CN112931687A - 一种Fenton反应预处理与桦褐孔菌固体发酵协同转化麦秆饲料化的方法 - Google Patents

一种Fenton反应预处理与桦褐孔菌固体发酵协同转化麦秆饲料化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Fenton反应预处理与桦褐孔菌固体发酵协同转化麦秆饲料化的方法，以农业资源废弃物麦秆为原料，采用Fenton反应预处理与桦褐孔菌固体发酵的方法制备饲料蛋白，提供了一种安全、低成本、环境友好的预处理方法，不仅可以变废为宝，而且提供了一种新的安全、高营养价值的优质饲料蛋白。本发明制备的麦秆饲料蛋白能有效提高反刍动物的生产性能和饲料转化率，具有很好的市场前景。

Description

一种Fenton反应预处理与桦褐孔菌固体发酵协同转化麦秆饲 料化的方法
技术领域
本发明发酵工程技术领域，特别涉及一种Fenton反应预处理与桦褐孔菌固体发酵协同转化麦秆饲料化的方法。
背景技术
近年来，国内外一直在寻找生物手段处理农作物秸秆的最佳途径，该问题的最大难点在于秸秆中的非水溶性木质纤维素很难被酸，碱和酶降解，主要是纤维素的结晶度、聚合度以及包裹着纤维素与半纤维素的木质素所致。木质素与半纤维素以共价键形式结合，将纤维素分子包埋在其中，形成一种天然屏障，使酶不易与纤维素分子接触，而木质素的水不溶性、化学结构的复杂性，导致了秸秆的难降解性。因此要彻底降解纤维素，必须先解决木质素的降解问题。
农作物秸秆的一些常见的预处理方法有物理处理，化学处理等。物理处理法有研磨、浸泡、制粒等，这些方法均能降低纤维素的结晶度，最终导致纤维素能够被水解酶更好的降解。但是物理处理的方法需要机器和加工过程，导致应用于农业有一定的限制，虽然减小颗粒大小确实有利于后续酶处理的过程，但是粉碎态的农作物秸秆不利于后期饲料化操作。酸碱处理的方法虽然能能降低纤维素的结晶度，增加糖类的产量，但是硫酸和氢氧化钠的应用，不仅成本昂贵，还造成了严重的环境污染问题。同时，目前以上方法未见有能增加蛋白质含量的作用，单一的微生物固体发酵方法也未能显著提高蛋白质含量。
Fenton反应的实质是二价铁离子(Fe2+)、和双氧水之间的链反应催化生成羟基自由基，具有较强的氧化能力，其氧化电位仅次于氟，另外，羟基自由基具有很高的电负性或亲电性，其电子亲和能高达569.3kJ具有很强的加成反应特性，因而Fenton试剂可无选择氧化水中的大多数有机物，特别适用于生物难降解或一般化学氧化难以奏效的有机废水的氧化处理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Fenton反应预处理与桦褐孔菌固体发酵协同转化麦秆饲料化的方法，解决了麦秆作为饲料使用过程中存在的粗蛋白含量过低和木质素含量高的问题，提高了麦秆作为饲料的营养价值。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种Fenton反应预处理与桦褐孔菌固体发酵协同转化麦秆饲料化的方法，包括以下步骤：
(1)种子液的制备：将桦褐孔菌的菌种先在麦芽蛋白胨琼脂培养基中活化，再转移至液体种子培养基培养，得到种子液；
(2)麦秆Fenton预处理：将麦秆剪切至1.0-1.5cm长度的麦秆段，进行Fenton预处理，处理完成后冲洗干净，晾干；
(3)固体发酵：将步骤(2)处理后的麦秆与营养液混匀，灭菌后，接种种子液，在湿度75±3％、温度26-28℃下发酵25-30天，发酵结束后取出发酵产物，烘干，获得产品。
步骤(2)将麦秆剪切至1.0-1.5cm长度是便于降解，如果磨成粉状，后续加入液体混合后不利于菌种培养；同时水的浸泡让水分充分渗透基质，也是有利于菌种降解麦秆内部；麦秆晾干是由于桦褐孔菌不能在含水量太大的基质上培养，所以晾干至无水明显流出。
Fenton预处理，反应条件温和、成本低、对环境友好，可以降低木质素的分子量，促进木质纤维素生物质的酶糖化，同时处理后的麦秆无试剂残留，利于后期桦褐孔菌固体发酵，从而提高蛋白质含量。
Fenton反应本身不能改变或者提高作物秸秆的营养价值，但是可以破坏木质素结构，促进桦褐孔菌对木质纤维素的降解能力，可进而提高白腐真菌产蛋白质能力。本发明将Fenton反应预处理与桦褐孔菌固体发酵协同处理，可以显著增加发酵产物的蛋白含量，同时降低木质素含量，提高了麦秆作为饲料的营养价值。
本发明采用的Fenton试剂，一方面因其产生的高活性羟基自由基(·OH)能随机攻击细胞壁，导致木质纤维素结构破坏，处理后的麦秆不仅利于桦褐孔菌的生长与降解，从而提高麦秆中的蛋白质含量，同时处理后的麦秆质地更加酥脆易碎，提高了秸秆饲料的适口性；另一方面，因Fenton反应成本低，消耗量少，反应温和，对环境友好，节省了大量资源。基于这两方面考虑，将经Fenton预处理与桦褐孔菌固体发酵后的麦秆麦秆用作反刍动物饲料，为麦秆资源的深度利用，提供了新的途径。
本发明中的Fenton预处理后的麦秆质地脆而易碎，同时经桦褐孔菌固体发酵时可分解利用木质素、纤维素和半纤维素，并产生大量的菌体蛋白，从而大大提高麦秆转化饲料的蛋白质含量和营养品质。经检测，蛋白质含量从6.45％增加至20.59％，因此适合饲喂反刍动物。本发明发酵工艺简单，成本低，发酵产品风味良好，粗蛋白含量有不同程度提高，达到生产优质发酵饲料效果。
作为优选，步骤(2)中，Fenton预处理的Fenton试剂由FeSO4溶液和H2O2组成，其中FeSO4终浓度为0.015-0.025mol/L，H2O2终浓度为1.5-2.5mol/L。
作为优选，步骤(2)中，Fenton预处理反应参数为：麦秆段和Fenton试剂的固液比为1g:15-18mL，温度50±2℃，摇床转速200±10r/min，时间2.5-3.5h。
作为优选，步骤(3)中，营养液配方为：玉米粉200g/L，(NH4)2SO4 10g/L，MgSO4·7H2O 0.3g/L，KH2PO4 0.11g/L，Tween-80 4g/L，pH 5.0。
作为优选，步骤(3)中，麦秆与营养液的固液比为1g:2-3mL，种子液用量为每1g麦秆加0.5-1.0mL。
作为优选，步骤(1)中，液体种子培养基配方为：葡萄糖20g/L，蛋白胨3g/L，酵母浸膏2g/L，KH2PO4 1g/L，MgSO4 1.5g/L，CaCl2 0.1g/L，pH自然。
作为优选，步骤(1)中，液体种子培养基培养的参数为：温度28±1℃，转速150±10r/min，培养时间48±1h。
作为优选，步骤(1)中，麦芽蛋白胨琼脂培养基配方为：麦芽浸粉30g/L，蛋白胨3g/L，琼脂15g/L，pH 5.4-5.8。
作为优选，步骤(1)中，麦芽蛋白胨琼脂培养基中活化的参数为：温度28±1℃，时间72±1h。
本发明的有益效果是：本发明以农业资源废弃物麦秆为原料，采用Fenton反应预处理与桦褐孔菌固体发酵的方法制备饲料蛋白，提供了一种安全、低成本、环境友好的预处理方法，不仅可以变废为宝，而且提供了一种新的安全、高营养价值的优质饲料蛋白。
本发明制备的麦秆饲料蛋白能有效提高反刍动物的生产性能和饲料转化率，具有很好的市场前景。
附图说明
图1是发酵过程中纤维素含量的变化。
图2是发酵过程中半纤维素含量的变化。
图3是发酵过程中木质素含量的变化。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
实施例1：
一种Fenton反应预处理与桦褐孔菌固体发酵协同转化麦秆饲料化的方法，包括以下步骤：
(1)种子液的制备：将桦褐孔菌的菌种(市售)先在麦芽蛋白胨琼脂培养基中活化，活化的参数为：温度27℃，时间73h；再转移至液体种子培养基培养，培养的参数为：温度27℃，转速160r/min，培养时间49h，得到种子液。
麦芽蛋白胨琼脂培养基配方为：麦芽浸粉30g/L，蛋白胨3g/L，琼脂15g/L，pH 5.4-5.8。
液体种子培养基配方为：葡萄糖20g/L，蛋白胨3g/L，酵母浸膏2g/L，KH2PO4 1g/L，MgSO4 1.5g/L，CaCl2 0.1g/L，pH自然。
(2)麦秆预处理：将麦秆剪切至1cm长度，按照固液比1:16先后加入等体积的0.015mol/L FeSO4溶液与1.5mol/L的H2O2，温度52℃，转速210r/min，2.5h后取出洗净晾干；(3)固体发酵：将步骤(2)处理后的麦秆3g与9mL营养液混匀，121℃灭菌30min，接种1.5mL种子液，在湿度72％、温度27℃下发酵30天，发酵结束后取出发酵产物，然后在55℃的烘箱中烘1天，获得产品。
营养液配方为：玉米粉200g/L，(NH4)2SO4 10g/L，MgSO4·7H2O 0.3g/L，KH2PO40.11g/L，Tween-80 4g/L，pH 5.0。
实施例2：
一种Fenton反应预处理与桦褐孔菌固体发酵协同转化麦秆饲料化的方法，包括以下步骤：
(1)种子液的制备：将桦褐孔菌的菌种(市售)先在麦芽蛋白胨琼脂培养基中活化，活化的参数为：温度29℃，时间71h；再转移至液体种子培养基培养，培养的参数为：温度29℃，转速140r/min，培养时间47h，得到种子液。
麦芽蛋白胨琼脂培养基配方为：麦芽浸粉30g/L，蛋白胨3g/L，琼脂15g/L，pH 5.4-5.8。
液体种子培养基配方为：葡萄糖20g/L，蛋白胨3g/L，酵母浸膏2g/L，KH2PO4 1g/L，MgSO4 1.5g/L，CaCl2 0.1g/L，pH自然。
(2)麦秆预处理：将麦秆剪切至1.2cm长度，按照固液比1:18先后加入等体积的0.025mol/L FeSO4溶液与2.5mol/L H2O2，温度48℃，转速190r/min，3.5h后取出洗净晾干；(3)固体发酵：将步骤(2)处理后的麦秆3g与7mL营养液混匀，121℃灭菌30min，接种3mL种子液，在湿度78％、温度28℃下发酵25天，发酵结束后取出发酵产物，然后在55℃的烘箱中烘1天，获得产品。
营养液配方为：玉米粉200g/L，(NH4)2SO4 10g/L，MgSO4·7H2O 0.3g/L，KH2PO40.11g/L，Tween-80 4g/L，pH 5.0。
实施例3：
一种Fenton反应预处理与桦褐孔菌固体发酵协同转化麦秆饲料化的方法，包括以下步骤：
(1)种子液的制备：将桦褐孔菌的菌种(市售)先在麦芽蛋白胨琼脂培养基中活化，活化的参数为：温度28℃，时间72h；再转移至液体种子培养基培养，培养的参数为：温度28℃，转速150r/min，培养时间48h，得到种子液。
麦芽蛋白胨琼脂培养基配方为：麦芽浸粉30g/L，蛋白胨3g/L，琼脂15g/L，pH 5.4-5.8。
液体种子培养基配方为：葡萄糖20g/L，蛋白胨3g/L，酵母浸膏2g/L，KH2PO4 1g/L，MgSO4 1.5g/L，CaCl2 0.1g/L，pH自然。
(2)麦秆预处理：将麦秆剪切至1.5cm长度，按照固液比1:15先后加入等体积的0.02mol/L FeSO4溶液与2.0mol/L H2O2，温度50℃，转速200r/min，3h后取出洗净晾干；(3)固体发酵：将步骤(2)处理后的麦秆3g与6mL营养液混匀，121℃灭菌30min，接种2mL种子液，在湿度75％、温度26℃下发酵30天，发酵结束后取出发酵产物，然后在55℃的烘箱中烘1天，获得产品。
营养液配方为：玉米粉200g/L，(NH4)2SO4 10g/L，MgSO4·7H2O 0.3g/L，KH2PO40.11g/L，Tween-80 4g/L，pH 5.0。
实施例3的产品经检测，菌丝体量149.91g/kg(表1)，粗蛋白含量20.6％，增加量为221.9％(表2)，纤维素含量39.9％(图1)，半纤维素含量15.4％(图2)，木质素含量18.3％(图3)，。未经本发明方法处理的麦秆产菌丝体量为139.3g/kg(表1)，粗蛋白含量6.7％，增加量为4.7％(表2)，纤维素含量33.79％(图1)，半纤维素含量23.16％(图2)，木质素含量22.23％(图3)。虽然经Fenton预处理后的麦秆蛋白质含量(4.5％)(表2)出现有所降低的现象，但是对后续的桦褐孔菌的固体发酵产生了显著的正影响。
表1发酵过程中菌丝体量的变化(g菌丝体/kg麦秆)
时间(天) 未Fenton预处理 Fenton处理
5 54.45 57.98
10 68.6 82.73
15 82.73 111.02
20 96.87 128.69
20 125.16 139.3
30 139.3 149.91
表2发酵过程中蛋白质含量的变化
Figure BDA0002984591370000051
Figure BDA0002984591370000061
由此可见，Fenton预处理后的麦秆进行固体发酵，不仅能在最大程度的保存纤维素含量的情况下降解木质素，而且能显著增加麦秆粗蛋白含量，是一种较为优良的预处理方法。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (9)

1.一种Fenton反应预处理与桦褐孔菌固体发酵协同转化麦秆饲料化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)种子液的制备：将桦褐孔菌的菌种先在麦芽蛋白胨琼脂培养基中活化，再转移至液体种子培养基培养，得到种子液；
(2)麦秆Fenton预处理：将麦秆剪切至1.0-1.5cm长度的麦秆段，进行Fenton预处理，处理完成后冲洗干净，晾干；
(3)固体发酵：将步骤(2)处理后的麦秆与营养液混匀，灭菌后，接种种子液，在湿度75±3％、温度26-28℃下发酵25-30天，发酵结束后取出发酵产物，烘干，获得产品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，Fenton预处理的Fenton试剂由FeSO4溶液和H2O2组成，其中FeSO4终浓度为0.015-0.025mol/L，H2O2终浓度为1.5-2.5mol/L。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，Fenton预处理反应参数为：麦秆段和Fenton试剂的固液比为1g:15-18mL，温度50±2℃，摇床转速200±10r/min，时间2.5-3.5h。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，营养液配方为：玉米粉200g/L，(NH4)2SO4 10g/L，MgSO4·7H2O 0.3g/L，KH2PO4 0.11g/L，Tween-80 4g/L，pH 5.0。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，麦秆与营养液的固液比为1g:2-3mL，种子液用量为每1g麦秆加0.5-1.0mL。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，液体种子培养基配方为：葡萄糖20g/L，蛋白胨3g/L，酵母浸膏2g/L，KH2PO4 1g/L，MgSO4 1.5g/L，CaCl2 0.1g/L，pH自然。
7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，液体种子培养基培养的参数为：温度28±1℃，转速150±10r/min，培养时间48±1h。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，麦芽蛋白胨琼脂培养基配方为：麦芽浸粉30g/L，蛋白胨3g/L，琼脂15g/L，pH 5.4-5.8。
9.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，麦芽蛋白胨琼脂培养基中活化的参数为：温度28±1℃，时间72±1h。
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