CN103930561A - 发酵的玉米谷蛋白的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备发酵的玉米谷蛋白的方法以改善植物蛋白来源的玉米谷蛋白的品质；涉及通过该方法制备的发酵的玉米谷蛋白；和涉及包含该发酵的玉米谷蛋白的饲料添加剂。本发明提供高品质发酵的玉米谷蛋白，通过将芽孢杆菌菌株接种于具有高蛋白含量但由于低消化性极少使用的玉米谷蛋白，并固体培养该芽孢杆菌菌株来改善其作为蛋白饲料的特性，且提供该高品质发酵的玉米谷蛋白的制备方法。

Description

发酵的玉米谷蛋白的制备方法
技术领域
本发明涉及发酵的玉米谷蛋白(corn gluten)的制备方法以改善植物蛋白来源的玉米谷蛋白的品质、涉及通过该方法制备的发酵的玉米谷蛋白以及包含该玉米谷蛋白的饲料添加剂。
背景技术
由于对人类致命的如牛绵状脑变(BSE)的疾病被证明是由添加到饲料的动物蛋白成分造成，因此存在使用植物蛋白替代添加到饲料的动物蛋白的快速趋势。
植物蛋白来源包括玉米谷蛋白，从玉米谷蛋白的总成分分析中测得其包含8％的水分、60.4％的粗蛋白、7.7％的粗纤维、2％的粗脂肪和6％的粗灰分。特别地，蛋白以至多65％的高含量存在，表明蛋白在用于饲料的植物来源中以最高含量存在。同时，在用于饲料的动物蛋白来源中，具有最高蛋白含量的鱼粉包含大约60％至65％的蛋白。
然而，植物蛋白经常表现出低于动物蛋白的可消化性，并且必需氨基酸组份贫乏，一些维生素、矿物质、未知的生长因子(UGFs)含量低。另外，由于玉米谷蛋白主要包括在制备过程中形成的改性的不溶蛋白，与其它植物蛋白如大豆粉相比玉米谷蛋白表现出较差的可消化性，从而限制了饲料的用量。
因此，为将玉米谷蛋白用作高品质高蛋白饲料，需要开发新的处理方法，低成本、高效率并且能够处理大量玉米谷蛋白，从而改善玉米谷蛋白的品质，即，蛋白部分的可消化性。
在玉米谷蛋白研究中，已经有很多研究使用酶或酸来处理玉米谷蛋白的方法来提高玉米谷蛋白的商业可用性，包括：制备玉米谷蛋白水解产物的方法和通过该方法制备的玉米谷蛋白水解产物(韩国未审查专利申请公开号：2009-0121253)；使用源自玉米和小麦的麸质制备肽的方法(韩国未审查专利申请公开号：1996-0022556)；和制备包含高浓度谷氨酸和各种氨基酸的天然调味品的方法(韩国未审查专利申请公开号：2009-0076428)。然而，此类研究中存在的问题是，因为采用主要包括如酸水解或酶促降解过程的方法制备调味品，由于高昂的生产成本它们仅能用于食品而不能用于饲料。因此，目前没有提高饲料中玉米谷蛋白商业可用性的研究。
发明内容
技术问题
本发明人尝试创立一种产品***，通过改善作为蛋白饲料的玉米谷蛋白来提升玉米谷蛋白的商业可用性，并发现制备高品质发酵的玉米谷蛋白是可行的，由于蛋白转化为低分子量分子，其作为饲料使用具有提升的消化速率和效率，而且由于使用芽孢杆菌(Bacillus sp.)菌株对玉米谷蛋白进行固体发酵使其具有增高的蛋白含量，由此完成本发明。
技术方案
本发明的目的是提供一种制备发酵的玉米谷蛋白的方法，包括(a)将芽孢杆菌菌株接种至含水的玉米谷蛋白；和(b)固体培养芽孢杆菌菌株和接种的玉米谷蛋白一起，从而获得发酵的玉米谷蛋白。
本发明的另一目的是提供一种通过上述方法制备的发酵的玉米谷蛋白，其包含低分子量的蛋白。
本发明的再一目的是提供一种包含所述发酵的玉米谷蛋白的饲料添加剂。
有益效果
(a)本发明通过将芽孢杆菌菌株接种至具有高蛋白含量但由于低可消化性极少使用的玉米谷蛋白以及固体培养芽孢杆菌菌株提供具有改进性能的高品质发酵的玉米谷蛋白作为蛋白饲料；以及提供其制备方法。
(b)特别地，由于与相关领域已知的相似类型的发酵大豆粉相比，发酵的玉米谷蛋白的蛋白含量高出了15％，本发明发酵的玉米谷蛋白具有优异的适用性和价值。因传统发酵大豆粉具有的蛋白含量约在50至55％，尽管它们具有高品质，但由于蛋白含量位于高蛋白含量(60％至65％)的鱼粉和低蛋白含量(45％)的大豆粉中间，传统发酵大豆粉没有表现出较好的商业可用性。然而，本发明的发酵的玉米谷蛋白显示出非常优异的商业可用性和价值，因为该发酵的玉米谷蛋白具有的蛋白含量与高蛋白含量(60％至65％)的鱼粉基本相似。
(c)由于工艺复杂和成本负担，通过传统的酸或酶处理制备的用于调味料(食品)的玉米谷蛋白不能用于饲料，但是本发明的发酵的玉米谷蛋白可用于提高玉米谷蛋白作为饲料玉米谷蛋白的商业可用性，因为能够以低生产成本生产发酵的玉米谷蛋白。
(d)此外，本发明制备的发酵的玉米谷蛋白可用于最大化基于饲料摄入的消化效果，因为有效作为益生素的芽孢杆菌菌株以孢子形式保留在最终产品中，由此导致增值。
(e)如上所述，因为低分子量蛋白等的存在，本发明发酵的玉米谷蛋白可以用于改善可消化性，并且由于该发酵的玉米谷蛋白具有的蛋白含量与高蛋白产品鱼粉的蛋白含量基本相似，发酵的玉米谷蛋白能够广泛用作高品质植物蛋白饲料。
附图说明
在以下详细的说明书中，参考附图，将更全面地描述本发明优选实施方式的这些和其它特征、方面和优势。在附图中：
图1是示出根据本发明实施方式制备发酵的玉米谷蛋白的方法的流程图；
图2显示玉米谷蛋白的SDS-PAGE结果；和
图3显示根据玉米谷蛋白发酵条件的蛋白降解性。
(1)玉米谷蛋白(对照)
(2)50％水分添加至玉米谷蛋白+乳杆菌(Lactobacillus plantarum)(在30℃下培养48小时)
(3)70％水分添加至玉米谷蛋白+枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)(在50℃下培养48小时)
(4)40％水分添加至玉米谷蛋白+枯草芽孢杆菌(B.subtilis)(在37℃下培养24小时)
(5)50％水分添加至玉米谷蛋白+枯草芽孢杆菌(在37℃下培养24小时)
(6)50％水分添加至玉米谷蛋白+枯草芽孢杆菌(在40℃下培养24小时)
最优模式
为了解决本领域的上述问题，本发明的一方面提供一种制备发酵的玉米谷蛋白的方法，该方法包括：
(a)将芽孢杆菌(Bacillus sp)菌株接种至含水的玉米谷蛋白；和
(b)固体培养接种至所述玉米谷蛋白的芽孢杆菌菌株，从而获得发酵的玉米谷蛋白。
以下将更详细描述本发明制备发酵的玉米谷蛋白的方法的各步骤。
(a)将芽孢杆菌菌株接种至含水的玉米谷蛋白
优选地，本发明中使用的玉米谷蛋白是产自相同地区的相同种类的玉米谷蛋白，以便发酵的玉米谷蛋白终产品能够保持相同的品质。然而，原材料如玉米谷蛋白的品质差异不影响发酵本身。玉米谷蛋白是通过分离和干燥存在于玉米中的蛋白获得的黄色粉末，已经作为饲料日益商品化。
本发明中可用的含水的玉米谷蛋白的类型无限制，只要其含有水分。例如，可以使用获得(或购买)提前预处理使其含有水分的玉米谷蛋白，或者本文可以采用通过加入水分到得到的玉米谷蛋白制备的含有水分的玉米谷蛋白。在这种情况下，为调节水分量，可以通过在玉米谷蛋白上直接喷洒预定量的水，或者混合预定量的水和玉米谷蛋白来添加水分。
优选地，含水的玉米谷蛋白的水分含量可以在30％至70％(v/w)范围内，并且更优选地，在40％至60％(v/w)范围内。当水分含量低于30％时，由于低的水分含量，芽孢杆菌菌株的发酵可能延长，低于20％的水分含量是非常不可取的，在这种情况下在最终发酵后芽孢杆菌菌株不能生长，因为发酵过程中水分蒸发。当水分含量高于70％时，干燥过程中需要高的成本，由于小的粒径，玉米谷蛋白可能会聚集，从而导致不均匀发酵。
优选地，添加至玉米谷蛋白的水的温度可以在室温至100℃的范围内，且更优选地在15℃至100℃范围内。
根据本发明的一个典型的实施方式，确定通过热处理的玉米谷蛋白的固体发酵效率。结果表明，不需要在玉米谷蛋白上进行初始汽蒸(热处理)处理，玉米谷蛋白能够充分发酵。然而，当为减少主要成本降低接种菌株的数量时，由于可以实施热处理至某一程度来降低各种细菌的污染，在本发明中也可以使用添加水分后热处理的玉米谷蛋白。
当使用热处理的玉米谷蛋白时，本文优选使用添加水分后在50至120℃下热处理5至30分钟的玉米谷蛋白。
根据本发明的方法，采用芽孢杆菌(Bacillus sp.)菌株接种至含水的玉米谷蛋白。
当用芽孢杆菌菌株接种至含水的玉米谷蛋白时，可以将在培养基中的该芽孢杆菌菌株直接接种，或者使用无菌水适当稀释后尽可能均匀地接种。
芽孢杆菌菌株的接种量可以在107至109cfu/g范围内。在这种情况下，优选地芽孢杆菌菌株的接种量可以在106至109cfu/g范围内，因为当热处理的玉米谷蛋白接种芽孢杆菌菌株时，热处理的玉米谷蛋白具有杀菌效果。当接种的芽孢杆菌菌株数量少时，由于长的发酵时间收率值低，并且培养基容易被各种杂菌污染。当芽孢杆菌菌株接种浓度高于109cfu/g时，由于生产接种用芽孢杆菌菌株需要复杂的条件和各种培养基组分，可推高生产成本，因而导致难以使用该菌制备饲料。
优选地，所述芽孢杆菌菌株可以是非致病(apathogenic)的芽孢杆菌菌株。更优选地，所述非致病的芽孢杆菌菌株可以是选自下组的芽孢杆菌菌株：枯草芽孢杆菌(B.subtilis)、地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)、东洋芽孢杆菌(B.toyoi)、凝结芽孢杆菌(B.coagulans)和聚酵素芽孢杆菌(B.polyfermenticus)。
(b)固体培养接种至玉米谷蛋白的芽孢杆菌菌株从而获得发酵的玉米谷蛋 白。
本发明特征之一是通过玉米谷蛋白固体培养芽孢杆菌菌株与玉米谷蛋白从而将玉米谷蛋白中的蛋白转化为低分子量分子增强消化。在现有技术中，由于玉米谷蛋白的低消化性，极少使用作为饲料来源的蛋白，而由于高生产成本，通过传统酸水解或酶降解的手段处理玉米谷蛋白的方法可以用来制备食品(调味品)，但是因此在用于制备饲料上存在问题。在此情况下，本发明提供制备玉米谷蛋白的方法，包括通过使用芽孢杆菌菌株进行固体发酵将蛋白转化为低分子量分子，极大拓宽了其作为蛋白广泛来源的玉米谷蛋白饲料的商业可用性。
本发明中，术语“固体培养(发酵)”是指使用从玉米中提取大部分淀粉和胚芽(gemmules)并分离玉米麸后残留的玉米谷蛋白培养微生物。
优选地，所述固体培养可以在30℃至45℃的温度下、更优选地在35℃至40℃、最优选地在37℃进行。
可以使用用于制备典型的豆酱和发酵的大豆粉的发酵设备进行发酵，或者可以使用滚筒式(drum-type)发酵机进行发酵，但本发明不限于此。例如，当玉米谷蛋白具有高含水量时，可以通过使用液体培养箱等的方法进行发酵。
(c)干燥和研磨所述发酵的玉米谷蛋白
优选地，本发明的方法可以进一步包括：(c)在步骤(b)之后，干燥和研磨所述发酵的玉米谷蛋白。当使用恒温恒湿器(thermohygrostat)或发酵器进行所述固体发酵时，发酵后残留的水分以20％至50％(v/v)非常高的含量存在。因此，需要降低水含量的最终步骤。
可以使用相关领域已知的各种方法进行干燥和研磨。例如，当在极高温度下进行干燥时，终产品中的蛋白可能进一步变形(deformed)，从而对消化效果产生负面影响。优选地，在研磨方法中可以使用锤式粉碎机。
图1示出本发明的一典型实施方式用于制备发酵的玉米谷蛋白的方法的流程图。
根据另一方面，本发明提供发酵的玉米谷蛋白，包括本发明制备方法制备的低分子量蛋白。
关于发酵的玉米谷蛋白，为清楚，省略玉米谷蛋白与制备发酵的玉米谷蛋白的方法中相同内容的描述。
在本发明中，术语“低分子量蛋白”是指分子量低于玉米谷蛋白的蛋白质，其中所述玉米谷蛋白未使用蛋白水解酶通过固体发酵分解包括在玉米谷蛋白内的玉米蛋白玉米谷蛋白(即，玉米蛋白(zein protein))进行发酵。本发明的发酵的玉米谷蛋白特征在于它包含上述低分子量蛋白。
优选地，发酵的玉米谷蛋白的蛋白含量可以为62％至65％(w/w)。该蛋白含量相当于高品质动物蛋白供给来源的鱼粉的含量，并且高于或等于植物蛋白供给来源的发酵大豆粉的蛋白含量(48％至55％(w/w))。
根据本发明的一个典型的实施方式，含水的玉米谷蛋白与枯草芽孢杆菌(B.subtilis)一起固体培养。结果表明，玉米谷蛋白中的蛋白被降解为低分子量分子，不同于使用乳酸菌(Lactobacillus sp.)菌株进行的固体培养(图3)。此外结果证实，通过本发明方法制备的发酵的玉米谷蛋白的蛋白含量与发酵前相比有所提高(表3)。如上所述，本发明通过固体发酵玉米谷蛋白和芽孢杆菌菌株提供包含低分子量蛋白且具有提高的蛋白含量的发酵的玉米谷蛋白，玉米谷蛋白从而显著提高玉米谷蛋白作为能够替换动物蛋白的高品质植物蛋白来源的商业可用性。
根据还有的另一方面，本发明提供包含本发明的发酵的玉米谷蛋白的饲料添加剂。
在本发明中，术语“饲料添加剂”是指添加到饲料的物质以便改善目标生物的生产力并促进健康。
所述饲料添加剂可以制备成相关领域已知的各种不同的形式，并且可以单独使用或与相关领域已知的常用饲料添加剂联合使用。
可以在饲料中添加适当组分比例的饲料添加剂，作为能够替换动物蛋白的高含量植物蛋白供给来源。在这种情况下，本领域技术人员可以容易确定饲料添加剂的组分比例。
本发明的饲料添加剂可以添加至用于动物如鸡、猪、猴、狗、猫、兔、鼠、牛、绵羊和山羊的饲料中，但本发明不限于此。特别地，本发明的饲料添加剂可以具有提供大量植物蛋白和改善消化的效果，因为该饲料添加剂中含有发酵的玉米谷蛋白。
发明方式
在下文中，参照附图详细描述本发明优选的实施方式。因此，应理解仅为说明此处的描述只是优选的实施例，而不用于限制本发明的范围，因此应理解在不脱离本发明范围可以作出其它等同替换和改变。
实施例1热处理对固体发酵玉米谷蛋白的影响
在玉米谷蛋白中添加等量的水分，然后将玉米谷蛋白在60℃至120℃下加热，并冷却至最优的发酵温度37℃。之后，各实验组中以相同的菌株接种密度将枯草芽孢杆菌(B.subtilis)接种于玉米谷蛋白中。
表1热处理的玉米谷蛋白的固体发酵
如表1所示，可以看出接种菌株生长与热处理无关。从上述结果中，可以确认不进行初始汽蒸(热处理)处理，玉米谷蛋白能够充分发酵。
实施例2基于添加水分的初始含量的玉米谷蛋白的发酵水平的确认
为了测定基于水分初始含量的玉米谷蛋白的发酵水平，将添加水分后含水量调节至30％、40％、50％、60％、70％和80％的玉米谷蛋白，分别接种芽孢杆菌(Bacillus sp.)和乳酸菌(Lactobacillus sp.)菌株，发酵24小时，并计数。结果示于下表2中。
表2基于添加水分的初始含量的玉米谷蛋白的发酵水平
结果显示，当玉米谷蛋白的水分含量为30％时，与接种菌株的初始数量(1.0×107cfu/g)相比，芽孢杆菌菌株(1.2×107cfu/g)轻微生长，乳酸菌菌株(8.2×106cfu/g)未生长。此外可以看出在水分含量为40％或更多时芽孢杆菌菌株快速生长，表明当芽孢杆菌菌株和玉米谷蛋白一起培养时，最低水分含量大于或等于30％。乳酸菌菌株比芽孢杆菌培养更慢，并且很难生长，尤其在水分含量为40％或更低时。从这些结果可以看出，在玉米谷蛋白中生长快速的芽孢杆菌菌株玉米谷蛋白同乳酸菌菌株相比更适于制备最终产品。
实施例3基于玉米谷蛋白的发酵条件的蛋白降解性的确定
通过SDS-PAGE确定玉米谷蛋白中的蛋白种类。结果示于图2。结果表明，玉米谷蛋白简单降解为两种蛋白，如图2中所示。
当图2中显示的玉米谷蛋白的主要蛋白通过发酵转化为低分子量分子时，最终产品的消化效率提高，表明在真实发酵条件下玉米谷蛋白中蛋白降解。图3示出添加水分后具有50％水分含量的玉米谷蛋白接种植物乳杆菌并在30℃下培养48h后，玉米谷蛋白的组成蛋白的降解结果(泳道2)；添加水分后具有70％水分含量的玉米谷蛋白接种枯草芽孢杆菌并在50℃下培养48h后，玉米谷蛋白的组成蛋白的降解结果(泳道3)；添加水分后具有40％水份含量的玉米谷蛋白接种枯草芽孢杆菌并在37℃下培养24h后，玉米谷蛋白的组成蛋白的降解结果(泳道4)；以及添加水分后具有50％水分含量的玉米谷蛋白接种枯草芽孢杆菌并在37℃和40℃下培养24h后，玉米谷蛋白的组成蛋白的降解结果(泳道5和6)。
结果显示，当玉米谷蛋白接种植物乳杆菌(即乳酸菌菌株)时，玉米谷蛋白的两种主要蛋白，玉米蛋白(zein protein)不容易降解(泳道2)，但是在接种枯草芽孢杆菌的情况下，蛋白的降解速率高(泳道4至6)，如图3所示。同时，在第三芽孢杆菌(Bacillus)实验组中，发酵水平低，表明玉米谷蛋白和芽孢杆菌菌株在50℃培养，高于芽孢杆菌菌株能够生长的最适温度。从这些结果可以看出在为终产品生产条件下以至多45℃进行发酵，获得了最优结果。
实施例4测定玉米谷蛋白发酵后的蛋白含量
以实施例3相同的方法发酵玉米谷蛋白，检测发酵的玉米谷蛋白的蛋白含量。以实施例3相同的方法进行实验，使用凯氏定氮(Kjeldahl)法实施测量蛋白含量的实验，FOSS Kjeltec8400用作检测仪器。就此而言，实验结果列于表3中。
表3
结果显示，发酵后玉米谷蛋白的蛋白含量在62％至65％范围内，略高于发酵前玉米谷蛋白的蛋白含量(约62％)。发酵的玉米谷蛋白的蛋白含量大体上与高品质动物蛋白产品鱼粉的蛋白含量相似。这些结果表明本发明方法制备的发酵的玉米谷蛋白能够替代动物蛋白来源有效用作高质量植物蛋白来源。

Claims (8)

1.一种制备发酵的玉米谷蛋白的方法，其特征在于，包括：
(a)将芽孢杆菌菌株接种至含水的玉米谷蛋白；和
(b)固体培养接种至所述玉米谷蛋白的所述芽孢杆菌菌株，从而获得发酵的玉米谷蛋白。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，添加水分的所述玉米谷蛋白水分含量为30％至70％(v/w)。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，添加水分后，在50℃至120℃下热处理添加水分的所述玉米谷蛋白5至30分钟。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述芽孢杆菌菌株是非致病的芽孢杆菌菌株。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述非致病的芽孢杆菌菌株选自下组：枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)、东洋芽孢杆菌(B.toyoi)、凝结芽孢杆菌(B.coagulans)和聚酵素芽孢杆菌(B.polyfermenticus)。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固体培养在30℃至45℃下进行。
7.一种如权利要求1至6任一项限定的方法制备的发酵的玉米谷蛋白，其特征在于，包含低分子量蛋白。
8.一种饲料添加剂，其特征在于，包含权利要求7中限定的发酵的玉米谷蛋白。
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