基于秸秆饲料化的光合菌改良及其发酵工艺研究

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玉米秸秆富含粗纤维、总糖,并含少量蛋白质,是一种产量巨大的可再生资源。然而,这种资源未被合理利用,大部分被焚烧,不仅浪费资源而且污染环境。光合菌(Photosynthetic Bacteria,简称PSB)其蛋白含量高、营养要求低,并且能以发酵,避光好氧等多种方式生长,对生产单细胞蛋白饲料具有潜力。为将玉米秸秆转化为饲料,本文主要就复合诱变和细胞融合生物技术处理沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustri)、球形红假单胞菌(Rhodopseudomonas sphaeroides)和荚膜红假单胞菌(Rhodopseudomonas capsulate),发酵优化和饲养等方面进行了研究,以期获得性能优良的光合菌。将秸秆转化为蛋白饲料,不仅能提高玉米秸秆的利用价值,实现资源合理利用,还能解决焚烧秸秆带来的环境污染问题。以1.5%W/W(文中未注明处均为质量浓度)甲基磺酸乙酯(Ethyl methanesulfonate,简称EMS)和60s紫外线照射时间作为诱变剂对荚膜红假单胞菌进行复合诱变时,获得一株突变菌命名为FJM,经传代10次后,接种该菌株72 h对苯酚和木糖利用率分别为97.73%和94.44%。通过单因素实验,对FJM发酵玉米秸秆时接种量,时间,温度,摇床转速,糟层厚度,料水比进行优化。在此基础上利用正交实验进一步优化发酵各个参数,最终确定在糟层厚度4.5 cm、接种量为8%(v/v),料水比1:10(秸秆g/蒸馏水g)、摇床转速120 rpm、温度31℃、发酵6 d条件下效果最佳,真蛋白从4.12%提高至23.87%,粗纤维从37.53%降低至14.37%,粗脂肪从4.43%提高至6.51%,粗灰分从4.0%降低至3.51%,发酵干糟含水率为9.97%。(对真蛋白,粗蛋白,粗脂肪,粗纤维,粗灰分测定结果均为干重)在30 mmol/L Ca2+浓度,35%PEG,20℃条件下,融合休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)和沼泽红假单胞菌的原生质体15min,获得了一株融合子,命名为RZZ。经连续传代10次后,接种24 h对4 g/L木糖利用率为86.04%,较沼泽红假单胞菌和休哈塔假丝酵母分别提高196.84%和10.59%。根据Plackett-Burman法筛选温度、时间、接种量、糟层厚度、摇床转速、料水比,起始pH这7个发酵影响因子中具有显著效应的因子。在此基础上利用响应曲面法优化各发酵参数,最终确定在摇床转速120 r/min、pH7.0、料水比1:10、糟层4 cm、温度30℃、接种量9%(v/v)的条件发酵时间5 d效果最佳。发酵后真蛋白含量从4.12%提高至23.69%,粗纤维从37.53%降低至14.26%,粗脂肪从4.43%提高至6.55%,粗灰分从4.0%降低至3.23%,发酵干糟含水率为9.59%。为进一步降低光合细菌转化玉米秸秆制饲料的成本,将绿色木霉同改良菌FJM和RZZ混菌发酵,以期达到同时降低粗纤维和提高粗蛋白的目的。结果显示,融合子RZZ与绿色木霉分步发酵玉米秸秆能使粗蛋白含量从7.65%上升至25.37%、真蛋白从4.12%上升至18.87%,粗脂肪从4.69%上升至5.89%、灰分从4.06%降低至3.85%,发酵糟含水率为9.97%。发酵糟在40℃—50℃下烘干,制成颗粒后真空封装,在阴凉干燥存放30d后有效活菌数为4.83×104 cfu/g。以秸秆饲料为试验组,市售通威156号饲料为对照组研究秸秆饲料的养殖效果和养殖水体净化效果。结果显示,试验组草鱼的相对生长率为324.34%较对照组低48.78%,饵料系数1.2%较对照组低0.3%,但草鱼的存活率要高于对照组5%(数量比重)。养殖水体中pH和溶氧量无显著差别,试验组水质中氨氮含量由1.31 mg/L降低至0.65mg/L,对照组氨氮含量由1.35 mg/L上升至1.55 mg/L。试验组亚硝酸盐含量从0.153 mg/L降低至0.115 mg/L,对照组亚硝酸含量从0.151 mg/L上升至0.160 mg/L。由此可见,改良菌株FJM和RZZ均能有效利用玉米秸秆的降解产物供自身生长繁殖,将秸秆降解产物转化为单细胞蛋白,实现玉米秸秆到蛋白饲料的转化,提高了玉米秸秆的饲用价值。改良菌发酵秸秆制得饲料能有效降低水质中亚硝酸盐和氨氮含量,改善水质,提高鱼类成活率,因此利用改良光合菌发酵玉米秸秆生产高蛋白活性饲料在鱼类养殖业中具有较大潜力。
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