CN113875975B - 一种利用小麦加工副产物制备后生元的发酵工艺 - Google Patents
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Abstract
本申请属于农产品加工技术领域，具体涉及一种利用小麦加工副产物制备后生元的发酵工艺。该工艺具体包括：准备物料、接种多粘类芽孢杆菌+副凝聚小短杆菌+噬果胶黄杆菌作为发酵菌株、分离、提取制备后生元等步骤。鉴于小麦淀粉废水和麸皮中丰富的营养物质组分，结合后生元制备工艺，本申请有利于降低相关企业的废水处理成本和保护环境，同时可以变废为宝、提高农产品附加值。初步实验结果表明，没有额外补充营养物质情况下，所制备的后生元溶液中的标志性产物脂磷壁酸、SCFA具有较高含量，基于此，一方面可为相关保健产品制备奠定一定技术基础，也可为延长小麦深加工产业链、提高深加工技术产业值奠定一定技术基础。
Description
技术领域
本申请属于农产品加工技术领域，具体涉及一种利用小麦加工副产物制备后生元的发酵工艺。
背景技术
小麦加工制备面粉过程中，其主要副产物包括液态的小麦淀粉加工过程水(又叫小麦淀粉废水)和固态的麦麸(小麦磨取面粉后筛下的种皮)两类。但现有技术中，因为这些副产物的营养物质含量较低、回收利用难度较高，导致针对这些加工副产物重视程度不够，有针对性的技术开发、技术储备也较为有限。
食品营养学技术领域，后生元产品是基于益生菌产品后的一个重要的营养产品。一般而言，后生元是指益生菌经加工处理后的益生菌代谢物成分统称，包括菌体与代谢产物。后生元的代表成分脂壁酸，是决定后生元对于酸、碱、热耐受性的关键。脂壁酸，又称膜磷壁酸或脂磷壁酸(LTA，Lipteichoicacid)，是一种革兰氏阳性(G+)菌细胞壁特殊组份，在细胞表面，脂壁酸跨过肽聚糖层，以其末端磷酸共价连接于质膜中糖脂(例如二葡糖基二酰基甘油)的寡糖基部分。研究认为，脂壁酸与细胞膜通透性、免疫细胞刺激性、免疫活性蛋白分调节等生理活动均有关联，因此，经加工处理后后生元，在改善和增强机体免疫活力方面具有重要用途。
后生素，也称“益生素”、生物源素(biogenics)、去细胞上清液等，是指由活菌(益生菌)代谢活动分泌(代谢产物)或细菌死亡溶解后释放的可溶性因子的总称，能够对宿主产生有益影响。一般而言，可溶性因子包括：SCFA(短链脂肪酸，short-chainfattyacids，也称挥发性脂肪酸，Volatilefattyacids，VFA，包括乙酸、丙酸和丁酸等)、酶类、多肽类、多糖类等多种物质。其中SCFA是益生菌在人体内发酵产生最多、最常见的代谢物，可为宿主(人体)提供部分能量并且在调节细胞代谢及细胞分裂和分化中发挥作用。另有研究认为SCFA还是肠道上皮的特殊营养因子，可维护肠道上皮细胞的完整性和杯状细胞的分泌功能，发挥对胃肠道的调节作用，降低pH值和氧化还原电位等影响肠道菌群的构建和组成，阻止外源性病原菌的定植。也因此，SCFA可以作为后生素营养价值的主要指标之一。
总之，基于小麦加工中相关废料或者副产物，如能深入开发加工制备获得具有较高营养价值的后生元产品，对于延长小麦加工产业链、提高深加工的技术价值具有十分重要的技术意义。
发明内容
鉴于小麦加工过程中液态的小麦淀粉加工过程水(又叫小麦淀粉废水)和固态的麦麸仍然含有丰富的营养物质，本申请目的在于提供一种以这些小麦加工副产物为原料来制备后生元的发酵工艺，从而为提高小麦加工附加值奠定一定技术基础。
本申请所采取的技术方案详述如下。
一种利用小麦加工副产物制备后生元的发酵工艺，具体包括如下步骤：
(一)准备物料
以质量比计，将小麦淀粉加工过程水与麦麸以1～12:1(优选8～10:1)的比例混合均匀后，加热121℃灭菌20min，随后冷却至常温，以此作为发酵基质；
(二)接种发酵菌株
将多粘类芽孢杆菌(CGMCC1.15984)、副凝聚小短杆菌(CGMCC1.838)、噬果胶黄杆菌(CGMCC1.12362)分别制备种子液，种子液中混菌数分别不低于1×106个/ml，然后按照按积1：1：1比例混合均匀，作为混合发酵液；
随后，按照1～25％(优选10％)质量比，无菌条件下，在步骤(一)的发酵基质中接种混合发酵液，25～37℃发酵培养48～192h；
(三)分离、提取制备后生元(主成分LTA和SCFA)
步骤(二)中发酵结束后，过滤，将发酵后液体1000r/min离心30min，收集上清液；
将所收集上清液二次离心，5000r/min离心30min，收集二次离心后上清液即可作为后生元溶液，4℃储存即可。
广义上的小麦淀粉废水是以小麦等农产品为原料生产淀粉或淀粉深加工产品(淀粉糖、葡萄糖、淀粉衍生物等)过程中所产生的废水，属于高浓度有机废水，如果直接排放处理容易造成环境污染，因此生产中需要厌氧处理后才能排放，这也是食品类淀粉厂归类为高污染企业的主要原因之一。但实际废水成分检测结果表明，此类小麦淀粉废水中含有较高含量的淀粉类、蛋白类和戊聚糖等营养物质，因此，如何进一步开发利用此类小麦淀粉废水、同时降低此类废水的处理成本是淀粉厂等生产企业急需解决的技术问题之一。
小麦加工面粉过程中所产生的麦麸，传统上主要作为动物饲料成分之一，价格低廉。但营养成分检测结果表明，麦麸中蛋白质类、脂肪类、碳水化合物、粗纤维等营养成分含量较高，因此，如何对麦麸进行深加工利用并提升其经济附加值，是小麦深加工产业、提升小麦价值链的关键技术问题之一。
基于上述技术现状，鉴于小麦淀粉废水和麸皮中丰富的营养物质组分，结合后生元制备工艺，本申请设计提供了一种利用小麦加工副产物制备后生元的发酵工艺，从而有利于降低相关企业的废水处理成本和保护环境，同时可以变废为宝、提高农产品附加值。
初步实验结果表明，没有额外补充营养物质情况下，所制备的后生元溶液中的标志性产物脂磷壁酸、SCFA具有较高含量，基于此，一方面可为相关保健产品制备奠定一定技术基础，也可为延长小麦深加工产业链、提高深加工技术产业值奠定一定技术基础。
附图说明
图1为不同菌种组合情况下对于发酵效果影响；
图2为多菌混合不同配比发酵的效果。
具体实施方式
下面结合实施例对本申请技术方案做进一步解释说明。在介绍具体实施例前，为便于本领域技术人员详细了解本申请的相关研发情况，就下述实施例中部分背景性实验情况简介如下。
生物材料：
发酵过程中接种所用菌株：多粘类芽孢杆菌(PaenibacilluspolymyxaCGMCC1.15984)、副凝聚小短杆菌(Brachybacteriumparaconglomeratum CGMCC1.838)、噬果胶黄杆菌(FlavobacteriumpectinovorumCGMCC1.12362)，属于可公开获得菌株，均直接购买于中国普通微生物菌种保藏管理中心(CGMCC)；其中：
多粘类芽孢杆菌是一类生理特性多样的杆状细菌，属于一种可产芽孢的革兰氏阳性细菌，好氧或兼性厌氧生活；可分解淀粉或多糖类物质，能产酸，还可产生具有拮抗微生物、促进植物生长等功能的活性物，如：多粘菌素(Polymyxin)、粘菌素(Colistin)、环杆菌素、乔利肽菌素(Jolipeptin)、多肽菌素(Polypeptins)、谷缬菌素(Gatavalin)、杀镰孢菌素(Fusaricidins)等；
副凝聚小短杆菌，属于一种革兰氏阳性菌，球杆状，能生产淀粉酶；
噬果胶黄杆菌，发酵过程中可将淀粉转化为有机酸(如短链脂肪酸)等多种活性成分；
需要解释和强调的是，现有技术中可以产生淀粉酶、或者可以淀粉的微生物菌种及菌株并非局限于上述三种，但考虑上述三种菌种(菌株)的生长条件类似(最适生长温度均为25-37℃、最适生长pH均为7.0左右)，基于生长条件统一控制的便利性以及本申请发酵制备后生元的技术目的，综合选择上述三种菌株进行具体发酵实验。
小麦加工副产物：
小麦淀粉加工过程水样品、麦麸样品，均来源于河南飞天农业有限公司；主要营养成分及含量情况如下：
表1，淀粉水成分(％，质量百分比)
| 项目 | 总糖％ | 粗蛋白％ | 粗脂肪％ | 淀粉％ | 粗纤维％ | 水分％ |
| 淀粉水 | 1.6 | 0.7 | 0 | 0.1 | 0.6 | 97.0 |
表2，麸皮成分(％，质量百分比)
| 项目 | 总糖 | 粗蛋白 | 粗脂肪 | 淀粉 | 粗纤维 | 粗灰分 |
| 麸皮(干基) | 39.63 | 18.66 | 2.28 | 27.6 | 6.92 | 4.91 |
实施例
以具体的小麦加工副产物为例，发明人就本申请所设计的利用小麦加工副产物制备后生元的发酵工艺具体介绍如下。
(一)准备物料
以质量比计，将小麦淀粉加工过程水与麦麸以5:1的比例混合均匀后，加热121℃灭菌20min，随后冷却至常温，以此作为发酵基质。
(二)接种发酵菌株
将多粘类芽孢杆菌(CGMCC1.15984；A菌)、副凝聚小短杆菌(CGMCC1.838；B菌)、噬果胶黄杆菌(CGMCC1.12362；C菌)分别制备活菌数为1×106的种子液，然后1；1；1(体积比)混合制备发酵液(总活菌数为1×106)。
按照10％质量比，无菌条件下，在步骤(一)的发酵基质中接种混合发酵液，随后，28℃条件下发酵培养192h。
(三)分离、提取制备后生元(指标成分LTA和SCFA)
步骤(二)中发酵结束后，过滤，将发酵后液体1000r/min离心30min，收集上清液；
将所收集上清液二次离心，5000r/min离心30min，收集二次离心后上清液即可作为后生元溶液，4℃储存即可。
从提高后生元有效成分含量角度，上述发酵工艺过程中，为确定合适的发酵工艺，发明人对相关发酵工艺条件进行了具体探索，具体过程简介如下。
需要说明的是，以脂磷壁酸含量作为后生元效果评价指标(采用上海岚派生物科技有限公司的LTA脂磷壁酸elisa试剂盒检测，参考其说明书操作即可)，以SCFA作为后生素标志性成分来评价后生元溶液中后生素效果指标(采用上海双赢生物科技有限公司的短链脂肪酸(SCFA)ELISA试剂盒检测，参考其说明书操作即可)
(一)单一菌株或混菌对发酵液中LTA和SCFA影响情况
为考察单一菌株发酵和多种菌株发酵时对于发酵效果影响，分别采用A菌、B菌、C菌及不同菌组合(菌液组合时，体积比均为1:1或者1:1:1，另外，接种前，菌体数量均为1×106，即，单一菌种时，活菌数为1×106，混合菌体时，初始的总活菌数也为1×106)，然后接种发酵。
28℃条件下发酵培养192h，检测发酵液中LTA和SCFA含量情况。具体结果参见图1所示。
从图1看出：就发酵时间而言，无论单菌还是混合菌发酵情况，随着发酵时间的延长，LTA含量和SCFA含量均逐步升高，但是超过一定时长后基本平稳、甚至有所下降，因此从实际生产效率角度而言，发酵时间在45-100小时之间即可；从实际发酵产量角度而言，多种菌种混合应用发酵时，优于单一的菌种应用，其中又以“A+B+C”三种混合菌的应用效果最佳，因此，在不增加生产成本情况下，应用三种菌种混合发酵应用是最为合适的。也因此，后续发酵均采用了三种菌混合发酵来制备后生元。
进一步具体而言，单一菌株的发酵产量而言，SCFA产量值方面，116.8.0(A菌)＞93.4(B菌)＞64.8(C菌)A菌有明显的优势。LTA产量值方面，255.0(B菌)＞210.4(A菌)＞178.0(C菌)，B菌虽然最高，但A菌显然也有明显的优势。
就混合菌种接种后活性物质产量值而言，不同菌体比例接种后发酵效果如图2所示。结合图1的接种比例的对比可以看出，各菌种之间1：1比例情况下，发酵效果明显较优。
(二)发酵时间对混菌发酵效果影响
在上述确定混菌发酵效果最好情况下，为进一步明确发酵时长影响，参考前述操作，调整步骤(3)中不同发酵时间(三种菌种按照1：1：1比例混合)，以考察发酵时长对发酵效果影响。具体结果如下表3所示。
表3，混菌发酵不同时间对发酵液中LTA和SCFA影响
注：表中“↑、↓”分别表示提升或者降低。
提高率计算方法：
C0代表发酵前一个阶段检测的LTA或SCFA的浓度μg/ml，Cn代表发酵连续后下一个阶段检测的LTA或SCFA的浓度μg/ml，R代表提高率％。
从表3可以看出，随着发酵时间的延长LTA含量和SCFA含量逐步升高，但是超过48小时后基本平稳，因此48小时是最佳的发酵时间；实际发酵时间选择45-50小时即可。
(三)物料比例对发酵效果影响
在前述步骤(一)、(二)明确最佳发酵菌液比例、发酵时间情况下，为进一步考察不同物料比例对发酵效果影响，参考前述操作，调整步骤(一)中不同物料比例(保持步骤(二)中发酵时间48h，三种菌种按照1：1：1比例混合)，以考察不同物料比例对发酵效果影响。具体结果如下表4所示。
表4，淀粉过程水与麸皮不同比例对发酵液中LTA和SCFA影响(48小时发酵时间)
从表4看出，随着淀粉过程水与麸皮比例增大，LTA含量和SCFA含量逐步升高，但是超过15：1时略有下降，因此在8：1至10：1之间是最佳的配比。
(四)接种量对发酵效果影响
由于发酵过程中接种量对于发酵效果也往往具有一定影响，因此，参考前述操作，发明人调整了步骤(二)中不同接种量比例(保持步骤(一)中物料比例为8:1，保持步骤(二)中发酵时间48h)，以考察不同接种比例对发酵效果影响。具体结果如下表5所示。
表5接种量与对发酵液中LTA和SCFA影响(48小时发酵时间)
从表5看出，随着接种量的升高LTA含量逐步升高，但是超过20％后SCFA含量基本平稳，因此最佳的接种量10％-15％。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种利用小麦加工副产物制备后生元的发酵工艺，其特征在于，该工艺具体包括如下步骤：
（一）准备物料
以质量比计，将小麦淀粉加工过程水与麦麸以8~10:1的质量比例混合均匀后，灭菌并冷却至常温后，作为发酵基质；
（二）接种发酵菌株
将多粘类芽孢杆菌、副凝聚小短杆菌、噬果胶黄杆菌分别制备种子液，以各菌种的体积比为1:1:1来将各种子液混合后作为混合发酵液；多粘类芽孢杆菌选择保藏号为CGMCC1.15984菌株，副凝聚小短杆菌选择保藏号为CGMCC 1.838菌株，噬果胶黄杆菌选择保藏号为CGMCC 1.12362菌株；
随后， 按照1~25%质量比，无菌条件下，在步骤（一）的发酵基质中接种混合发酵液，25~37℃发酵培养48~192h；
（三）分离、提取制备后生元
步骤（二）中发酵结束后，过滤、首次离心，收集上清液；
将所收集上清液二次离心，收集二次离心后上清液即可作为后生元溶液，
所述后生元的主成分为LTA和SCFA。
2.如权利要求1所述利用小麦加工副产物制备后生元的发酵工艺，其特征在于，步骤（二）中，接种比例为10%。
3.如权利要求1所述利用小麦加工副产物制备后生元的发酵工艺，其特征在于，步骤（二）中，多粘类芽孢杆菌、副凝聚小短杆菌、噬果胶黄杆菌所分别制备种子液中活菌数不低于1×106个/ml。
4.如权利要求1所述利用小麦加工副产物制备后生元的发酵工艺，其特征在于，步骤（三）中，首次离心的离心参数为：1000 r/min 离心30min；二次离心的离心参数为：5000r/min离心30min。
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| 梨渣固态发酵培养多粘类芽孢杆菌的工艺;赵国群;牛梦天;卢士康;关军锋;;农业工程学报(07);第303-308页 * |
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