遼寧省大連海洋漁業(yè)集團(tuán)公司提供,于-18℃凍藏,冷凍南極磷蝦自然解凍,經(jīng)采肉機(jī)采肉三次后得南極磷蝦殼,于-18℃凍藏備用;植物乳桿菌L-45(Lactobacillus plantarum)

        為食品學(xué)院食品加工與配料中心實(shí)驗(yàn)室保藏菌種,活化后備用。

        JB 5374-91電子天平、FE20實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)梅特勒-托利多(上海)有限公司;YCR-180采肉機(jī)上海華夏漁業(yè)機(jī)械儀器工貿(mào)公司;501型超級(jí)恒溫器上海市實(shí)驗(yàn)儀器廠;90-2恒溫磁力攪拌器上海亞榮生化儀器廠;電熱恒溫水槽上海一恒科學(xué)儀器有限公司;電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠;UV1000紫外-可見分光光度計(jì)上海天美科學(xué)儀器有限公司;4K-15高速冷凍離心機(jī)Sigma公司;THZ-D恒溫振蕩器太倉市豪誠實(shí)驗(yàn)儀器制造有限公司。

        1.2實(shí)驗(yàn)方法

        1.2.1外加碳源對(duì)植物乳桿菌發(fā)酵蝦殼發(fā)酵產(chǎn)酸和蝦殼脫鈣率的影響稱取經(jīng)枯草芽孢桿菌發(fā)酵脫蛋白后的蝦殼殘?jiān)?5g,分別添加等量碳源(葡萄糖、果糖、乳糖、可溶性淀粉、淀粉、麥芽糊精),添加量均為10%;接種5%植物乳桿菌菌液,于37℃發(fā)酵12、24、36、48、60、72h,測(cè)發(fā)酵液pH;每個(gè)樣品平行3次,確定最合適的碳源。

        1.2.2發(fā)酵時(shí)間對(duì)植物乳桿菌發(fā)酵蝦殼發(fā)酵產(chǎn)酸和蝦殼脫鈣率的影響稱取經(jīng)枯草芽孢桿菌發(fā)酵脫蛋白后的蝦殼殘?jiān)?5g,接種5%植物乳桿菌菌液,料液比為1∶2,10%的葡萄糖,于37℃發(fā)酵12、24、36、48、60、72h后分別測(cè)發(fā)酵液pH,灰分變化;每個(gè)樣品平行3次,確定最合適的發(fā)酵時(shí)間。

        1.2.3葡萄糖添加量對(duì)植物乳桿菌發(fā)酵蝦殼發(fā)酵產(chǎn)酸和蝦殼脫鈣率的影響稱取經(jīng)枯草芽孢桿菌發(fā)酵脫蛋白后的蝦殼殘?jiān)?5g,接種5%植物乳桿菌菌液,料液比為1∶2,葡萄糖添加量分別為5%、10%、15%、20%、25%,于37℃發(fā)酵48h測(cè)發(fā)酵液pH,灰分變化;每個(gè)樣品平行3次,確定最合適的葡萄糖添加量。

        1.2.4發(fā)酵溫度對(duì)植物乳桿菌發(fā)酵蝦殼發(fā)酵產(chǎn)酸和蝦殼脫鈣率的影響稱取經(jīng)枯草芽孢桿菌發(fā)酵脫蛋白后的蝦殼殘?jiān)?5g,接種5%植物乳桿菌菌液,料液比為1∶2,葡萄糖添加量為10%,分別于30、35、37、40、45℃發(fā)酵48h測(cè)發(fā)酵液pH,灰分變化;每個(gè)樣品平行3次,確定最合適的發(fā)酵溫度。

        1.2.5接種量對(duì)植物乳桿菌發(fā)酵蝦殼發(fā)酵產(chǎn)酸和蝦殼脫鈣率的影響稱取已經(jīng)脫蛋白的下腳料殘?jiān)?5g,料液比為1∶2,葡萄糖添加量為10%,接種量分別為1%、2%、4%、6%、8%、10%,于37℃發(fā)酵48h測(cè)發(fā)酵液pH,灰分變化;每個(gè)樣品平行3次,確定最合適的接種量。

        1.2.6料液比對(duì)植物乳桿菌發(fā)酵蝦殼發(fā)酵產(chǎn)酸和蝦殼脫鈣率的影響稱取經(jīng)枯草芽孢桿菌發(fā)酵脫蛋白后的蝦殼殘?jiān)?5g,葡萄糖添加量為10%,接種量分別為5%,料液比分別為1∶0.5、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4,于37℃發(fā)酵48h測(cè)發(fā)酵液pH,灰分變化;每個(gè)樣品平行3次,確定最合適的料液比。

        1.2.7傳統(tǒng)酸堿法與生物發(fā)酵法制備的甲殼素基本成分比較分析生物發(fā)酵法:稱取經(jīng)枯草芽孢桿菌發(fā)酵脫蛋白后的蝦殼殘?jiān)?5g,植物乳桿菌接種量6%,料液比為1∶1,葡萄糖添加量10%,于37℃發(fā)酵48h后,過濾酶解液得甲殼素濾渣,蒸餾水沖洗至中性,烘干后測(cè)定基本成分。傳統(tǒng)酸堿法:稱取50g南極磷蝦殼,用500mL 5%鹽酸浸泡24h,每4h攪拌一次,紗布過濾后水洗至中性,用6%氫氧化鈉溶液煮沸1h,紗布過濾,濾渣水洗至中性后烘干測(cè)定其基本成分。

        1.3分析方法

        1.3.1脫鈣率的測(cè)定脫鈣率的測(cè)定參照Aytekin[11],按照以下公式計(jì)算:

        1.3.2甲殼素得率的測(cè)定甲殼素得率[12](%)=甲殼素的質(zhì)量/加工下腳料的質(zhì)量×100

        1.4數(shù)據(jù)處理

        數(shù)據(jù)分析采用SPSS軟件;數(shù)據(jù)繪圖采用Origin 8.0軟件。

        2 結(jié)果與分析

        2.1不同實(shí)驗(yàn)因素對(duì)發(fā)酵產(chǎn)酸及脫鈣率的影響

        2.1.1碳源的選擇對(duì)植物乳桿菌產(chǎn)酸的影響由圖1可以看出,以葡萄糖作為碳源時(shí),發(fā)酵液的pH最低。此外,可以發(fā)現(xiàn)以淀粉為碳源的發(fā)酵液pH最高,且難以抑制腐敗菌生長(zhǎng),從而使發(fā)酵液發(fā)生腐敗。雖然蔗糖和果糖作為碳源時(shí),植物乳桿菌的產(chǎn)酸效果也很好,但其成本較高,綜合考慮,最終選擇葡萄糖作為碳源。

        圖1 碳源的選擇對(duì)發(fā)酵產(chǎn)酸的影響Fig.1 pH trends during fermentation with different carbon source

        2.1.2發(fā)酵時(shí)間對(duì)植物乳桿菌產(chǎn)酸及蝦殼脫鈣率的影響由圖2可見,在12~72h內(nèi),發(fā)酵液的pH迅速降低,pH達(dá)到3.5左右,此后變化趨緩;此外,蝦殼發(fā)酵脫鈣率在12~48h內(nèi)呈急劇增高趨勢(shì),之后增長(zhǎng)速度趨于平緩,產(chǎn)生此結(jié)果的原因可能是植物乳桿菌在48h前碳源、氮源等充足,微生物代謝旺盛,但超過48h后,隨著營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的減少以及產(chǎn)物的反饋抑制,從而產(chǎn)酸變緩,pH下降不顯著。較高的酸度有利于蝦殼中鈣的脫除和抑制腐敗現(xiàn)象的發(fā)生,而超過48h后發(fā)酵液的pH下降已不顯著,因此,發(fā)酵時(shí)間選擇48h左右比較合適。

        圖2 發(fā)酵時(shí)間對(duì)植物乳桿菌產(chǎn)酸及蝦殼脫鈣率的影響Fig.2 pH trends and DM rate during fermentation with different fermentation time

        2.1.3葡萄糖添加量對(duì)植物乳桿菌產(chǎn)酸及蝦殼脫鈣率的影響在乳酸菌脫鈣的研究中,添加葡萄糖更有助于乳酸的產(chǎn)生[13-15],由圖3可以看出,隨著葡萄糖添加量的增加,pH呈現(xiàn)下降趨勢(shì),且當(dāng)添加量大于15%時(shí),發(fā)酵液中pH無明顯變化,蝦殼的脫鈣率也無明顯變化。而對(duì)于脫鈣率而言當(dāng)葡萄糖添加量達(dá)到10%~15%,基本達(dá)到最大值,考慮葡萄糖添加量增大產(chǎn)生的生產(chǎn)成本增加,而且發(fā)酵液對(duì)于菌體的滲透壓也隨之增加,這時(shí)菌體的生長(zhǎng)可能會(huì)受到抑制,對(duì)發(fā)酵造成傷害[10],因此葡萄糖糖添加量確定為10%。發(fā)酵過程中添加的葡萄糖一部分被當(dāng)作碳源,還有一部分被轉(zhuǎn)化成乳酸,乳酸與蝦殼中的碳酸鈣反應(yīng),鈣被溶解形成乳酸鈣,因此,在發(fā)酵的開始階段,植物乳桿菌不斷消耗葡萄糖,乳酸不易積累,直到發(fā)酵時(shí)間的增加才產(chǎn)生更多的乳酸,因此,發(fā)酵過程中葡萄糖的消耗較大[16]。

        圖3 葡萄糖添加量對(duì)植物乳桿菌產(chǎn)酸及蝦殼脫鈣率的影響Fig.3 pH trends and DM rate during fermentation with different glucose concentration

        2.1.4發(fā)酵溫度對(duì)植物乳桿菌產(chǎn)酸及蝦殼脫鈣率的影響植物乳桿菌的最佳生長(zhǎng)溫度為30~38℃[17],由圖4可以看出,在30~37℃溫度范圍內(nèi)發(fā)酵液的產(chǎn)酸量較高,pH較低,且37℃時(shí)達(dá)到最大,pH達(dá)到最低,脫鈣率較高。因此,選用37℃為最優(yōu)發(fā)酵溫度。

        圖4 發(fā)酵溫度對(duì)植物乳桿菌產(chǎn)酸及蝦殼脫鈣率的影響Fig.4 pH trends and DM rate during fermentation with different temperature

        2.1.5接種量對(duì)植物乳桿菌產(chǎn)酸及蝦殼脫鈣率的影響圖5可以看出,隨接種量提高pH降低,但當(dāng)接種量超過6%以后,pH反而有輕微上升,產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能是當(dāng)接種量增大到一定量時(shí),因?yàn)榫N的快速生長(zhǎng)導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)很快耗盡,發(fā)酵后期代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生受到影響,不能累積足夠的酸,因此pH反而上升;同時(shí),接種量為6%時(shí),蝦殼脫鈣率也達(dá)到最大值??紤]實(shí)際操作的成本,所以除首次發(fā)酵時(shí)接種6%用培養(yǎng)基活化的菌種之外,接下來的發(fā)酵過程可以用上一次發(fā)酵的發(fā)酵液進(jìn)行接種,這種生產(chǎn)上不僅可行而且更節(jié)約的方法值得推崇。

        圖5 接種量對(duì)植物乳桿菌產(chǎn)酸及蝦殼脫鈣率的影響Fig.5 pH trends and DM rate during fermentation with different inoculum quanity

        圖6 料液比對(duì)植物乳桿菌產(chǎn)酸及蝦殼脫鈣率的影響Fig.6 pH trends and DM rate during fermentation with different solid-liquid ratio

        2.1.6料液比對(duì)植物乳桿菌產(chǎn)酸及蝦殼脫鈣率的影響由圖6可以看出,當(dāng)料液比小于1∶1時(shí),蝦殼的脫鈣率呈上升趨勢(shì),在液料比為1∶1時(shí),蝦殼的脫鈣率達(dá)到最大值,而當(dāng)料液比達(dá)到1∶2以后時(shí),蝦殼的脫鈣率明顯的急劇下降,發(fā)酵液pH隨料液比的增加而降低;在料液比1∶2時(shí)下降趨勢(shì)趨于平緩,且過大的料液比對(duì)副產(chǎn)物(乳酸鈣)濃縮等后續(xù)工藝操作不利。綜合考慮,最佳料液比為1∶1。

        2.2生物發(fā)酵法與傳統(tǒng)酸堿法制備的甲殼素基本成分比較分析

        在上述單因素研究初步確定的較好的發(fā)酵條件即:發(fā)酵周期48h,發(fā)酵溫度37℃,葡萄糖添加量為10%,料液比為1∶1,接種量為6%下發(fā)酵,進(jìn)行發(fā)酵制備甲殼素,并與傳統(tǒng)化學(xué)法制備的甲殼素進(jìn)行比較,結(jié)果見表1,由表1可以看出,在此條件下脫鈣率達(dá)到84.6%,略低于傳統(tǒng)酸堿法。傳統(tǒng)酸堿法與生物發(fā)酵法制備的成品甲殼素含量、水分等指標(biāo)均相近,且甲殼素中的灰分已經(jīng)很少,只有0.3g/100g左右,根據(jù)食品級(jí)甲殼素的要求[18],簡(jiǎn)單的處理后即可成為商品甲殼素,不需要再經(jīng)酸堿處理,基本無廢水、廢渣產(chǎn)生,并且以傳統(tǒng)的酸堿法制備甲殼素,強(qiáng)酸和強(qiáng)堿對(duì)甲殼素的分子結(jié)構(gòu)有一定的破壞[19],而且能耗高,下腳料污染環(huán)境。

        表1 傳統(tǒng)酸堿法與生物發(fā)酵法制備的甲殼素基本成分及性質(zhì)Table 1 Compositions and properties of krill waste,residues after chemical treatments and fermentation

        3 結(jié)論

        比較了葡萄糖、果糖、乳糖、蔗糖及可溶性淀粉等碳源對(duì)植物乳桿菌發(fā)酵南極磷蝦殼的影響,表明以葡萄糖為碳源發(fā)酵效果好,體系pH最低。研究發(fā)現(xiàn)隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)體系pH逐漸降低,脫鈣率逐漸增高,到48h后趨于平緩,初步確定較好的發(fā)酵時(shí)間為48h。隨著葡萄糖添加量的增大體系pH逐漸降低,而鈣脫除率則先增大,后降低趨勢(shì),在10%~15%達(dá)到最大,綜合考慮成本問題,選擇添加量10%。隨著發(fā)酵溫度、接種量、料液比的增大,體系pH呈先下降后增大趨勢(shì),而鈣脫除率則呈先增大后降低趨勢(shì),最適發(fā)酵溫度為37℃左右,最適接種量為6%,最適料液比為1∶1。通過單因素實(shí)驗(yàn)確定的發(fā)酵條件:發(fā)酵周期48h,發(fā)酵溫度37℃,葡萄糖添加量10%,料液比1∶1,接種量6%下發(fā)酵制備甲殼素,脫鈣率達(dá)到84.6%,與傳統(tǒng)酸堿化學(xué)法制得的甲殼素相比各指標(biāo)相近,表明利用本方法生產(chǎn)甲殼素具有一定的開發(fā)應(yīng)用前景。

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        Study on the influencing factors of fermentation of Antarctic krill shells with Lactobacillus plantarum L-45

        JIANG Qi-xing1,CHEN Xue-jiao1,XU Zhao-bin2,XU Yan-shun1,LIU Fu-jun2,YU Pei-pei1,XIA Wen-shui1,*
        (1.School of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2.Liaoning Province Dalian Ocean Fishery Group,Dalian 116113,China)

        In this study Lactobacillus plantarum L-45 was used as start strains to ferment Antarctic krill shells. The effects of carbon source,the fermentation time,the fermentation temperature and other factors on acid production of L-45 the variation and demineralization rate of krill shell were studied.The optimum fermentation conditions were as follows:fermentation time 48h,temperature 37℃,inoculums quantity 6%,glucose added 10%,and the ratio of material to liquid 1∶1.Under these conditions the demineralization rate was 84.6%.The obtained chitin was similar in nature and friendly to environment compared with the traditional chemical method. Key words:Lactobacillus plantarum L-45;krill shell waste;pH;decalcification rate

        TS254.9

        A

        1002-0306(2015)14-0212-04

        10.13386/j.issn1002-0306.2015.14.035

        2014-09-26

        姜啟興(1977-),男,博士,副教授,研究方向:食品加工與保藏。

        夏文水(1958-),男,教授,研究方向:食品加工與保藏。

        “十二五”國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2011AA090801)。

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