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      高蛋白基料水平上的固態發酵

      2007/6/18 17:22:26   文章來源:宜春強微高新技術專利產品開發中心   作者:鐘啟平   瀏覽次數:21226
      【字號:  
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      本文發表在《中國飼料》權威雜志1996年第9期上
      原江西海天實業總公司海泉生物工程公司
      宜春強微高新技術專利產品開發中心
      宜春強微生物科技有限公司             作者:鐘啟平
       
            早在商朝我國人民就已知道人工制曲蘗釀酒,并發展創造了我國獨特的固態發酵法。隨著現代生物技術和規模工業的發展,尤其是生物反應器技術、傳感器技術、自控技術的發展,使勞動密集型的固態發酵技術日益受到沖擊,而與此同時,固態發酵技術在飼料工業中的應用卻異軍突起,規模日漸擴大。
       
            從基料蛋白水平上分類,我認為可把固態發酵分為低蛋白基料水平上的發酵和高蛋白水平基料上的發酵。低蛋白水平基料上的發酵包括中國傳統酒曲、活性酵母添加劑、固態發酵復合酶制劑、益生素及其它。
       
            國外固態發酵酵母生產基料配方以碳水化合物為主,基料蛋白水平在15~20%,基工藝目的是以大量增殖酵母細胞,產生生物活性物質為主,以及生產有特殊功能的發酵物如日糧特異性活性酵母(用于反芻動物瘤胃微生物區系的調節,以適應不同日糧組成)。故基料中作為微生物生命活動的能量物質比例大。
       
            固態發酵復合酶制劑如山東濟寧化工研究院的HF復合酶,基工藝目的是酶活性的大量誘導產生,基料蛋白水平在25~30%,以兼顧蛋白酶的誘導產生。
       
            高蛋白基料水平上的發酵包括中國醬曲、活性酵母飼料、棉菜籽餅的脫毒發酵、本公司的復合酵素蛋白飼料等。
       
            國內固態發酵產品大多為高蛋白基料水平上的發酵產品,這種技術由于基料中的碳水化合物相對要少,所以推測發酵中產生的生物活性物質及細胞數也會減少,同時高蛋白中的氨基酸也將受到損失,從而對此技術的現實意義產生了不同的看法。
       
            經過多年的研究,我們認為:1)高蛋白基料水平上的發酵還是能產生較強的生物活性的,尤其是高蛋白的誘導作用,可使蛋白酶活力高達5942U/g的水平;若接入酵母菌,其細胞數也能達到36億個/克,同時產生豐富的B族維生素。2)基料的物性發生了質的變化,原料味消失殆盡,代之以濃郁的醬香味;物料變得柔軟蓬松,并可產生粘性;適口性更強了等。3)最重要的莫過于蛋白質的變化,總蛋白和氨基酸總量增加,可溶性蛋白大增,蛋白消化率得以提高,針對我國蛋白質資源短缺的現實來說,這正是主要的工藝目的。
       
          本文主要闡述高蛋白基料水平上的固態發酵在飼料工業中的應用。
       
      1、應以可溶性蛋白為指標確定發酵原料
       
          發酵過程中,蛋白質得到分解,小部分轉化為菌體蛋白,大部分則酶解為可溶性蛋白、多肽、寡肽、二肽及游離氨基酸等并留在基料中,這是我們希望達到的目的。
       
          但是不是每種原料在發酵中均能產生這些變化,或變化程度不一,除了與菌種子關外,產生這種區別的原因還不能確定,但我們可通過檢測發酵過程中的這種變化,來確定哪些原料更適合于固態發酵,對于那些不適于發酵的原料,建議取締停用。
       
          取待測樣品200克,加水160毫升,攪拌均勻后,用蒸汽蒸30分鐘,攤冷后接入復合曲種2克,于白瓷盤中攤平,在30度溫度下進行培養,每12小時取樣分析。粗蛋白含量用凱氏定氮法,水溶性粗蛋白、水溶性非蛋白則用西南農大葉元土的茚三酮法測定,水溶性純蛋白為水溶性粗蛋白減去水溶性非蛋白而得,結果見表一:
       
          由表一可見,豆粕和玉米蛋白粉在發酵中各指標呈一直增長趨勢,60小時時粗蛋白增加率,分別為13.61%和9.43%;水溶性粗蛋白增加率分別為118%和134%。
       
          菜粕在發酵中則在36小時時呈現一最佳發酵期,此時粗蛋白增加率為17.97%,水溶性粗蛋白增加率為1949%。
       
          酒糟則各項指標基本保持不變,表明它不適合于固態發酵 。
       
          試驗證明,菜粕是一種較適合于固態發酵的好原料,發酵周期短,約為36~40小時,36小時時,菜粕的水溶性粗蛋白值、水溶性純蛋白值顯著高于其它物料發酵60小時時的含量,而水溶性非蛋白值僅略小于玉米蛋白粉60小時時的含量。各項指標的增加率也顯著優于其它物料。
       
        表一:物料在不同發酵時間條件下營養物質的變化比較
      發酵時間(小時)
      0
      12
      24
      36
      48
      60
      粗蛋白
      菜粕
      豆粕
      玉米蛋白粉
      酒糟
      35.61
      43.12
      64.91
      10.98
      37.25
      43.28
      65.51
      12.01
      39.90
      44.74
      67.01
      12.51
      42.01
      47.03
      68.82
      12.50
      40.12
      48.02
      70.22
      12.49
      39.76
      48.99
      71.03
      12.53
      水溶粗蛋白
      菜粕
      豆粕
      玉米蛋白粉
      酒糟
      1.57
      7.9
      5.61
      0.71
      2.91
      7.34
      5.55
      0.78
      10.23
      8.61
      6.52
      0.79
      32.17
      10.07
      8.98
      0.81
      17.11
      12.91
      10.23
      0.80
      14.26
      17.28
      13.12
      0.77
      水溶純蛋白
      菜粕
      豆粕
      玉米蛋白粉
      酒糟
      0.93
      5.03
      3.84
      0.40
      1.20
      5.63
      3.83
      0.42
      8.25
      5.16
      4.42
      0.43
      24.80
      6.06
      4.87
      0.42
      13.90
      8.29
      5.22
      0.44
      11.49
      12.25
      5.24
      0.40
      水溶非蛋白
      菜粕
      豆粕
      玉米蛋白粉
      酒糟
      0.61
      2.88
      1.77
      0.38
      1.71
      1.71
      1.72
      0.39
      1.98
      3.45
      2.10
      0.37
      7.37
      4.01
      4.11
      0.39
      3.21
      4.62
      5.01
      0.40
      2.77
      5.03
      7.88
      0.41
               注:1)菜粕經預先物理化學脫毒處理。2)各組均加了3%的玉米面作為發酵能源。
       
          需要指出的是,表中數據也表明水溶性非蛋白也大幅度增加,如菜粕在36小時時比發酵前增加了6.76個百分點,增加率為1108%,但這并不意味著蛋白質受到了破壞,相反地,這完全是由檢測方法所致,即將水浸提液用三氯乙酸TCA處理,使蛋白質沉淀并離心去除,剩下的上清液用來測非蛋白氮,而實際上一些可溶性低肽和全部的游離氨基酸并不因為TCA處理而沉淀,它們仍留在上清液中被當作非蛋白氮而測定了。所以實際上,水溶性非蛋白這個數據中,包含了不能被TCA沉淀的溶性低肽和游離氨基酸,它們是更富有營養的活性蛋白質。
       
      2  高蛋白基料水平上的發酵的菌種選用
       
          引進高酶活的菌種是明智這舉,這有別于國內大多采用純酵母發酵生產活性酵母飼料。因為酵母菌產生蛋白酶的活力極弱,對基料中的蛋白質幾乎沒有分解作用,對于高蛋白基料水平上的發酵是最大的缺陷。另一方面,高蛋白基料中碳水化合物有限,酵母產淀粉酶能力也有限,從而產生生物活性和增殖細胞數均受到限制。基料中如果不補充糖類或淀粉物質,則根本不能完成良好的發酵。
       
          本公司經三年來的努力,篩選出八株菌的優化組合。包括高蛋白酶曲菌、高淀粉酶曲菌、產植酸酶曲菌、及五株營養互補的酵母菌。發酵過程中,曲菌大量分解基料中的蛋白質和淀粉質,達到提高蛋白消化率的工藝目的;同時又為酵母菌提供可利用的低肽、氨基酸和葡萄糖,使酵母得以大量繁殖,酵母的作用則在于增加產品的生物活性、B族維生素、免疫和未知生長因子,并平衡營養。另外由于高蛋白基料的誘導作用,曲種產生和分泌大量的蛋白酶,產品實際上可作為蛋白酶制劑使用。可謂一舉多得。
       
          另外還可引入產生特殊營養物質的菌種。
       
      3、 培養基的組成
       
          首先不要指望通過發酵能使基料蛋白的氨基酸成分得以平衡,發酵中菌體蛋白的合成是較少的,必需氨基酸的提高僅為5~10%,我們的注意力應集中到最大限度地提高蛋白消化率和產生消化酶及其它生物活性物質上來。
          所以除了按前述考慮各原料是否適于固態發酵外,要特別注意各原料的氨基酸互補性,首先考慮基料配方是否平衡。以菜粕為主的基料中應考慮賴氨酸的平衡,方法有:配以血粉平衡;或添加外源賴氨酸,同時注意加入相應的保護性NH2—基物質或市售復合氨基酸,使賴氨酸與之同步同化,避免損失;或引進賴氨酸產生菌,生產出賴氨酸發酵液后,殺菌并濃縮加入到基料。
      配方中含少量的無氮和少量麥芽糖化液,可縮短發酵初始的廷滯期,為曲種的發芽提供易于吸收的氮碳源,同時為發酵中期酵母的增殖奠定基礎,產品生物活性更強。
       
      4、 采用BPC綜合發酵技術進行生產
       
      4.1 生產原料:預脫毒菜粕、預分解處理動物蛋白懸液、玉米粉、麥芽粉、磷酸、維C稀土、營養鹽、促溶劑、復合氨基酸,為我公司HT—4配方。
       
      4.2 用組裝式強制充氣發酵器發酵,40小時后進行強制自溶,進入酶分泌和進一步酶解過程,發酵結果見表二,從36到48小時,水溶性非蛋白從8,32%劇增到15.13%,經檢測其中真蛋白為12.01%,非蛋白僅為3.125%,強制自溶的目的還在于使微生物細胞中的胞內酶及其它生物活性成分大量分泌出來,并產生粘性及類似魚腥的香味,口感更鮮等。有點類似于醬油生產中的鹽漬過程。
       
       表二:HT—4號配方發酵結果
      發酵時間(小時)
      0
      12
      24
      36
      48
      粗蛋白
      水溶性蛋白
      水溶性純蛋白
      水溶性非蛋白
      46.48
      9.751
      4.821
      4.93
      48.91
      13.97
      9.56
      4.41
      51.85
      18.91
      13.73
      5.18
      52.97
      27.28
      18.96
      8.32
      53.43
      37.21
      22.07
      15.13
       
      4.3 與山東濟寧的HF復合酶相比,HF的蛋白酶活力為4300U/克,而本發酵物為5942U/克,大于HF是因為高蛋白的誘所致;HF的淀粉酶活力為8000U/克,而本發酵物的淀粉酶活力為2112U/克,遠低于HF是因為本試驗為低碳水化合物基料配方。
       
      4.4 由于高酶曲種的參與發酵,促進了酵母細胞的繁殖,試驗在自溶前檢測細胞數,典型的酵母細胞可穩定在36~90億個/克之間,達到了飼料酵母之產品標準。
       
          故本品集酶制劑與酵母飼料的特點于一身,同時具有粘性,高可溶性蛋白,活性稀土,應激免疫,調香調味,等多個特性,同時為替代魚粉而設計,考慮了鈣磷和賴氨酸的平衡等。
       
          有趣的是,本品密封保貯后,越貯越香,是畜禽喜愛的香味蛋白飼料。
       
      5、 大規模固態發酵設施設備的開發前景廣闊
       
          縱觀國內活性酵母飼料生產現狀,存在著產品質量與產量之間的日益尖銳化的矛盾,生產規模不斷擴大,生產方式卻一直沿用古老的勞動密集型方式,主要表現為在發酵設施設備上,通風發酵池、淺盤上架發酵等均已不適應大規模的生產,勞動強度之大可想而知,稍有不慎便會影響產品質量,開發大規模而勞動強度小,自動化程度高的發酵設施設備應具有無比的市場和魁力。

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