1 多肽飼料的概述
1.1 多肽飼料
我國蛋白質(zhì)資源不足,每年都要大量進(jìn)口植物蛋白類如大豆及其粕類和動物蛋白如魚粉等[1].據(jù)預(yù)計,在2010年、2020年、2030年我國將用于生產(chǎn)飼料的糧食約占總量的38%、43%、50%,蛋白飼料缺口仍然將有3000萬噸以上[2].因而極需開發(fā)新的蛋白質(zhì)源,生產(chǎn)出更多的蛋白飼料。
蛋白質(zhì)被動物攝取后,經(jīng)腸道多種蛋白水解酶的作用,不是僅以氨基酸的形式吸收的,更多的是以小肽的形式被直接吸收。而且,二肽和三肽的吸收速度比同組成的氨基酸要快。其中,某些小肽不僅具有營養(yǎng)功能,而且具有多種生理功能,這是肽理論研究和實踐應(yīng)用中的重大突破[3].此研制的發(fā)酵法生產(chǎn)棕櫚仁粕多肽飼料將是新一代蛋白飼料,其蛋白質(zhì)經(jīng)過水解后是以具有生理功能的、超吸收的多肽形式存在。
1.2 利用生物技術(shù)增加蛋白質(zhì)和多肽的新資源
為了將大量的棕櫚仁粕(palm kernel cake,簡稱PKC,下同)利用成為可廣泛應(yīng)用的多肽飼料,是將其粗大纖維變成動物可食用的纖維,增加其適口性。其次,通過發(fā)酵增加產(chǎn)品中單細(xì)胞蛋白質(zhì),開辟了蛋白質(zhì)來源新途徑,不與人類爭資源。第三,利用微生物發(fā)酵生長中產(chǎn)生的蛋白質(zhì)水解酶將蛋白質(zhì)水解為多肽,最終研制出具有生物活性的多肽飼料產(chǎn)品。利用組合發(fā)酵棕櫚仁粕后干料的蛋白質(zhì)含量為35%~40%.多肽分子量為1000~2000道爾頓的組分。也可以利用植物的根、莖、葉等纖維基質(zhì)和使用受限制的植物粕經(jīng)組合菌發(fā)酵生產(chǎn)出高含量蛋白質(zhì)和多肽的飼料。因而,生物技術(shù)在生產(chǎn)高蛋白質(zhì)飼料中將大有可為,越來越顯示它的強(qiáng)大生命力。
2 棕櫚仁粕多肽飼料
2.1 科學(xué)利用棕櫚仁粕,走綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)模式
棕櫚仁粕中含有粗蛋白15%~20%,蛋氨酸0.312%、賴氨酸0.528%、蘇氨酸0.526%、色氨酸0.12%、精氨酸2.064%、組氨酸0.264%、胱氨酸0.228%、纈氨酸0.84%、苯丙氨酸0.624%;粗脂肪11.13%、粗纖維18.90%、水分9.80%、粗灰分4.68%、鈣0.15%、磷0.41%、總能17.15MJ/kg、無氮浸出物64.8%等一般動物生長所必須的所有營養(yǎng)物質(zhì)。但棕櫚仁粕只以少量飼喂反芻動物,且適口性差。通過微生物發(fā)酵的方法首先降低其粗纖維含量增加適口性;其次將其蛋白含量提高到30%以上;第三,將植物蛋白轉(zhuǎn)化為菌體蛋白,改善其氨基酸組成,更加符合動物蛋白質(zhì)生理模式,從而增加蛋白質(zhì)的消化吸收和利用率,有利于動物的生長需要。
隨著全球棕櫚油產(chǎn)能的增大,其副產(chǎn)物棕櫚仁粕的產(chǎn)量不斷的增加,馬來西亞2006年的棕櫚仁粕產(chǎn)量就已達(dá)220萬噸,其周邊國家如印尼、泰國等近幾年大力擴(kuò)大油棕櫚種植面積,棕櫚仁粕產(chǎn)量幾乎與馬來西亞相當(dāng)[4].長期以來,如何科學(xué)有效處理棕櫚仁粕一直困擾著棕櫚油生產(chǎn)國和企業(yè),如今,棕櫚仁粕的產(chǎn)量達(dá)到歷史最高水平,更加劇了棕櫚仁粕對生態(tài)環(huán)境的污染。《發(fā)酵法生產(chǎn)棕櫚仁粕多肽飼料的研制》項目就致力于棕櫚仁粕的綜合利用,為棕櫚仁粕尋找到了一條有效的、綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的利用途徑。既能減輕或消除由現(xiàn)有處理棕櫚仁粕方法所造成的環(huán)境污染,又能帶來巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益。
2.2 產(chǎn)品特色
發(fā)酵法生產(chǎn)棕櫚粕多肽飼料是以預(yù)處理后的PKC為唯一碳源,通過高產(chǎn)纖維素酶的絲狀真菌、蛋白質(zhì)含量為50%以上的釀酒酵母[5]和高產(chǎn)蛋白酶的枯草芽孢桿菌的組合發(fā)酵,使產(chǎn)品中的粗纖維含量降低、纖維長度變短、蛋白質(zhì)含量增加,不但增加了營養(yǎng),而且提高適口性。尤其是產(chǎn)品中的蛋白質(zhì)由發(fā)酵中的微生物產(chǎn)生的蛋白酶水解為有活性的多肽。眾所周知,活性多肽是一類易被動物機(jī)體吸收和發(fā)揮功能的物質(zhì),因而是一種高定位的全發(fā)酵的多肽飼料。
《發(fā)酵法生產(chǎn)棕櫚仁粕多肽飼料的研制》項目是一項填補(bǔ)世界棕櫚仁粕利用技術(shù)的空白,具有自主知識產(chǎn)權(quán)和重大的創(chuàng)新性;以價格低廉的PKC為原料,經(jīng)過微生物發(fā)酵轉(zhuǎn)變成高附加值、高營養(yǎng)的多肽飼料,成本低、回報高、適用廣、具有廣闊的市場前景。特別是蛋白質(zhì)被水解成活性多肽后,動物極易吸收、生物利用率高、生物效價高,具有調(diào)節(jié)免疫、防病抗病等作用。
2.3 產(chǎn)品研制
2.3.1 高產(chǎn)纖維素酶菌株的分離、篩選
2.3.1.1 分離
從國內(nèi)外采集的土樣、腐爛的樹枝葉、堆積的棕櫚仁粕等70個樣品中,經(jīng)過5種不同的培養(yǎng)基分離及鑒別染色處理,獲得142株絲狀真菌。
2.3.1.2 初篩
經(jīng)CMC-Na-剛果紅法、PKC-剛果紅法和濾紙條利用法從142株菌種選出19株有效菌,菌株編號為:3-CMC-②、213-B、623-2、911、1011-1、1042-2、1633、2111、2122-2、2221-P、2616、4341、4632、6612、6922、7022、13001和13005.再經(jīng)過不同配比的培養(yǎng)基篩選出產(chǎn)纖維素酶活性較高的213-B、623-2、912-2、1042-2、1633、2221-P、6612、6922和13005共9株菌進(jìn)入下一輪篩選。
2.3.1.3復(fù)篩 將9株菌經(jīng)以PKC為原料的液體搖瓶培養(yǎng),檢測其CMC酶活和FPA酶活,從中選出1042-2、2221-P和13005三株高產(chǎn)纖維素酶菌株。其酶活結(jié)果如表1.
表1 1042-2、2221-P和13005液體產(chǎn)酶試驗結(jié)果
菌 株 濾紙酶活 CMC酶活
(μg/ml.min-1) (μg/ml.min-1)
1042-2 140.3 2660.0
2221-P 58.7 1747.0
13005 57.7 1063.3
2.3.2 高產(chǎn)纖維素酶菌株的生物學(xué)特性
形態(tài)學(xué)特征:①13005為我公司所保藏的里氏木霉,菌絲白色、匍匐生長;產(chǎn)綠色孢子,隨著培養(yǎng)時間的延長,孢子顏色由淺綠色變?yōu)槟G色。②10042-2菌絲白色,氣生菌絲直立生長、菌絲短而細(xì);孢子較小,呈棕色,易脫落。③2221-P菌絲白色,氣生菌絲直立生長、菌絲短而粗;孢子較大,呈黑色,易脫落。
2.3.3 固態(tài)發(fā)酵
2.3.3.1淺盤式發(fā)酵試驗 以預(yù)處理后的PKC作為主要基料,并添加部分營養(yǎng)成分配制成固體培養(yǎng)基,滅菌后,在無菌環(huán)境中按10%的接種量接入1042-2、2221-P和13005于28℃下培養(yǎng)5~9d.測定其纖維素酶活、還原糖含量、氨基氮含量、粗蛋白含量等。其間1042-2在培養(yǎng)8d時其CMC酶活高達(dá)24892U,濾紙酶活高達(dá)1302U,粗蛋白含量達(dá)39.8% .2221-P在培養(yǎng)8d時,其CMC酶活高達(dá)23410U,濾紙酶活達(dá)1286U,粗蛋白含量高達(dá)40.09% .這組數(shù)據(jù)說明在利用PKC作為培養(yǎng)基發(fā)酵,其纖維素酶酶活和粗蛋白含量都達(dá)目前的最高水平。
2.3.3.2 組合菌種發(fā)酵試驗 為了達(dá)到降低木質(zhì)纖維含量,提高蛋白質(zhì)含量,并將蛋白質(zhì)降解為多肽,采用組合菌種發(fā)酵工藝。接入霉菌目的在于降解PKC中的木質(zhì)纖維含量;接入酵母目的是讓其將培養(yǎng)基中的氮源的轉(zhuǎn)化為自身的菌體蛋白,從而增加物料的蛋白質(zhì)含量。接入芽孢桿菌目的是產(chǎn)生大量的蛋白質(zhì)水解酶,將基料中的蛋白質(zhì)盡量的分解為小分子多肽,增加產(chǎn)品的營養(yǎng)性、功能性和適口性。目前研究表明,PKC物料的木質(zhì)纖維含量降低30%以上,粗蛋白含量平均能達(dá)到35%以上,其中多肽含量已經(jīng)超過80%,目前正在進(jìn)一步優(yōu)化培養(yǎng)條件,以便得到各項指標(biāo)更優(yōu)的產(chǎn)品。
2.3.4 制劑安全性試驗 為了確保發(fā)酵制劑的安全性進(jìn)行了小鼠急性毒理試驗。
昆明種小白鼠20只,雌雄各半,體重20~22g隨機(jī)分成4組,禁食不禁水12h .按8g/kg.dw的量以食用油作為溶劑配制成適當(dāng)體積的制劑液,一日內(nèi)完成灌胃,連續(xù)觀察14d,記錄受試小鼠期間的活動、攝食量、體重、糞便、死亡等情況,未死亡小鼠2周后用頸椎脫臼法處死進(jìn)行尸檢。
整個觀察期間沒有小鼠死亡,20只小鼠活動、精神狀態(tài)、攝食、糞便等正常,兩周后增重均超過10%,最高增重達(dá)24% ,可以認(rèn)為本發(fā)酵制劑安全無毒。
3 小結(jié)
3.1棕櫚仁粕的綜合利用狀況
棕櫚仁粕歷來是棕櫚油生產(chǎn)企業(yè)的重大負(fù)擔(dān),也是馬來西亞政府極需解決的生態(tài)環(huán)境的重點(diǎn)問題之一。因為棕櫚仁粕中較高的木質(zhì)纖維含量和適口性較差等,使得其只有極少部分的棕櫚仁粕作為反芻動物的飼料添加劑使用。絕大部分都是燒毀或讓其腐爛作為肥料,這樣不但嚴(yán)重浪費(fèi)資源,而且嚴(yán)重污染環(huán)境。為此,相關(guān)企事業(yè)科研單位合作,展開了《發(fā)酵法生產(chǎn)棕櫚仁粕多肽飼料的研制》項目研究,并取得可喜的成果。2009年3月24日,《發(fā)酵法生產(chǎn)棕櫚仁粕多肽飼料的研制》項目進(jìn)行了中期評審,與會專家給予了高度評價,認(rèn)為該項目具有獨(dú)立自主的知識產(chǎn)權(quán)和創(chuàng)新性,現(xiàn)階段取得的技術(shù)成果達(dá)到了國內(nèi)外先進(jìn)水平。
3.2 發(fā)酵法生產(chǎn)棕櫚仁粕多肽飼料的可行性
棕櫚仁粕含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素約70%,而且多為粗纖維、大纖維,要將其變成可利用的碳水化合物,首先要將他們分解,為此,采用篩選高產(chǎn)纖維素酶的菌株(1042-2、2221-P兩株)發(fā)酵PKC,使其還原糖增加,分析結(jié)果表明纖維素變短、變薄、變小,在不增加外源糖的情況下,釀酒酵母、枯草芽孢桿菌能生長良好,使發(fā)酵產(chǎn)品的蛋白質(zhì)含量增加30%以上,由于絲狀真菌和枯草芽孢桿菌產(chǎn)生的多種酶系能使蛋白質(zhì)酶解為多肽(MW5000道爾頓以下),而使產(chǎn)品成為多肽產(chǎn)品。
3.3 棕櫚仁粕多肽飼料的市場前景
3.3.1 棕櫚仁粕多肽飼料的經(jīng)濟(jì)分析 根據(jù)研究預(yù)算,每噸棕櫚仁粕多肽飼料的生產(chǎn)成本為2300元/t,目前,我國飼料中蛋白質(zhì)含量定價為8.00~9.00元/kg蛋白質(zhì)。如果以蛋白質(zhì)含量30~40%計,棕櫚仁粕多肽飼料定價為3200~3600元/t飼料。調(diào)查發(fā)現(xiàn),我國市場上的微生物發(fā)酵(包括微生物酶處理)的生物飼料價格范圍為3000~6000元/t.因而,我們生產(chǎn)的棕櫚仁粕多肽飼料的價格很有提升空間。
3.3.2 市場前景
《發(fā)酵法生產(chǎn)棕櫚仁粕多肽飼料的研制》是廢物利用、變廢為寶的社會公益項目,其技術(shù)又填補(bǔ)國內(nèi)外的空白,具有自主知識產(chǎn)權(quán);產(chǎn)品的市場需求巨大,屬于賣方市場,在市場上具有較強(qiáng)的競爭能力。隨著生活水平的不斷提高,畜牧業(yè)的不斷發(fā)展,國內(nèi)外蛋白飼料的缺口越來越大;作為多肽飼料的產(chǎn)品相比于植物蛋白飼料具有更高的營養(yǎng)價值,更具功能性。綜觀分析可以預(yù)料,發(fā)酵生產(chǎn)棕櫚仁粕多肽飼料具有豐厚的經(jīng)濟(jì)效益和重大的生態(tài)環(huán)境、社會效益。