馬鈴薯渣熟料發(fā)酵生產(chǎn)SCP飼料關鍵工藝技術的研究

劉隴生 郭 斌 贠建民 黃 杰 王國棟

馬鈴薯淀粉是甘肅省乃至整個西北地區(qū)淀粉加工業(yè)的主要產(chǎn)品，資源較豐富[1－2]。馬鈴薯渣是制粉后的殘渣，主要含粗纖維、粗淀粉等多糖類物質，蛋白質含量僅4.6%～5.5%[3－5]。近年來，隨著食品工業(yè)的發(fā)展，每年生產(chǎn)的淀粉渣達百萬噸以上。對這些廢渣的利用僅僅局限于鮮渣和曬干后直接作為飼料，飼料蛋白質含量低（5.32%），粗纖維高達14.6%，營養(yǎng)含量比較低，適口性差，飼料喂養(yǎng)效果差，利用率低，儲存不方便，常引起霉爛變質，從而造成資源的極大浪費和嚴重的環(huán)境污染。我國是一個飼料（尤其是蛋白飼料）嚴重短缺的大國，每年都需要大量進口一些菌體蛋白以補充不足，因而這是食品加工行業(yè)中十分突出且亟待解決的問題[6－9]。據(jù)此，本試驗以提高馬鈴薯渣的蛋白質含量、營養(yǎng)價值和降低生產(chǎn)飼料設備要求為目的，采用微生物固態(tài)發(fā)酵技術，熟料發(fā)酵的方式，利用馬鈴薯渣為主原料，以麩皮、蠶豆秸稈粉等為輔料，選用多菌體協(xié)生，經(jīng)蒸煮、糖化、發(fā)酵、干燥、粉碎等一系列工藝，研制馬鈴薯渣菌體蛋白質飼料并進一步完善其工藝過程[10－13]。先后進行了生產(chǎn)工藝的確定，培養(yǎng)基篩選試驗，單菌種配方試驗，發(fā)酵菌種篩選試驗，多菌協(xié)生發(fā)酵菌種配比試驗，培養(yǎng)條件試驗等，并分別對所生產(chǎn)飼料產(chǎn)品的蛋白質、粗纖維、粗灰分等成分進行了測定分析，以作為研制蛋白飼料的依據(jù)，旨在為馬鈴薯淀粉渣的開發(fā)利用提供進一步基礎性資料和參考，并為解決治理農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)的廢料堆積、環(huán)境污染和生產(chǎn)工藝的可行性操作等提供一定的參考。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 原料

馬鈴薯渣、蠶豆秸稈粉：均由甘肅康樂綠色食品廠肉牛育肥基地提供；大片麩皮：市售。

1.1.2 菌種

白地霉（Geotrichum Candidum）、產(chǎn)朊假絲酵母（Candida Utilis）、黑曲霉（Aspergillus Niger）、釀酒酵母（Saccharomyces Cerevisiae），均購于中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心。

1.1.3 主要試劑

無水硫酸銅、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、鹽酸、硫酸、無水硫酸鈉、乙醚、尿素、硫酸銨等。以上試劑均為化學純。

1.2 儀器設備

電熱恒溫培養(yǎng)箱（北京市永光明醫(yī)療儀器廠生產(chǎn)），CS101－1A型電熱鼓風干燥箱（中華人民共和國重慶實驗設備廠生產(chǎn)），SW－CJ－1FD型單人單面凈化工作臺（蘇州凈化設備有限公司生產(chǎn)），手提式不銹鋼蒸汽消毒器（上海三申醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn)），HH－4數(shù)顯恒溫水浴鍋（江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司生產(chǎn)），SK－71搖床，凱氏定氮儀。分析天平、坩堝、電熱板、量筒、三角瓶、容量瓶、移液管、玻璃珠、滴定管、大試管等。

1.3 試驗方法

1.3.1 培養(yǎng)基

1.3.1.1 PDA培養(yǎng)基

馬鈴薯去皮，切成小塊，稱取100 g，加水約400 ml，煮沸30 min；用紗布過濾，加葡萄糖10 g和瓊脂10 g，于0.1 MPa壓力下滅菌30 min，備用。

1.3.1.2 麥芽汁培養(yǎng)基

粉碎后的大麥芽100 g,加60℃的水400 ml，于58～65℃下糖化3～4 h,直至用碘液測定糖化液無藍色反應為止，將糖化液用4～6層紗布過濾，于0.1 MPa壓力下滅菌30 min，備用。

1.3.2 菌種培養(yǎng)

1.3.2.1 斜面培養(yǎng)

采用麥芽汁瓊脂培養(yǎng)基和PDA固體斜面培養(yǎng)基。其中，前者用于釀酒酵母的活化，后者用于活化黑曲霉、白地霉及產(chǎn)朊假絲酵母,均在28～30℃下培養(yǎng)3 d。

1.3.2.2 糖化菌種曲培養(yǎng)

以麥麩為原料,制成三角瓶固體擴大菌種,(28±1)℃培養(yǎng)3 d,直至孢子成熟為止,備用。

1.3.2.3 發(fā)酵菌種子培養(yǎng)

白地霉液體菌種培養(yǎng)：培養(yǎng)基成分(質量分數(shù)，%)為(NH4)2SO40.5、MgSO4·7H2O 0.04、C6H12O63、KH2PO40.2，pH值5。在121℃下滅菌30 min，接種斜面菌種后溫度控制在（28±1）℃，轉速 100～150 r/min條件下?lián)u床振蕩培養(yǎng)48 h，備用。

假絲酵母液體菌種培養(yǎng)：以10°Be′麥芽汁（經(jīng)糖化過濾）為培養(yǎng)液，接種斜面菌種后在（26±1）℃，轉速100～150 r/min，搖床振蕩培養(yǎng) 24 h，備用。

釀酒酵母液體菌種培養(yǎng)：以10°Be′麥芽汁（經(jīng)糖化過濾）為培養(yǎng)基，接種斜面菌種，小三角瓶搖床（26±1）℃，轉速100～150 r/min條件下?lián)u床振蕩培養(yǎng)24 h，備用。

1.3.3 測定方法

纖維素的測定[14]：酸性洗滌纖維測定法(GB 12394—90)。粗蛋白測定[14]：半微凱氏定氮法(GB 5009.5—2003)。碳水化合物測定[14]：酸水解、斐林氏容量法(GB5009.9—85和GB5009.7—85)。

粗灰分測定[14]：采用重量法測定。

pH值測定[14]：采用pHS－3C型酸度計。

水分測定[14]：采用直接干燥法測定。

2 結果與分析

2.1 工藝流程的確定

為了解不同蒸熟程度對原料的糖化效果影響以及降低試驗設備要求和節(jié)約能耗，從而達到降低成本的目的。在蒸料這一工藝環(huán)節(jié)上，本試驗已確定最佳工藝流程中蒸料環(huán)節(jié)適宜條件：

①蒸煮時間：a.30 min、b.40 min、c.50 min、d.60 min；

②蒸煮溫度：a1.75～80 ℃、b1.80～85 ℃、c1.85～90 ℃、d1.90～95 ℃。

根據(jù)設計，研究原料在不同條件下的蒸料試驗，結果見表1、圖1。

表1 最佳蒸料工藝確定的條件與結果

表1結果顯示，優(yōu)選方案：蒸煮時間為1 h，蒸煮溫度為90～95℃。

圖1 隨蒸煮時間變化，蒸煮溫度對產(chǎn)物還原糖含量的影響

2.2 培養(yǎng)基配方初步篩選試驗（采用白地霉單菌種發(fā)酵法）

2.2.1 固體發(fā)酵培養(yǎng)基設計（見表2）

馬鈴薯淀粉加工業(yè)排放的鮮渣，含水量高達85%以上，經(jīng)在渣池內堆放依靠自身重量經(jīng)柵欄濾膜擠壓粗過濾2～3 d，含水量可降至75%左右，作為菌體蛋白飼料發(fā)酵用鮮渣。再拌入10%麥麩和8%蠶豆秸稈粉作為吸水性輔料后，即可調節(jié)物料含水量在65%左右，再經(jīng)調整C/N比值和礦質營養(yǎng)后，采用固態(tài)發(fā)酵工藝技術生產(chǎn)菌體蛋白飼料。

表2 馬鈴薯渣固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基（g）

培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質，如：碳源、氮源、C/N比[100：(0.5～2）]、無機鹽等物質的適當與合理是保證微生物生長繁殖的重要條件[9]。為探尋一個合適本試驗供發(fā)酵微生物發(fā)揮其優(yōu)勢，提高蛋白質含量的理想培養(yǎng)基，采用上述確立的工藝，以白地霉單菌種發(fā)酵法進行培養(yǎng)基初步篩選試驗，結果見表3。

表3 白地霉單菌種初步篩選配方試驗結果

表3結果顯示：白地霉在以上4種配方中均可生長，但以補充尿素，(NH4)2SO4為氮源的配方較好，其中尤以添加尿素的效果最佳。

由于配方1中沒有補充氮源，因此蛋白質提高率較低，在發(fā)酵過程中沒有充分利用，故應淘汰。

2.2.2 馬鈴薯渣SCP發(fā)酵菌種篩選及培養(yǎng)條件研究

按L9（34）和L4（23）正交設計，分別研究3種菌種在不同培養(yǎng)基組成，發(fā)酵時間及接種量條件下對原料基質中蛋白質含量變化的影響。

2.3 白地霉最佳發(fā)酵條件篩選

根據(jù)L9（34）三因素三水平正交設計，研究白地霉在不同條件下的發(fā)酵試驗，結果見表4。

表4 白地霉適宜發(fā)酵條件和結果[L9(34)]

表4結果顯示，以白地霉單菌發(fā)酵時影響產(chǎn)物蛋白含量的主次因素順序為：培養(yǎng)基組成＞發(fā)酵時間＞接種量，其極差R分別為2.407，0.810和0.386。優(yōu)選方案培養(yǎng)基組成為Ⅲ號，發(fā)酵周期為96 h，接種量為10%。

通過對表4試驗結果的極差分析和圖2可以看出。

圖2 各因素與水平對蛋白含量的影響

2.3.1 不同培養(yǎng)基組成的影響

白地霉能在以馬鈴薯渣為主的培養(yǎng)基中生長，經(jīng)其代謝作用，渣基中粗蛋白含量均得到一定程度的提高。同時也可以看出，不同的基質組成是影響蛋白質含量提高率最重要的因子，培養(yǎng)基組成間的極差R為2.407。其中Ⅲ號配方的粗蛋白含量最高，為20.759%(平均值)，因此Ⅲ號配方為理想配方，即馬鈴薯渣中補充一定量的尿素時，可獲得較高的蛋白含量；Ⅳ號配方為20.402%(平均值)，相比Ⅲ號略為遜色；Ⅱ號配方僅為18.352%(平均值)，是三種配方中最低的。

2.3.2 不同發(fā)酵時間的影響

培養(yǎng)時間對蛋白含量的影響雖然略次于培養(yǎng)基質的作用，但仍是影響蛋白質含量提高的重要因子，隨著發(fā)酵時間的延長，蛋白質含量呈上升趨勢，96 h時最高。

2.3.3 不同接種量的影響

在72～96 h的發(fā)酵時間內，白地霉單菌種10%的接種量，渣基中蛋白含量最高。

2.4 產(chǎn)朊假絲酵母適宜發(fā)酵條件篩選

根據(jù)L9（34）三因素三水平正交設計，研究產(chǎn)朊假絲酵母在不同條件下的發(fā)酵試驗，結果見表5。

表5結果顯示，以產(chǎn)朊假絲酵母單菌發(fā)酵時影響產(chǎn)物蛋白含量的主次因素順序為：培養(yǎng)基組成＞發(fā)酵時間＞接種量，其極差R分別為1.848、1.803和1.039。優(yōu)選方案培養(yǎng)基組成為3號，發(fā)酵周期為96 h，接種量為10%。

通過對表5試驗結果的極差分析和圖3可以看出：

2.4.1 不同培養(yǎng)基組成的影響

產(chǎn)朊假絲酵母能在以馬鈴薯渣為主的培養(yǎng)基中生長，經(jīng)其代謝作用，渣基中粗蛋白含量均得到一定程度的提高。同時也可以看出，培養(yǎng)基質是影響蛋白質含量提高的最重要因子。其中Ⅲ號配方的粗蛋白含量最高，為 19.062%(平均值)，Ⅳ號配方為 18.199%(平均值)；Ⅱ號配方僅為17.214%(平均值)，是三種配方中最低的。

表5 產(chǎn)朊假絲酵母適宜發(fā)酵條件和結果[L9(34)]

圖3 各因素水平對蛋白含量的影響

2.4.2 不同發(fā)酵時間的影響

發(fā)酵時間是影響產(chǎn)朊假絲酵母發(fā)酵的蛋白質含量提高率次重要的因素。前72 h內，微生物利用了速效碳源和氮源，快速生長繁殖，積累了菌體蛋白，而在84 h后，菌體蛋白合成速度趨于減緩，在96 h時積累最多。

2.4.3 不同接種量的影響

在72～96 h的發(fā)酵培養(yǎng)時間內，產(chǎn)朊假絲酵母單菌種5%～15%的接種量，隨接種量增大渣基中蛋白含量也逐漸升高。15%接種量發(fā)酵基質中蛋白含量最高，但與接種量10%間的差異不明顯，所以選擇接種量10%。

2.5 釀酒酵母適宜發(fā)酵條件篩選

根據(jù)以上2組正交試驗的試驗數(shù)據(jù)顯示，Ⅱ號配方的蛋白質含量提高率是最低的，故淘汰Ⅱ號配方，并再次做正交試驗，對Ⅲ號配方與Ⅳ號配方做最后一次比較。

根據(jù)L4（23）三因素二水平正交設計，研究釀酒酵母在不同條件下的發(fā)酵試驗，結果見表6。

表6 釀酒酵母適宜的發(fā)酵條件和結果[L4（23）]

表6結果顯示，以釀酒酵母單菌發(fā)酵時影響產(chǎn)物蛋白含量的主次因素順序為：培養(yǎng)基組成＞培養(yǎng)時間＞接種量，其極差R分別為0.548、0.471和0.266。優(yōu)選方案培養(yǎng)基組成為Ⅲ號，發(fā)酵周期為56h，接種量為10%。

2.6 多菌種協(xié)生發(fā)酵菌種適宜配比的確定

經(jīng)上述發(fā)酵試驗證實，不同的菌種均對蛋白質含量具有明顯的影響。白地霉的發(fā)酵產(chǎn)物雖然蛋白質含量較多，但香味成分不足并且略帶霉味，在一定程度上會影響適口性；釀酒酵母的風味最佳，具有醇香和脂香味；產(chǎn)朊酵母次之，既無香味也無霉味。

因此，為改善產(chǎn)品風味，并且保證蛋白質含量有較大幅度的提高，本試驗又采用多菌種協(xié)生混合發(fā)酵技術。根據(jù)正交試驗結果，綜合分析后確定的適宜條件為：以白地霉為主，產(chǎn)朊假絲酵母和釀酒酵母為輔，混合接種，總接種量10%，發(fā)酵周期96 h。因此，現(xiàn)設定4種主輔菌配比，發(fā)酵產(chǎn)物測定結果見表7。

表7 混合菌種不同配方比對產(chǎn)品組成及風味的影響

表7結果顯示：蛋白質提高程度排列次序為：b＞c＞d＞a；產(chǎn)品風味除a組略帶霉味外，其余3組均良好。可見，b組樣接種配比為最佳組合，即白地霉：產(chǎn)朊假絲酵母：釀酒酵母=8：1.5：0.5

3 結論

①本試驗采用的高含水量馬鈴薯鮮渣與吸水性物質輔料拌和配料，固態(tài)發(fā)酵菌體蛋白技術，較好地解決了以往采用干渣發(fā)酵過程，原料鮮渣脫水干燥困難的問題，不僅達到了飼料生產(chǎn)節(jié)水的效果，還可減少廢水排放，具有重要環(huán)保價值和意義。馬鈴薯淀粉加工業(yè)排放的鮮渣，含水量高達85%以上，經(jīng)在渣池內堆放依靠自身重量經(jīng)柵欄濾膜擠壓粗過濾2～3 d，含水量可降至75%左右，作為菌體蛋白飼料發(fā)酵用鮮渣，再拌入10%麥麩和8%蠶豆秸稈粉作為吸水性輔料后，既起到調節(jié)物料含水量適宜（在65%左右），同時又改善了鮮渣原有的粘稠組織狀態(tài)，使之疏松透氣，更適合于好氧固態(tài)發(fā)酵對基質的要求。

②常壓蒸煮是本工藝流程的另一個關鍵技術環(huán)節(jié)之一。從試驗結果來看，蒸煮時間越長（30 min～1 h），蒸煮溫度越高（75～95℃），產(chǎn)物還原糖的含量越高，這說明加熱是影響產(chǎn)物還原糖含量的一個重要指標。相較于高壓蒸煮，節(jié)約了蒸煮的能量消耗，降低了生產(chǎn)飼料的設備要求，達到了降低成本的目的。

③本試驗所用的1株糖化菌，3株SCP菌，即黑曲霉、白地霉、產(chǎn)朊假絲酵母、釀酒酵母，均可在馬鈴薯渣中良好生長，其中以白地霉為最佳，不論是單獨接種還是混合發(fā)酵，均表現(xiàn)出較大蛋白提高率，其余菌種也都顯示出一定程度的蛋白提高率，這三個SCP菌株的平均蛋白提高率分別為：白地霉為20.370%，產(chǎn)朊假絲酵母為18.964%，釀酒酵母為16.737%。在28℃，多菌種協(xié)生發(fā)酵96 h，薯渣中蛋白含量從發(fā)酵前薯渣中的6.50%提高到發(fā)酵產(chǎn)物中的21.98%。

19篇，刊略，需者可函索）