楊 穎,唐偉敏,邢建榮,鄭美瑜,陸勝民
(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 食品科學(xué)研究所,浙江 杭州 310021)
細(xì)菌纖維素(bacterial cellulose,BC)是通過微生物發(fā)酵作用形成的,由β-D- 葡萄糖通過β- 1,4- 糖苷鍵結(jié)合成的直鏈,又稱為β- 1,4- 葡聚糖[1]。BC產(chǎn)生菌較多,其中葡糖酸醋桿菌屬的高產(chǎn)菌較多,生產(chǎn)方式主要有靜置與振蕩培養(yǎng)2種。靜置培養(yǎng)時(shí),在培養(yǎng)液表面長(zhǎng)出凝膠狀厚膜[2-3],因外觀類似椰肉,又稱“椰果”,具有飽腹感,以及清理腸道與減肥效果,作為配料廣泛應(yīng)用于食品與特殊材料領(lǐng)域[4-9]。連續(xù)振蕩培養(yǎng)時(shí),根據(jù)轉(zhuǎn)速、裝液量、培養(yǎng)基成分不同,形成球狀、絮狀、星狀等不同形狀的凝膠團(tuán),主要作為新奇食品配料或者特殊材料應(yīng)用[10-13]。
BC生產(chǎn)基質(zhì)主要有化學(xué)培養(yǎng)基與復(fù)合培養(yǎng)基2種:化學(xué)培養(yǎng)基以HS為代表,價(jià)格較貴且產(chǎn)量不高,多用于研究分析[14-15];復(fù)合培養(yǎng)基以椰子水、菠蘿渣為基質(zhì)復(fù)配,價(jià)格較低且產(chǎn)量較高[16-18]。柑橘是世界第一大水果,加工集中度高,橘渣產(chǎn)量大且易于獲得,以其為原料生產(chǎn)BC能夠充分利用自然資源,是一個(gè)值得關(guān)注的研究方向。作者在前期研究時(shí)從腐敗柑橘表面獲得1株中間葡糖酸醋桿菌CIs26,橘渣水能夠顯著提高其BC產(chǎn)量[19]。當(dāng)其靜置培養(yǎng)時(shí),形成的凝膠膜較硬,改變培養(yǎng)方式時(shí)發(fā)現(xiàn),靜置與短時(shí)振蕩間歇培養(yǎng)能夠形成較疏松的軟膜,且持水性、復(fù)水性更好,是制備脆嫩型納塔、藥物緩釋系統(tǒng)、透氣敷料的潛在原料?;诖耍疚囊訡Is26為發(fā)酵菌株,采用間歇振蕩培養(yǎng)方式,研究以橘渣為基質(zhì)的培養(yǎng)基復(fù)配方案,為擴(kuò)大BC生產(chǎn)的原料來源、豐富BC生產(chǎn)的工藝條件等提供參考。
發(fā)酵菌株:中間葡糖酸醋桿菌(Gluconacetobacterintermedius)CIs26,本實(shí)驗(yàn)室自行篩選、鑒定。
橘渣制備:溫州蜜柑去皮榨汁。殘?jiān)梢粤⒓词褂?,也可以冷凍保存后解凍使用?/p>
橘渣水的配制:橘渣與水混合打漿,添加果膠酶與纖維素酶,45 ℃保溫2 h,800目濾布過濾,所得濾液為橘渣水。
基礎(chǔ)培養(yǎng)基:酵母粉5 g,蔗糖30 g,(NH4)2SO45 g,橘渣水1 L,自然pH值,121 ℃滅菌15 min。
HS培養(yǎng)基:參考Hestrin等[20]的配方,121 ℃滅菌15 min。
橘渣水復(fù)配HS培養(yǎng)基:以橘渣水替代蒸餾水,其他同HS培養(yǎng)基。
果膠酶(200 000 U·g-1)、纖維素酶(100 000 U·g-1),購于寧夏和氏璧生物技術(shù)有限公司;酵母粉購于浙江杭富生物制品廠;常規(guī)藥品購于華東醫(yī)藥有限公司。
雙層恒溫振蕩培養(yǎng)箱,上海智誠分析儀器制造有限公司;生化培養(yǎng)箱,上海博訊實(shí)業(yè)有限公司;Elx800TM全自動(dòng)酶標(biāo)儀,美國(guó)伯騰儀器有限公司;超低溫冰箱,美國(guó)NBS公司;LXJ- IIB高容量低轉(zhuǎn)速離心機(jī),上海安亭科學(xué)儀器廠;PB- 10精密pH計(jì),賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司;Quick- Brix90TM糖度計(jì),梅特勒- 托利多國(guó)際股份有限公司;85- 2恒溫磁力攪拌器,金壇市杰瑞爾電器有限公司;DS- 1高速組織搗碎機(jī),上海標(biāo)本模型廠。
1.3.1 發(fā)酵曲線繪制
180 μL培養(yǎng)基添加于酶標(biāo)板微孔中,接入活化種子液10 μL,30 ℃搖床培養(yǎng),每隔1 h 150 r·min-1轉(zhuǎn)動(dòng)搖床5 min,每6 h測(cè)定1次D450,取3組數(shù)據(jù)平均值繪制發(fā)酵曲線。
1.3.2 渣水比選擇
橘渣與水分別按質(zhì)量比1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10及1∶12混合,打漿,過濾,以濾液代替去離子水配制基礎(chǔ)培養(yǎng)基,滅菌,接種,按1.3.1節(jié)方法繪制發(fā)酵曲線。
1.3.3 橘渣酶解條件
橘渣與水混合打漿,添加不同濃度的果膠酶與纖維素酶,45 ℃保溫2 h,過濾取濾液復(fù)配、滅菌、接種,按1.3.1節(jié)方法繪制發(fā)酵曲線。
1.3.4 最適碳源及濃度
取橘渣水配制30 g·L-1不同碳源的培養(yǎng)基(蔗糖、葡萄糖、果糖、乳糖、半乳糖、甘露糖、木糖、麥芽糖、阿拉伯糖及鼠李糖),滅菌,接種,按1.3.1節(jié)方法繪制發(fā)酵曲線。配制不同碳源濃度(30、40、50、60、70、90 g·L-1)的培養(yǎng)基,滅菌,接種,按1.3.1節(jié)方法繪制發(fā)酵曲線。
1.3.5 最適氮源及濃度
取橘渣水配制5 g·L-1不同氮源的培養(yǎng)基(硫酸銨、蛋白胨、牛肉膏),滅菌,接種,按1.3.1節(jié)方法繪制發(fā)酵曲線。配制不同氮源濃度(0、1、3、5、7、9 g·L-1)的培養(yǎng)基,滅菌,接種,按1.3.1節(jié)方法繪制發(fā)酵曲線。
1.3.6 最適酵母粉濃度
取橘渣水配制不同酵母粉濃度(0、1、3、5、7、9 g·L-1)的培養(yǎng)基,滅菌,接種,按1.3.1節(jié)方法繪制發(fā)酵曲線。
1.3.7 有機(jī)酸的影響
取橘渣水配制2 g·L-1不同有機(jī)酸種類的培養(yǎng)基(檸檬酸、醋酸、乳酸),滅菌,接種,按1.3.1節(jié)方法繪制發(fā)酵曲線。配制不同濃度(0、1、2、3、4 g·L-1)有機(jī)酸培養(yǎng)基,滅菌,接種,按1.3.1節(jié)方法繪制發(fā)酵曲線。
1.3.8 最適磷酸氫二鈉濃度
取橘渣水配制不同濃度(0、1、2、3 g·L-1)磷酸氫二鈉培養(yǎng)基,滅菌,接種,按1.3.1節(jié)方法繪制發(fā)酵曲線。
1.3.9 BC干重
500 mL三角瓶裝150 mL培養(yǎng)液,按1.3.1節(jié)方法接種培養(yǎng),5 d后將BC凝膠取出,無菌水清洗去除雜質(zhì),浸泡于0.1 mol·L-1的NaOH溶液中,80 ℃水浴60 min,以去離子水反復(fù)浸泡沖洗至中性,85 ℃烘干至質(zhì)量恒定,稱量。
由圖1可見,當(dāng)渣水比為1∶6時(shí)D450值最高,此時(shí)BC產(chǎn)量也最高,達(dá)6.72 g·L-1,其次為1∶8,BC產(chǎn)量為6.03 g·L-1,再次為1∶4,BC產(chǎn)量為5.26 g·L-1,1∶2時(shí)發(fā)酵液D450值與BC產(chǎn)量均最低。橘渣太濃或者太稀皆不利于BC軟凝膠的形成,原因可能是橘渣中含有部分抑制CIs26菌株生長(zhǎng)或者限制BC積累的物質(zhì),而太稀時(shí)橘渣溶液中糖類、維生素、氨基酸及微量元素濃度太低,對(duì)菌株生長(zhǎng)促進(jìn)作用不大。本研究選擇渣水比為1∶6。
圖1 渣水比對(duì)CIs26發(fā)酵的影響Fig.1 Effects of dregs- water ratio on fermentation of CIs26
橘渣中含有大量的果膠與纖維素,打漿后溶液黏度較高,過濾困難,濾液可溶性固形物含量低,仍剩余30%左右的濾渣需要處理。先以果膠酶對(duì)橘渣漿進(jìn)行降解,再添加不同濃度的纖維素酶進(jìn)行酶解,研究酶解對(duì)CIs26菌株發(fā)酵情況的影響,結(jié)果如圖2所示。
添加0.3 g·L-1果膠酶時(shí)發(fā)酵液的濁度最高,BC產(chǎn)量也最高,達(dá)6.81 g·L-1,選擇果膠酶濃度為0.3 g·L-1。果膠酶復(fù)配纖維素酶能夠有效地提高發(fā)酵液的濁度,復(fù)配0.1 g·L-1纖維素酶較不復(fù)配組BC產(chǎn)量提高了1.51 g·L-1。原因可能是果膠酶與纖維素酶復(fù)合酶解,能夠充分釋放被果膠、纖維素等大分子纏繞包裹的小分子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),同時(shí)降低培養(yǎng)液黏度,增加溶氧量。本研究選擇0.3 g·L-1的果膠酶復(fù)合0.1 g·L-1的纖維素酶對(duì)橘渣漿進(jìn)行酶解。
a,單獨(dú)使用果膠酶;b,果膠酶與纖維素酶復(fù)配a, Pectinase only; b. both pectinase and cellulase圖2 酶添加比例對(duì)CIs26發(fā)酵的影響Fig.2 Effects of enzyme amount on fermentation of CIs26
由圖3- a可見,CIs26發(fā)酵生產(chǎn)BC的最適碳源是葡萄糖,在80 h左右D450即達(dá)到最大值,放大培養(yǎng)時(shí)其BC產(chǎn)量達(dá)8.13 g·L-1,果糖次之,蔗糖緊隨其后,甘露醇最差。以葡萄糖為唯一碳源時(shí),CIs26發(fā)酵液的D450值迅速上升,到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)緩慢下降,可能與發(fā)酵后期有機(jī)酸的含量上升有關(guān)。當(dāng)以蔗糖為唯一碳源時(shí),發(fā)酵液的D450值到達(dá)高點(diǎn)后保持平穩(wěn)態(tài)勢(shì),其原因還有待進(jìn)一步研究。綜合考慮發(fā)酵效率與產(chǎn)品成本,本研究選擇蔗糖為碳源。
由圖3- b可見,蔗糖濃度70 g·L-1時(shí)發(fā)酵液的濁度最高,放大培養(yǎng)時(shí)BC產(chǎn)量達(dá)8.06 g·L-1,其次為60 g·L-1,30 g·L-1時(shí)最低。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)考慮成本問題,可以選擇60 g·L-1或70 g·L-1,本研究選擇蔗糖濃度為70 g·L-1。
由圖4- a可見,試驗(yàn)所選用的3種氮源對(duì)CIs26發(fā)酵無明顯影響,其中以硫酸銨發(fā)酵效果最好,且價(jià)格最低,故選擇其作為CIs26發(fā)酵的氮源。由圖4- b可見,硫酸銨濃度對(duì)菌株發(fā)酵影響相對(duì)較小,添加量以3 g·L-1效果較佳。
圖3 碳源種類(a)和蔗糖濃度(b)對(duì)CIs26發(fā)酵的影響Fig.3 Effects of carbon sources (a) and sucrose concentrations (b) on fermentation of CIs26
圖4 氮源種類(a)及硫酸銨濃度(b)對(duì)CIs26發(fā)酵的影響Fig.4 Effects of nitrogen sources (a) and ammonium sulphate concentrations (b) on fermentation of CIs26
由圖5可見,酵母粉能夠有效提高CIs26的發(fā)酵效率,且隨著其添加濃度升高,發(fā)酵液的D450值呈上升趨勢(shì),BC產(chǎn)量也由4.31 g·L-1增加至6.57 g·L-1,與靜態(tài)培養(yǎng)時(shí)類似[21],當(dāng)酵母粉濃度增加至7 g·L-1時(shí)上升速度減緩,與9 g·L-1時(shí)效果接近。綜合考慮發(fā)酵效率與生產(chǎn)成本,選擇酵母粉濃度為7 g·L-1。
由圖6可見,醋酸、檸檬酸、乳酸對(duì)CIs26發(fā)酵均有促進(jìn)作用,與前期部分研究類似[22]。其原因可能是有機(jī)酸能夠參與菌體的物質(zhì)或能量代謝,刺激發(fā)酵早期的菌體繁殖,從而提高BC產(chǎn)量。乳酸的效果優(yōu)于其他2種,其適宜添加量為1 g·L-1,過高不利于BC積累。
圖5 酵母粉濃度對(duì)CIs26發(fā)酵的影響Fig.5 Effects of yeast extract concentrations on fermentation of CIs26
圖6 有機(jī)酸種類(a)及乳酸濃度(b)對(duì)CIs26發(fā)酵的影響Fig.6 Effects of organic acids (a) and lactic acid concentrations (b) on fermentation of CIs26
CIs26在發(fā)酵過程中產(chǎn)酸,積累到一定程度會(huì)對(duì)自身生長(zhǎng)、發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用。由圖7可見,添加磷酸氫二鈉能促進(jìn)CIs26的生長(zhǎng),增加發(fā)酵液渾濁度。添加2 g·L-1與3 g·L-1時(shí)D450值相差不大,故選擇磷酸氫二鈉添加量為2 g·L-1。
將活化好的CIs26菌株分別接種于HS培養(yǎng)基、橘渣水復(fù)配HS培養(yǎng)基、本研究?jī)?yōu)化培養(yǎng)基中放大培養(yǎng),30 ℃發(fā)酵5 d后,BC產(chǎn)量分別為4.51、6.75、10.26 g·L-1,優(yōu)化培養(yǎng)基條件下的BC產(chǎn)量是HS培養(yǎng)基上的2.27倍、橘渣水復(fù)配HS培養(yǎng)基上的1.52倍,可見橘渣對(duì)于菌株的BC生成具有促進(jìn)作用。
圖7 磷酸氫二鈉對(duì)對(duì)CIs26發(fā)酵的影響Fig.7 Effects of hydrogen phosphate on fermentation of CIs26
本論文以篩選自腐敗柑橘表面的中間葡糖酸醋桿菌CIs26為發(fā)酵菌株,研究間歇振蕩法生產(chǎn)BC的營(yíng)養(yǎng)條件,確定基于橘渣的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)復(fù)配方案如下:橘渣與水的混合比例為1∶6,太濃或者太稀皆不利于BC積累;橘渣與水混合均勻打漿制備橘渣漿,添加0.3 g·L-1的果膠酶、0.1 g·L-1的纖維素酶,于45 ℃酶解2 h,過濾所得濾液為培養(yǎng)基液;選擇蔗糖為碳源,濃度70 g·L-1,硫酸銨為氮源,濃度3 g·L-1,酵母粉為生長(zhǎng)因子,濃度為7 g·L-1,并添加1 g·L-1的乳酸與2 g·L-1磷酸氫二鈉。在優(yōu)化條件下,BC產(chǎn)量達(dá)10.26 g·L-1,是HS培養(yǎng)基上的2.27倍。
我國(guó)的BC發(fā)酵集中在海南,主要以當(dāng)?shù)氐囊铀疄榛|(zhì)進(jìn)行生產(chǎn),BC產(chǎn)量受產(chǎn)地與椰子產(chǎn)量的限制。我國(guó)柑橘產(chǎn)量大、產(chǎn)地廣,加工集中,橘渣易于收集,冷凍后不影響使用,能夠?qū)崿F(xiàn)周年供應(yīng),是工業(yè)化生產(chǎn)BC的良好基質(zhì)。本研究結(jié)果可為擴(kuò)大BC生產(chǎn)的原料來源、提高BC產(chǎn)量、改變生產(chǎn)工藝等提供新思路。此外,既有的BC培養(yǎng)方式以靜置與振蕩培養(yǎng)為主,間歇振蕩法生產(chǎn)所得BC凝膠有獨(dú)特的性能,但還未見相關(guān)報(bào)道,是一個(gè)值得關(guān)注的研究方向。同時(shí),應(yīng)加強(qiáng)間歇振蕩對(duì)BC性能影響的相關(guān)研究。
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