固态发酵玉米秸秆的菌株组合和发酵条件研究.pdf

农业环境科学学报2 0 1 0 2 9 8 1 6 0 1 1 6 0 5 J o u r n a lo fA g r o E n v ir o n m e n tS c ie n c e 固态发酵玉米秸秆的菌株组合和发酵条件研究 李江颂 李日强 王爱英 冀伟江 山西大学环境与资源学院 太原0 3 0 0 0 6 摘要 为了提高玉米秸秆的综合利用效率 降低对环境的污染 保护生态环境 利用正交试验法研究了固态发酵氨化玉米秸秆生 产饲料蛋白工艺中菌株组合 发酵温度和发酵时间对发酵产物真蛋白含量的影响 结果表明 发酵温度对发酵产物真蛋白含量具有 显著影响 P 0 0 5 发酵时间 发酵温度与发酵时间之间的交互作用对发酵产物真蛋白含量具有极显著影响 P 0 叭 最佳菌株组 合为青霉和葱色串孢 最佳发酵条件为发酵温度2 5 发酵时间5d 在最佳菌株组合和最佳发酵条件下 玉米秸秆经氨水氨化和 固态发酵后真蛋白含量由2 0 5 提高到2 9 6 6 比原料本身的真蛋白含量提高了1 3 倍多 粗蛋白含量由2 8 0 提高到3 5 4 1 比 原料本身的粗蛋白含量高提高了1 1 倍多 关键词 固态发酵 玉米秸秆 饲料蛋白 菌株组合 发酵条件 中图分类号 X 7 1 2 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 2 2 0 4 3 2 0 1 0 0 8 1 6 0 1 0 5 C o m b in a t io no ft h eM u l t ip l e s t r a iB Sa n dt h eF e r m e n t a t io nC o n d it io n so fS o l id s t a t eF e r m e n t a t io no fC o r n S t r a w L IJ ia n g s o n g L IR i q ia n g W A N GA i y in g J IW e i j ia n g S c h o o lo fE n v ir o n m e n tS c ie n c ea n dR e s o u r c e s S h a n x iU n iv e r s it y T a iy u a n0 3 0 0 0 6 C h in a A b s t r a c t I no r d e rt oim p r o v et h ee f f ic ie n c yo fm u l t ip l eu s eo fc o r ns t r a w a n dr e d u c eit sp o l l u t io nt oe n v ir o n m e n ta n dp r o t e c te c o e n v ir o n m e n t t h ee f f e c to ft h ec o m b in a t io no ft h em u l t ip l e s t r a in s t h ef e r m e n t a t io nt e m p e r a t u r ea n dt h ef e r m e n t a t io nt im eo fs o l id s t a t ef e r m e n t a t io n o fa m m o n ia t e dc o r ns t r a wt op r o d u c ef e e d in g p r o t e ino nt h ep u r ep r o t e inc o n t e n to ft h ef e r m e n t e dp r o d u c tw e r es t u d ie db yu s in go r t h o g o n a l d e s ig no ft h r e ef a c t o r sa n dt h r e el e v e l s T h ee x p e r im e n t sw e r ep e r f o r m e da c c o r d in gt oo r t h o g o n a ld e s ig nk 3 1 3 inw h ic ht h ed if f e r e n ts t r a in c o m b in a t io n s A w e r eP e n ic il l iu ms p T o r u l aa l l ii P e n ic il l iu ms p Za l l ii C h a e t o m iu ma t r o s p o r u ma n dP e n ic il l iu ms p Za l l ii I C a t r o s p o r u m I G e o t r ic h u mc a n d id u m r e s p e c t iv e l y t h ed if f e r e n tt e m p e r a t u r e B w e r ea t2 5o C 3 0o Ca n d3 5o C s e p a r a t e l y a n dt h ed if f e r e n t t im e C w e r ef o r3d 5da n d7d T h ed a t a s e tw e r ea n a l y z e du s in ga n a l y s iso f v a r ia n c e a n dD u n c a n7 Sm u l t ip l er a n g et e s t T h er e s u l t sin d i c a t e dt h a tt h ee f f e c to ff e m m n t a t io nt e m p e r a t u r eo nt h ep u r ep r o t e inc o n t e n to ft h ef e r m e n t e dp r o d u c tw a ss ig n if ic a n t P 0 0 5 a n dt h ee f f e c t o ft l l ef e r m e n t a t io nt im ea n dt h ein t e r a c t io nb e t w e e nf e m m n t a t io nt e m p e r a t u r ea n df e r m e n t a t io nt im eo nt h a tw a sv e r ys ig n if ic a n t P O 0 5 发酵温度 发 酵温度X 发酵时间 B C 对发酵产物真蛋白含量具有 显著影响 P O 0 5 发酵时间对发酵产物真蛋白含量 具有极显著影n l 甸 P O 0 1 由于菌株组合X 发酵时间 A x C 的离差平方和小 于2 M S e 误差项均方 将它的离差平方和及自由度 因素合并到误差项 得到最后的方差分析结果 表 4 表4 的方差分析结果表明 发酵温度对发酵产物 真蛋白含量具有显著影响 P O 0 5 发酵时间 发酵 温度X 发酵时间 B C 对发酵产物真蛋白含量具有极 显著影响 P O 0 1 由发酵温度X 发酵时问 B x C 发酵产物真蛋白含 量的二元表 表5 应用D u n c a n 的多重比较可以获 得发酵温度和发酵时间的最佳搭配为B C 即发酵温 度为2 5 发酵时间为5d 由于菌株组合各水平之间差异不显著 表3 考 虑到实际生产中的成本 固态发酵氨化玉米秸秆生产 饲料蛋白的最佳菌株组合和最佳发酵条件为A B c 即菌株组合为青霉和葱色串孢 发酵温度为2 5 发 酵时间为5d 2 2 发酵产物蛋白含量 依据正交试验结果 以总量为2 0 的接种量接种 青霉和葱色串孢于固态发酵培养基中 加入4 4 的 第2 9 卷第8 期农业环境科学学报 1 6 0 3 表3 发酵产物真蛋白含量的方差分析 T a b l e3A n a l y s iso fv a r ia n c ef o rt h ep u r ep r o t e inc o n t e n t so f f e r m e n t e dp r o d u c t s 注 8P 0 0 5 8 P 0 0 1 下同 微量元素和1 4 5 质量分数 的水 2 5 静止发酵培 养5d 在6 0 下烘干 测定发酵产物的粗蛋白和真 蛋白含量 结果见表6 表4 发酵产物真蛋白含量的方差分析结果 T a b l e4A n a l y s iso fv a l a n c ef o rM ep u r ep r o t e inc o n t e n t so f f e 瑚e n t e dp r o d u c t s 从表6 可以看出 采用最佳菌株组合和最佳发酵 条件 玉米秸秆经氨水氨化和固态发酵后真蛋白含量 由2 0 5 提高到2 9 6 6 比原料本身的真蛋白含量 提高了1 3 倍多 粗蛋白含量由2 8 0 提高到 1 6 0 4 李江颂等 固态发酵玉米秸秆的菌株组合和发酵条件研究2 0 1 0 年8 月 表5B x C 温度 时间 发酵产物真蛋白平均含量 T a b l e5T h ep u r ep r o t e inc o n t e n to ff e r m e n t e dp r o d u c t sb y in t e r a c t io nB C t e m p e r a t u r e t im e m e a n 发酵温度 爱孬j 芋墨 兰雩雾蒌宴孚堡 表6 发酵产物粗蛋白和真蛋白含量 平均数 T a b l e6T h ec o n t e n t so fc r u d ep r o t e ina n dp u r ep r o t e ino f f e r m e n t e dp r o d u c t s m e a n s 3 5 4 1 比原料本身的粗蛋白含量提高了1 1 倍多 3 讨论 秸秆这种天然纤维性材料具有复杂的立体结构 特别是木质素的屏障作用 使微生物很难将其快速转 化 利用氨水对玉米秸秆进行氨化处理 能大幅度提 高秸秆的含氮量 部分地改变其天然结构 氨化后的 玉米秸秆富集了大量的可发酵性碳源和氮源 有利于 微生物的固态发酵 所以本试验在固态发酵之前首先 对玉米秸秆进行了氨化处理 无机盐是微生物生长必不可少的一类营养物质 它们为机体生长提供必需的金属元素 这些金属元素 在机体中参与酶的组成 构成酶的最大活性 维持细 胞的稳定性 调节与维持细胞的渗透压平衡和控制细 胞的氧化还原等 而秸秆中无机盐含量都很低 而且 明显缺乏钴 铜 硫 钠 硒和碘等元素 所以在发酵培 养基中添加合适浓度的无机盐是必不可少的 氮源是微生物生长繁殖所必须的营养要素 能够 被微生物用作氮源的物质有很多 在实验室或生产上 常用的氮源物质有铵盐 硝酸盐和尿素等 对相同添 加量的尿素和 N H 2 S O 发酵产物的真蛋白含量进行 对比分析 加入尿素对秸秆真蛋白含量的提高效果比 加入 N H S O 要好 6 3 试验以尿素为氮源物质 张伟心争1 4 和王德培掣1 8 对发酵的起始p H 进行 了研究 结果分别表明最佳起始p H 为5 5 和3 0 但 对于固态发酵 调节发酵培养基p H 的工序较烦琐且 增加成本 所以本试验采用自然p H 发酵 为了使微生物更充分利用秸秆中的碳源 并充分 将氮源转化为菌体蛋白质 提高秸秆的蛋白含量 试 验采用组合菌株进行固态发酵 同时考虑到分解纤维 素的菌株和分解木质素的菌株的搭配因素 将选用的 4 株菌进行了分组组合形成3 个水平 分别为青霉和 葱色串孢 青霉 葱色串孢和暗孢毛壳 青霉 葱色串 孢 暗孢毛壳和白地霉 方差分析表明 菌株组合各水 平之间差异不显著 即暗孢毛壳和白地霉的加入对发 酵产物蛋白含量的提高无影响 同时发酵菌采用青 霉 不会像木霉那样产生木霉毒素 更有利于提高资 源的利用效率 试验结果表明 发酵温度对发酵产物真蛋白含量 具有显著影响 P 0 0 5 发酵时间 发酵温度与发酵 时问之间的交互作用对发酵产物真蛋白含量具有极 显著影响 P O 0 1 说明发酵温度和发酵时间是固态 发酵中对发酵产物蛋白含量影响的两个重要因素 并 且发酵温度和发酵时间之间存在交互作用 获得发酵 温度和发酵时间的最佳搭配对发酵产物蛋白含量的 提高是非常重要的 多重比较表明 采用青霉和葱色 串孢 在2 5 静止发酵培养5d 发酵产物的粗蛋白 含量和真蛋白含量都有了极显著提高 P O 0 1 这充 分说明 玉米秸秆经氨水氨化和固态发酵能有效地将 部分木质素和纤维素等转化为营养物质 这将大大提 高玉米秸秆的综合利用效率 从而扩大畜牧业的饲料 来源 减轻玉米秸秆对环境的污染程度 4 结论 1 固态发酵氨化玉米秸秆生产饲料蛋白的过程 中 发酵温度对发酵产物真蛋白含量具有显著影响 P O o s 发酵时间 发酵温度与发酵时间问的交互作 用对发酵产物真蛋白含量具有极显著影响 P 0 0 1 2 固态发酵氨化玉米秸秆生产饲料蛋白的最佳 菌株组合和最佳发酵条件为A B c 即菌株组合为青 霉和葱色串孢 发酵温度为2 5 发酵时间为5d 3 采用最佳菌株组合和最佳发酵条件 玉米秸 秆经氨水氨化和固态发酵后真蛋白含量由2 0 5 提 高到2 9 6 6 比原料本身的真蛋白含量提高了1 3 倍 多 粗蛋白含量由2 8 0 提高到3 5 4 1 比原料本身 的粗蛋白含量提高了1 1 倍多 参考文献 1 王革华 实现秸秆资源化利用的主要途径 J 上海环境科学 2 0 0 2 2 1 1 1 6 5 1 6 6 1 W A N GG e h u a T h em a inr o u t e so fr e a l iz in gs l a wr e s o u r c er e u s e 叨 S h a n g h a iE n v ir o n m e n t a l S c ie n c e s 2 0 0 2 2 1 1 1 6 5 1 6 6 1 2 1 孙力军 商常发 钟德山 等 高效秸秆发酵剂优良菌种的分离筛选 第2 9 卷第8 期农业环境科学学报 1 6 0 5 与鉴定 J 安徽农业技术师范学院学报 1 9 9 9 1 3 3 1 1 1 3 解植物生物质的研究 J 环境科学学报 2 0 0 5 2 5 2 2 3 2 2 3 7 S U NL i j u n S H A N GC h a n g f a Z H O N GD e s h a n e ta 1 I s o l a t io na n d id e n t if ic a t io no fg o o ds t r a in so fh ig he f f e c t iv es t r a wf e m m n t a t io na g e n t J J o u r n a lo f A n h u iA g r o t e e h n ie a lT e a c h e r sC o l l e g e 1 9 9 9 1 3 3 1 1 1 3 3 万鲁长 黄春燕 于迎春 等 作物秸秆发酵转化高效菌株筛选及其 初步鉴定 J 山东农业大学学报 自然科学版 2 0 0 1 3 2 4 4 3 8 4 4 2 W A NL u c h a n g H U A N G C h u n y a n Y UY in g c h u n e t a 1 S e l e c t io n a n did e n t if ic a t io no fh ig he f f ic ie n c ys t r a in sf o rf e r m e n t a t io nt r a n s f o r mo f c r o ps t u b b l e J J o u r n a lo f S h a n d a n g A g r ic u l t u r a lU n iv e r s it y 2 0 0 1 3 2 4 4 3 8 4 4 2 4 陈翠微 刘长江 郭文洁 等 玉米秸秆发酵剂优良菌种的筛选叨 沈 阳农业大学学报 2 0 0 0 3 1 6 5 5 9 5 6 1 C H E NC u i w e i L I UC h a n g j ia n g G U OW e n j ie e ta 1 S c r e e n in go f e l it es t r a in sf o rm a iz es t r a wf e r m e n t J J o u r n a lo f S h e n y a n g A g r ic u l t u r a l U n iv e r s it y 2 0 0 0 3 1 6 5 5 9 5 6 1 5 李日强 辛小芸 刘继青 天然秸秆纤维素分解菌的分离选育叨 上 海环境科学 2 0 0 2 2 1 1 8 1 1 L IR i q ia n g X I NX ia o y u n L I UJ i q in g I s o l a t io na n ds c r e e n in go n s t r a wc e l l u l o s e d e c o m p o s in gm ic r o o r g a n is m s J S h a n g h a iE n v ir a n m e n 一 耐S c ie n c e s 2 0 0 2 2 1 1 8 1 1 6 李日强 王爱英 孔令冬 一株纤维素分解菌的分离选育 J 山西大 学学报 自然科学版 2 0 0 6 2 9 3 3 1 7 3 2 0 L IR i q ia n g W A N G A i y in g K O N GL in g d o n g I s o l a t io na n ds c r e e n in go fac e H u l o s e d e c o m p o s in gf u n g u ss t r a in J J o u r n a lo f S h a n x i U n i v e r s it y 2 0 0 6 2 9 3 3 1 7 3 2 0 7 J o s 6D o r a d o G o n z a l oA l m e n d r o s S u s a n aC a m a r e r o e ta 1 T r a n s f o r m a t io no fw h e a ts t r a wint h ec o u r s eo fs o l id s t a t ef e r m e n t a t io nb yf o u r l ig n in o l y t icb a s id io m y c e t e s J E n z y m ea n dM ic r o b ia lT e c h n o l o g y 1 9 9 9 2 5 6 0 5 6 1 2 8 H e s h a mMA S a h a rAE A c t in o m y c e t e sinr ic es t r a wd e c o p o s it io n J W a s t eM a n a g e m e n t 2 0 0 7 2 7 6 8 5 0 8 5 3 9 杨雪霞 陈洪章 李佐虎 汽爆玉米秸秆固态发酵生产饲料的研究 J 粮食与饲料工业 2 0 0 1 2 2 7 2 9 Y A N GX u e x ia C H E NH o n g z h a n g L IZ u o h u As t u d yo np r o d u c t io n o ff e e df r o ms t e a me x p l o s io np r e t r e a t e dc o r ns t r a wt h r o u g hs o l ids t a t e f e r m e n t a t io n J G r a in a n d F e e d I n d u s t r y 2 0 0 1 2 2 7 2 9 1 0 Y a n gXX C h e nHZ G a oHL e ta 1 B io c o n v e r s io no fC O l 3 3s t r a wb y c o u p l in ge n s il in ga n ds o l id s t a t ef e r m e n t a t io n J B io r e s o u r c eT e c h n o l o g y 2 0 0 1 7 8 3 2 7 7 2 8 0 1 1 黄丹莲 曾光明 黄国和 等 白腐菌固态发酵条件最优化及其降 H U A N GD a n l ia n Z E N GG u a n g m in g H U A N GG u o h e e ta 1 O p t i m u mc o n d it io n so fs o l id s t a t ef e r m e n t a t io nf o rw h it e r o tf u n g ia n df o r it sd e g r a d in gs t r a w J A c t aS c ie n t ia cC ir c u m s t t t ia e 2 0 0 5 2 5 2 2 3 2 2 3 7 1 2 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 J 粮食与饲料工业 2 0 0 1 8 2 5 2 6 P A NF e n g S H IX ia o l i Y A N GS h u l in e ta 1 S t u d ie so nt h ep r o d u c t io no fp r o t e inf e e df r o ms t r a wt h r o u g hc o f e r m e n t a t io nb ym u l t i s t r a in s J G r a ina n dF e e dI n d u s t r y 2 0 0 1 8 2 5 2 6 1 3 史小丽 潘锋 杨树林 固态发酵秸秆生产单细胞蛋白的初步研 究叨 粮食与饲料工业 2 0 0 0 1 2 2 7 2 8 S H IX ia o l i P A NF e n g Y A N GS h u l in S t u d ie so ns o l idf e r m e n t a t io n o ff o d d e rf o rp r o d u c in gS C P J G r a ina n dF e e dI n d u s t r y 2 0 0 0 1 2 2 7 2 8 1 4 张伟心 马艳玲 霍玉鹏 混合菌发酵玉米秸秆生产菌体蛋白饲料 的研究 J 饲料研究 2 0 0 0 6 5 7 Z H A N GW e i x in M AY a n l in g H U OY u p e n g S t u d yo nf e r m e n t a t io no fc o r ns 打a F rt op r o d u c ef e e d in g p r o t e inb yu s in gt h ec o m b in a t io n o ft h em u l t ip l e s t r a in s J F e e dR e s e a r c h 2 0 0 0 6 5 7 1 5 杨雪霞 陈洪章 李位虎 玉米秸秆氨化汽爆处理及其固态发酵叨 过程工程学报 2 0 0 1 1 1 8 6 8 9 Y A N GX u e x ia C H E NH o n g z h a n g L IW e i h u S t e a m e x p l o s io no f a m m o n ia t e dc o r ns t r a wa n ds u b s e q u e n ts o l ids t a t ef e r m e n t a t