枯草芽孢杆菌固态发酵玉米粉的研究

闫亚婷 周安国 王之盛

(四川农业大学动物营养研究所,雅安 625014)

枯草芽孢杆菌固态发酵玉米粉的研究

闫亚婷 周安国 王之盛

(四川农业大学动物营养研究所,雅安 625014)

以玉米粉为原料,选用枯草芽孢杆菌进行固态发酵,研究适宜的发酵条件及发酵对玉米粉营养成分的影响。试验结果表明,适宜的发酵条件为:发酵时间 72 h,接种量 15%,料水比为 1∶0.4,硫酸铵添加量为 1.5%。发酵产物中淀粉含量显著下降,降解率达到 37.76%(70.48%～43.87%)。淀粉相对分子质量显著下降 (1.07×106～3.86×105)。可溶性糖含量提高了 171.9%(11.96%～32.52%),其中还原糖含量提高了 2.1倍 (3.94%～12.22%),糊精含量提高了 3.22倍 (3.77%～15.94%)。枯草芽孢杆菌发酵玉米粉能显著提高可溶性糖的含量,从而改善饲用品质。

枯草芽孢杆菌 玉米粉 固态发酵 营养成分

玉米作为一种优质的能量饲料,在养殖业上得到广泛的应用。但由于仔猪胃肠道还没有发育完全,淀粉酶活力低,对复杂碳水化合物利用有限[1-3],致使仔猪对玉米的能量利用率低,进而引起仔猪腹泻,生长停滞等问题[4]。

研究表明微生物发酵对饲料有很好的改造作用[5-8]。微生物在生长过程中产生的各种酶可以降低饲料中营养物质的相对分子质量,使其更加有利于幼龄动物消化吸收。淀粉的水解产物糊精能被仔猪有效利用。Lee等[9]在比较糊精、玉米淀粉、乳糖、葡萄糖、蔗糖对 21日龄断奶仔猪生产性能的影响时,发现玉米淀粉组的平均日增重,平均日采食量显著低于其他各组 (P<0.05);饲喂糊精与其他各组相比显著提高了饲料转化效率 (P<0.05)。

枯草芽孢杆菌能够产生淀粉酶,同时也作为微生态制剂在饲料中得到广泛应用[10-11]。因此本试验旨在研究枯草芽孢杆菌发酵玉米的适宜发酵条件及发酵后玉米中营养物质的变化,探讨微生物对玉米中碳水化合物的改造作用,为发酵能量饲料的应用提供依据。使玉米在幼龄动物上得到更好的应用。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

枯草芽孢杆菌 (B acillus subtilus CICC20018):中国工业微生物菌种保藏管理中心;玉米粉:四川农业大学动物营养研究所实验场;牛肉膏蛋白胨固态培养基:牛肉膏 5 g,蛋白胨 10 g,氯化钠 5 g,琼脂 20 g,水 1 000 mL,pH 7.2;牛肉膏蛋白胨液态培养基:牛肉膏 5 g,蛋白胨 10 g,氯化钠 5 g,水 1 000 mL,pH 7.2;固态培养基:100 g玉米粉 (过 20目筛),蒸馏水,硫酸铵,pH自然;支链淀粉和直链淀粉:美国 Sigma公司;

GRP-9160型隔水式恒温培养箱:上海森信实验仪器有限公司;UV-1100型分光光度计:上海美普达有限公司;PHS-3C型精密 pH计:上海精密科学仪器有限公司;S W-CJ-1FD型单人单面净化工作台:上海一恒科学仪器有限公司;QYC-2102型大容量双层全温摇床:上海新苗医疗器械制造有限公司;LDZX-50KBS型立式压力蒸汽灭菌器:上海申安医疗器械厂;

1.2 发酵工艺

1.2.1 活化培养

牛肉膏蛋白胨固态培养基斜面培养,121℃灭菌25 min,冷却后接入一环枯草芽孢杆菌菌体,放入37℃恒温培养箱,培养 48 h。

1.2.2 发酵种子液制备

从活化好的斜面培养基上,挑取两环菌体接入牛肉膏蛋白胨液态培养基,37℃,120 r/min摇床培养 24 h,制得发酵种子液,用血球计数板计数,菌体达到 1×107个 /mL。

1.2.3 固态发酵方法

将玉米粉装入 500 mL三角瓶中,按照正交试验设计加入硫酸铵和水到指定含量,裹牛皮纸封口,121℃灭菌 25 min,冷却后打散,将发酵种子液以不同的接种量接入发酵培养基中,搅拌均匀,封口,在37℃恒温培养箱培养不同的时间。发酵后样品在65℃烘箱中烘干,粉碎过 60目筛。

1.2.4 正交试验条件优化

设定对发酵时间,接种量,料水比和硫酸铵添加量 4个条件进行优化,每个条件设计 3个水平,采用正交试验,按 L9(34)正交表进行设计,以可溶性糖为指标确定最佳的发酵条件,试验设计见表 1。

表 1 发酵因素水平表L9(34)

1.3 测定指标及方法

1.3.1 常规成分的测定

干物质、粗灰分、粗脂肪、粗蛋白、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维的测定按文献[12]的方法进行。

1.3.2 碳水化合物的测定

淀粉、支 /直链淀粉的测定:双波长法[13];淀粉相对分子质量的测定:凝胶渗透色谱法[14];可溶性糖的测定:蒽酮法[15];糊精的测定:菲林试剂法测定[15];还原糖的测定:3,5-二硝基水杨酸比色法[16]。

1.3.3 酸度的测定

pH测定:酸度计测定[17],总酸的测定:直接滴定法[18]。

1.4 数据统计

采用 SPSS(13.0)软件进行方差分析和多重比较。

2 结果与讨论

2.1 枯草芽孢杆菌发酵玉米粉的正交试验结果及分析

从表 2中可以得出最佳发酵条件为 A2B3C3D2。由极差值 RD>RB>RA>RC可知,硫酸铵的添加量是影响玉米粉发酵的主要因素,其次为接种量、发酵时间和水的添加量。通过发酵条件的优化,可溶性糖含量增加明显,其中第 6组比原玉米粉提高了1.69倍 (11.96%～32.19%)。

表 2 L(34)正交试验直观分析表

2.2 验证试验结果

因为由极差分析得到的最优工艺条件组合A2B3C3D2没有在正交表中出现,所以对该最佳组合进行验证试验。采用 3个批次,每批 3个样品,可溶性糖平均值为 32.24%,与正交表中的最大值32.19%无显著差异。综合考虑到生产实践,发酵后干燥费用较大,因此确定正交表中发酵效果最好的组合 A2B3C1D2为本试验最优发酵条件,即发酵时间为 72 h、接种量为 15%、料水比为 1∶0.4、硫酸铵的添加量为 1.5%。

2.3 固态发酵产物的常规成分分析

从表 3可见,原玉米粉与灭菌的玉米粉相比,粗脂肪、粗蛋白、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维的差异均达到极显著水平 (P<0.01),可见灭菌处理对玉米粉有较大的影响。

与原料玉米粉相比,发酵玉米粉的干物质损失了 14.8%,粗灰分的质量分数提高了 13.38%。干物质下降可能是因为枯草芽孢杆菌消耗玉米粉中的营养物质用于自身的生长繁殖,部分能量在能量的转化过程中以热量的形式散失。矿物质是守恒的,干物质的损失导致发酵产物中粗灰分所占比重上升。

发酵产物中粗蛋白也显著提高,比原玉米粉提高了 52.85%,比灭菌玉米粉提高了 17.15%。陈宝林等[19]发现猴头菌固体发酵的玉米粉蛋白质质量分数高达 16.83%,比对照组提高了 45.59%,与本研究结果相似。

与灭菌玉米粉相比,发酵玉米粉的中性洗涤纤维下降了 4.76%,酸性洗涤纤维下降了 41.63%。说明枯草芽孢杆菌对纤维有一定的降解作用。

表 3 发酵前后玉米粉中的常规成分含量

2.4 固态发酵对玉米粉中淀粉及糖类的影响

由表 4可以看出,与原玉米粉相比,发酵产物中淀粉的含量显著下降 (P<0.01),其中支链淀粉质量分数下降了 53.68%,直链淀粉质量分数上升了11.43%。可能是由于枯草芽孢杆菌分泌的淀粉酶作用于相对分子质量较大的支链淀粉,其分解为相对分子质量较小的直链淀粉。陈宝林等[19]发现猴头菌固体发酵玉米粉中淀粉质量分数只有 21.86%,降解率达到 65.21%。闵伟红等[20]发现经过乳酸菌发酵的大米,直链淀粉的质量分数由 12.33%增加到17.37%,大米淀粉中的支链淀粉被降解,直链淀粉含量增加,与本试验结果一致。

随着淀粉的分解,发酵产物中可溶性糖质量分数由 11.96%增加至 32.52%,达到极显著水平 (P<0.01),其中还原糖质量分数提高了 2.1倍,糊精质量分数提高了 3.22倍。说明玉米粉经过枯草芽孢杆菌固态发酵,淀粉分解为糊精和还原糖。

表 4 发酵前后玉米粉中淀粉及糖类的含量

2.5 固态发酵前后玉米淀粉相对分子质量的变化

由图 1可以看出,灭菌对玉米淀粉的相对分子质量也有较大影响。经过枯草芽孢杆菌发酵玉米淀粉相对分子质量比原玉米淀粉下降了 63.93%。说明枯草芽孢杆菌发酵使淀粉的平均聚合度降低,更有利于仔猪的吸收利用。

李里特等[14]研究自然发酵对整粒大米中淀粉的作用发现发酵后淀粉大分子降解,中等及小分子质量淀粉比例增加,分子质量大小趋于均匀。闵伟红等[20]发现乳酸菌发酵使大米中的支链淀粉的平均聚合度降低。

图 1 发酵前后玉米粉中淀粉相对分子质量

2.6 玉米粉固态发酵前后酸度变化的分析

由表 5可知,与原玉米粉相比发酵后玉米粉中总酸度提高了 5.58倍,pH下降了 1.01。说明枯草芽孢杆菌在代谢过程中产生了各种有机酸。断奶仔猪胃酸分泌不足也是导致饲料消化率下降的一个原因。总酸增加,pH的下降有利于仔猪的消化吸收。

表 5 发酵前后玉米中酸度的变化

3 结论

3.1 枯草芽孢杆菌发酵玉米粉的适宜条件为发酵时间 72 h、接种量 15%、料水比 1∶0.4、硫酸铵的添加量1.5%。

3.2 玉米粉经过枯草芽孢杆菌发酵后淀粉含量显著下降,分解率达到 37.76%(70.48%～43.87%),淀粉相对分子质量显著降低 (1.07×106～3.86×105),可溶性糖含量提高了 1.72倍 (11.96%～32.52%)。

[1]王艳玲,杨雪峰,李宏基,等.仔猪断奶前后消化酶活性变化的初步探讨[J].中国畜牧杂志,2005,41(8):14-17

[2]Jesen M S,Jesens K,Jacogsen K.Development of digestive enzymes in pigs with emphasis on lipolytic activity in the stomach and pancreas[J].Journal Animal Sciences,1997,75:437-445

[3]OwsleyW F,OrrD E,Tribble L R.Effect of age and diet on the development of the pancreas and the synthesis and secre2 tion of pancreatic enzymes in the young pig[J].Journal Ani2 mal Sciences,1986,63:497-504

[4]Alibisson A R,Andersson G K.Subclinical characteristics of the wasting pig syndrome[J].Research Vet Sciences,1990,49:71-76

[5]吴胜华,李吕木,张邦辉,等.酵母菌单菌固态发酵豆粕的研究[J].中国粮油学报,2009,24(7):41-44

[6]杨建雄,陶树兴,宋土生,等.培养热带假丝酵母提高玉米粉的营养价值[J].营养学报,1992,14(2):182-185

[7]韩建荣,赵文婧,高宇英.灵芝固态发酵降解玉米淀粉的初步研究[J].食品与发酵工业,2004,30(7):59-61

[8]魏金涛,赵娜,杨雪梅,等.发酵饲料对断奶仔猪生产性能、血液生化指标和饲料养分表观消化率的影响[J].中国粮油学报,2009,24(2):129-133

[9]Lee C F,Han Y K,Lee KU,et al.Study on the nutritive val2 ue of dextrin as a carbohydrate source for pigs weaned at 21 days of age[J].JournalAnimal and Feed Sciences,2000,9:647-663

[10]朱五文,施伟领,陈晓峰.不同剂量枯草芽孢杆菌制剂对断奶仔猪饲养效果试验[J].畜牧与兽医,2007,39(8):32-33

[11]李维炯,倪永珍,黄宏坤,等.微生态制剂在生态畜牧业中应用效果[J].中国农业大学学报,2003,8(增刊):85-92

[12]张丽英.饲料分析与饲料质量检测技术 [M].第二版.北京:中国农业大学出版社,2002

[13]金玉红,张开利,张兴春,等.双波长法测定小麦及小麦芽中直链、支链淀粉含量 [J].中国粮油学报,2009,24(1):137-140

[14]李里特,鲁战会,闵伟红,等.自然发酵对大米理化性质的影响及其米粉凝胶机理研究[J].食品与发酵工业,2001,27(12):1-6

[15]宁正祥.食品成分分析手册[M].北京:中国轻工业出版社,1998

[16]赵凯,徐鹏举,谷广烨.3,5-二硝基水杨酸比色法测定还原糖含量的研究[J].食品科学,2008,29(8):534-536

[17]刘亚伟.玉米淀粉生产及转化技术 [M].北京:化学工业出版社,2003:270-271

[18]苏琼,王彦斌.淀粉精细化学品合成及其应用 [M].北京:民族出版社,2004:268-269

[19]陈宝林,何志民,贾秀玲.猴头菇固体发酵法提高玉米粉的营养价值[J].山西大学学报,2000,23(4):258-261

[20]闵伟红,李里特,辰巳英三,等.乳酸菌发酵改善米粉食用品质的机理 [J].食品与发酵工业,2003,29(6):5-13.

Solid-State Fer mention ofMaizeMealwithBacillus Subtilis

Yan Yating Zhou Anguo Wang Zhisheng
(Institute ofAnimalNutrition,Sichuan AgriculturalUniversity,Ya′an 625014)

To study the effect of fer mentation on the nutritional ingredient ofmaize meal,solid-state fer menta2 tion ofmaizemealwithB acillius Subtiliswas carried out,and the fer mentation conditionswere optimized.Results:The optimized fer mentation conditions are fermentation time 72 h,inoculum size 15%,ratio of material to liquid 1∶0.4,and ammonium sulfate 1.5%.Compared with the original maize,the starch content decreases from 70.48% to 43.87%,decline by 37.76%,and the relative molecular mass of starch decreases significantly from 1.07×106to 3.86×105;Soluble sugar increases from 11.96%to 32.52%,among which reducing sugar increases by 2.1 times(from 3.94%to 12.22%)and dextrin increases by 3.22 times(from 3.77%to 15.94%).Solid-state fermention withB acillius Subtiliscan significantly increase the soluble sugar content of maize meal,thus improve its feeding quality.

B acillus Subtilis,maize meal,solid-state fer mentation,nutritional ingredient

S816.6

A

1003-0174(2011)01-0052-04

教育部创新团队发展计划(I RT0555)

2010-01-13

闫亚婷,女,1984年出生,硕士,动物营养与饲料科学

周安国,男,1942年出生,研究员,博士生导师,动物营养与饲料科学