酵母菌与乳酸菌共培养发酵马铃薯渣的研究

生物饲料工程研究中心 2018-10-03 17:31:20

导读

单细胞蛋白(single cell protein,简称SCP)亦称微生物蛋白或菌体蛋白,主要指酵母、细菌、真菌和某些低等藻类生物等微生物,在其生长过程中利用各种基质在适宜条件下,培养单细胞或丝状微生物的个体而获得的菌体蛋白(Microbial protein)。用于生产SCP的微生物种类很多,主要包括四大类群,即非致病和非产毒的酵母、细菌、霉菌及藻类。微生物发酵生产单细胞蛋白,关键是菌种,目前由单一菌株趋向于复合菌株的协同发酵报道越来越多,复合菌株多由霉菌和酵母组成,也有霉菌与霉菌组成的,但是对酵母菌和乳酸菌组合报道很少。在食品中,乳酸菌和酵母菌之间稳定的共培养是普遍存在的,因为这种共生作用可以增加微生物对于复杂食品系统的适应性,同时也能增加菌种之间的协同作用。研究表明,在食物中由乳酸菌创造的酸性环境对酵母菌的增殖有促进作用,同时,酵母菌产生许多生长因子,如维生素、可溶性氮化合物,这些物质的存在也对乳酸菌的生长有促进作用。在发酵过程中,乳酸菌和酵母菌的共培养也可能会产生一些代谢产物,这些代谢产物会改善产品的风味。

目前,许多食品加工厂针对鲜薯渣常规的做法是将其廉价卖掉或者当废弃物扔掉,这不仅会造成资源浪费,还会导致严重的环境污染。研究表明,鲜薯渣中含有大量的纤维素、果胶等可利用成分,同时含有部分淀粉和少量蛋白质,其营养丰富,是很好的培养基,如果合理利用,不仅能实现马铃薯渣变废为宝的目的,而且还解决了食品工厂废渣处理的难题,达到食品工业副产物综合利用的目的。

本研究的目的是以马铃薯渣为原料,对酿酒酵母、产阮假丝酵母、白地霉、热带假丝酵母、植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌进行单一菌株发酵培养和混合菌株发酵培养,通过对发酵产物的粗蛋白和真蛋白含量的比较,确定生产单细胞蛋白较好的最佳菌株或混合菌株,为合理开发共生菌株生产单细胞蛋白提供依据。

1材料与方法

1.1 材料与仪器

马铃薯渣粗蛋白和真蛋白含量均为4.98%;麸皮市售;酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、产阮假丝酵母(Candidatails)、白地霉(Geotr ichum candidum)、热带假丝酵母(Candida tropicalis)、植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)内蒙古农业大学食品科学与工程学院微生物实验室提供;嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)由中国工业微生物菌种保藏中心购得。为了便于标记,菌种编号为:1#酿酒酵母、2#产阮假丝酵母、3#白地霉、4#热带假丝酵母、5#植物乳杆菌、6#嗜酸乳杆菌;尿素、硫酸铵、磷酸氢二钾、硫酸镁均为分析纯;MRS斜面培养基;YEPD斜面培养基;种子培养基成分同斜面培养基,不加琼脂;马铃薯渣固体发酵培养基马铃薯渣80%、麸皮20%、尿素1.5%、硫酸氨1.5%、磷酸氢二钾0.6%、硫酸镁0.05%、水分65%~70%;以上培养基均在115℃灭菌30min。

LDZX-50FA型立式高压蒸汽灭菌器;DHP-9272型电热恒温培养箱、DHG-9145A型电热恒温鼓风干燥箱;2HJH-1112B型垂直流超净工作台;PL303-01型电子分析天平;水浴恒温振荡器;KDA-08A型凯氏定氮仪;HN-12A型红外线消煮炉。


1.2 实验方法

1.2.1 马铃薯渣发酵工艺路线

1.2.2 操作要点

1.2.2.1 乳酸菌种子液的制备

将4℃保存的植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌接于MRS斜面培养基上活化,37℃培养24h,再将斜面菌种挑取一环接于MRS液体试管培养基中,37℃培养24h,作为一级种子培养基;以10%接种量接入装液量20mL/50mL MRS三角瓶液体培养基中,于37℃下以240r·min-1振荡培养24h,作为二级种子培养基。

1.2.2.2 酵母菌种子液的制备

将4℃保存的酵母菌接于YEPD斜面培养基上活化,28℃培养48h,再将斜面活化后的菌种挑取一环接于YEPD液体试管培养基中,28℃培养24h,作为一级种子培养基;以10%接种量接入装有20ml/50mL YEPD三角瓶液体培养基中,于28℃下以240r·min-1振荡培养24h,作为二级种子培养基。

1.2.2.3 接种发酵

将二级种子培养基按10%接入马铃薯渣固体培养基中,28℃恒温培养箱培养72h,每天用无菌玻棒翻动培养物。

1.2.2.4 干燥

恒温鼓风干燥箱干燥。

1.2.2.5 粉碎

干燥样粉碎过40目筛。


1.2.3 菌种筛选实验

1.2.3.1 单一菌种发酵

将6株菌分别接种于已灭菌的马铃薯渣固态发酵培养基上,自然pH,置于28~30℃培养箱,培养72h,低温烘干至恒重,以粗蛋白和真蛋白含量为检测指标,通过单菌种实验,分析各个菌种发酵前后产物中蛋白质含量的变化情况。

1.2.3.2 复合菌种发酵实验

考虑所有的菌种组合,进行发酵,筛选最优的菌种组合。

在烧杯内装入100g马铃薯渣固体发酵培养基,分别接入10%不同组合的混菌种,双菌接种比例为1∶1,三菌接种比例为1∶1∶1,四菌接种比例为1∶1∶1∶1,五菌接种比例为1∶1∶1∶1∶1,自然pH,置于28~30℃恒温箱中培养72h,低温烘干至恒重后测定其粗蛋白质和真蛋白含量。


1.3 检测指标

水分的测定:直接干燥法;粗蛋白的测定:凯氏定氮法;真蛋白的测定:硫酸铜沉淀法。


1.4 数据统计

采用DPS软件对数据进行统计分析,结果采用平均数±标准差表示。

2结果与分析

通过单菌种实验,测得发酵后产物的粗蛋白和真蛋白含量见表1。

由表1可知,6株菌分别进行单菌发酵,其粗蛋白和真蛋白含量均比原马铃薯渣蛋白质含量高,表明6株菌均能利用马铃薯渣生产单细胞蛋白。单菌产蛋白高低顺序为:白地霉>酿酒酵母>产阮假丝酵母>热带假丝酵母>嗜酸乳杆菌>植物乳杆菌。其中,加入3#(白地霉)菌株后,发酵产物表面形成白色菌丝体,发酵产物粗蛋白和真蛋白含量在单菌发酵实验组中最高,分别为31.4%和12.15%。资料表明,白地霉、假丝酵母和酿酒酵母都是SCP生产中被应用的菌种,而且具有生长快、生物量高、蛋白质含量高等特点,尤其是白地霉具有良好地利用淀粉的能力。加入1#(酿酒酵母)菌株后的固体发酵产物,有轻微的醇香味,粗蛋白和真蛋白含量分别为30.62%和11.71%。


2.2 复合菌种发酵实验

2.2.1 双菌种组合发酵实验

对菌种两两混合进行发酵,根据1株酵母菌+1株乳酸菌的原则,发酵产物粗蛋白和真蛋白含量见表2。

由表2可知,双菌种混合发酵产物粗蛋白含量范围为31.42%~32.98%,真蛋白含量范围为12.22%~12.94%。其中,3#6#(白地霉+嗜酸乳杆菌)菌种组合发酵粗蛋白和真蛋白含量最高,分别为32.98%和12.94%,对其发酵后的产物进行观察发现,48h后的发酵产物表面被一层白色的菌丝所覆盖,菌丝体洁白,发酵产物为淡黄色。


2.2.2 三菌种组合发酵实验

对菌种三菌混合进行发酵,根据2株酵母菌+1株乳酸菌的原则,发酵产物粗蛋白和真蛋白含量见表3。

由表3可知,三菌种混合发酵产物的粗蛋白含量范围为32.98%~33.94%,真蛋白含量范围为12.95%~13.61%。其中,3#4#5#(白地霉+热带假丝酵母+植物乳杆菌)菌种组合粗蛋白和真蛋白含量最高,分别为33.94%和13.61%。


2.2.3 四菌种组合发酵实验

对四菌混合进行发酵,根据3株酵母菌+1株乳酸菌的原则,发酵产物粗蛋白和真蛋白含量见表4。

由表4可知,四菌种混合发酵产物的粗蛋白含量范围为34.29%~35.63%,真蛋白含量范围为13.60%~14.05%,其中1#3#4#5#(酿酒酵母+白地霉+热带假丝酵母+植物乳杆菌)菌种组合粗蛋白和真蛋白含量最高,分别为35.63%和14.05%。


2.2.4 五菌种组合发酵实验

对菌种五菌混合进行发酵,根据4株酵母菌+1株乳酸菌的原则,发酵产物蛋白和真蛋白含量见表5。

由表5可知,五菌种混合发酵粗蛋白和真蛋白含量情况,五菌发酵的粗蛋白和真蛋白含量明显下降,粗蛋白含量最高为32.44%、真蛋白含量最高为12.73%。

3结论与讨论

单菌发酵马铃薯渣,白地霉产蛋白能力最高,粗蛋白和真蛋白含量为31.4%和12.15%。

混菌发酵马铃薯渣,酿酒酵母、白地霉、热带假丝酵母与植物乳杆菌混菌组合产蛋白能力最高,粗蛋白和真蛋白含量为35.63%和14.05%。

本研究结果显示,在单菌发酵中,3#菌株(白地霉)发酵产蛋白的能力高于其它单一菌株,其粗蛋白和真蛋白含量为31.4%和12.15%;双菌混合发酵中,3#6#组合(白地霉+嗜酸乳杆菌)产蛋白能力高于其它双菌组合,其粗蛋白和真蛋白含量为32.98%和12.94%;三菌混合发酵中,3#4#5#组合(白地霉+热带假丝酵母+植物乳杆菌)产蛋白能力高于其它三菌混合,其粗蛋白和真蛋白含量为33.94%和13.61%;四菌混合发酵中,1#3#4#5#组合(酿酒酵母+白地霉+热带假丝酵母+植物乳杆菌)产蛋白能力高于其它四菌混合,其粗蛋白和真蛋白含量为35.63%和14.05%;五菌组合发酵粗蛋白和真蛋白含量高于单菌发酵,但是低于其他混菌组合。单一菌株和混合菌株发酵马铃薯渣产粗蛋白和真蛋白结果表明:四菌组合>三菌组合>双菌组合>五菌组合>单菌。四菌组合生产的粗蛋白和真蛋白含量在p<0.05显著高于单菌发酵。由此说明,菌株的最佳组合为1#3#4#5#(酿酒酵母+白地霉+热带假丝酵母+植物乳杆菌)。

在马铃薯废渣生产单细胞蛋白方面,国内的一些科研单位也做过相关研究。王文侠等先用中温a-淀粉酶和Nutrase中性蛋白酶将马铃薯渣中的纤维素和蛋白质分解,再接种产生单细胞蛋白的菌株—产肮假丝酵母和热带假丝酵母,可使单细胞蛋白中的真蛋白含量达到12.27%;史琦云等用白地霉、假丝酵母和酿酒酵母多菌固体发酵马铃薯废渣,生产出粗蛋白质含量22.16%的单细胞蛋白。本研究结果显示,酿酒酵母、白地霉、热带假丝酵母三株酵母菌和一株植物乳酸菌,四菌株联合共培养固体发酵马铃薯废渣,可生产出粗蛋白含量为35.63%、真蛋白含量为14.05%的单细胞蛋白。通过比较,用酵母菌和乳酸菌混菌发酵法生产的单细胞蛋白粗蛋白含量要高于酶解法和单纯酵母菌混菌法。

研究表明,酵母菌与乳酸菌两者有着相似的生长条件,有着很好的共生基础,如适宜的pH4~7,适宜生长和发酵的温度25~37℃,都可以利用葡萄糖、果糖、麦芽糖等进行发酵,共同发酵不仅可以提高发酵速度,加速有益产物的积累,而且会产生丰富、良好的风味物质。乳酸菌和酵母菌可广泛应用于发酵食品,如开菲尔、酸马奶酒、腌制品、精制米酒、日本面酱、酱油及发酵乳。在这些环境中,乳酸菌与酵母菌存在着广泛的共生关系,二者相互促进生长。Leroi和Pidoux曾报道了法国某地区的传统发酵饮品中含糖开菲尔粒中的乳酸菌和酵母菌在增殖过程中的相互作用。

酵母菌和乳酸菌混菌较单菌发酵马铃薯渣产生的粗蛋白和真蛋白含量高,表明3株酵母菌和1株乳酸菌在生长和代谢过程中可能存在相互作用。酵母菌为兼性好氧菌,乳酸菌为微好氧菌,酵母菌和乳酸菌都耐酸,并且乳酸菌的一般培养基中都含有蛋白胨和酵母膏,在进行有氧培养时,酵母菌产生大量的菌体和代谢产物,同时这种培养条件又不会影响乳酸菌的存活,乳酸菌通过作用于马铃薯渣中的碳水化合物产生乳酸,为酵母菌生长提供了良好的酸性生长环境,碳源充足时,酵母菌大量的繁殖。同时3株酵母菌对乳酸菌的生长有促进作用。与Loretan等对开菲尔乳研究结果相同,研究认为酵母菌能提供氨基酸、维生素等其他化合物作为生长因子促进乳酸菌生长,暗示了乳酸菌和酵母菌之间的共生关系。

目前乳酸菌与酵母菌共同发酵生产单细胞蛋白的研究较少,也未见共培养发酵马铃薯渣的报道。本实验利用3株酵母菌和1株乳酸菌发酵马铃薯渣,对共生菌株生产单细胞蛋白的条件进行初步探索,为食品工厂废弃物的综合利用提供了理论依据。

注:本文由生物饲料开发国家工程研究中心(BFC)小编整理发布,如有任何建议或意见及投稿等,请您加小编微信(13260429991)交流互动。

责编:马维军;审阅:陈达 博士

(来源:食品工业科学;作者:张鑫,高爱武,黄雅娟等

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