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    利用微生物菌體開發蛋白飼料資源(四)

    2007/6/13 18:10:19   文章來源:宜春強微高新技術專利產品開發中心   作者:鐘啟平   瀏覽次數:20211
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    本文發表在《畜禽業》雜志1999年第6期上
    宜春強微高新技術專利產品開發中心       鐘啟平
    宜春強微生物科技有限公司
     
      4.2固態發酵的形式
     
    4.2.1靜置培養法
     
      把含有水分的固體培養基(如谷物原料及農產品加工副產物)置于容器中,如500ml~1000ml三角瓶中(裝干料50g,含水40g,共90g,),或300ⅹ200醫用搪瓷托盤中(裝干料200g,含水160g,共360g),厚度30mm左右,接種霉菌或酵母靜置培養,氧的供給、二氧化碳和熱量的散失依靠自然對流的方式進行,對某些菌種的發酵(黑曲霉)則輔以一兩次間斷的搖動、拌翻料等。
     
         這種方式主要用于2、3、4級種子的制作,工業上多用多層鋁制淺盤(如60cmⅹ150cmⅹ25cm)交叉疊起或上架培養,缺點是單位產量勞動強度大,優點是質量優異且穩定。
     
    4.2.2通風發酵池培養法
     
     通風發酵池有全開放的,也有全封閉式的(類似于密封制曲機),目前趨向于向后者發展,不僅勞動強度小,且勞動環境也大有改善,控制成本低等。
    發酵池一般為長方形的磚石水泥結構,長約6m~10m,寬約1.5m~2m,半地下式,高出地面0.4m~0.5m,池底導風板傾斜度8°~10°,曲池設假底,假底材料用篦子、竹席,可以取出,以便清洗池底。(見圖1)罩子可用鋼板、玻璃或輕質材料制作,可一直頂到天花板,設出風口。風機選用中壓風機,風壓100mmH2O~300mmH2O,風道長1m~2.7m,傾斜度7°~10°,風量掌握在曲線池裝料總量的4~5倍體積,鋪料厚度20cm~30cm.。
     
         通風發酵池是目前應用最廣的一種方式,投資少,效果好,也利于實現機構化操作,如圖2。
     
         對于發酵周期為16h-24h的高蛋白基料水平上的發酵來講,無需攪拌翻料,長白長透即出料,對于益生素、酶制劑生產則必須配置攪拌裝置。
     
    4.2.3旋轉培養
     
      旋轉轉鼓式發酵罐,例如天津東海實驗廠設計的發酵機,該裝置便于置換空氣和散熱,旋轉沒有必要連續地進行,在激烈旋轉時還會妨害菌絲的發育。本法單位產量投資大,自動化程度高;但本法的大規模放大,在基本參數方面尚欠充分。
     
    4.2.4圓盤制曲機
     
      是一種機械化程度高的設備,投資也很巨大,廠家有南京通用建筑機械廠,河北秦皇島山海關釀造機械廠,廣東輕工機械設計研究所。
     
         如PYZ-600型,回轉曲床直徑6000mm,曲床有效面積27.62m,每批混合原料在投料量約3000kg,料層厚度250mm~270mm,裝機容量18.5KW,曲床轉速0.137r·p·m,主機尺寸(長ⅹ寬ⅹ高)9mⅹ7mⅹ5m,占地面積70m,廠房高度要求6m以上。為拼裝式結構體系,無需土建工程,便于運輸、吊裝和現場安裝等,缺點是投資巨大,許多發酵廠家多自行設計,自行制造。目前該設備僅廣泛用于醬油、食醋、溜曲、酶制劑等行業。

      4.2.5其它發酵方法
     
      例如大棚內搭竹架用竹扁上架發酵法、蜂窩煤發酵法、地面發酵法、厭氧池發酵法等。
    在能夠有效地提升基飼用營養價值、增加生物活性、以及能達到  期目的的前提下,能采用厭氧發酵的,則盡量采用厭氧發酵。這種方法物質損耗少,勞動強度小,投資極少,工藝簡單,缺點是不穩定,生物活性不高,須防止燒料,以及應用范圍很窄等。
     
    4.3固態發酵常用微生物
     
    4.3.1酵母屬
     
      酵母菌是一群單細胞微生物,屬真菌類,在發酵飼料中是高蛋白和生物活性物質的主要載體,也是人類應用較早的一類微生物。酵母菌也有呈絲狀的假菌絲體Paseudomycellium,其細胞大小通常為1um~5um、長度5um~30um,形狀有卵形、球形、檸檬形、絲狀形、臘腸形及各種子囊孢子形狀,宜用100倍以上顯微鏡觀察。
     
         值得指出的是,酵母菌的細胞壁在動物腸胃中較難被消化,阻止了胞內營養物質的消化吸收,使得酵母作為飼料存在一個細胞壁抗營養因子,盡管酵母的營養十分豐富。酵母細胞壁主要由甘露聚糖(31%),葡聚糖(29%)、蛋白質(13%)、類脂質(8.5%)所組成,Moor和Muhlethaler 報道其厚度在70mm,隨菌齡的增加而增加。解決這一抗營養因子的方法,一是破碎細胞,但往往需要較大動力的設備及耗能大等而不現實。二是在培養液中加入一些表面活性劑,如天然的茶枯餅(2%)、十二烷硫酸鈉(0.1%)、TritonX-100(0.4%),可改善細胞內外通透性,使消化酶及其它生物活性物質盡量釋放出來,對某些物質而言,比機械破碎法還有效。三是控制一定的發酵時間,適時出料,酵母細胞壁還較幼嫩且薄,易于消化。四是自溶,微生物代謝過程中,大多能產生一種能水解細胞壁上聚合物結構的酶,以便使細胞能夠伸長生長(如酵母出芽繁殖的芽痕便是溶酶作用的結果)。在出料前,可通過改變微生物的溫濕環境,或加入促溶劑,以誘發產生過剩的這種酶或激發產生其它的自溶酶,達到自溶的目的。
     
         扣囊擬內孢霉酵母是一種非常優秀的固態發酵酵母菌種,(我中心有保藏菌種供應),其特點是可以在固體基質表面高密度堆積生長,例如在純麥夫培養基上可以達到80億/克的細胞密度,而該菌種的純細胞每克含細胞數為116億個/克,說明它在麥夫培養基上的菌體轉化率達到了66.7%!相比之下,酒精酵母在麥夫培養基上僅能生長達到3—6億個/克的密度,而酒精酵母的純干細胞密度為650億個/克,菌體轉化率還不到1%!扣囊擬內孢霉酵母菌具有很強的淀粉酶和蛋白酶能力,能有效地利用淀粉和蛋白源作為能源和氮源,合成菌體。而其它如酒精酵母,則需要依靠其它菌種(如酒曲生產中的根霉菌)的糖化酶來幫助它分解淀粉,產生葡萄糖來生長和產酒,故而酒精酵母不適合于固態發酵。
     
         皮狀絲孢酵母也具有淀粉和蛋白分解能力,也能高密度堆積生長,形成濃厚的菌苔,故而它也適合于作為固態發酵菌種。
     
         另外如產朊假絲酵母Candia utilis、鐵紅假絲酵母Candida pulcherrima、擲孢酵母Spororbolomyces roseus、紅酵母屬Rhodotorula Harrisom等,則往往作為輔助菌種,在固態發酵中用量較少,生長量也有限,但它們為主發酵菌提供一些特異的生長因子,有互為促進的作用,且在一定程度上改善產品的生物學效價。

      4.3.2 霉菌
     
       大多數霉菌被用于固態發酵,例如米曲霉Aspergillus oryzae用于固態發酵制醬曲和蛋白酶,黑曲霉中如盛泡曲霉A.awamori則被用于作糖化曲,青霉中的婁地青霉Penicillium rogueforti、沙門柏干酪青霉P.Camemberti用于干酪生產,產黃青霉P.chrysogenum用來生產青霉素,根霉菌作為小曲白酒中的糖化曲。
     
         飼料工業中常用霉菌作為輔助菌以分解蛋白和淀粉,曲霉也常用來固態發酵生產各種酶制劑。它們的酶系發達,用其生產的復合酶中含有纖維素酶、植酸酶、果膠酶、葡聚糖酶、甘露聚糖酶等等,而這些物質常常是農副產品中及飼料原料中常見的需要降解的抗營養因子。
     
          霉菌多屬產孢子繁殖體,如黑曲霉產黑色孢子,米曲霉產黃綠色孢子,孢子容易收集,接種量少,使用方便,因而在固態發酵中廣泛應用。
     
         黑曲霉尤其是產生分解飼料中抗營養因子的酶活的黑曲霉,常用來生產高擋飼用酶制劑,也作為酵母飼料的輔助菌,本中心有菌種保藏。
     
         米曲霉的特點是蛋白酶活力高,可達6000u/g,同時它尤其適合于在高蛋白含量的基質上生長,故而常用于豆制品的生產。米曲霉經誘變篩選后常作為棉籽餅和菜籽餅粉的發酵,脫毒菌種,并可增加營養價值,本中心有菌種保藏。
     
         白地霉Geotrichum candidum link也常用于發酵飼料,許多文獻把白地霉放在酵母屬類。顯微鏡下單個細胞呈圓柱形,它的生理適應性強,生長速度快,耐高滲透壓,菌體中含有豐富的維生素和蛋白營養素,且比扣囊擬內孢霉酵母還耐高滲和適應性強。但最大的缺點是不能象扣囊擬內孢霉酵母那樣高密度堆積生長,例如,在純麥夫培養基上培養成熟后,它只能達到10億/克的密度,菌體轉化率只有3%左右,遠低于扣囊擬內孢霉的66.7%,同時抗雜菌能力(形成生長優勢的能力)也不如扣囊擬內孢霉。
     
    4.3.3 細菌
     
      主要是指乳酸桿菌類,且主要用于厭氧發酵,如青貯飼料,微貯飼料,菜粕厭氧發酵脫毒等。另外,與芽孢桿菌、糞鏈球菌、雙歧菌等一樣,可作為微生態制劑使用。
     
    5 微生物在飼料工業中的其它應用領域
     
    5.1 益生素 Probiotics
     
      類似的名稱有微生態制劑Micobial ecologicalagents和微生物生長促進劑Microbial growth Promotirg。是一些活的微生物培養物。
     
       益生素的誕生起因于抗菌素廣泛應用的副作用,如引起動物的內源性感染和二重感染,破壞了腸道微生物平衡;產生了耐藥性病菌,使抗生素的應用越來越不理想;抗生素長期使用的結果可使畜禽細胞免疫功能下降;抗菌素在畜禽產品中的殘留問題等。而益生素主要以恢復微生態平衡入手,利用微生物的各種有益機制達到治病促長的目的和效果,不存在上述缺陷,因而有專家預言:“光輝的抗生素時代后,將是一個嶄新的微生態制劑時代。
     
       目前主要應用于益生素的菌種有芽孢桿菌屬、乳酸桿菌屬(以嗜酸乳酸桿菌為主),糞鏈球菌屬及酵母等,一些產品還含有光合細菌、雙歧桿菌、曲霉菌等。
     
       益生素的作用原理,一是建立腸道有效微生物種群優勢,抑制有害細菌種群;二是益生素中孢子在腸道中萌發時,大量消耗腸道內的氧氣,造成腸道中的厭氧環境,改善了微生態環境;三是與病菌競爭性地吸附到腸細胞上;四是在腸道中產生乳酸、丙酸、乙酸等使空腸內容物PH下降;五是防止有害物質氨和胺的產生;六是產生過氧化氫,殺滅某些潛在的病菌;七是在腸道中代謝產生消化酶、維生素、菌蛋白等;Savage.C(1977)估計,盲腸中的微生物活動可提供動物營養需要的25---35%。八是產生抗生素類物質,如嗜酸菌素、乳糖菌素等;九是產生非特異性免疫調節因子。
     
       Duthenson研究表明,飼喂益生素在抗肉牛集約化生產的逆境影響下,效果十分明顯,在舍飼條件下,平均日增重可提高13.2%,飼料轉化率提高6.3%,發病率下降27.7%。在添加DM423芽孢桿菌粉劑0.05%條件下,據報道可顯著降低肉雞死亡率,雛雞增重提高13%。另據Grawford報道,乳酸桿菌可提高產蛋率,降低飼料消耗。
     
       國內這類產品有強力益生素(廣州產)、調痢生(四川。、復合菌劑、和DM423(南京)等。生產工藝可為液體發酵工藝:細菌生長發酵罐→回收系統→微膠囊化→硬化系統→回收系統→凍干→成品。也可為固態發酵工藝(國內幾乎為此):斜面菌種→一級種子→二級種子→生產發酵→加載體→干燥→粉碎→成品。
     
    5.2  飼用酶制劑 Feeding enzyme
     
        利用曲霉菌固態發酵生產蛋白酶和淀粉酶的工藝已經很成熟,這類產品主要應用于消化系統尚不發達的幼小動物,對于成年動物則幾乎沒有作用,因為其充足的唾液、胃液、及胰液分泌已能滿足對這些酶的需要,市場競爭也很劇烈。
     
        目前研究的熱點和普遍關注的問題是非消化酶類產品如:木聚糖酶、戊聚糖酶、β-葡聚糖酶、甘露聚糖酶、植酸酶、纖維素酶等。因為動物本身不產生這些酶,而這些酶各自的底物如木聚糖,又常常是常規飼料中重要的抗營養因子,是造成消化不良、拉稀、污染禽蛋、降低飼料報酬的重要原因之一。
        目前已知玉米中含木聚糖酶4.5%左右、植酸1%左右;小麥中含β-葡聚糖1%、木聚糖6%、戊聚糖5—8%、植酸1.16%;大麥中含β-葡聚糖3—6%、木聚糖6—7%、植酸1.17%;黑麥中含戊聚糖10%、植酸1.3%;豆餅中含果膠14%、植酸1.5%;燕麥中含β-葡聚糖3—6%、植酸1.5%。這些非淀粉多糖都可部分溶于水,在消化道中形成凝膠狀,使消化道內容物具有較強的粘性,因而影響了營養物質的吸收,并導致不同程度的拉稀,最終影響畜禽的生長和飼料報酬。更為嚴重的是,它們多為植物細胞壁的組成成份,因而它們的存在會影響植物細胞內容物的消化吸收。另一方面,對于玉米來講,它在我國飼料配方中的使用量達到了50—60%,因而消除木聚糖的抗營養影響顯得至關重要。飼料中添加β-葡聚糖酶則可提高大麥的用量,而降低成本,添加戊聚糖酶則可提高小麥、黑麥、黑小麥等用量,而降低飼料成本,并相應地改善和提高飼料營養。若能生產出所有的這些抗營養因子的分解的酶制劑并組成復合酶,顯然具有極大的競爭力和開發市場潛力。
     
        目前國內已經開發出采用較簡單的固態發酵工藝生產這些酶的工藝技術。如生產5萬單位的植酸酶,生產5萬單位的木聚糖酶,生產5萬單位的β-葡聚糖酶,生產5萬單位的戊聚糖酶等。復合后不僅可以顯著提高改善玉米加豆粕型日糧的飼料轉化率,而且可以加大小麥、大麥、黑麥、燕麥、蕎麥、米糠、次粉等用量,既降低飼料成本又改善營養價值。
     
        芬蘭ALKO生物技術公司研究表明,飼料中添加200ppm的β-葡聚糖酶,可有效地提高肉雞生長速度達10%,飼料報酬提高6%。Kemin公司的非淀粉多糖酶Kemzyme,添加500ppm于蛋雞飼料中,產蛋量可提高7%以上。Gruham1983在以大麥、細麥夫為主的飼料中添加β-葡聚糖酶和戊聚糖酶,顯著提高回腸干物質消化率。加拿大沙斯喀徹溫大學在以大麥為基礎的肉雞日糧中添加這些酶,肉雞日平均增重提高17%,飼料報酬提高10%。Collier Hardy1986在早期斷奶仔豬日糧中添加以中性蛋白酶、淀粉酶、β-葡聚糖酶、木聚糖酶等的多酶制劑,日增重和飼料報酬都得到了顯著的提高,在生長育肥豬中,類似的效果也很顯著。
     
        這些酶的一個共同特點是添加量小,大多為200-300克/噸,效果顯著,投資較小,是今后的發展方向。 
     
    6   其它
     
    在飼料工業的微生物應用領域中,采用人工瘤胃技術利用纖維素是國際上的一個重要研究課題。我們知道,反芻動物牛有四胃,瘤胃、網胃、絆胃、真胃等,內含有大量的細菌(500億/克)和纖毛蟲,形成一個獨特的微生態生物鏈,逐級將纖維素物質消化利用,形成能夠被腸胃吸收消化的營養物質(纖毛蟲蛋白、細菌菌體蛋白、氨基酸、維生素等),最終合成牛肉蛋白。若能人工制造這一微生態環境,將纖維原料進行工業化轉化,無疑將為人類創造一個巨大的蛋白質資源庫。 
     
             全文完。

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