鞏莉,華穎,劉大群,陳文烜
1(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院食品科學(xué)研究所,浙江省果蔬保鮮與加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州,310021)
2(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 茶與食品科技學(xué)院,安徽合肥,230031)
2011年,我國(guó)成為世界第一大番茄制品出口國(guó),到2012年我國(guó)已建成番茄加工生產(chǎn)線317條,番茄醬的年產(chǎn)量突破200萬t,出口份額約占全球市場(chǎng)的40%[1]。番茄渣大多為番茄醬加工副產(chǎn)品,全國(guó)年產(chǎn)量超過50萬t。番茄廢渣生產(chǎn)季節(jié)性強(qiáng),極易造成積壓、浪費(fèi);同時(shí)水分含量大(達(dá)到75%以上),易發(fā)霉變質(zhì),污染環(huán)境。鮮番茄渣酸度低(pH約為4.3左右),并含有單寧、果膠等抗?fàn)I養(yǎng)因子,直接飼喂動(dòng)物,易造成畜禽消化不良,導(dǎo)致畜禽產(chǎn)量、質(zhì)量降低。
目前我國(guó)蛋白質(zhì)飼料缺口每年至少達(dá)1 200萬t[2],依靠傳統(tǒng)方式提供飼料已遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)的需要。菌體蛋白是一種新興的蛋白來源,通過微生物發(fā)酵農(nóng)業(yè)廢棄物實(shí)現(xiàn)蛋白飼料的生產(chǎn),是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、高效的蛋白飼料生產(chǎn)方法。微生物發(fā)酵既可以解除纖維素、植酸等抗?fàn)I養(yǎng)因子,又可以通過發(fā)酵產(chǎn)生多種酶,改善發(fā)酵產(chǎn)品品質(zhì),提高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及蛋白質(zhì)在動(dòng)物體內(nèi)的消化率[3-6]。目前研究較多的有馬鈴薯、秸稈等,且大多使用幾種菌混合發(fā)酵來實(shí)現(xiàn)原料的更好利用[7-9]。用番茄廢渣作為菌體蛋白飼料生產(chǎn)原料的研究還較少,本實(shí)驗(yàn)以番茄廢渣為原料,以黑曲霉、綠色木霉、熱帶假絲酵母和產(chǎn)朊假絲酵母為出發(fā)菌,通過階段性發(fā)酵,優(yōu)化組合,以期獲得高蛋白質(zhì)含量的番茄廢渣飼料。
番茄廢渣購(gòu)自寧波銅錢橋食品開發(fā)有限公司,為番茄醬生產(chǎn)廢渣,取當(dāng)天產(chǎn)生的廢渣,分裝并置于-20℃冰箱保存;麩皮,為市售小麥麩皮。
甲基纖維素鈉,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;3,5-二硝基水楊酸,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;多聚半乳糖醛酸,阿法埃莎化學(xué)有限公司;酪氨酸,上??▋?yōu)生物技術(shù)有限公司,以上試劑均為分析純?cè)噭?/p>
黑曲霉 3.031 6(Aspergillus niger),綠色木霉3.294 2(Trichoderma viride),熱帶假絲酵母2.058 7(Candida tropicalis),產(chǎn)朊假絲酵母2.028 1(Candida utilis),購(gòu)于中科院普通微生物研究所。
酵母菌培養(yǎng)基:葡萄糖1%、蛋白胨1%、酵母提取物0.5%,121℃滅菌20 min,室溫保存?zhèn)溆?。液體培養(yǎng)基用于菌種活化,固體培養(yǎng)基用于菌種活菌數(shù)檢測(cè)、菌落觀察。
PDA:將馬鈴薯去皮,切成小塊,添加1 000 mL水,煮沸30 min,用紗布將渣濾去,并將水補(bǔ)足至1 000 mL,葡萄糖 20.0 g、瓊脂 15.0 g、pH 自然,121℃滅菌20 min,室溫保存?zhèn)溆?。液體培養(yǎng)基用于菌種活化培養(yǎng),固體用于菌落形態(tài)觀察。
Czapek’s瓊脂:方法參照標(biāo)準(zhǔn)配制,pH調(diào)至6.0~6.5,121℃滅菌20 min,室溫保存?zhèn)溆谩R后w培養(yǎng)基用于菌種活化培養(yǎng),固體用于菌落形態(tài)觀察。
本研究所涉及番茄殘?jiān)囵B(yǎng)基均為在上述幾種培養(yǎng)基基礎(chǔ)上,添加適當(dāng)比例的番茄殘?jiān)螓熎?具體比例視具體實(shí)驗(yàn)要求確定)。
Metrohm 877 Titrino plus自動(dòng)滴定儀,瑞士萬通;GBC Cintra 20紫外-可見分光光度計(jì),澳大利亞 GBC公司;Thermo MR23i高速低溫冷凍離心機(jī),法國(guó)JOUAN公司;UDK127型高效凱式定氮儀,嘉盛(香港)科技有限公司;LDZX-75KBS立式壓力蒸汽滅菌鍋,上海申安醫(yī)療器械廠;HPX-9162 MBE數(shù)顯電熱培養(yǎng)箱,上海博訊實(shí)業(yè)有限公司;SPX-150C型恒溫恒濕箱,上海博訊實(shí)業(yè)有限公司;梅特勒-托利多 HB43-S鹵素水分測(cè)定儀,瑞士萬通。
用75%酒精脫脂棉對(duì)安瓿管表面消毒,火焰加熱頂端,滴1滴無菌水使之裂開,鑷子敲下。用無菌試管吸取0.3~0.5 mL液體培養(yǎng)基,滴入安瓿管,振蕩,吸取全部菌懸液于2只培養(yǎng)試管中,28~30℃培養(yǎng)3~4 d使菌株復(fù)活,再經(jīng)過3代斜面純培養(yǎng)。
酵母菌:光電比濁法,在起初4 h內(nèi),每小時(shí)取樣1次,以后每2 h取樣1次,于600 nm處測(cè)定菌液的OD值,并繪制生長(zhǎng)曲線。
霉菌:采取平板菌落面積法,28~30℃培養(yǎng),每4 h測(cè)量1次菌落半徑。
2.3.1 可行性實(shí)驗(yàn)
將綠色木霉、黑曲霉、熱帶假絲酵母和產(chǎn)朊假絲酵母分別接種在使用番茄廢渣制作的固體培養(yǎng)基中,28~30℃培養(yǎng)2~3 d,觀察菌種的生長(zhǎng)狀況。
2.3.2 共生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)
將經(jīng)過稀釋的酵母菌281和587分別接種在酵母菌培養(yǎng)基和番茄廢渣培養(yǎng)基上,將牛津杯放在培養(yǎng)皿中間,將液體培養(yǎng)的綠色木霉和黑曲霉分別取0.2 mL接種到已涂布281和587的培養(yǎng)基上(接在牛津杯中),培養(yǎng)4~5 d,觀察菌落狀態(tài)。
將綠色木霉和黑曲霉分別點(diǎn)接在酵母菌培養(yǎng)基和番茄廢渣培養(yǎng)基上,待菌落長(zhǎng)出,在菌落中央放上牛津杯,取0.2 mL酵母菌,接種到牛津杯中,培養(yǎng)2~3 d,觀察菌落狀態(tài)。
2.4.1 番茄廢渣及麩皮最佳配比試驗(yàn)
分別接種兩種霉菌于添加不同比例麩皮的培養(yǎng)基中,培養(yǎng)基總重75 g,再分別添加硫酸銨1 g、尿素0.5 g,培養(yǎng)4 d后分別測(cè)定發(fā)酵液中總糖、還原糖以及蛋白質(zhì)的含量,以確定番茄廢渣的添加量。
2.4.2 發(fā)酵時(shí)間試驗(yàn)
在2.4.1所確定的最佳原料比例的條件下分別接種兩種霉菌,每隔24 h取1次樣,測(cè)定發(fā)酵液中總糖、還原糖的含量,確定最佳的酵母菌接種時(shí)間(即糖分含量達(dá)到最高的時(shí)間)。
2.4.3 霉菌發(fā)酵能力的測(cè)定
在2.4.1確定的條件下分別接種兩種霉菌發(fā)酵,每隔24 h取樣,測(cè)定發(fā)酵產(chǎn)物果膠酶和纖維素酶的含量,并在2.4.2所確定的時(shí)間測(cè)定還原糖和總糖含量,比較兩種菌的發(fā)酵能力。
2.4.4 酵母菌發(fā)酵產(chǎn)蛋白能力的實(shí)驗(yàn)
在15%麩皮添加量的條件下,分別接種兩種酵母菌,每隔24 h取1次樣,測(cè)定發(fā)酵產(chǎn)物中蛋白酶及蛋白質(zhì)的含量,比較酵母菌的發(fā)酵能力。
2.5.1 霉菌復(fù)配
根據(jù)試驗(yàn)2.4的結(jié)果,對(duì)綠色木霉和黑曲霉按照不同比例復(fù)配,每24 h取樣,測(cè)定總糖、還原糖含量,在發(fā)酵4 d后測(cè)定蛋白質(zhì)含量,確定最佳的復(fù)配比例及最佳的酵母菌接種時(shí)間。
2.5.2 添加酵母菌發(fā)酵試驗(yàn)
在試驗(yàn)2.5.1的基礎(chǔ)上,添加最佳比例的黑曲霉和綠色木霉發(fā)酵,到最佳發(fā)酵時(shí)間,分別添加,281、587、281∶587=1∶1、1∶2、1∶3的酵母菌,以后每隔 24 h測(cè)定蛋白質(zhì)及還原糖和總糖的含量,確定最佳的菌種比例及時(shí)間。
總糖和還原糖:參考鄭遠(yuǎn)斌的測(cè)定方法,平行測(cè)定3次。
蛋白質(zhì):參考 GB 5009.5[11],使用凱式定氮儀,每次取樣0.6~0.7 g,平行測(cè)定2次。
纖維素酶:參考 NY/T 912-2004[12]的方法,樣品研磨粉碎,取1 g測(cè)定,平行測(cè)定3次。
果膠酶:參考曹健康[13]的方法,發(fā)酵產(chǎn)品粉碎,取1 g處理測(cè)定,平行測(cè)定3次。
蛋白酶:參考張長(zhǎng)霞和 SB/T ISO17-1999[14]的方法,平行測(cè)定3次。
水分測(cè)定:使用鹵素水分測(cè)定儀,平行測(cè)定3次。
3.1.1 最佳接種時(shí)間的確定
由生長(zhǎng)曲線可知(圖未列出),霉菌的生長(zhǎng)曲線呈對(duì)數(shù)型,在起初24 h內(nèi)緩慢生長(zhǎng),24 h后迅速生長(zhǎng),48 h后進(jìn)入生長(zhǎng)旺盛期,細(xì)胞代謝最旺盛,代謝產(chǎn)物豐富,培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)成分足夠滿足菌落生長(zhǎng),菌落周圍的菌絲體生長(zhǎng)旺盛,故選取培養(yǎng)48 h左右的菌落周圍菌絲體作為接種原菌,并選擇此時(shí)期作為添加酵母菌的最佳時(shí)期。
酵母菌在生長(zhǎng)開始6 h內(nèi)生長(zhǎng)較緩慢,7~14 h菌種生長(zhǎng)迅速,進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,此期間細(xì)胞生長(zhǎng)速度最快,代時(shí)最短,酶的活力最強(qiáng),所以后續(xù)接種實(shí)驗(yàn)中選擇培養(yǎng)12 h左右的菌種接種,可實(shí)現(xiàn)微生物的最有效生長(zhǎng)繁殖和對(duì)原材料的最好利用。16~24 h內(nèi)酵母菌的生長(zhǎng)處于穩(wěn)定期,期間代時(shí)延長(zhǎng),細(xì)胞生長(zhǎng)能力衰弱,繁殖速度與死亡速度基本相等,菌體數(shù)目達(dá)到最大值,這個(gè)期間是收獲細(xì)胞的最佳時(shí)期。24 h后菌落進(jìn)入衰落期,活菌數(shù)目下降。
3.1.2 可行性實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4種菌均可利用番茄廢渣制成的培養(yǎng)基生長(zhǎng),與自身相應(yīng)培養(yǎng)基比較,雖生長(zhǎng)稍慢,但最終均可達(dá)到生長(zhǎng)較旺盛狀態(tài),說明4種菌株均可利用番茄廢渣滿足自身的生長(zhǎng)需求,利用番茄廢渣生產(chǎn)菌體蛋白飼料是可行的。
3.1.3 共生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4種菌種兩兩之間是可以共生的。刺激圈大小:熱帶假絲酵母+綠色木霉>產(chǎn)朊假絲酵母+綠色木霉>產(chǎn)朊假絲酵母+黑曲霉>熱帶假絲酵母+黑曲霉,說明熱帶假絲酵母和綠色木霉的共生效果最佳。
在先接種霉菌再接種酵母菌的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在生長(zhǎng)旺盛的霉菌培養(yǎng)基中接種酵母菌,酵母菌可以生長(zhǎng),有明顯的生長(zhǎng)圈,說明霉菌的代謝產(chǎn)物可以有效地刺激酵母菌的生長(zhǎng),即酵母菌可以利用霉菌的代謝產(chǎn)物進(jìn)行自身的生長(zhǎng)。
3.2.1 番茄廢渣及麩皮最佳配比試驗(yàn)
由表1可知,隨著麩皮添加量的增加,產(chǎn)物中總糖和還原糖的含量逐步增大,說明麩皮的添加顯著影響著微生物的生長(zhǎng),對(duì)發(fā)酵起著重要的作用。
表1 不同麩皮添加量下發(fā)酵產(chǎn)品的還原糖、總糖變化情況Table 1 The influence of bran addition on reducing sugar and total sugar
圖1所示為減去原料所含氮之后的蛋白質(zhì)增加量,可見發(fā)酵后產(chǎn)品蛋白質(zhì)含量有明顯的增加,說明通過微生物發(fā)酵提高蛋白質(zhì)含量的實(shí)驗(yàn)是可行的,在麩皮添加量為15%時(shí),蛋白質(zhì)增加最明顯,即此時(shí)微生物對(duì)原料的利用最充分,發(fā)酵效果最好,故選取麩皮添加量為15%進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
圖1 不同麩皮添加量發(fā)酵產(chǎn)品蛋白質(zhì)增加量Fig.1 The increment of protein under different material
3.2.2 發(fā)酵時(shí)間的確定
在麩皮添加量為15%條件下,分別接種兩種霉菌,每隔24 h取1次樣,測(cè)定發(fā)酵液中總糖、還原糖的含量,如表2所示。
表2 還原糖和總糖含量隨發(fā)酵時(shí)間變化情況Table 2 The influence of fermentation time on reducing sugar and total sugar
發(fā)酵過程中能夠產(chǎn)生兩種酶系:酶系1和酶系2,酶系1將番茄廢渣成分分解成可溶性糖,酶系2將這種可溶性的糖轉(zhuǎn)化為還原糖供微生物生長(zhǎng)利用。由表2可知,在發(fā)酵初期,還原糖和總糖含量都呈迅速上升趨勢(shì),在發(fā)酵2 d后,總糖含量開始下降,還原糖含量趨于穩(wěn)定,說明體系內(nèi)的物質(zhì)被分解利用,在第2 d左右分解成的可溶性糖含量較高,此時(shí)是菌種生長(zhǎng)的最佳時(shí)期,且根據(jù)霉菌的生長(zhǎng)曲線可以看出,霉菌在48 h左右呈旺盛生長(zhǎng)狀態(tài),所以選在接種霉菌第2 d后接種培養(yǎng)12 h的酵母菌,此時(shí)體系內(nèi)溶性糖含量較高,被霉菌分解利用的較少,可供酵母菌迅速生長(zhǎng)。
對(duì)發(fā)酵過程的果膠酶和纖維素酶進(jìn)行分析,結(jié)果見圖2和圖3。
圖2 果膠酶活隨發(fā)酵時(shí)間變化情況Fig.2 The influence of fermentation time on pectinase activity
由圖2和圖3可知,果膠酶和纖維素酶的含量隨著發(fā)酵的進(jìn)行均先上升后下降,且在第2天達(dá)到最大值,后迅速下降,這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果跟還原糖和總糖的變化情況一致,說明在第2天,酶系1活性最強(qiáng),果膠和纖維素被分解利用的最多,得到的總糖最多,在發(fā)酵第2天是接種酵母菌的最佳時(shí)機(jī)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知黑曲霉發(fā)酵產(chǎn)生的果膠酶活和纖維素酶活力都高于綠色木霉,說明黑曲霉較綠色木霉有更強(qiáng)的分解纖維素和果膠的能力,更適于番茄廢渣的分解利用。
圖3 纖維素酶活隨發(fā)酵時(shí)間的變化情況Fig.3 The influence of fermentation time on cellulose activity
對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物中蛋白酶及蛋白質(zhì)含量進(jìn)行分析比較,從而考察酵母菌利用番茄廢渣生長(zhǎng)能力,結(jié)果見圖4和圖5。酸性蛋白酶是影響植物蛋白的利用率和發(fā)酵產(chǎn)物中氨基酸含量的重要因素,酸性蛋白酶活性較高的菌種植物蛋白的消化率和氨基酸含量都相對(duì)較高,所以應(yīng)選擇酸性蛋白酶活力較高的菌株,以得到更優(yōu)的產(chǎn)品。
圖4 蛋白酶活隨發(fā)酵時(shí)間變化情況Fig.4 The influence of fermentation time on protease activity
由圖4和圖5可知,隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng),蛋白酶的活性逐步增強(qiáng),在第3天以后趨于穩(wěn)定狀態(tài),且產(chǎn)朊假絲酵母的蛋白酶活性高于熱帶假絲酵母。而蛋白質(zhì)含量則先上升后下降,在第3天達(dá)到最大值,隨后緩慢下降,這可能是由于在第4天后培養(yǎng)基中供微生物生長(zhǎng)發(fā)育的原料不足,酵母菌無法再進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖,且此時(shí)酵母菌的生長(zhǎng)處于衰弱期,所以選擇在第4天作為收獲期。
圖5 蛋白質(zhì)含量隨發(fā)酵時(shí)間的變化情況Fig.5 The influence of fermentation time on protein
3.3.1 霉菌復(fù)配
對(duì)綠色木霉和黑曲霉按照不同比例進(jìn)行復(fù)配,每24 h取1次樣,總糖、還原糖的變化情況如圖6和圖7所示。
圖6 不同配比菌種發(fā)酵產(chǎn)品還原糖含量Fig.6 The reducing sugar content of solid medium composite bacteria fermentation
由圖6和圖7可知,還原糖和總糖的含量都是先上升后下降,還原糖在第3天達(dá)到最大值,而總糖在第2天達(dá)到最大,這可能由于在發(fā)酵第2天,系統(tǒng)中酶系1活性最高,將纖維素等大分子物質(zhì)分解成總糖的能力強(qiáng),糖含量高,而此時(shí)霉菌處于開始迅速增長(zhǎng)期,所以選擇在第2天接種酵母菌。其中綠色木霉和黑曲霉比例為1∶2時(shí),還原糖和總糖的含量最高,且此時(shí)糖分的含量分別高于綠色木霉和黑曲霉單獨(dú)發(fā)酵時(shí)的含量(表2),所以選取綠色木霉與黑曲霉比例1∶2為最佳配比。
圖7 不同配比菌種發(fā)酵產(chǎn)品總糖含量Fig.7 The total sugar content of solid medium composite bacteria fermentation
3.3.2 添加酵母菌發(fā)酵試驗(yàn)
由圖8可知,蛋白質(zhì)的含量總體呈上升趨勢(shì),在第4天達(dá)到最大值,后處于穩(wěn)定狀態(tài),添加酵母菌后,單獨(dú)添加熱帶假絲酵母的培養(yǎng)基中蛋白質(zhì)含量較高,同時(shí)高于只添加霉菌單獨(dú)發(fā)酵的培養(yǎng)基,所以選擇添加霉菌后單獨(dú)添加熱帶假絲酵母為最佳發(fā)酵方案。
圖8 不同配比菌種發(fā)酵蛋白質(zhì)含量Fig.8 The protein content of different composite baeteria fermentation
微生物是個(gè)龐大的體系,其結(jié)構(gòu)與功能也是多樣化的,某些微生物對(duì)特定的底物有強(qiáng)的降解能力,但卻缺乏對(duì)其他物質(zhì)的降解能力,所以需要通過微生物之間的協(xié)同作用,共同作用于底物,使底物得到更好的分解利用,從而得到較優(yōu)的發(fā)酵產(chǎn)品[15-17]。葉龍翔等用黑曲霉、酵母菌和木霉(1∶2∶1)混菌固體發(fā)酵硫苷的降解率最高達(dá)到89.49%。王曉凡等[18]用多菌復(fù)合固態(tài)發(fā)酵菜籽粕硫苷降解率達(dá)到91.36%,顯著提高了原料利用率。Khan[19]等利用混菌發(fā)酵,濾紙酶活(FPA)和葡聚糖內(nèi)切酶(CMC)酶活分別達(dá)到1.43 U/mL,2.40 U/mL,發(fā)酵第4天還原糖含量可達(dá)2.58 g/L,得到顯著提高。由于微生物本身機(jī)制的復(fù)雜性,微生物之間的共生狀態(tài)也是復(fù)雜的,并非所有的微生物之間都是互利共生的,所以要選取最佳的發(fā)酵方式,需要了解菌種之間的共生狀態(tài),后進(jìn)行試驗(yàn)研究。黑曲霉是公認(rèn)的代謝產(chǎn)物可直接用于食品工業(yè)的高產(chǎn)果膠酶菌株,而綠色木霉由于含有能夠同時(shí)降解殼聚糖和纖維素的雙功能酶[20-23],也得到廣泛應(yīng)用,研究發(fā)現(xiàn)綠色木霉和黑曲霉存在互惠共生關(guān)系,兩者可進(jìn)行混菌發(fā)酵對(duì)番茄廢渣進(jìn)行降解處理。
總糖的含量代表著發(fā)酵環(huán)境中菌種酶系1將原材料降解成大分子多糖及小分子糖的能力,總糖含量越多說明降解原材料的能力越強(qiáng),本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明黑曲霉發(fā)酵過程中所得總糖較綠色木霉多,且纖維素酶和果膠酶的測(cè)定結(jié)果也同樣地說明黑曲霉酶活較強(qiáng),霉菌混均發(fā)酵實(shí)驗(yàn)也顯示在在綠色木霉∶黑曲霉=1∶2的情況下原材料可得到較好的降解。且在發(fā)酵第2天時(shí)總糖含量最大,還原糖利用較少,是添加酵母菌的最佳時(shí)期。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在只添加熱帶假絲酵母的情況下可得到較高蛋白質(zhì)含量的發(fā)酵產(chǎn)品,符合發(fā)酵目的及要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,選擇麩皮添加量為15%既可有效地進(jìn)發(fā)酵又確保了以番茄廢渣為主要原料,所以發(fā)酵原料即為15%麩皮和番茄廢渣。最佳菌種配比為:綠色木霉∶黑曲霉=1∶2,發(fā)酵48 h后添加熱帶加絲酵母,再發(fā)酵4 d收取發(fā)酵產(chǎn)品。此時(shí)發(fā)酵產(chǎn)品干物質(zhì)中蛋白質(zhì)含量高達(dá)35.00%,符合蛋白飼料的要求。
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