商曰玲,范 瑩,余 嵐,余曉紅
(鹽城工學(xué)院 海洋與生物工程學(xué)院,江蘇 鹽城 224051)
啤酒糟是啤酒釀造過(guò)程中最主要的副產(chǎn)物,俗稱麥糟,是麥芽和大米、淀粉等輔料經(jīng)過(guò)糊化、糖化、過(guò)濾糖化醪后,分離的不溶性殘?jiān)?,其主要成分為非淀粉多糖(纖維素、半纖維素,30%~50%)和蛋白質(zhì)(19%~30%)[1],除此之外,還含有大量的酚類化合物、維生素和礦物質(zhì)等[2-4]。對(duì)于啤酒糟,傳統(tǒng)處理方式是堆肥和用于動(dòng)物飼料[5],既可作為廉價(jià)氮源[6],又能為動(dòng)物提供所必需的含氮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[7],由于濕啤酒糟具有較高含水量益于消化,多用作反芻動(dòng)物的蛋白飼料[8],但其易酸敗變質(zhì)而產(chǎn)生大量有機(jī)酸、雜醇油及毒素等[9],并且含有較多的抗?fàn)I養(yǎng)因子,直接飼喂將會(huì)影響到動(dòng)物的消化吸收[10],限制了啤酒糟直接作為飼料的可行性。與此同時(shí),飼料市場(chǎng)需求也十分有限,故大多數(shù)啤酒糟常作為固體廢物直接排放[11],產(chǎn)生巨大的資源浪費(fèi),并且啤酒糟營(yíng)養(yǎng)豐富,若不經(jīng)一定的處理就排放,易造成微生物富集而污染環(huán)境。
啤酒糟具有增值化潛力,經(jīng)正確處理后可轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的資源,從而大大降低生產(chǎn)成本,并促進(jìn)其他產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。要實(shí)現(xiàn)啤酒糟資源化利用,高效且低成本的降解技術(shù)是必須解決的難題,啤酒糟的降解方法主要為微生物發(fā)酵法[12]、堿法[13]以及酶法[14]等,其中微生物降解技術(shù)操作簡(jiǎn)單且不污染環(huán)境,效果好,成本低,同時(shí)還能有效降低啤酒糟粗纖維含量和提高蛋白質(zhì)含量[15],故微生物發(fā)酵法在降解啤酒糟方面具有非常廣闊的市場(chǎng)前景,為啤酒糟的降解利用提供了新思路。
現(xiàn)有研究對(duì)啤酒糟的降解主要利用真菌微生物,如黑曲霉(Aspergillus niger)[16]和出芽短梗霉(Aureobasidium pullulans)[17],對(duì)細(xì)菌發(fā)酵降解啤酒糟的研究較少。因此,本研究采用傳統(tǒng)培養(yǎng)分離方法從啤酒糟中分離細(xì)菌微生物,通過(guò)形態(tài)觀察及分子生物學(xué)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行菌種鑒定,再利用其對(duì)啤酒糟進(jìn)行發(fā)酵,并與常規(guī)真菌對(duì)比,探究啤酒糟中細(xì)菌對(duì)啤酒糟的降解能力,以期為啤酒糟的進(jìn)一步降解研究提供思路和理論依據(jù)。
1.1.1 原料與菌株
啤酒糟:鹽城工學(xué)院啤酒中試實(shí)驗(yàn)室;出芽短梗霉(Aureobasidium pullulans)、黑曲霉(Aspergillus niger):鹽城工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室保藏。
1.1.2 培養(yǎng)基
馬鈴薯葡萄糖瓊脂(potato dextrose agar,PDA)培養(yǎng)基[18]:馬鈴薯200 g,葡萄糖20 g,瓊脂20 g,蒸餾水1 000 mL,121 ℃高壓蒸汽滅菌15~20 min。PDA液體培養(yǎng)基中不添加瓊脂。
LB培養(yǎng)基[19]:胰蛋白胨10 g,酵母膏5 g,氯化鈉10 g,瓊脂粉20 g,去離子水1 000 mL,pH 7.0~7.2,121 ℃高壓蒸汽滅菌25 min。
啤酒糟培養(yǎng)基[17]:將啤酒糟粉碎過(guò)60目篩,取20 g啤酒糟于錐形瓶中,加入50 mL去離子水,121 ℃高壓蒸汽滅菌30 min。
1.1.3 化學(xué)試劑
酵母膏、胰蛋白胨(均為生化試劑):賽默飛世爾科技公司;瓊脂、牛白蛋白(均為生化試劑)、葡萄糖、四水酒石酸鉀鈉、考馬斯亮藍(lán)G-250、三水醋酸鈉、乙酸、木糖、木聚糖、十二烷基硫酸鈉、3,5-二硝基水楊酸(3,5-dinitrosalicylic acid,DNS)(均為分析純):國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;氯化鈉、磷酸、硫酸銨、氫氧化鈉、無(wú)水亞硫酸鈉、無(wú)水乙醇、四硼酸鈉(均為分析純):江蘇彤晟化學(xué)試劑有限公司;硫酸卡那霉素、丙酮(均為分析純):南京都萊生物技術(shù)有限公司;細(xì)菌基因組提取試劑盒:北京索萊寶科技有限公司。其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。
UV-2100紫外可見(jiàn)分光光度計(jì):尤尼科儀器有限公司;HWS-26數(shù)顯恒溫水浴鍋、LRH-500F低溫培養(yǎng)箱、THZ-300C恒溫培養(yǎng)搖床:上海一恒科學(xué)儀器有限公司;H1850R臺(tái)式高速冷凍離心機(jī):湖南湘儀實(shí)驗(yàn)儀器開(kāi)發(fā)有限公司;SW-CJ-1D超凈工作臺(tái):江蘇通凈凈化設(shè)備有限公司;YXQ-50A立式全自動(dòng)高壓滅菌器:上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。
1.3.1 啤酒糟細(xì)菌微生物的分離純化
將啤酒糟粉碎,取10 g啤酒糟于已滅菌的錐形瓶中,加入90 mL的無(wú)菌水,28 ℃、150 r/min搖床培養(yǎng)30 min后,取適量發(fā)酵液進(jìn)行梯度稀釋,接種于LB培養(yǎng)基,于37 ℃條件下進(jìn)行培養(yǎng),分離并純化單菌落,保存。
1.3.2 菌種鑒定
形態(tài)觀察:將分離純化得到的細(xì)菌接種于LB固體培養(yǎng)基,37 ℃培養(yǎng)12~14 h,觀察菌落形態(tài)特點(diǎn),保存菌落形態(tài)具有顯著差異的單菌落。
分子生物學(xué)鑒定:采用相應(yīng)的基因組提取試劑盒對(duì)細(xì)菌單菌落的基因組脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)進(jìn)行提取,以其為模板,采用引物對(duì)27F(5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3')/1492R(5'-TACGACTTAACCCCAATCGC-3')對(duì)細(xì)菌的16S rDNA基因序列進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction,PCR)擴(kuò)增,PCR擴(kuò)增體系:2×TaqPCR Master Mix 12.5 μL、上、下游引物各1 μL、DNA模板0.5 μL、雙蒸水(ddH2O)10 μL。PCR擴(kuò)增條件:95 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃變性1 min,55~58 ℃復(fù)性1 min,72 ℃延伸90 s,30個(gè)循環(huán);最后72 ℃延伸10 min。采用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)PCR擴(kuò)增產(chǎn)物,委托通用生物(安徽)股份有限公司進(jìn)行測(cè)序。將測(cè)序結(jié)果提交至美國(guó)國(guó)立生物技術(shù)信息中心(national center for biotechnology information,NCBI)的GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行基本局部比對(duì)搜索工具(basic local alignment search tool,BLAST)對(duì)比,根據(jù)相似度對(duì)菌株進(jìn)行鑒定。
1.3.3 啤酒糟發(fā)酵
在PDA斜面培養(yǎng)基上分別接種黑曲霉和出芽短梗霉,于恒溫培養(yǎng)箱中28 ℃培養(yǎng)7 d,待長(zhǎng)滿斜面后,將菌種接入PDA液態(tài)培養(yǎng)基中,在28 ℃、180 r/min條件下?lián)u床培養(yǎng)3 d,即為真菌種子液。從LB固體培養(yǎng)基上挑取分離得到的細(xì)菌分別接入LB液體培養(yǎng)基,在37 ℃、180 r/min條件下?lián)u床培養(yǎng)8 h,即為細(xì)菌種子液。按12%(V/V)的接種量取種子液到啤酒糟培養(yǎng)基中,28 ℃、150 r/min搖床培養(yǎng)4 d。通過(guò)測(cè)定發(fā)酵液中蛋白質(zhì)、膳食纖維、還原糖、阿魏酰低聚糖含量和木聚糖酶、羧甲基纖維素酶酶活,比較研究啤酒糟中分離獲得細(xì)菌微生物與常用啤酒糟降解真菌的發(fā)酵降解效果。
1.3.4 發(fā)酵啤酒糟理化指標(biāo)的測(cè)定
蛋白質(zhì)含量的測(cè)定:采用考馬斯亮藍(lán)染色法;不溶性膳食纖維含量的測(cè)定:參照金信江[20]的方法;可溶性膳食纖維含量的測(cè)定:參照鄔建國(guó)等[21]的方法;還原糖含量的測(cè)定:采用DNS法測(cè)定;阿魏酰低聚糖(feruloyl oligosaccharides,F(xiàn)Os)含量的測(cè)定:采用雙波長(zhǎng)法測(cè)定;木聚糖酶活力的測(cè)定:參照沈誠(chéng)等[22]的方法;羧甲基纖維素酶活力的測(cè)定:參照杜曉梅等[23]的方法。
1.3.5 數(shù)據(jù)處理
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及制圖采用Excel 2019和Origin 9.0軟件進(jìn)行分析處理,并運(yùn)用SPSS 20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和MEGA 11.0軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。
2.1.1 細(xì)菌微生物的分離及形態(tài)觀察
通過(guò)LB培養(yǎng)基從啤酒糟中共分離出6株菌落形態(tài)特征完全不同的細(xì)菌,分別編號(hào)為B1~B6,其菌落形態(tài)見(jiàn)圖1。
圖1 分離細(xì)菌的菌落形態(tài)Fig.1 Colony morphologies of isolated bacteria
由圖1可知,6種細(xì)菌B1~B6的菌落均近似圓形,菌株B1呈啞光白色,菌株B2呈啞光黃色,菌株B3表面粗糙且存在中心圓狀凹陷,呈白色不透明狀,菌株B4~B6的菌落邊緣不規(guī)則,內(nèi)部有褶皺,呈白色。
2.1.2 分子生物學(xué)鑒定
將測(cè)序結(jié)果在NCBI上進(jìn)行BLAST比對(duì)分析,結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知,6種細(xì)菌B1~B6分別與蠟樣芽孢桿菌(Bacillus cereus)(LC052668.1)、梭菌屬(Clostridiumsp.)(HQ183777.1)、解淀粉芽孢桿菌(Bacillus amyloliquefaciens)(KP967704.1)、貝萊斯芽孢桿菌(Bacillus velezensis)(CP051463.1)、暹羅芽孢桿菌(Bacillus siamensis)(MT176526.1)、枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)(CP028213.1)相似度最高。
表1 NCBI序列比對(duì)結(jié)果Table 1 Results of NCBI sequence alignment
結(jié)合形態(tài)觀察,將細(xì)菌B1~B6分別鑒定為蠟樣芽孢桿菌(Bacillus cereus)、梭菌屬(Clostridiumsp.)、解淀粉芽孢桿菌(Bacillus amyloliquefaciens)、貝萊斯芽孢桿菌(Bacillusvelezensis)、暹羅芽孢桿菌(Bacillus siamensis)、枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)。
有研究表明[24],微生物發(fā)酵時(shí)可產(chǎn)生蛋白酶、淀粉酶、半纖維素酶等分解酶類,應(yīng)用微生物發(fā)酵可以同時(shí)水解原料中的蛋白質(zhì)和淀粉,以及水解其中的半纖維素以制備阿魏酰低聚糖,因此,發(fā)酵后產(chǎn)生的阿魏酰低聚糖含量可以作為初步探究細(xì)菌微生物對(duì)啤酒糟降解能力的指標(biāo)。前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),細(xì)菌B1(蠟樣芽孢桿菌)、B2(梭菌屬)和B3(解淀粉芽孢桿菌)的阿魏酰低聚糖產(chǎn)量較高,因此將該3株細(xì)菌作為目標(biāo)菌發(fā)酵啤酒糟。
2.2.1 發(fā)酵啤酒糟中蛋白質(zhì)含量的分析
不同微生物發(fā)酵啤酒糟樣品中蛋白質(zhì)的含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖2。
圖2 不同微生物發(fā)酵啤酒糟中蛋白質(zhì)含量的測(cè)定結(jié)果Fig.2 Determination results of protein contents in brewer's spent grain fermented by different microorganisms
由圖2可知,不同微生物發(fā)酵啤酒糟的蛋白質(zhì)含量大小依次為:菌株B3>黑曲霉>出芽短梗霉>菌株B2>菌株B1。其中,菌株B3發(fā)酵啤酒糟所得的蛋白質(zhì)含量最高,為25.26%,菌株B1發(fā)酵啤酒糟所得的蛋白質(zhì)含量最低,為10.08%。王曉力等[25]對(duì)3個(gè)地區(qū)的啤酒糟中蛋白質(zhì)含量進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),蛋白質(zhì)含量均>20%,本研究利用解淀粉芽孢桿菌B3發(fā)酵啤酒糟中的蛋白質(zhì)含量>25%。有研究表明,啤酒糟具有特殊結(jié)構(gòu),其所含蛋白被周圍纖維素緊緊包埋住,從而使啤酒糟蛋白的提取率和純度較低[14],綜合來(lái)看解淀粉芽孢桿菌B3對(duì)啤酒糟纖維素具有一定降解能力,從而釋放被包埋的蛋白質(zhì)。此外,菌株在發(fā)酵過(guò)程中,產(chǎn)生相應(yīng)的降解酶類,進(jìn)而增加蛋白質(zhì)含量。
2.2.2 發(fā)酵啤酒糟中不溶性膳食纖維含量的分析
啤酒糟中膳食纖維是可利用的主要營(yíng)養(yǎng)成分之一,研究微生物發(fā)酵啤酒糟中膳食纖維含量,是反應(yīng)啤酒糟降解利用的重要指標(biāo)[26]。不同微生物發(fā)酵啤酒糟樣品中不溶性膳食纖維含量的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖3。
圖3 不同微生物發(fā)酵啤酒糟中不溶性膳食纖維含量的測(cè)定結(jié)果Fig.3 Determination results of insoluble dietary fiber contents in brewer's spent grain fermented by different microorganisms
由圖3可知,不同微生物發(fā)酵啤酒糟所得的不溶性膳食纖維的含量大小依次為:菌株B1>菌株B2>出芽短梗霉>黑曲霉>菌株B3。其中,菌株B1發(fā)酵啤酒糟所得的不溶性膳食纖維含量最高,為68.81%,菌株B3發(fā)酵啤酒糟所得的不溶性膳食纖維含量最低,為51.39%。綜合來(lái)看,菌株B3發(fā)酵啤酒糟后所剩不溶性膳食纖維含量低,可以推測(cè)解淀粉芽孢桿菌B3的纖維素酶活可能相對(duì)較高,對(duì)啤酒糟中不溶性膳食纖維的降解能力較強(qiáng)。
2.2.3 發(fā)酵啤酒糟中可溶性膳食纖維含量的分析
不同微生物發(fā)酵啤酒糟樣品中可溶性膳食纖維含量的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖4。
圖4 不同微生物發(fā)酵啤酒糟中可溶性膳食纖維含量的測(cè)定結(jié)果Fig.4 Determination results of soluble dietary fiber contents in brewer's spent grain fermented by different microorganisms
由圖4可知,不同微生物發(fā)酵啤酒糟所得的可溶性膳食纖維的含量大小依次為:菌株B2>菌株B1>菌株B3>黑曲霉>出芽短梗霉。其中,菌株B2發(fā)酵啤酒糟所得的可溶性膳食纖維含量最高,為9.45%,出芽短梗霉發(fā)酵啤酒糟所得的可溶性膳食纖維含量最低,為5.36%。有研究表明,以大麥為原料的啤酒糟中各類膳食纖維含量(干質(zhì)量)為8%[27],姜福佳等[28]利用酶法對(duì)啤酒糟中的水溶性膳食纖維進(jìn)行提取,得率為5.09%。綜合來(lái)看,菌株B2對(duì)啤酒糟的降解能力較好,且細(xì)菌發(fā)酵的降解能力要優(yōu)于真菌。
2.2.4 發(fā)酵啤酒糟中總還原糖含量的分析
在啤酒糟降解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多種分解酶類,而啤酒糟中含有豐富的多糖,因此,在微生物發(fā)酵啤酒糟過(guò)程中所含多糖成分會(huì)被分解,產(chǎn)生還原糖等小分子物質(zhì)。不同微生物發(fā)酵啤酒糟樣品中的總還原糖含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖5。
圖5 不同微生物發(fā)酵啤酒糟中總還原糖含量的測(cè)定結(jié)果Fig.5 Determination results of total reducing sugar contents in brewer's spent grain fermented by different microorganisms
由圖5可知,不同微生物發(fā)酵啤酒糟的總還原糖含量大小依次為:菌株B3>出芽短梗霉>黑曲霉>菌株B2>菌株B1。其中,菌株B3發(fā)酵啤酒糟的總還原糖含量最高,為3.92%,菌株B1發(fā)酵啤酒糟中的總還原糖最低,為2.32%。綜上,解淀粉芽孢桿菌B3發(fā)酵啤酒糟制備總還原糖的能力要明顯好于其他4種微生物(P<0.05)。
2.2.5 發(fā)酵啤酒糟中阿魏酰低聚糖含量的分析
阿魏酰低聚糖是一種天然抗氧化劑,主要來(lái)源于谷物的皮殼或細(xì)胞壁[29],不同微生物發(fā)酵啤酒糟中阿魏酰低聚糖的含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖6。
圖6 不同微生物發(fā)酵啤酒糟中阿魏酰低聚糖含量的測(cè)定結(jié)果Fig.6 Determination results of feruloyl oligosaccharides contents in brewer's spent grain fermented by different microorganisms
由圖6可知,不同微生物發(fā)酵啤酒糟中阿魏酰低聚糖的含量大小依次為:菌株B3>出芽短梗霉>黑曲霉>菌株B2>菌株B1。其中,菌株B3發(fā)酵啤酒糟中的阿魏酰低聚糖含量最高,為10.01 μmol/L,菌株B1發(fā)酵啤酒糟中的阿魏酰低聚糖最低,為4.33 μmol/L,說(shuō)明解淀粉芽孢桿菌B3在降解啤酒糟產(chǎn)生高附加值利用的低聚糖方面,具有一定潛力。
2.2.6 發(fā)酵啤酒糟中木聚糖酶酶活的分析
木聚糖是啤酒糟中的主要無(wú)氮浸出物,是誘導(dǎo)生產(chǎn)木聚糖酶較佳的基質(zhì)[30],有研究利用微生物菌種發(fā)酵啤酒糟生產(chǎn)木聚糖酶,且所得木聚糖酶活性較高[31]。不同微生物發(fā)酵啤酒糟的木聚糖酶酶活測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖7。
圖7 不同微生物發(fā)酵啤酒糟木聚糖酶酶活的測(cè)定結(jié)果Fig.7 Determination results of xylanase activities of brewer's spent grain fermented by different microorganisms
由圖7可知,不同微生物發(fā)酵啤酒糟的木聚糖酶酶活大小依次為:菌株B3>黑曲霉>出芽短梗霉>菌株B1>菌株B2。其中,菌株B3發(fā)酵啤酒糟的木聚糖酶酶活最高,為803.59 U,菌株B2發(fā)酵啤酒糟的木聚糖酶活最低,為462.39 U。鮮啤酒糟中含有11.5%的無(wú)氮浸出物(主要為木聚糖),并且目前木聚糖酶的生產(chǎn)成本較高[32],綜上可知,利用解淀粉芽孢桿菌B3發(fā)酵啤酒糟不僅起到較好的降解效果,而且進(jìn)一步提高了啤酒糟的經(jīng)濟(jì)效益。
2.2.7 發(fā)酵啤酒糟中羧甲基纖維素酶酶活的分析
羧甲基纖維素酶是一種內(nèi)切葡聚糖酶,是降解纖維素過(guò)程中的主要酶[33],不同微生物發(fā)酵啤酒糟的羧甲基纖維素酶酶活測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖8。
由圖8可知,不同微生物發(fā)酵啤酒糟所得的羧甲基纖維素酶酶活大小依次為:菌株B3>黑曲霉>出芽短梗霉>菌株B2>菌株B1。其中,菌株B3發(fā)酵啤酒糟的羧甲基纖維素酶酶活最高,為38.16 U,菌株B1發(fā)酵啤酒糟的羧甲基纖維素酶酶活最低,為10.74 U。賓冬梅等[34]利用黑曲霉、康氏木酶(Rrichoderma koningi)、曲霉(Aspergillus)和青霉(Penicillium)對(duì)啤酒糟進(jìn)行發(fā)酵,結(jié)果發(fā)現(xiàn),單菌使用黑曲霉進(jìn)行發(fā)酵所得纖維素酶活力較好。本研究表明,解淀粉芽孢桿菌B3發(fā)酵啤酒糟的羧甲基纖維素酶酶活高于黑曲霉。綜上可知,解淀粉芽孢桿菌B3對(duì)啤酒糟的降解效果較好。
圖8 不同微生物發(fā)酵啤酒糟羧甲基纖維素酶酶活的測(cè)定結(jié)果Fig.8 Determination results of carboxymethyl cellulase activities of brewer's spent grain fermented by different microorganisms
本研究通過(guò)傳統(tǒng)培養(yǎng)分離方法從啤酒糟中共分離得到6種細(xì)菌,編號(hào)為B1~B6經(jīng)形態(tài)觀察及分子生物學(xué)技術(shù),B1~B6分別為蠟樣芽孢桿菌(Bacillus cereus)、梭狀菌屬(Clostridiumsp.)、解淀粉芽孢桿菌(Bacillus amyloliquefaciens)、貝萊斯芽孢桿菌(Bacillus velezensis)、暹羅芽孢桿菌(Bacillus siamensis)、枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)。以黑曲霉和出芽短梗霉為對(duì)照,利用蠟樣芽孢桿菌B1、梭狀芽孢桿菌B2、解淀粉芽孢桿菌B3分別發(fā)酵啤酒糟,結(jié)果發(fā)現(xiàn),解淀粉芽孢桿菌B3對(duì)啤酒糟的降解效果優(yōu)于真菌,為最優(yōu)發(fā)酵菌株,其發(fā)酵啤酒糟的蛋白質(zhì)、總還原糖、阿魏酰低聚糖、木聚糖酶酶活及羧甲基纖維素酶酶活均達(dá)到最高,分別為25.26%、3.92%、10.01 μmol/L、803.59 U、38.16 U。本研究篩選出具有較好降解能力的菌種B3,為啤酒糟的進(jìn)一步發(fā)酵降解利用以及后續(xù)尋找性能更加優(yōu)越的降解菌株提供了研究思路與理論依據(jù)。