菌酶協同處理豆粕制備飼用小肽的研究

華中農業大學生命科學與技術學院 方 樂 葛向陽*

浙江省農業科學院植物保護與微生物研究所 湯江武 姚曉紅 吳逸飛 孫 宏

傳統營養理論認為，蛋白質必須被消化成游離氨基酸之后才可被消化道吸收利用，蛋白質營養即是氨基酸營養。而新的研究表明，蛋白質經消化道酶降解成游離氨基酸和各種小肽后，小肽以完整的形式和游離氨基酸同時被動物直接吸收利用（陳培賽和薛成君，2008；Backwell，1997b）。小肽是指由多個氨基酸殘基組成的具有多種生物功能的肽（崔艷紅，2009）。小肽在動物機體內的作用主要有傳遞神經息、促進胃腸道消化功能、強化養分與吸收、調控物質代謝、參與機體的免疫調節等（Boze，2000；Backwell，1997a）。豆粕是一種優質的飼用蛋白原料，具有較高的蛋白質含量，其氨基酸組成也較平衡，是一種潛在的優質小肽資源（Adetayo，2005）。傳統的豆粕發酵主要是利用微生物的作用降低豆粕中的抗營養因子，或利用蛋白酶水解豆粕制備大豆肽，而采用微生物發酵和酶解協同作用處理豆粕，更有效地提高豆粕小肽化程度的報道較少（Lee，2005）。

本研究采用芽孢桿菌、酵母菌和中性蛋白酶混合處理豆粕，并優化菌酶協同處理豆粕工藝，以期獲得小肽化程度更高的飼用肽，進而提高豆粕的利用率與蛋白質品質。

1 材料與方法

1.1 材料 豆粕：浙江紹興中大生物科技有限公司提供，去皮豆粕，粗蛋白質 ≥45%。

菌種：BSW-2為枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis），YT為釀酒酵母菌（Saccharomyces cerevisiae），均為本實驗室保藏菌株。

中性蛋白酶：購于上海楷洋生物科技有限公司，酶活 ≥ 50U/g；酶活定義：在（40±0.2）℃，pH 7.0條件下，1 min內水解酪蛋白底物，產生相當于1 μg酚類化合物（由酪氨酸等同物表示）所需的酶量，定義為1個酶活單位，以U/g表示（DB33/T 459-2003）。

1.2 培養基 PDA培養基：馬鈴薯（去皮）200 g、蔗糖（或葡萄糖）20 g、水 1000 mL、pH 值自然；

LB培養基：蛋白棟10 g、酵母粉5 g、氯化鈉10 g、水 1000 mL、pH 7.0。

1.3 方法

1.3.1 液體種子的制備 枯草芽孢桿菌經斜面活化后刮取一環接入20 mL液體LB培養基，在30℃，160 r/min條件下搖瓶培養12 h，制成種子液；酵母菌經斜面活化后刮取一環接入20 mL液體PDA培養基，在30℃，160 r/min條件下搖瓶培養18 h，制成種子液。

1.3.2 豆粕發酵方法 豆粕基礎菌酶協同處理條件為裝料量100 g/瓶、中性蛋白酶添加量400 U/g、BSW-2和YT接種量各1%、料水比1∶1、發酵溫度30℃、發酵時間48 h基礎上，豆粕以一定比例加水，接種，加酶，混合均勻后裝入罐頭瓶中，用8層紗布加報紙封口，放入培養箱中，設定溫度，在實驗選取的時間取出，50℃烘干，粉碎，過80目篩待測。

1.3.3 豆粕菌酶混合發酵單因素試驗

1.3.3.1 接種量對小肽含量的影響 在基礎發酵條件上，控制其他因素不變，分別接種0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%的 BSw-2和 YT混合菌液（比例為1∶1）進行發酵，發酵結束經烘干、粉碎后測定小肽含量。

1.3.3.2 加酶量對小肽含量的影響 在基礎發酵條件上，控制其他因素不變，分別添加0、100、150、200、250、300、350、400、450、500 U/g 中性 蛋白酶進行發酵，發酵結束經烘干、粉碎后測定小肽含量。

1.3.3.3 料水比對小肽含量的影響 在基礎發酵條件上，控制其他因素不變，分別按料水比1∶0.6、1∶0.8、1∶1、1∶1.2、1∶1.4、1∶1.6、1∶1.8 加水進行發酵，發酵結束經烘干、粉碎后測定小肽含量。

1.3.3.4 處理溫度對小肽含量的影響 在基礎發酵條件上，控制其他因素不變，分別設定30、35、40、45、50℃的溫度進行發酵，發酵結束經烘干、粉碎后測定小肽含量。

1.3.3.5 處理時間對小肽含量的影響 在基礎發酵條件上，控制其他因素不變，分別設定0、12、24、36、48、60、72 h 的時間進行發酵，發酵結束經烘干、粉碎后測定小肽含量。

1.3.4 菌酶協同處理工藝優化 根據單因素試驗結果，設計5因素4水平L16（45）的正交試驗進行發酵工藝優化。發酵結束經烘干、粉碎后測定小肽、粗蛋白質含量和進行聚丙烯酰胺變性凝膠電泳（SDS-PAGE）。

1.3.5 發酵樣品小肽含量的測定 將待測樣品過80目篩，等體積加入10%三氯乙酸（TCA），在160 r/min搖床中30 min，然后4000 r/min離心15 min，取上清液做適當稀釋后用改良Lowry法測定蛋白質總量（張康，2001；GB/T 22492-2008）。

1.3.6 發酵樣品粗蛋白質含量的測定 采用凱氏定氮法，參照GB/T 14771食品中蛋白質的測定方法（GB/T 14771）。

1.3.7 發酵樣品蛋白質降解度的檢測 發酵樣品蛋白質降解度的檢測采用聚丙烯酰胺變性凝膠電泳法，（SDS-PAGE），具體方法見參考文獻（高麗和張聲華，2009；歐陽亮，2008）。

2 結果與分析

2.1 豆粕菌酶混合發酵工藝的研究

2.1.1 接種量對小肽含量的影響 由圖1結果可知：小肽含量隨著接種量的增加，說明BSW-2+YT發酵可以使小肽含量得到提高。當接種量為2.5%時，豆粕發酵后小肽含量最高，為185.16 mg/g。

圖1 不同接種量對小肽含量的影響

2.1.2 加酶量對小肽含量的影響 由圖2結果可知，隨著加酶量的增加，小肽含量也呈增加趨勢，當加酶量為400 U/g時，小肽含量最高，為192.89 mg/g。

圖2 不同加酶量對小肽含量的影響

2.1.3 料水比對小肽含量的影響 料水比是影響固體發酵的重要因素之一。水分含量影響發酵過程中微生物的生長，同時對酶的作用影響也比較大。由圖3的結果可知，小肽的含量隨著料水比的增加，呈現先增大后減小的趨勢，當料水比為1∶1.2時，小肽含量最高，為194.90 mg/g。當料水比過大時，小肽含量呈現減少的趨勢，可能是由于芽孢桿菌這類好氧菌在水分過多時生長受到抑制，從而影響了蛋白質降解成小肽。

圖3 不同料水比對小肽含量的影響

2.1.4 發酵溫度對小肽含量的影響 溫度是影響酶活的重要因素，酶活的高低，直接影響到豆粕中蛋白質酶解成小肽。由圖4的結果可知，小肽含量隨溫度的升高，先增加后減少。當發酵溫度為40℃時，小肽含量最高，為192.73 mg/g。

圖4 不同發酵溫度對小肽含量的影響

2.1.5 發酵時間對小肽含量的影響 由圖5的結果可知：隨著發酵時間的延長，小肽的含量先上升后略有下降。當發酵時間為48 h時，小肽含量最高為182.43 mg/g。當發酵時間長于48 h，隨著酶解時間的延長，小肽被進一步酶解生成游離氨基酸，含量反而出現下降趨勢，因此酶解時間不宜過長。

圖5 不同發酵時間對小肽含量的影響

2.2 豆粕菌酶混合發酵工藝優化 在單因素試驗的基礎上，得到各因素的適宜水平后，設計5因素4水平L16（45）的正交試驗進行發酵工藝優化，試驗因素水平編碼表、試驗設計及實施方案和結果見表1、表 2。

2.2.1 正交試驗結果的直觀分析 從表2直觀分析可以看出，極差列中接種量因素的極差值最大，所以得出結論接種量因素對小肽含量的影響最大，其次是發酵溫度、料水比、發酵時間、發加酶量。

發酵最優條件為A1B3C2D4E3，即接種量1.5%，加酶量 450 U/g，料水比 1∶1.4，溫度 40 ℃，時間60 h。

2.2.2 發酵方案的確定 從正交表中觀察得知最優組合為A1B3C3D3E3，與理論最優條件A1B3C2D4E3對比可知發酵時間不同，結合單因素試驗結果，發酵時間過長小肽含量反而有所下降，因此對這兩種方案進行3次驗證試驗，測得小肽含量與粗蛋白質含量見表3。

表1 試驗因素編碼表

表2 試驗設計及實施方案和結果

由表3可知，理論最優條件沒有正交表中最優組合結果好，因此最優條件為A1B3C3D3E3，即接種量 1.5%，加酶量 450 U/g，料水比 1∶1.4，溫度40℃，時間48 h，發酵結束后小肽含量從11.40 mg/g提高到199.65 mg/g；粗蛋白質從47.62%提高到56.72%。

表3 正交試驗驗正試驗結果

2.3 SDS-PAGE電泳檢測蛋白降解程度 將最終確定的發酵工藝的發酵產品進行SDS-PAGE檢測，以原料豆粕做對照，結果見圖6。

圖6結果顯示，與原豆粕相比，發酵產品中的大分子蛋白得到有效降解，生成小分子的多肽、小肽和氨基酸，其蛋白質的分子質量在45 kDa以下，小于14.4 kDa的占很大一部份，由此可見，發酵后豆粕的品質得到了有效提升。

圖6 發酵豆粕SDS-PAGE圖

3 討論

小肽的制備主要采用微生物發酵法和酶解法。從本質上講，微生物發酵法和酶解法都是利用蛋白酶的酶解作用（Jung，2006；李書國，2000）。微生物發酵法生產小肽的工藝主要有固體發酵和液體發酵。微生物固體發酵的優點是能較好地去除豆粕中的抗營養因子，發酵過程中加入的微生物如乳酸菌、酵母菌、芽孢桿菌等，其本身就是益生菌，有利于改善動物胃腸道的微生態環境，減少抗生素的應用和疾病的發生（吳勝華和李呂木，2008；周伏忠，2007）。本研究采用的是芽孢桿菌和酵母菌混合發酵豆粕，芽孢桿菌相對于霉菌來講，生長速度較快，發酵周期較短，降低了生產成本。并且在發酵過程中分泌蛋白酶，利用蛋白酶的內切作用將蛋白質降解成低分子質量的肽，因此對豆粕蛋白有較好的降解作用；酵母菌在發酵過程中產生酒香味，使發酵產品的風味有所提升，同時酵母本身也是很好的菌體蛋白，使豆粕發酵后的粗蛋白質提高。

目前酶解法制備小肽，主要采用中性蛋白酶、堿性蛋白酶和酸性蛋白酶（劉通訊，2002）。萬琦（2003），劉大川和鐘方旭（1996）研究了 5 種蛋白酶：中性蛋白酶、堿性蛋白酶、木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶的特性，篩選出堿性蛋白酶水解大豆蛋白制大豆肽，水解效果雖然較好，但是產物帶有強烈的苦味，需要采取一定的脫苦工藝后方可使用。王之盛和況應谷（2004）的研究結果表明，在堿性條件下有利于豆粕抗原蛋白的降解，中堿性條件有利于7S和2S小分子質量抗原蛋白的進一步降解。本研究采用中性蛋白酶酶解豆粕，相對于堿性蛋白酶和酸性蛋白酶，避免固體發酵pH調節困難的問題，使發酵方式更為簡單有效。

菌酶混合協同處理法生產小肽，充分利用微生物發酵與酶解各自的優勢，發揮微生物與蛋白酶的協同作用使豆粕蛋白降解更充分，小肽化程度更高，同時避免了酶解產品的苦味，提高產品風味及適口性，進一步改善了豆粕飼用肽產品品質和營養價值，這對實現飼用肽的工業化生產具有重要的參考價值。

4 結論

以豆粕為原料，利用芽孢桿菌、酵母菌、中性蛋白酶混合發酵豆粕生產小肽飼料，在接種量1.5%、加酶量 450 U/g、料水比 1∶1.4、發酵溫度40℃、發酵時間48 h條件下，豆粕發酵后，小肽含量和粗蛋白含質量都有顯著提高，小肽含量從11.40 mg/g提高到 199.65 mg/g；粗蛋白質從47.62提高到56.72%。

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