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正确使用固态发酵技术 多酶协同提质增效

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-09-27  浏览次数:3537
核心提示:中国农业科学院北京畜牧兽医研究所张铁鹰 研究员通过这些年生物饲料的飞速发展,人们都深深地感受到了,生物饲料可能是未来我们饲
 

中国农业科学院北京畜牧兽医研究所

张铁鹰 研究员

通过这些年生物饲料的飞速发展,人们都深深地感受到了,生物饲料可能是未来我们饲料行业一个发展的非常重要的突破点。而酶制剂作为生物饲料概念中一个重要的组成部分,现在的竞争已经如火如荼。在大家的竞争也越来越激烈的情况下,广泛应用到现代化的生物科技、基因工程技术等,诸如在发酵产业中液体发酵技术等应用日益广泛,但这是否意味着固态发酵就可以走向寿终正寝,落入历史的故纸堆了呢?谈及固态发酵酶制剂,是不是又回归到原始?此外,酶制剂究竟怎么样提高它的效果,影响酶制剂的有哪些因素等知道深思。本文就这些问题出发,简单介绍固态发酵生产酶制剂的应用优势。

一、背景

1、植物组织化学结构的复杂结构

植物细胞壁的组成是非常复杂的,在细胞壁组成的过程中除了纤维素、半纤维素还有蛋白果胶,其内含的化学键也是比较丰富的,如果对植物组织进行破坏,不是一个简单的方式就可以解决的。

2、从纤维素水解过程中我们发现几种酶的联合作用

目前饲料酶制剂应用的目的不仅仅是消减抗营养因子,而是通过酶解之后的产物是可以被动物吸收利用。所以我们在制备酶制剂的时候需要多种酶复合作用。目前研究做酶制剂方面没有给予足够重视,这也是未来酶制剂一个重要的突破点。

3、复合酶的设计过程中要注意非纤维素酶

从微生物的角度上来讲也证实了这一点,例如厌氧菌分解纤维素过程中的纤维小体、非纤维素酶蛋白因子、溶多糖单加氧酶和溶胀素等。这些酶是益生菌的天然代谢产物,但是目前基因工程学或基因工程酶对于这方面的关注偏少。这些东西往往是野生型微生物具有的特质,我们基因工程上的模式微生物载体选择面窄,丧失了野生菌的特性。

4、淀粉的问题

植物内的淀粉有直链淀粉和支链淀粉两种,不同类型链淀粉消化率方面差异很大。直链淀粉容易形成抗性淀粉,含量高容易降低消化率。而抗性淀粉可形成螺旋结构形成类似纤维素的结晶结构,使淀粉酶不能对抗性淀粉进行降解。但抗性淀粉能够在后肠被微生物发酵,说明后肠微生物具有水解淀粉酶的一些特质。此外,原料选择上新老玉米差异较大,新玉米中一些糖还没有完全装配完,有一个后成熟期,形成新的抗性淀粉,这一点也需要考虑到。

5、其他抗营养因子

例如大豆抗原,结构非常稳定。在发酵消除处理的过程中需要动很大脑筋。再例如玉米淀粉,玉米中的醇溶蛋白很高,其疏水氨基酸性质比较高,我们在选用一些酶处理的时候应该选用一些特殊的酶进行处理,可以提高其利用效率。

这些问题表明,应该综合考虑植物化学结构的复杂性,和它存在的一些化学键。无论是非淀粉多糖、淀粉还有蛋白结构的复杂性上来讲,我们在考虑酶制剂和设计酶制剂配方的结构的时候就要考虑复杂性,找准研究方向。但是在基因克隆技术没有发展到十分成熟的时候,可能要回归一下,更有利于去解决生产中的一些问题。固态发酵在这个方面可以发挥一定作用。

二、固态发酵

固态发酵顾名思义,也就是在固体培养情况下进行产酶,历史是比较悠久,目前也出现了工业化和自动化的工业设备设施以及监控系统等突破性的进展。虽然可能不一定会成为主流,但未来很有可能固态发酵酶会有一个小小的热点。固态发酵的代谢产物非常丰富,对于产酶菌来讲产酶的种类会很丰富,对于酿造来讲会产生独特的风味,并且形成产品的多样性,这些都是多种菌协同发酵的结果,并不是单一酶或菌产生的。所以有理由支持固态发酵。再如利用农副产品的固态发酵秸秆,这个有一定的优势,它的生物量很大。因此固态酶才是真正意义上酶制剂的鸡尾酒,另外它更适合于在饲料、食品、燃料乙醇等领域进行应用。

三、固态发酵的优势及应用情况

(一)固态发酵的优势

1、农副产品的资源利用

这些资源作为天然底物进行诱导,自然状态下以化学键去诱导产酶,可以固态发酵产生多样性的酶,与植物组的复杂性相适应。而且固态发酵利用的一个很大的优势就是环保,农副产品资源化利用作为废物控制是非常好且投资较少。

2、产酶种类方面

固态发酵的纤维素酶在产还原糖方面明显于市场上的复合酶。而还原糖单糖这些最终能够被动物所利用的糖可能是未来发展的目标。多项研究表明,经固态发酵产生的酶种比较丰富,它的主要原因可能与天然底物的化学组成有关,把这些酶运用到化学组成非常复杂的饲料当中可能更为合适。

3、酶活组成上

固态发酵产酶酶谱丰富且酶活力相互配套,有助于在饲料生产使用。

4、以蛋白酶为例

固体发酵产酶相较液体发酵,酶种更丰富,对未来饲料工业有益。这是未来酶领域非常重要的研究领域。

(二)固体发酵产品的应用情况

固体发酵产品的应用情况如何,以下是一些试验研究证明。家禽日粮中,以等量玉米代替油,能量大概下降50大卡的玉米-豆粕日粮,其他水平都是一样的。负对照组和正对照组之间的生产性能、采食量和平均日增重各个阶段明显不如正常能量水平的。加酶之后,不同微生物体系发酵产酶,无论是单独发酵还是组合发酵,对于各个阶段的生产性能都有一定的提高。同时发现,两种菌发酵产物组合效果更好。这就更进一步地验证了两种菌组合在一起,可能酶谱更为复杂,对解决复杂的化学结构更为有利。屠宰率的测试也发现对胸肌率有改善,腹脂率则下降。在反刍动物饲粮中进行应用黑曲霉产生的木聚糖酶和纤维素酶,发现可提高纤维的消化和降解。平均日采食量明显提升、日增重也有上升,料重比明显改善。

其他还有工艺上的一些改进。例如设备改良进行诱变,有数据说明固态发酵酶生物具有发展的潜质。在单菌发酵和混合菌发酵上进行比较,在生产上一定会存在着操作的复杂性问题。菌组合发酵,可一次性发酵出来一个完整的产品,会简化很多工艺,但是两种菌是否能够在一起混合发酵,条件如何,值得进一步探讨。首先发酵菌种间可能有相互的互补,另外更重要的是提高主菌的效率,这些都是需要处理和解决的。目前已知用两株黑曲霉进行组合发酵,发现进行组合发酵以后并没有明显提高木聚糖酶,但是和它们的平均数很接近。可以对工艺进行建议和优化。另外,黑曲霉和木霉的组合发酵,与传统单菌发酵相比,产生的木聚糖酶有明显提高。米曲霉和黑曲霉进行组合发酵,发现其对产木聚糖酶也有促进作用。这些东西需要去进一步地详细地验证。

四、结语

简单总结一下,固态发酵产酶有一些有待解决的问题:①比如发酵过程中自动化程度方面的问题,目前大部分固态发酵酶的生物反应器一直是瓶颈问题。②另外由于发酵底物带来的热传导性问题,如何解决好散热与保湿的问题,维系水分和温度处于最适生长条件直接影响菌的发酵进程,这也是要做组合菌发酵的一个很重要的原因,利用不同菌在生产上的不同步,可以控制不同菌的生长周期或高峰期,对于控制产热有好处。③ 生产过程中的机械化和自动化的问题,固态发酵过程中的各个环节,都要降低劳动强度,提高产能,这是未来固态发酵面临的一个很重要的问题。④确定科学合理的固态发酵关键参数。发酵过程中整个的发酵参数会不断变化,实验室模拟没有参考价值和意义。如何监控和管理这些参数使之程序化,是未来发展的重要的方向,特别是线传感器问题带来的传输数据控制问题。⑤高产菌株的诱变和筛选。目前基因工程学应用广泛,传统育种方法研究较少、进步不快。目前在等离子诱变上的突破值得借鉴。

本文内容根据张铁鹰 研究员在BFC·第五届中国生物饲料科技大会上的报告整理而成,未经本人审阅。

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文/张博 博士 编/马维军

 


 
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