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微生物发酵生产高蛋白多肽菜籽粕的研究

2021-05-26 15:45:12      点击:

摘要:以菜籽粕为原料,以菜籽粕粗蛋白质含量和多肽含量为评价指标,通过植物乳酸菌、黑曲霉菌、枯草芽孢杆菌的单菌发酵和混菌发酵实验,进行最佳菌种组合和发酵条件的研究。结果表明:单菌发酵黑曲霉菌效果最好,菜籽粕粗蛋白质含量和多肽含量分别为38.4%和3.682%;混菌发酵最佳菌种组合为植物乳酸菌、黑曲霉菌、枯草芽孢杆菌,其接种量分别为4%、6%、6%,优化发酵条件为水料比1.7∶1,34℃下发酵48h。在上述条件下菜籽粕粗蛋白质含量和多肽含量分别为42.5%和7.86%,硫甙含量降至21.637μmol/g、植酸含量为0.27%、单宁含量为0.41mg/g,得到高蛋白、多肽、低毒的菜籽粕饲料。

我国是世界上主要的油菜生产国,每年榨油产生的菜籽粕约600万 t,菜籽粕中含有35%~45%的蛋白质。菜籽粕中蛋白质含量丰富,但在畜禽养殖中作为蛋白质饲料添加量却远低于大豆粕,主要原因一是菜籽粕中含有大量的抗营养因子,二是菜籽粕中蛋白质的消化率较低。目前,国内外对菜籽粕的研究多集中在去除抗营养因子方面,对提高菜籽粕消化率的研究还较少。

目前,提高菜籽粕消化率主要通过降低菜籽粕中纤维素、木质素等物质含量和提高菜籽粕中蛋白质分解的多肽类物质含量来实现。国内外采用的方法主要有物理处理法、化学处理法、酶处理法、微生物发酵法。微生物发酵法相对于其他方法具有成本低、营养损失少、操作简单、无污染等特点,是理想的提高菜籽粕蛋白质含量和多肽含量的方法。

本研究利用前期筛选的对菜籽粕中抗营养因子去除作用明显的植物乳酸菌、枯草芽孢杆菌加上黑曲霉菌对菜籽粕进行单菌和混菌发酵实验,研究各菌种对菜籽粕中粗蛋白质含量和多肽含量的影响,选出最佳的菌种组合和发酵条件,以获得低毒、高蛋白多肽的菜籽粕饲料,为菜籽粕的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 菌种

植物乳酸菌(Lactobacillus plantarum)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)为本校实验室前期筛选的对菜籽粕中抗营养因子去除作用明显的保存菌种。黑曲霉菌(Aspergillus niger)由江西四特酒业有限责任公司提供。

1.1.2 原料

菜籽粕:由江西金佳谷物股份有限公司提供,水分含量11.2%,粗蛋白质含量36.2%,多肽含量1.11%,硫甙含量96.526μmol/g,粉碎过40目筛备用。麸皮:本地市售,含水量11.8%,粗蛋白质含量15.1%,粉碎过40目筛备用。

1.1.3 培养基

植物乳酸菌为MRS培养基,黑曲霉菌为察氏培养基,枯草芽孢杆菌为牛肉膏蛋白胨培养基。

1.2 实验方法

1.2.1 种子及种子液的制备

将保存的菌种斜面接2环到各菌种增殖培养基。植物乳酸菌接种到MRS培养基,38℃,静置培养48h;枯草芽孢杆菌接种到牛肉膏蛋白胨培养基,在30℃、120r/min 振荡培养48h;黑曲霉菌接种到察氏培养基,28℃、120r/min振荡培养48h;从上述增殖菌液中,以5%的接种量分别接到各菌的发酵种子培养基中(培养基成分同各菌增殖培养基),培养24h,制成发酵种子液。

1.2.2 固态发酵培养

首先制备固态发酵培养基。将菜籽粕、麸皮(按添加量9∶1的配比)装入200 mL三角瓶中,搅拌均匀,按不同的水料比加入水,塞紧棉塞,裹牛皮纸封口,115℃灭菌20min,出锅冷却后打散备用。其次将各菌种的发酵种子液以不同的接种量加入灭菌的固态发酵培养基中,搅拌均匀,封口发酵。发酵过程中定时取样,烘干粉碎,测定样品中粗蛋白质含量和多肽含量。

1.2.3 单菌发酵实验

按照1.2.2方法分别将各菌以6%接种量接入成分相同的固态发酵培养基(水料比 1.5∶1)中,温度34℃进行单菌发酵实验,发酵48h时采样测定样品中粗蛋白质含量和多肽含量。

1.2.4 混菌发酵菌种组合正交实验

将3种菌种按3种接种量进行三因素三水平正交实验,水料比1.5∶1,发酵温度34℃、发酵时间24h等发酵条件不变,采用L27(313)正交实验设计,以粗蛋白质含量和多肽含量为指标确定混菌发酵菌种的最佳组合和接种比例,研究影响混菌发酵效果的主次菌种。

1.2.5 混菌发酵条件正交实验

设定水料比、发酵温度、发酵时间的三因素三水平的正交实验,采用混菌发酵选出的最佳菌种组合和接种比例,采用L9(34)正交实验设计,以粗蛋白质含量和多肽含量为指标确定发酵条件各因素对混菌发酵效果的影响,优化混菌发酵的条件。

1.2.6 相关指标测定

粗蛋白质含量的测定:凯氏定氮法。多肽含量的测定:三氯乙酸法(TCA法)。

1.2.7 数据处理

本实验数据处理采用SAS 9.0软件中的ANONA和GLM语句的方差分析程序;多重比较采用 Duncan 进行。

2 结果与分析

2.1 单菌发酵实验

2.1.1 各菌种对发酵菜籽粕粗蛋白质含量的影响(见图1)


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由图1所示,各菌种对发酵菜籽粕中粗蛋白质含量均有一定的提高,其中以黑曲霉菌发酵菜籽粕中粗蛋白质含量最高,达到38.4%,相对于空白样(粗蛋白质含量 34.09%)提高4.31个百分点。枯草芽孢杆菌发酵菜籽粕中粗蛋白质含量也较高,达到37.9%。这可能与黑曲霉菌和枯草芽孢杆菌的酶系含有纤维素酶、木质素酶、多糖酶等有关,其能够分解纤维素和木质素等多糖类物质生产菌体蛋白,同时提高蛋白质在菜籽粕中的相对含量。

2.1.2 各菌种对发酵菜籽粕多肽含量的影响(见图2)


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由图2所示,各菌种对菜籽粕多肽含量均有一定的影响,黑曲霉菌发酵菜籽粕中多肽含量最高,达到3.682%,相对于空白样1.002%,提高2.68个百分点。其次为枯草芽孢杆菌,多肽含量最低的为植物乳酸菌。研究发现,黑曲霉具有较高的分泌蛋白酶的能力,可以将蛋白质进一步分解为多肽类物质,与本实验的结论相同。枯草芽孢杆菌同样具有分泌蛋白酶的特性,其发酵菜籽粕中多肽含量仅次于黑曲霉菌。植物乳酸菌发酵菜籽粕中多肽含量最低,这可能与植物乳酸菌的酶系以糖酶、脂肪酶、产酸酶为主,对蛋白质的分解能力较差,无法将菜籽粕中的蛋白质进一步分解为多肽类物质。

2.2 混菌发酵菌种组合正交实验

按照1.2.4实验方法进行混菌发酵菌种组合正交实验。正交实验因素水平见表 1,混菌发酵菌种组合L27(313)正交实验设计及结果见表2。

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由图2所示,各菌种对菜籽粕多肽含量均有一定的影响,黑曲霉菌发酵菜籽粕中多肽含量最高,达到3.682%,相对于空白样1.002%,提高2.68个百分点。其次为枯草芽孢杆菌,多肽含量最低的为植物乳酸菌。研究发现,黑曲霉具有较高的分泌蛋白酶的能力,可以将蛋白质进一步分解为多肽类物质,与本实验的结论相同。枯草芽孢杆菌同样具有分泌蛋白酶的特性,其发酵菜籽粕中多肽含量仅次于黑曲霉菌。植物乳酸菌发酵菜籽粕中多肽含量最低,这可能与植物乳酸菌的酶系以糖酶、脂肪酶、产酸酶为主,对蛋白质的分解能力较差,无法将菜籽粕中的蛋白质进一步分解为多肽类物质。

2.2 混菌发酵菌种组合正交实验

按照1.2.4实验方法进行混菌发酵菌种组合正交实验。正交实验因素水平见表 1,混菌发酵菌种组合L27(313)正交实验设计及结果见表2。

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由表3所示,在混菌发酵提高菜籽粕粗蛋白质含量的各菌种中,黑曲霉菌的影响达到差异显著水平(P<0.05),其他各菌种的影响未达到差异显著水平(P>0.05),说明黑曲霉菌是混菌发酵提高菜籽粕粗蛋白质含量的主要因素。实验结果表明,混菌发酵提高菜籽粕粗蛋白质含量的菌种组合中黑曲霉菌是必备的。各菌种在混菌发酵提高菜籽粕粗蛋白质含量的影响中没有显著的交互作用。

在混菌发酵提高菜籽粕多肽含量的各菌中,黑曲霉菌的影响达到差异极显著水平(P<0.01),枯草芽孢杆菌的影响达到差异显著水平(P<0.05),说明提高菜籽粕多肽含量主要受黑曲霉菌和枯草芽孢杆菌的影响,植物乳酸菌的影响未达到差异显著水平(P>0.05)。各菌种在混菌发酵提高菜籽粕多肽含量的影响中没有显著的交互作用。因此,混菌发酵提高菜籽粕多肽含量需要添加黑曲霉菌和枯草芽孢杆菌。

综合考虑,混菌发酵中黑曲霉菌和枯草芽孢杆菌对提高菜籽粕粗蛋白质含量和多肽含量作用明显,是必须添加的。因此,选择黑曲霉菌和枯草芽孢杆菌接种量均为 6%(表2中的实验号18和实验号26)。由于植物乳酸菌在前期筛选中对硫甙去除作用明显,为获得高蛋白多肽菜籽粕的同时保证菜籽粕的低毒,选择按4%接种量添加植物乳酸菌。因此,混菌发酵菌种组合为植物乳酸菌、黑曲霉菌、枯草芽孢杆菌,接种量分别为4%、6%、6%。

2.3 混菌发酵条件正交实验

按照2.2选出的最佳菌种组合(植物乳酸菌、黑曲霉菌、枯草芽孢杆菌接种量分别为4%、6%、6%)进行混菌发酵接种,按照1.2.5实验方法进行混菌发酵条件正交实验。混菌发酵条件的正交实验因素水平见表4,混菌发酵条件L9(34)正交实验设计及结果见表5。

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由表5所示,对混菌发酵提高菜籽粕粗蛋白质含量影响因素最大的是发酵时间,其次是水料比,影响最小的是发酵温度;各因素的较优水平为发酵温度34℃、水料比1.7∶1、发酵时间48h。混菌发酵提高菜籽粕多肽含量影响因素最大的是发酵时间,其次是水料比,影响最小的是发酵温度;各因素的较优水平为发酵温度34℃、水料比1.7∶1、发酵时间48h。

利用SAS 9.0对上述正交实验的结果进行方差分析,结果见表6。

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由表6所示,在混菌发酵提高菜籽粕粗蛋白质含量的各因素中,发酵时间的影响达到差异显著水平(P<0.05),发酵温度和水料比的影响差异不显著(P>0.05)。在混菌发酵提高菜籽粕多肽含量的各因素中,发酵时间、发酵温度、水料比的影响均达到差异极显著水平(P<0.01),表明各菌种产蛋白酶分解多肽的过程对各发酵因素比较敏感。

综合分析,采用植物乳酸菌、黑曲霉菌、枯草芽孢杆菌接种量分别为4%、6%、6%,在发酵温度4℃、水料比1.7∶1、发酵时间48h条件下进行混菌发酵,发酵菜籽粕粗蛋白质含量为42.5%,多肽含量为7.86%。并在上述条件下对菜籽粕发酵前后的营养成分进行测定,结果见表7。

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由表7所示,发酵后的菜籽粕粗蛋白质含量和多肽含量较发酵前均有所增加,菜籽粕中的抗营养因子硫甙含量、植酸含量及单宁含量都较发酵前大幅下降。可见菜籽粕经混菌发酵后质量得到了提高。

3 结论

(1)在单菌发酵实验中,菜籽粕经植物乳酸菌、黑曲霉菌、枯草芽孢杆菌发酵48 h后粗蛋白质含量和多肽含量均有提高,其中黑曲霉菌的作用最明显,菜籽粕粗蛋白质含量和多肽含量分别达到38.4%和3.682%。

(2)混菌发酵效果优于单菌发酵,混菌发酵的最佳菌种组合为植物乳酸菌、黑曲霉菌、枯草芽孢杆菌接种量分别为4%、6%、6%,优化的发酵条件为水料比 1.7∶1、34℃下发酵48h。在上述最优条件下菜籽粕粗蛋白质含量42.5%,多肽含量7.86%,抗营养因子硫甙含量降至21.637μmol/g、植酸含量0.27%、单宁含量 0.41mg/g,得到高蛋白、多肽、低毒的菜籽粕饲料。

实战操作技术——棉菜籽饼脱毒变身优质饲料替代豆粕操作新技术

当前豆粕价格很高有些地方货源紧缺,而棉菜籽饼(棉籽粕、菜籽粕)价格相对便宜,棉菜籽饼是棉子、油菜籽榨油后剩下的饼状残渣,蛋白质含量较高,含有各种氨基酸成分。但由于棉菜籽饼中含有植酸、芥子碱等物质,这些物质含有一定的毒性,还会影响动物的消化吸收,不能大量使用,因此不建议直接饲喂给动物!

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现在通过微生物饲料发酵剂的除毒脱毒技术,可以成功将菜籽饼变为优质添加饲料,直接按照1公斤发酵的棉菜籽饼(发酵前的重量)代替约0.85公斤豆粕进行使用。饲料发酵剂中的有益微生物,在发酵过程中分泌的代谢产物,可将棉菜籽饼中的毒性物质等有效分解。

豆粕、菜粕、棉粕成分对比

1.豆粕是一种高蛋白原料,无需脱毒即可用作饲料。其中蛋白质含量为40%-48%,赖氨酸含量为2.5%-3.0%,色氨酸含量为0.6%-0.7%,蛋氨酸含量为0.5%-0.7%。2020年11月12日报价每吨在3500元左右。

2.菜粕的粗蛋白含量在34%-38%之间,特点是蛋氨酸含量高(仅次于芝麻饼、粕),赖氨酸含量亦高。而精氨酸含量低,是饼、粕饲料中含量最低的。菜籽粕的有效能值偏低(淀粉含量低、菜籽壳难以消化利用)。矿物质中,钙和磷的含量均高,硒和锰的含量亦高。特别是硒的含量是常用植物饲料中最高的。2020年11月12日报价每吨在2900元左右。

3.棉粕蛋白质含量一般为44.32%,仅次于豆粕的蛋白质含量48%,而高于菜籽粕的蛋白质含量36.04%。精氨酸含量高达3.6%-3.8%,而赖氨酸含量仅有1.3%-l.5%,只有豆粕的一半。2020年11月12日报价每吨在3000元左右。


是否需要脱毒处理

1.豆粕无需经过脱毒即可用作饲料。而且豆粕中富含蛋白质和多种氨基酸,在不需要额外加入动物性蛋白的情况下,仅豆粕中含有的蛋白质和氨基酸足以平衡家禽和猪的食谱,促进它们的营养吸收。只有当其他粕类单位蛋白成本远低于豆粕时,豆粕才有可能被替代。

2.菜粕菜籽中含有硫葡萄糖苷、芥酸、单宁、皂角苷等不良成分,其中主要是硫葡萄糖苷。硫葡萄糖苷本身无毒,但在一定温度和水分条件下,经过菜籽本身含有的芥子酶的酶解作用而产生异硫氰酸酯、唑烷硫酮和腈类等有害物质。这些物质可引起甲状腺肿大,从而造成动物生长速度下降,繁殖力减退。单宁则妨碍蛋白质的消化,降低适口性。而芥酸阻挠脂肪代谢,造成心脏脂肪蓄积及生长受到抑制。。使用前需进行一定的脱毒处理,并且使用时要加以限制,具体喂量应根据菜粕中有害成分含量而定。经过脱毒处理的菜籽粕喂量可以加大,而“双低”油菜籽生产的菜粕喂量要受限制。同时,应结合菜粕的氨基酸组成特点,适当搭配其它饼粕。

3.棉籽中含有对动物有害的棉酚及环丙烯脂肪酸,尤其是棉酚的危害很大。在制油过程中,由于蒸炒,压榨等热作用,大部分棉酚与蛋白质、氨基酸结合而变成结合棉酚,结合棉酚在动物消化道内不被动物吸收,故毒性很小。另一部分棉酚则以游离形式存在于饼、粕及油品中,这部分游离棉酚对动物毒性较大,尤其单胃动物过量摄取或摄取时间较长,可导致生长迟缓、繁殖性能及生产性能下降,甚至导致死亡。幼小动物对棉酚的耐受能力更低。由于棉籽饼、粕中游离棉酚对动物有害,因此,在使用棉饼、粕时,要根据饲喂对象及饼粕中游离棉酚的含量加以限量。反刍家畜在有优质粗料及多汁青料的情况下,棉籽饼、粕的用量不受限制,不会造成中毒。对单胃动物要限制喂量,最好使用经过脱毒处理的棉籽饼粕。同时,使用棉籽饼、粕配制饲粮要注意氨基酸平衡,尤其是棉籽饼、粕的赖氨酸含量低,且利用率差,应注意添加赖氨酸。

发酵操作技术

发酵棉菜籽饼其实也是一个脱毒技术,具体操作如下:

1.仔细检查棉菜籽饼,剔除棉菜籽饼中严重变质发霉的部分,轻度发霉的原料可以忽略,因为微生物发酵能够脱霉。

2.将棉菜籽饼粉碎并添加适量的玉米粉淀粉类的能量饲料等,调节饲料营养比例。

3.每吨棉菜籽饼加入2公斤食盐、玉米粉(其它淀粉、面粉次粉等也可以,或者粉碎的生红薯300公斤也可以)100公斤、“99多功能饲料发酵剂”1包(500g/包,市场售价约25元,以高浓度乳酸菌、酵母菌、复合酶制剂的专业发酵剂)。

4.在混合物料中添加适量水分,使混合物料含水量保持在55%左右,以“手抓一把并紧握,无水滴落,松手后轻触即散”为宜,一般上述配方中需要加入清水约500-600公斤。

5.发酵方式根据实际环境条件各异,在桶、缸、塑料袋等容器中发酵均可。

6.发酵时要尽可能排尽空气进行密封发酵。如果使用的发酵容器有密封不严实的隐患,要在一开始就在其外层包裹一层塑料袋并扎紧。发酵过程中不能启封。

7.发酵时间受环境温度影响,通常夏季发酵2-3天,冬季发酵5-7天即可完成。发酵完成后,有较为强烈的酸香味,ph值在3-4。

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规模运用混合发酵现场

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塑料缸、饲料袋(有内膜)均可做发酵饲料

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采用池子发酵

发酵完成的棉菜粕饲喂动物技术

需要注意的是,发酵后的饲料酸度较低,不可以取代禽畜全部日粮。其他类发酵饲料同理。饲喂时根据不同情况,将发酵饲料按照一定比例添加到日粮中,发酵完成的棉菜粕为湿料,具体使用量每大概1.5-2公斤发酵棉菜粕(湿料)代替动物日粮配方中1公斤豆粕的使用量进行代替使用,与其它饲料混合后直接饲喂,由于棉菜籽粕蛋白较高,最高使用量不要超过禽畜日粮饲喂量的40%(湿料重量)。如果发现发酵饲料过酸适口性变差,可在饲喂前在阳光下晒1-2小时,或添加适量的碳酸氢钠(小苏打)即可改善。

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发酵过程中与发酵后使用过程中,发酵的容器要一直保持密封状态,可以长时间保存(一年左右)。

当前养殖业成本高居不下,而饲料成本是其中最高的,利用廉价原料发酵饲料(包括一些轻度发霉的粕类低价收回)是极佳解决办法。通过微生物饲料发酵剂的发酵作用,可以将轻度霉变饲料变成优质饲料,将不易消化的物质分解为可被畜禽吸收的小分子糖类、氨基酸等。同时发酵饲料中富含有益微生物、酶制剂、酸化剂等,可调节畜禽肠胃微生态环境并进一步提高饲料利用率。发酵饲料气味清香,提高了饲料的适口性,加上发酵饲料中有大约4℃的酒度,能够促进动物新陈代谢促进健康抵御疾病,是当前养殖业发展中重要的一环。

本技术也可以同样发酵菜籽粕(饼)、棕榈粕等,方法同上。

【视频】部分发酵饲料养猪鸡鸭带给你无臭味健康无抗养殖效果

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