酶菌協同發酵玉米秸稈生產蛋白飼料的研究
玉米是我國主要農作物之一，在我國北方大面積種植，每年都會產生大量的玉米秸稈，年產量約為2.4 億t。由于其粗纖維含量較高，動物消化吸收率低，營養成分減少，適口性降低。除少部分被用作家畜的粗飼料和秸稈還田作肥外，其余秸稈均被焚燒廢棄，利用率不足10%，這樣既造成了天然資源的巨大浪費，也污染了環境。因此，如何提高玉米秸稈飼料的適口性、利用率和消化率，降低其對環境的污染，成為亟待解決的問題。玉米秸稈主要由纖維素、半纖維素、木質素等成分組成，并共存于植物纖維原料中。由于結構復雜，嚴重阻礙了酶解的進行。目前，國內外學者對玉米秸稈發酵飼料進行了廣泛研究，主要集中在不同預處理方法的研究、纖維素酶降解條件的優化以及多菌種發酵生產蛋白飼料等方面，在秸稈降解方面取得了一定的效果，然而粗蛋白含量仍較低。為提高玉米秸稈發酵飼料的粗蛋白含量，利用纖維素酶和酵母菌種共同發酵玉米秸稈，發揮酶、菌的相互作用，并研究酶菌協同發酵生產蛋白飼料的影響因素，以期為利用玉米秸稈生產蛋白飼料提供一種新途徑。
1材料與方法
1.1 材料
1.1.1 原料
玉米秸稈取自唐山市某大田，粉碎過841μm篩，備用。
1.1.2 菌種和酶
安琪酵母(釀酒曲)、纖維素酶由華北理工大學生命科學學院微生物實驗室提供。
1.1.3 主要儀器
722型可見光分光光度計購自上海光譜儀器有限公司;101－1AB型電熱鼓風干燥箱購自天津市泰斯特儀器有限公司;DNP－902電熱恒溫培養箱購自上海精宏實驗設備有限公司;YXQ－280SI型手提式高壓蒸汽滅菌鍋購自上海經濟區嘉興市中新醫療儀器有限公司;TDA－8002電熱恒溫水浴鍋購自余姚市東方電工儀器廠;SKD－2000全自動凱氏定氮儀購自上海沛歐分析儀器公司。
1.2 方法
1.2.1 最佳發酵劑確定
按照玉米秸稈發酵對發酵劑的不同需求，添加纖維素酶(0.8%)、纖維素酶與酵母混合物(8︰20)進行發酵，同時以未添加發酵劑的發酵產物為對照(CK)，測定發酵飼料的粗蛋白含量，確定最佳的發酵劑種類。
1.2.2 酶菌協同發酵玉米秸稈制備蛋白飼料的單因素試驗
1.2.2.1 發酵時間
在發酵溫度35℃、料液比1︰20、酶菌比例8︰20條件下，研究不同發酵時間(18h、28h、38h、48h、58h、68h)對發酵產物粗蛋白含量的影響。
1.2.2.2 酶菌比例
在發酵時間48h、溫度35℃、料液比為1︰20條件下，研究不同酶菌復配比例(8︰5、8︰10、8︰15、8︰20、8︰25)對發酵產物粗蛋白含量的影響。1.2.2.3料液比在發酵時間48h、溫度35℃、酶菌比8︰20條件下，研究不同料液比(1︰25、1︰22、1︰20、1︰18、1︰16)對發酵產物粗蛋白含量的影響。1.2.2.4發酵溫度在發酵時間48h、料液比1︰20、酶菌比例8︰20條件下，研究不同溫度(25℃、30℃、35℃、40℃、45℃)對發酵產物粗蛋白含量的影響。
1.2.3 酶菌協同發酵玉米秸稈制備蛋白飼料的正交試驗
以粗蛋白含量為考察指標，考察發酵時間、酶菌比例、料液比和發酵溫度對粗蛋白含量的影響。設計L9(34)正交試驗，因素及水平如表1。
1.2.4 粗蛋白含量測定
采用微量凱氏定氮法測定樣品的含氮量。粗蛋白含量=6.25×含氮量×100%。
1.3 數據處理
應用Excel軟件對單因素試驗數據進行分析，采用正交設計助手3.1版軟件對正交試驗的因素與水平進行直觀分析和方差分析。
2結果與分析
2.1 玉米秸稈發酵最佳發酵劑的確定
由圖1可知，在相同的發酵條件下，未添加發酵劑(CK)時，玉米秸稈發酵后所得粗蛋白含量為5.24%，培養基中添加纖維素酶、纖維素酶與酵母菌混合物后，粗蛋白含量分別為20.11%和24.78%，均遠高于對照組。采用纖維素酶和酵母混合培養即酶菌協同發酵時，粗蛋白含量最高，其原因可能是利用纖維素酶將纖維素轉化為單糖(葡萄糖)、雙糖后，立即被酵母菌所利用，同時將培養物中部分無機氮轉化為菌體蛋白，達到使秸稈飼料營養價值提高的目的。故采用酶菌協同發酵玉米秸稈生產蛋白飼料。
2.2 玉米秸稈發酵單因素試驗結果
2.2.1 發酵時間
由圖2可知，發酵時間為18h時，發酵產物粗蛋白含量最低，為14.88%，隨著發酵時間的增加，粗蛋白含量逐漸升高，48h以后呈降低趨勢。發酵48h時，粗蛋白含量最高，為25.75%。因此，確定最佳發酵時間為48h。
2.2.2 酶菌比例
由圖3可知，當酶菌的復配比例為8︰5時，粗蛋白含量最低，為12%。當酶菌復配比例為8︰20時，發酵飼料中的粗蛋白含量最高，為24.38%。其發酵產物色澤淡黃，帶有酒香，干燥后色澤變化不大。因此，最佳酶菌復配比例為8︰20。
2.2.3 料液比
由圖4可知，當料液比較低時，發酵產物的粗蛋白含量呈上升趨勢，當基質中料液比為1︰20時，發酵產品中粗蛋白含量達到最高，為27.75%。可能是由于發酵培養基中顆粒疏松度合適，有利于酵母菌生長繁殖，繼續提高培養基中的料液比，粗蛋白含量反而降低。因此，適宜的料液比為1︰20。
2.2.4 發酵溫度
由圖5可知，隨著發酵溫度的升高，發酵物粗蛋白含量呈先增加后降低的趨勢，當培養基溫度為35℃時，發酵產品中粗蛋白含量達到最高，為27.80%，這可能是因為35℃時菌種活度和含量較為適宜，有利于玉米秸稈飼料中纖維素分解，粗蛋白含量增加。因此，適宜的溫度為35℃。
2.3 玉米秸稈發酵正交試驗結果與分析
由表2的極差分析可知，各因素對玉米秸稈發酵產粗蛋白的影響順序由大到小為A＞B＞D＞C，即發酵時間＞酶菌比例＞發酵溫度＞料液比，最佳組合方式為A2B1C2D2，即發酵時間48h，纖維素酶和酵母菌混合比例為8︰15，料液比1︰20，培養溫度35℃。由表3方差分析的結果可知，發酵時間對發酵飼料粗蛋白含量的影響達顯著水平，而酶菌比例、料液比和發酵溫度的影響不顯著，與直觀分析結果一致。在上述最優發酵條件下，發酵產物粗蛋白含量平均為29.71%，達到蛋白質飼料所要求的含量，與發酵前的粗蛋白含量(5.24%)相比，提高了4.67倍。且發酵產物色澤淡黃，帶有酒香，營養成分增加，適口性好，這樣在一定程度上有利于動物吸收，提高玉米秸稈的利用價值。
結論與討論
本試驗對發酵玉米秸稈生產蛋白飼料的工藝進行研究。首先，對酶菌協同發酵與單獨纖維素酶發酵生產生物蛋白飼料的工藝進行了比較，結果表明，酶菌協同發酵生產的粗蛋白含量優于單獨纖維素酶發酵。其次，確定了酶菌協同發酵蛋白飼料的最佳工藝條件:發酵時間為48h，纖維素酶和酵母菌混合比例為8︰15，料液比為1︰20，培養溫度為35℃。在此條件下，發酵產品的粗蛋白含量由5.24%上升到29.71%，提高了4.67倍，高于國家規定的蛋白飼料中的蛋白質含量，比廖學義等采用木霉與酵母混合發酵秸稈生產蛋白飼料提高了2倍左右，比張偉心等采用混合菌發酵玉米秸稈生產蛋白飼料提高了1.5倍，比王慧杰等采用多種混合菌發酵玉米秸稈生產蛋白飼料提高了1.1倍，改善了飼料的營養價值。玉米秸稈經固態發酵轉化為蛋白質飼料，既充分利用了農業廢棄物資源，又可緩解蛋白質飼料短缺的現狀，本研究結果為玉米秸稈生產蛋白質飼料提供了新思路。
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