謝小來(lái),魏川子,馬逢春,陳明明,王 雪,孫悠然,焦培鑫
(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,哈爾濱 150030)
我國(guó)玉米秸稈資源豐富,但秸稈利用率較低,處理不當(dāng)易造成環(huán)境污染。玉米秸稈作為牛羊等反芻動(dòng)物普遍應(yīng)用的粗飼料,可提供大量粗飼料來(lái)源,但營(yíng)養(yǎng)價(jià)值低、適口性差且消化率低。因此,探索安全、實(shí)用的玉米秸稈飼料加工調(diào)制技術(shù),對(duì)我國(guó)環(huán)境保護(hù)和畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
斯日古楞等將玉米秸稈中添加尿素,袋貯試驗(yàn)表明,隨尿素(1%、2%、3%、4%)添加量增加玉米秸稈粗蛋白質(zhì)含量逐漸提高,添加尿素4%使玉米秸稈粗蛋白質(zhì)含量提高到8.71%[1]。但采用尿素氨化玉米秸稈,氨揮發(fā)損失較多,污染環(huán)境。王雨瓊等選取側(cè)耳屬白腐菌,從營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和抗氧化性能角度研究白腐菌對(duì)玉米秸稈的影響,發(fā)現(xiàn)發(fā)酵物中干物質(zhì)體外消化率、粗蛋白質(zhì)含量、抗氧化性能顯著提高(P<0.05)[2]。楊娟等利用解淀粉芽胞桿菌作發(fā)酵試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該菌株可提高秸稈飼料利用率[3]。生物法處理可提高玉米秸稈粗蛋白質(zhì)含量,改變營(yíng)養(yǎng)組成,但耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、發(fā)酵效率低、碳水化合物損失大。楊雪霞等對(duì)玉米秸稈作氨化汽爆處理,高溫下短時(shí)間氨化秸稈(8 min)與常溫氨化(30 d)相比,縮短氨化時(shí)間,氨化后秸稈中氮含量提高,處理后秸稈富集大量可發(fā)酵性碳源、氮源,將氨化汽爆后玉米秸稈固態(tài)發(fā)酵,粗蛋白質(zhì)含量顯著提高,比直接發(fā)酵玉米秸稈粗蛋白質(zhì)含量提高1 倍[4]。氨化可增加秸稈中氮元素,為酵母菌生長(zhǎng)提供氮源。酵母菌發(fā)酵時(shí)將無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì),酵母菌生長(zhǎng)過程出現(xiàn)的各種酶和其他營(yíng)養(yǎng)成分,可有效提高玉米秸稈消化率和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[5]。通過酵母菌產(chǎn)出的單細(xì)胞蛋白質(zhì)品質(zhì)良好,營(yíng)養(yǎng)豐富,尤其是選用產(chǎn)朊假絲酵母,獲得菌株的蛋白質(zhì)含量更高,可生產(chǎn)動(dòng)物飼料[6]。本試驗(yàn)采用東北農(nóng)業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的高壓密閉秸稈氨化系統(tǒng)處理玉米秸稈,制成進(jìn)一步發(fā)酵試驗(yàn)的氨化玉米秸稈原料。選擇產(chǎn)朊假絲酵母為發(fā)酵處理菌種,對(duì)氨化后玉米秸稈作微生物處理,探究氨化玉米秸稈粗蛋白質(zhì)含量最適發(fā)酵條件,為提高玉米秸稈營(yíng)養(yǎng)價(jià)值提供理論依據(jù)。
1.1.1 材料
原料:玉米秸稈(由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)反芻動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室提供)。
1.1.2 菌種
產(chǎn)朊假絲酵母(購(gòu)買于中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心,編號(hào)2.1180)。
1.1.3 培養(yǎng)基
產(chǎn)朊假絲酵母培養(yǎng)基:酵母膏0.3%,麥芽浸膏0.3%,蛋白陳0.5%,葡萄糖1%。
1.1.4 試驗(yàn)儀器
超凈無(wú)菌操作臺(tái)、隔水式恒溫培養(yǎng)箱、IS-RDV1 氣浴恒溫振蕩器、高壓滅菌鍋、冰箱、DZ-400/2S型真空包裝機(jī)、FOSS凱氏定氮儀。
玉米秸稈經(jīng)自然風(fēng)干,粉碎過20 目篩后經(jīng)室溫密封保存。采用高壓密閉秸稈氨化系統(tǒng),設(shè)置壓強(qiáng)0.3 MPa,對(duì)玉米秸稈作2 h氨化處理。
用1%葡萄糖、0.3%麥芽浸膏、0.3%酵母膏配制液體活化培養(yǎng)基,裝入錐形瓶高壓滅菌(121 ℃,15 min),滅菌后將液體培養(yǎng)基放入超凈無(wú)菌操作臺(tái)冷卻至室溫。將原種(斜面培養(yǎng)基保存的酵母菌)接種于液體培養(yǎng)基,氣浴恒溫振蕩器中培養(yǎng)48 h(28 ℃,150 r·min-1),為一級(jí)菌液;繼續(xù)采用液體活化培養(yǎng)基高壓滅菌冷卻至室溫,接種一級(jí)菌液,氣浴恒溫振蕩器中培養(yǎng)24 h(28 ℃,150 r·min-1),為二級(jí)菌液,制得酵母液體菌種為4.7×107cfu·mL-1,甘油封存?zhèn)溆谩?/p>
1.4.1 氨化玉米秸稈發(fā)酵處理
將57 個(gè)15.5 cm×24 cm 發(fā)酵袋中分別裝入100 g 氨化玉米秸稈,用滅菌小噴瓶分別加入所需要酵母菌液和相應(yīng)水分含量,混勻后真空密封,分別放入相應(yīng)溫度隔水式恒溫培養(yǎng)箱,發(fā)酵對(duì)應(yīng)天數(shù)后取出,烘箱65 ℃烘48 h,回潮24 h,保存待測(cè)。
1.4.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)
采用4 個(gè)單因素(發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間、含水量、酵母菌接種量)多水平試驗(yàn)設(shè)計(jì),研究某一因素對(duì)氨化玉米秸稈粗蛋白質(zhì)含量的影響時(shí),其他因素(參考條件:28 ℃、48 h、65%含水量、5%接種量)保持一致。溫度:24、28、32、36 ℃。時(shí)間:24、48、72、96、120 h。含水量:55%, 60%,65%, 70%, 75 %。接種量(%,V/W,V:菌液體積;W:氨化玉米秸稈重量):1%,3%,5%,7%,9%。對(duì)照組為未發(fā)酵氨化玉米秸稈。
1.4.3 響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)
根據(jù)Box-Behnken組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,通過溫度A、時(shí)間B、含水量C和酵母菌接種量D作四因素三水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)。響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平見表1。
表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平和編碼Table 1 Response surface test factor levels and coding
粗蛋白質(zhì)(CP)測(cè)定,凱氏定氮法[7]。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入Excel 并利用SPSS 22 軟件作One-Way ANOVA 方差分析和Duncan's 多重比較,數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,以P<0.05表示差異顯著。采用Design-Expert 軟件作響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。
2.1.1 發(fā)酵溫度
由表2得出,發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白質(zhì)含量隨著溫度升高呈先升后降趨勢(shì)。不同溫度處理組與對(duì)照組(編號(hào)5)之間差異均顯著(P<0.05)。24 ℃組粗蛋白質(zhì)含量分別與28 ℃、32 ℃、36 ℃粗蛋白質(zhì)含量差異顯著(P<0.05)。28 ℃與36 ℃組粗蛋白質(zhì)含量差異不顯著(P>0.05)。32 ℃組粗蛋白質(zhì)含量最高為16.17%,且32 ℃組粗蛋白質(zhì)含量分別與24 ℃、28 ℃、36 ℃粗蛋白質(zhì)含量差異顯著(P<0.05)。因此選擇32 ℃為較適宜溫度參數(shù)。
2.1.2 發(fā)酵時(shí)間
由表2得出,發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白質(zhì)含量隨著時(shí)間增加呈先升后降趨勢(shì),48 h 組粗蛋白質(zhì)含量最高為15.64%,72 h 略降低。處理組粗蛋白質(zhì)含量均高于對(duì)照組(編號(hào)11)(P<0.05)。24 h組粗蛋白質(zhì)含量差異顯著(P<0.05)。48 h與96 h組粗蛋白質(zhì)含量差異顯著(P<0.05),且與120 h 組粗蛋白質(zhì)含量差異顯著(P<0.05),但48 h與72 h組差異不顯著(P>0.05)。而72 h 組粗蛋白質(zhì)含量分別與24 h、96 h、120 h 組粗蛋白質(zhì)含量差異不顯著(P>0.05)。因此選擇48 h 為發(fā)酵氨化玉米秸稈適宜時(shí)間參數(shù)。
表2 發(fā)酵溫度、時(shí)間、含水量、酵母菌接種量對(duì)氨化玉米秸稈粗蛋白質(zhì)含量的影響(干物質(zhì)基礎(chǔ))Table 2 Effect of fermentation temperature,time,water content,and yeast inoculum on crude protein content of ammoniated corn stalks(DM basis)
2.1.3 發(fā)酵含水量
由表2得出,發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白質(zhì)含量隨著水分含量增加呈先升后降趨勢(shì),65%組粗蛋白質(zhì)含量達(dá)到最高為15.89%。不同含水量處理組與對(duì)照組(編號(hào)17)之間差異均顯著(P<0.05)。60%與75%組粗蛋白質(zhì)含量差異顯著(P<0.05)。65%組粗蛋白質(zhì)含量顯著高于55%組、60%組、70%組、75%組(P<0.05)。因此選擇含水量65%為發(fā)酵適宜參數(shù)。
2.1.4 酵母菌接種量
由表2得出,隨著酵母菌接種量增加發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白質(zhì)含量逐漸增加,接種量為9%時(shí)略降低。不同酵母菌含量處理組與對(duì)照組(編號(hào)23)之間均差異均顯著(P<0.05)。1%組分別與3%、5%、9%粗蛋白質(zhì)含量差異均顯著(P<0.05)。9%組分別與3%、5%粗蛋白質(zhì)含量差異顯著(P<0.05)。7%組分別與1%、3%、5%、9%組粗蛋白質(zhì)含量差異顯著(P<0.05),且接種量為7%時(shí),粗蛋白質(zhì)含量最大為16.72%。因此選擇酵母菌接種量為7%為適宜參數(shù)。
通過單因素試驗(yàn),得出發(fā)酵溫度28~36 ℃,發(fā)酵時(shí)間24~72 h,發(fā)酵時(shí)含水量60%~70%,發(fā)酵時(shí)酵母菌接種量5%~9%時(shí),粗蛋白質(zhì)含量較高。為進(jìn)一步優(yōu)化酵母菌發(fā)酵氨化玉米秸稈工藝參數(shù),以溫度、時(shí)間、含水量和酵母菌接種量為自變因素,以粗蛋白質(zhì)含量為響應(yīng)值,采用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)一組四因素三水平含29個(gè)處理組的響應(yīng)面試驗(yàn),響應(yīng)值見表3。
由表3 得出,第17 個(gè)處理組粗蛋白質(zhì)含量最高,即在發(fā)酵溫度32 ℃,發(fā)酵時(shí)間48 h,發(fā)酵時(shí)含水量65%,酵母菌接種量7%條件下,發(fā)酵后氨化玉米秸稈粗蛋白質(zhì)含量最高為17.01%。利用Design-Expert 軟件分析試驗(yàn)數(shù)據(jù),得到二次多項(xiàng)回歸方程:
其中,R 為粗蛋白質(zhì)含量,A、B、C 和D 分別對(duì)應(yīng)溫度、時(shí)間、含水量和酵母菌接種量編碼。
表3 發(fā)酵氨化玉米秸稈中粗蛋白質(zhì)含量響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Response surface test results of crude protein content in fermented ammoniated corn stalks
方差分析結(jié)果及顯著性分析見表4,失擬項(xiàng)P=0.6833>0.05,說(shuō)明回歸方程擬合度較好。模型F=83.49,P<0.0001差異極顯著,說(shuō)明該模型顯著。模型R2=0.9882,擬合程度較高,可分析和預(yù)測(cè)最優(yōu)發(fā)酵工藝參數(shù)。
由表4可知,溫度、時(shí)間、含水量和酵母菌接種量對(duì)粗蛋白質(zhì)含量影響均顯著(P<0.05)。對(duì)于交互作用而言,AB、AD、BD、CD是顯著項(xiàng)。
表4 回歸方程方差分析Table 4 Regression equation analysis of variance
3.1.1 溫度因素
溫度過低抑制酵母菌生長(zhǎng)和繁殖,從而影響發(fā)酵原料粗蛋白質(zhì)含量,因此適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi),提高溫度可增強(qiáng)酵母菌活性,利于發(fā)酵[8]。溫度過高,則抑制酵母菌活性,影響發(fā)酵原料粗蛋白質(zhì)終含量。鄧怡國(guó)等研究指出菠蘿葉渣厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量在溫度25~35 ℃呈逐漸增加趨勢(shì),35 ℃時(shí)產(chǎn)氣量最大,35 ℃上升至40 ℃時(shí),產(chǎn)氣量隨溫度升高而下降[9]。尚紅巖研究結(jié)果表明酵母菌最高活性發(fā)酵溫度為30~32 ℃[10]。梁裕崴的A21酵母菌性能測(cè)試結(jié)果表明,該酵母在25~35 ℃時(shí)正常生長(zhǎng),最適發(fā)酵溫度為28~31 ℃[11]。發(fā)酵效果隨溫度升高呈先升后降趨勢(shì),最適溫度時(shí)發(fā)酵效果最佳,與本試驗(yàn)研究一致。蘭曉勇等利用冠突散囊菌固態(tài)發(fā)酵苦蕎,苦蕎總蛋白含量先降后升,24 ℃時(shí)達(dá)到最高[12];球蛋白含量先增后降,28 ℃時(shí)球蛋白含量最高;醇蛋白含量先增后降,發(fā)酵溫度為30 ℃時(shí),醇蛋白含量最高;清蛋白先降后增,32 ℃時(shí)最高;谷蛋白在發(fā)酵溫度24~32 ℃范圍內(nèi),含量無(wú)明顯變化。發(fā)酵時(shí)不同蛋白質(zhì)含量隨溫度變化趨勢(shì)不同,不同蛋白質(zhì)含量最高發(fā)酵溫度不同。本文僅探討溫度對(duì)玉米秸稈粗蛋白質(zhì)含量的影響,應(yīng)進(jìn)一步研究溫度對(duì)玉米秸稈中其他蛋白質(zhì)成分的影響。
3.1.2 時(shí)間因素
酵母菌發(fā)酵產(chǎn)物和含量隨酵母菌生長(zhǎng)階段而改變。一般情況下,發(fā)酵初期,隨發(fā)酵時(shí)間推移,酵母菌大量繁殖,粗蛋白質(zhì)含量顯著增加[13]。到達(dá)最適發(fā)酵時(shí)間,產(chǎn)品粗蛋白質(zhì)含量達(dá)到最大值且基本保持恒定。發(fā)酵時(shí)間過長(zhǎng),酵母菌進(jìn)入衰退期,逐漸自體溶解,產(chǎn)品粗蛋白質(zhì)含量逐漸降低[14]。單立莉等研究不同發(fā)酵時(shí)間對(duì)發(fā)酵產(chǎn)品品質(zhì)的影響,48 h 時(shí)發(fā)酵產(chǎn)品粗蛋白質(zhì)含量最高[15],與本試驗(yàn)研究結(jié)果一致。劉紀(jì)成等[16]采用多菌混合發(fā)酵方法處理花生秸稈,發(fā)酵時(shí)間分別為(3、5、10、15 d),以粗蛋白質(zhì)和纖維素酶活為考查指標(biāo),結(jié)果發(fā)現(xiàn)10 d 的發(fā)酵效果較好,粗蛋白質(zhì)含量為15.37%。這與本試驗(yàn)結(jié)果不一致,因其采用多菌混合發(fā)酵方法,時(shí)間設(shè)置不同,因此發(fā)酵時(shí)間存在差異。本試驗(yàn)考慮利用最少時(shí)間達(dá)到最優(yōu)處理效果,減少時(shí)間成本。提高氨化玉米秸稈粗蛋白質(zhì)含量,選用多菌種代替單一產(chǎn)朊假絲酵母對(duì)其發(fā)酵處理有待研究。氨化玉米秸稈粗蛋白質(zhì)含量提高程度和發(fā)酵菌種有關(guān)。
3.1.3 含水量因素
對(duì)固態(tài)發(fā)酵來(lái)說(shuō),水分含量是影響菌體蛋白增加的重要因素[17]。含水量過低時(shí),不利于酵母菌細(xì)胞擴(kuò)散,抑制其生長(zhǎng);含水量過高,原料黏性增加,散熱差,不利于酵母菌生長(zhǎng)[18]。當(dāng)含水量適宜時(shí),原料顆粒之間疏松度適宜有利于排出微生物代謝產(chǎn)生CO2,促進(jìn)微生物菌體生長(zhǎng),且發(fā)酵料中氨態(tài)氮和蛋白質(zhì)產(chǎn)物在水中有一定溶解性,降低粗蛋白質(zhì)損失。劉強(qiáng)等試驗(yàn)中設(shè)置不同梯度含水量(15%、20%、25%、30%、35%、40%、45% 和50%),發(fā)現(xiàn)發(fā)酵菜籽粕粗蛋白質(zhì)含量隨水分梯度先升后降,40%時(shí)粗蛋白質(zhì)含量最高[19]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含水量為65%時(shí)發(fā)酵效果最好,可能因發(fā)酵原料差異和發(fā)酵過程所用菌株不同。劉曉明等以酵母菌、乳酸菌等分別固態(tài)發(fā)酵豆粕、玉米和棉籽粕,設(shè)置4個(gè)梯度含水量,結(jié)果表明不同菌株對(duì)不同發(fā)酵原料所需最適水分含量均不同[20]。惠文森等采用安琪酵母菌發(fā)酵玉米秸稈,研究發(fā)現(xiàn)含水量對(duì)發(fā)酵效果有顯著影響,含水量低,發(fā)酵效果差,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量變化小,含水量60%~70%時(shí),酵母菌大量繁殖,粗蛋白質(zhì)含量較高,與未發(fā)酵玉米秸稈差異顯著[21]。本試驗(yàn)含水量65%時(shí)粗蛋白含量最高,與惠文森等研究結(jié)果一致,說(shuō)明產(chǎn)阮假絲酵母發(fā)酵時(shí)最適含水量為65%。
3.1.4 酵母菌接種量因素
酵母菌接種量小,發(fā)酵周期延長(zhǎng),無(wú)法充分利用發(fā)酵飼料營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。隨接種量增加,粗蛋白質(zhì)含量提高[22]。接種量過大時(shí),酵母菌生長(zhǎng)旺盛,酵母細(xì)胞數(shù)量較多,發(fā)酵速度過快,易造成溫度過高,不利于酵母繁殖,酵母菌自體溶解,粗蛋白質(zhì)含量略下降。Gibbons 等研究釀酒酵母接種量對(duì)飼料固相發(fā)酵的影響,接種量為5%時(shí)酵母菌生長(zhǎng)繁殖較快且乙醇產(chǎn)量最多,接種量更高時(shí)反而無(wú)優(yōu)勢(shì),低于5%時(shí)發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)且酵母菌數(shù)量較低[23]。祁宏山等研究混菌發(fā)酵玉米秸稈,8%為最佳接種量,發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量最高[24]。孫先鋒等將獼猴桃破碎打漿,分別添加不同酵母菌含量(3%、5%、8%),均發(fā)酵3 d,發(fā)現(xiàn)添加5%酵母菌含量組酒精產(chǎn)量最高[25]。相同條件下,接種量增加使發(fā)酵產(chǎn)物在相同培養(yǎng)時(shí)間下菌群數(shù)更大,相同時(shí)間產(chǎn)酶量增加,但菌體過多會(huì)消耗大量蛋白質(zhì)。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)7%酵母菌接種量為最適接種量,差異原因可能與發(fā)酵菌株和發(fā)酵底物不同有關(guān)。
采用高壓密閉秸稈氨化系統(tǒng)對(duì)玉米秸稈氨化后發(fā)酵,玉米秸稈氮含量大幅增加,富集大量可發(fā)酵碳源和氮源,有利于微生物發(fā)酵。微生物將纖維素、半纖維素降解并轉(zhuǎn)化為菌體蛋白。高壓條件下秸稈半纖維素發(fā)生水解,木質(zhì)素部分降解,有利于發(fā)酵時(shí)微生物合成菌體蛋白,提高發(fā)酵后產(chǎn)物粗蛋白含量。李日強(qiáng)等對(duì)玉米秸稈氨化處理后組合菌發(fā)酵,氨化后玉米秸稈粗蛋白質(zhì)含量為13.19%,發(fā)酵后粗蛋白質(zhì)含量為17.64%[26],與本試驗(yàn)一致。說(shuō)明在氨化基礎(chǔ)上發(fā)酵可顯著提高發(fā)酵產(chǎn)物粗蛋白質(zhì)含量。譚禮將已氨化、發(fā)酵處理粉狀秸稈飼喂健康白鼠,結(jié)果發(fā)現(xiàn)采食量和體重飼喂氨化發(fā)酵秸稈的白鼠均高于對(duì)照組白鼠,解剖試驗(yàn)白鼠未發(fā)現(xiàn)體表、臟器及呼吸系統(tǒng)出現(xiàn)病理性改變[27]。因此,氨化后發(fā)酵玉米秸稈可顯著提高粗蛋白質(zhì)含量,飼喂動(dòng)物安全可行。
a.產(chǎn)朊假絲酵母發(fā)酵氨化玉米秸稈最適條件:溫度32 ℃,時(shí)間48 h,含水量65%,酵母菌接種量7%。
b. 通過響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化氨化玉米秸稈發(fā)酵參數(shù)。此條件下(溫度32 ℃,時(shí)間48 h,含水量65%,酵母菌接種量7%)氨化玉米秸稈發(fā)酵后粗蛋白質(zhì)含量最高為17.01%。