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混菌固态发酵玉米秸秆提高基质粗蛋白含量的优化培养及相关酶系活性的研究

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安徽农业科学,JournalofAnhuiA酊.Sci.2013,41(15):6748—6751责任编辑陈玉敏责任校对李岩混菌固态发酵玉米秸秆提高基质粗蛋白含量的优化培养及相关酶系活性的研究汪建中,柯丽霞8(安徽师范大学生命科学学院,安徽省高校生物环境与生态安全省级重点实验室,安徽芜湖241000)摘要[目的]研究平菇和酵母茵混茵固态发酵玉米秸秆提高基质粗蛋白含量的优化培养条件,并探讨基质粗蛋白含量与相关酶系活性的关系。[方法]以酵母种类(酿酒酵母、热带假丝酵母和产朊假丝酵母)、酵母接种量和酵母接种时间为因素设计正交试验,研究了平菇和酵母茵混菌发酵玉米秸秆提高基质粗蛋白含量的优化培养条件,同时研究了各培养条件组合下木质素酶系、滤纸酶和羧甲基纤维素酶的活性,探讨了基质粗蛋白含量与相关酶系活性的关系。[结果]正交试验结果表明在凡B2C,组合培养条件下发酵基质粗蛋白含量最高,达13.36%;在此发酵条件下,培养的第5一15天漆酶和锰过氧化物酶的活性也最高,而各组合培养条件下基质滤纸酶和羧甲纤维素酶的活性则无规律可循。[结论]混茵固态发酵玉米秸秆基质粗蛋白含量的优化培养条件为:在接种平菇的同时接种10%的产朊假丝酵母液体菌种。木质素酶系的活性与发酵基质的粗蛋白含量可能呈正相关关系。关键词混茵固态发酵;玉米秸秆;粗蛋白含量;木质素酶系;纤维素酶中图分类号S816.6;Q939.99文献标识码A文章编号0517—6611(2013)15—06748一04StudyOiltheOptimizationofCultureConditionsforPromotingtheCrudeProteinContentofFermentationCornStrawSubstrateandActivityofRelevantEnzymesunderthesIDⅡd-stateFermentationwimMixedStrainWANGJian-zhongetai(CoUegeofLifeSciencesofAnhuiNormalUniversity,AnhuiProvincialKeyLaboratoryofBioticEnvironmentandEcologicalSafety.Wuhn.Anhui241000)AbstractfObjective1neaimwastostudytheoptimizationofcultureconditionsforpromotingthecrudeproteincontentoffermentationcornstrawsubstrateunderthesolid.statefermentationwithmixedstrainsanddiscusstherelationshipbetweencrudeproteincontentandtheactivityofrelevantenzymesystemsofthefermentedcornstrawsubstrate.[Method]Difierentkindsofyeasts(Saccharomycescerevisiae,Candidatropi—co蕊andCandidautilis).inoculationvolumeofyeast(5%.10%and20%)andinoculationtimewereusedasfactorstomakeorthogonalex・periment.TheoptimizationofcultureconditionsforpromotingthecrudeproteincontentoffermentationCOrnstrawsubstrateunderthesolid-statefermentationwitllPleurotusostreatusandyeastswerestudied.Meanwhile,theactivitiesofligninolyticenzymes,filterpaperenzymeandcarboxymethylcelluloseunderdifferentcultureconditionswerestudied.Therelationshipbetweenthebetweencrudeproteincontentandtheactivitvofrelevantenzymesystemsoftllefermentedcornstrawsubstratewasdiscussed.IResult]Theresultsoftheorthogonalexperimentshowedthatthecrudeproteincontentoffermentationsubstratewashighest(13.36%)underA382Clcombinationcultureconditions.Underthesefermentationconditions,theactivitiesoflaccaseandmanganeseperoxidaseofthefermentationsubstratewerealsohighestduringthe5th一15thday.Butactivitiesoffilterpaperenzymeandcarboxymethylcelluloseunderdifierentcombinationcultureconditionshadnoobviousdifierence.『Conclusion]neoptimalcultureconditionsforpromotingthecrudeproteincontentoffermentationcoinstrawsubstrateunderthesolid—statefermentationwasasfollows:inoculating10%liquidstrainproducingC.utilistatthesametimeofinoculatingP.ostreatus.Theac—tivityofligninolyticenzymesystemmighthaveapositivecorrelationwithcrudeproteincontentofthefermentedcornstrawsubstrate.KeywordsSolid—stateCO—fermentation:Cornstraw;Crudeproteincontent;Ligninolyticenzymes;Celluloseenzyme农作物光合作用生物量的50%在籽粒中,而另外的酶系的反馈抑制;而无机氮转化成有机氮提高了发酵基质的50%就存在于秸秆中。此外,农作物秸秆中还含有氮、磷、钾营养价值,但不能解决木质素的降解问题。和钙、镁、硫等微量元素¨1。我国是农业大国,农作物秸秆资白腐菌具有降解木质素的能力,同时又有降解纤维素和源丰富,每年仅玉米秸秆就有2.4亿t口’,现阶段秸秆的利用半纤维素的能力。白腐菌对木质素的降解依靠其分泌的木方式主要用于造纸、生产绿色建材、食用菌栽培、农村生活的质素酶系,主要包括漆酶(Laccase,Lac)、锰过氧化物酶燃料及作为肥料直接或堆肥还田,用于饲料的部分不足(Manganeseperoxidase,MnP)和木质素过氧化物酶(Lignin10%,而且目前使用的秸秆饲料还没有从根本上解决秸秆消peroxidase,LiP)u…。在白腐菌和酵母菌混菌发酵秸秆的过化利用率低的问题∞J。在生物发酵转化秸秆饲料的研究中,程中,其基质的营养结构发生了很大的变化。白腐菌首先降目前多采用分解纤维素和半纤维素能力较强的霉菌与酵母解木质素,使纤维素暴露出来,提高了秸秆饲料的适口性以菌混菌发酵H一7|,而关于白腐菌和酵母菌混菌发酵的研究则及消化利用率;白腐菌也能够降解纤维素和半纤维素等进行较少邸』J。霉菌和酵母菌的混菌发酵是由于霉菌对纤维素菌体生长,降解的糖类也可以及时被酵母菌利用;另外,大部和半纤维素等的降解,降解产物被本身菌体转化利用;另外,分低质的非蛋白氮转化为质量较高的菌体蛋白,蛋白质质量转化的单双糖及时被酵母菌利用,可解除终端产物对纤维素(主要是氨基酸平衡)也得到较大幅度的提升。平菇(Pleuro—tusostreatus)又名糙皮侧耳,是一种常见的白腐菌,其分泌的基金项目芜湖市2009年度重点科技项目(农业11—1)。木质素酶类主要包括漆酶和锰过氧化物酶,但不分泌木质素作者简介汪建中(1972一),男,安庆太湖人,实验师,硕士,从事食用茵的开发与应用研究,E—mail:Jzhwan925@163.com。}通讯过氧化物酶¨…;酿酒酵母、热带假丝酵母和产朊假丝酵母是作者,教授,博士,从事大型真菌活性物质的提取、组成和结常用的饲料酵母,其菌体的蛋白含量和对糖的利用不尽相构分析及其生物活性的应用研究,E-mail:klixia@mail.ahnu.edu.ca。同,而在白腐菌和酵母的混菌固态发酵中,酵母接种量(液体收稿日期2013-04-26菌种)和相对于接种白腐菌的酵母接种时间均可影响白腐菌万方数据41卷15期汪建中等混茵固态发酵玉米秸秆提高基质粗蛋白含量的优化培养及相关酶系活性的研究6749的菌丝体生长和酵母的菌体生长,进而影响发酵基质的蛋白含量。笔者以酵母种类(酿酒酵母、热带假丝酵母和产朊假丝酵母)、酵母接种量和酵母接种时间为因素进行正交试验,研究了平菇和酵母菌混菌发酵玉米秸秆提高基质粗蛋白含量的优化培养条件,同时研究了各培养条件组合下木质素酶系、滤纸酶和羧甲基纤维素酶的活性,探讨了基质粗蛋白含量与相关酶系活性之间的关系。1材料与方法1.1菌种平菇(PleurotusostreatuASD一1)和酿酒酵母(Sac—charomycescerevisiaeCGMCC2.1181)由安徽师范大学微生物实验室贮藏;热带假丝酵母(CandidatropicalisAS2.587)和产朊假丝酵母(CandidautilisAS2.281)购自中国农业科学院。1.2原料及其处理玉米秸秆取自芜湖市郊区,80℃烘干,粉碎备用。1.3培养基及固态发酵法1.3.1培养基。①平菇斜面培养基:PDA培养基;②平菇液体菌种培养基:葡萄糖2%、蛋白胨0.2%、硫酸镁0.05%、氯化钙0.01%、磷酸二氢钾0.05%,121℃下灭菌20min;③酵母斜面培养基、液体培养基:麦芽汁培养基;④固体发酵基础培养基:玉米秸秆40g、麸皮10g、磷酸二氢钾0.05%、硫酸镁0.05%、料水比1:1.2。121oC下灭菌60min。1.3.2固态发酵法。按照基础培养基配方,每袋装干料50g。在培养基中接种10%(v/w)的平菇液体菌种,按照正交试验要求分别接种酿酒酵母、热带假丝酵母和产朊假丝酵母液体菌种,26℃条件下恒温培养30d。每个平行均设3次重复。1.4粗蛋白质及酶活测定1.4.1粗酶液的制备。在发酵过程中,每5d取样1次,用无菌镊子沿菌丝体生长处自上而下。取菌丝体与培养基混合物3g,加入30IIll蒸馏水,4℃浸提过夜,25℃、200r/min振荡提取lh,用4层纱布过滤,3500r/min离心10min,上清液即为粗酶液。1.4.2葡萄糖标准曲线的制作。取8支洗净烘干的20Illl具塞刻度试管,分别编号为1、2、3、4、5、6、7、8,按顺序分别加入标准葡萄糖(0.1%)溶液0、0.2,0.4、0.6,0.8、1.0、1.2、1.4IIll,然后补蒸馏水至2rnl,配制成一系列不同浓度的葡萄糖溶液。向以上试管中分别加入1.5mlDNS溶液,摇匀后沸水浴5min,取出冷却后用蒸馏水定容至20“,充分混匀。在540nm波长下,以1号试管溶液作为空白对照,测定其他管溶液的OD值。以葡萄糖含量(mg/m1)为纵坐标,以对应的OD值为横坐标,在坐标纸上绘制葡萄糖标准曲线。1.4.3粗蛋白含量的测定。采用凯氏定氮法¨¨测定粗蛋白含量。1.4.4锰过氧化物酶(MnP)活性的测定。1…。酶活单位(U/g)定义为在波长465ntn处每分钟引起OD值增加o.01单位所需要的样品质量。1.4.5漆酶(Lac)沿眭的测定¨“。酶活单位(U/g)定义为在600Bill处每分钟引起OD值增加0.1单位所需要的样品万方数据L1.逞篓潮窭撂∞值图1葡萄糖的标准曲线质量。1.4.6纤维素总酶活一滤纸酶(FPA)活性的测定H“。酶活力单位(U/g)定义为每小时由底物生成1¨m01葡萄糖所需的酶量。1.4.7羧甲基纤维素酶(CMC)活性的测定¨5|。酶活力单位(U/g)定义为每小时由底物生成1tunol葡萄糖所需的酶量。1.5数据处理采用SPSS13.0软件对试验数据进行单因素方差分析,结果以平均值±标准误表示。2结果与分析2.1正交试验各组合下发酵玉米秸秆基质中粗蛋白的含量以酵母菌种类、接种时间(相对平菇的接种)及接种量为因素,每因素设计3水平(表1),选用k(33)进行正交试验。表1正交试验的因素与水平由表2可知,各因素对发酵基质粗蛋白含量的影响次序不同,其影响因素的主测顶序为酵母菌种类>酵母菌接种量>酵母菌接种时间。各因素的最优水平组合为A3B:c。,即在平菇接种的同时接种10%的产朊假丝酵母,发酵基质粗蛋白的含量最高,达13.36%。表2正交试验结果和极差分析6750安徽农业科学2013生2.2正交试验各组合下发酵玉米秸秆基质中木质素酶系的活性混菌发酵过程中,每5d取样1次,检测各组合培养条件下发酵基质的漆酶和锰过氧化物酶的活性。由表3可知,与其他组合条件下发酵基质相比,A3B:c,在发酵的第5~15天,漆酶和锰过氧化物酶的活性最高,而在第20~30天,酶的活性则没有规律可循;而A3B:c,组合发酵下,基质粗蛋白的含量也最高。这表明漆酶和锰过氧化物酶的活性与基质粗蛋白的含量可能呈正相关关系。U/g表3正交试验各组合下基质漆酶和锰过氧化物酶的活性变化注:同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。2.3正交试验各组合下发酵玉米秸秆基质中滤纸酶和羧甲其基质中并未检测出高的滤纸酶和羧甲基纤维素酶的活性,而其他组合培养条件下发酵基质的滤纸酶和羧甲基纤维素酶的活性也无规律可循。这说明基质的粗蛋白含量与滤纸基纤维素酶的活性在混菌发酵过程中,每5d取样1次,检测各组合培养条件下发酵基质的滤纸酶和羧甲基纤维素酶的活性。由表4可知,基质粗蛋白含量最高的A3B:c,组合,酶和羧甲基纤维素酶的活性无一定的相关性。U/g表4正交试验各组合下滤纸酶和羧甲基纤维素酶的活性变化3结论与讨论一方面接种量大,发酵速度快,导致发酵过程中产生大量的热有关混菌发酵农作物秸秆提高其基质粗蛋白含量的研究已有较多报道,但大多数是涉及霉菌和酵母菌的混菌培养,而白腐菌和酵母菌的混菌发酵农作物秸秆生产高蛋白饲料的研究则仅有少量的报道”“17|。该研究结果表明,影响平菇和酵量,提高了发酵基质的温度,也导致菌体供氧不足;另一方面,接种量小,菌体产酶量小,发酵基质中酶的活性低。这些因素均不利于菌对底物的利用以及产物的合成¨…,因此以适量的接种量为宜。通过分析发酵基质粗蛋白的含量与相关的酶系活性可知,在平菇接种的同时接种10%的产朊假丝酵母,发酵基质粗母菌混菌发酵玉米秸秆其基质粗蛋白含量的主次因素顺序为:酵母的种类>酵母的接种量>酵母的接种时间。酵母的种类对发酵基质的粗蛋白含量的影响最大,这可能与酵母菌菌体本身的粗蛋白含量有关。产朊假丝酵母菌体粗蛋白含量为55.6%,显著高于酿酒酵母和热带假丝酵母。其次是酵母的接蛋白含量最高,达13.36%;在此发酵条件下,在培养的第5~15天,漆酶和锰过氧化物酶的活性也最高,而不同培养条件组合下,滤纸酶和羧甲基纤维素酶的活性则无规律可循,表明木质种量,接种10%的产朊假丝酵母,发酵基质的粗蛋白含量较高。素酶系的活性与发酵基质的粗蛋白含量可能呈正相关关系。万方数据4l卷15期汪建中等混茵固态发酵玉米秸秆提高基质粗蛋白含量的优化培养及相关酶系活性的研究6751在混菌发酵玉米秸秆体系中,平菇菌丝体和酵母菌菌体的生长其碳源均依赖于基质中纤维素和半纤维素的分解所产生的单双糖类等,而纤维素和半纤维素的分解则是纤维素酶系,包括羧甲基纤维素酶等酶的作用。该研究结果表明,木质素酶系的活性与发酵基质的粗蛋白含量呈正相关关系,而与滤纸酶和羧[J].粮食与饲料工业,2001(8):25—26.[7]BHAIJATC,JOSH]M.Proteinenrichmentofapplepomacebyco—cultureofcellulolyticmouldsandyeasts[J].WorldJournalofMicrobiology&Bio-technology,1994,10:116—117.[8]KELX,WUQ,ZHANGDQ.Bicconversionofrapestrawintoanutrition—allyenrichedsubstratebyGa/lode/'maluc/dumandnalofyeast[J].AfricanJour-甲基纤维素酶的活性无相关性。这是因为木质素与半纤维素掺合在一起,将纤维素紧紧包裹在里面,成为外围基质,保护纤维素免遭微生物袭击和降解酶进攻,从而限制了对纤维素和半纤维素等成分的降解和利用¨…。因此,木质素的降解可以使纤维素暴露,提高白腐菌对纤维素的降解,也是提高秸秆消化率的关键,可以使反刍动物更好的消化秸秆饲料。木质素酶系的活性可以影响平菇对纤维素的降解,进一步影响平菇和酵母菌菌体的生长。进而影响发酵基质的粗蛋白含量。参考文献[1]王激清,张宝英,刘社平,等.我国作物秸秆综合利用现状及问题分析[J].江西农业学报,2008,22(8):126—128.[2]汪建中,柯丽霞.混菌发酵玉米秸秆基质粗蛋白含量及木质素酶活性Biotechnology,2011,10(29):5648—5653.[9]张丁倩,柯丽霞,赵文科,等.混菌发酵油菜秸秆氮源对灵芝木质素酶系的影响[J].中国食用菌,2210,29(1):39—41.10POXDNYAKOVANN,NOWAKJR,TURKOVSKAYAOV,eta1.Oxida-catalyzedbybluelaeeaseD1inthepresenceofsynthetictivedegradationofpolyaromatiehydrocarbonsfromPleuromsostreatusmediators[J].EnzymeandMicrobalTechnology,2006,3:1242—1249.[11]陈均辉,陶力,李俊,等.生物化学实验[M].北京:科学出版社,2003.[12]陈,b林,胡大烽,李慧蓉.白腐真菌锰过氧化物酶的研究[J].江苏工业学院学报,2006,18(1):14—17.[13]朱陶,赵永芳.粗毛栓菌漆酶的分离纯化及部分性质研究[J].武汉大学学报:理学版,2002,48(2):209—212.[14]王福荣.生物工程分析与检验[M].北京:中国轻工业出版社,2006.[15]宋贤良,温其标,朱江.纤维素酶法水解的研究进展[J].郑州工程学院学报,2001,22(4):67-71.[16]VILLAS—BOASSG,ESPOSITOapplepomaceintoPleurotusaE,MENDONCAMM.BioconversionofnutritionallyenrichedsubstratebyCand/dautilisandostreatus【J】.WorldJournalofMicrobiology&Biotechnology,的研究[J].食品与发酵工业,2011,37(5):45—49.[3]张强,陆军,侯霖,等.玉米秸杆发酵生产蛋白饲料的研究[J].饲料工业,2005,26(9):20—23.[4]王德培,刘瑛,夏兰英,等.里氏木霉和酵母菌混合发酵玉米秸杆的研究[J].天津轻工业学院学报,2002,41(2):1—3.[5]李亚蕾,杨波,罗瑞明.以绿色木霉TrichodermavirideNUA-051及产朊假丝酵母Cand/dautilis酵酸解玉米秸秆生产单细胞蛋白的工艺研究[J].食品科技,2006(7):261—264.[6]潘锋,史小丽,杨树林,等.多菌种混合发酵稻草生产蛋白饲料的研究2003.19:461—467.[17]张丁倩,柯丽霞,赵文科,等.混菌固态发酵油菜秸秆铜离子和草酸对灵芝木质素酶系分泌的影响[J].安徽师范大学学报:自然科学版,2010,33(1):57—61.[18]梁新红.微生物降解玉米秸秆生产单细胞蛋白的研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2003.[19]陈翠微,刘长江.利用白腐真菌提高秸秆利用率[J].中国农业科技导报,2001,3(3):53—55.(上接第6747页)有关。泻甙A含量最多,以番泻甙类作用最强旧1;芒硝为(Na2SO。・10H:O),其泻下作用原理是在肠道内形成较高的渗透压,抑制水分的吸收同时加强了对肠管的刺激,肠蠕动增加,产生泻下作用;槟榔、黑牵牛攻逐峻泻,郁李仁润肠通便共为臣药,槟榔成分较为复杂,泻下作用的主要成分为槟榔碱旧1;黑牵牛的泻下作用主要成分为牵牛子苷,在肠内遇胆汁及肠液分解出牵牛子素,刺激肠道,增进肠蠕动,导致泻下;郁李仁有泻下成分为郁李仁苷A,具有强烈的泻下作用H。,另外郁李仁富含油脂,也可能是其产生润肠泻下的原因;木香、青皮、三棱理气消滞,木通利尿降火,为佐使药,木香可以抑制胃肠平滑肌的过度松驰状态,促**滑肌运动,也能够有效抑制胃肠平滑肌的痉挛状态,缓解疼痛,主要成分为挥发油硫酸阿托品为M受体阻断剂,可抑制小肠平滑肌的蠕动;盐酸肾上腺素可兴奋仅受体,对小肠平滑肌的运动也有抑制作用,二者均拮抗无失散对兔离体空肠的兴奋作用,说明无失散对离体空肠的兴奋作用可能与兴奋M受体与抑制Q受体有关;钙离子可以促**滑肌的收缩,硝苯地平为钙离子拮抗剂,硝苯地平对无失散引起的兔离体空肠兴奋无影响,说明无失散对兔离体空肠的兴奋作用与钙离子无关。该试验通过元失散对小鼠小肠的推进率和兔离体空肠的作用的观察,既可为无失散的临床应用提供了理论依据,也为无失散的进一步研究奠定了基础。参考文献[1]中国兽药典委员会.中华人民共和国兽药典:中药卷[S].北京:中国农业出版社,2010:35—37.[2]YUM,LUOYL,ZHENGJW,eta1.Effectsofrhubarbonisolatedgastricmusclestripsofguineapigs[J].WorldJGastroenteml,2005,11(17):2.[3]梁宁霞.槟榔药理作用研究进展[J].江苏中医药,2004,25(8):55-56.[4]杨国勒,徐国钧,金蓉鸾,等.10种郁李仁有效成分的分析鉴定研究[J].中国药科大学学报,1992,23(2):77—81.[5]张猛,郭建生,王小娟,等.云木香不同提取物对小鼠胃排空和小肠推进功能的影响[J].中国实验方剂学杂志,2012,18(2):136—138.[6]杨颖丽,郑天珍,瞿颂义,等.青皮和陈皮对大鼠小肠纵行肌条运动的影响[J].兰州大学学报:自然科学版,2001,37(5):94—9r7.中的萜类"1;杨颖丽等怕3通过大鼠平滑条试验发现青皮可以明显减少平滑肌条的振幅,抑制平滑肌收缩,而且这个过程可被酚妥拉明所阻断;邱鲁婴等‘7o采用小鼠扭体法、热板法对三棱中相对含量较高的总黄酮进行镇痛作用研究,结果发现三棱总黄酮能明显提高小鼠因热刺激引起的疼痛反应的痛阈值;三叶木通和五叶木通水提物均能够显著抑制二甲苯致炎症反应水提物均能够显著抑制醋酸致炎症反应,三叶木通、木通的水提物对乙型链球菌、痢疾杆菌作用明显,对大肠[7]邱鲁婴,毛春芹,陈兔林三棱总黄酮镇痛作用研究[J].时珍国医国药,2000,11(4):291-292.[8]白梅荣,张冰,刘小青,等.三叶五叶木通提取物药效及对药酶影响的比较研究[J].中华中医药学刊,20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作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):

汪建中, 柯丽霞

安徽师范大学生命科学学院,安徽省高校生物环境与生态安全省级重点实验室,安徽芜湖241000安徽农业科学

Journal of Anhui Agricultural Sciences2013,41(15)

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