制作大豆产品过程中,每千克大豆约产生1.1~1.2 kg残渣,每年产生残渣约280万t[1-2]。豆渣含有许多营养成分,如(以干重计)50%的碳水化合物、20%~30%蛋白质、10%~20%脂质以及矿物质和植物化学物质(异黄酮)等[3]。豆渣被直接投喂动物或丢弃,会造成蛋白质的资源浪费。为控制饲料成本、增加收益,可以用优质的植物蛋白代替动物饲料中的动物蛋白[4-5]。但豆渣蛋白不易溶解,可以采用微生物发酵来改善蛋白的溶解性[6-8]。与化学和物理转化相比,微生物发酵更安全环保;与酶改性相比,微生物发酵成本低,更适合工业化对农副产品的再利用。发酵可以提高豆渣中营养成分的含量和功能特性[9-12]。在发酵过程中,蛋白酶活力的增强将所含溶解度低的蛋白分解成有一定空间结构,但分子量较小的蛋白,导致蛋白溶解性增加。Wang等[13]利用混合微生物产生蛋白酶水解菜籽粕的蛋白质,使蛋白分子量小于9.5 kDa,蛋白溶解度和营养成分含量均有提高。Ma等[14]利用红曲霉菌发酵热变性豆粕,发酵后产生的蛋白水解酶将较大不溶性蛋白聚集体降解成较小的蛋白质和多肽,改善溶解性。Shi等[15]采用黑曲霉固态发酵菜籽饼,产生的酸性蛋白酶水解菜籽饼蛋白,使其蛋白溶解度提高。微生物发酵过程的中可溶性蛋白含量增加是蛋白酶的水解作用,使原有蛋白暴露新的带电基团,提高蛋白与蛋白之间的静电斥力,使水解后蛋白溶解性增加。因此,蛋白的溶解性与基团亲水性和静电排斥二者有关[16-17]。文章重点介绍微生物发酵豆渣的方式,为豆渣的综合再利用提供参考。1豆渣可溶性蛋白的概述可溶性蛋白是以小分子状态溶于水或其他溶剂的蛋白质(水溶性蛋白)。豆渣可溶性蛋白的检测方法有凯氏定氮、考马斯亮蓝法、分光光度法和紫外分光光度法等。分光光度法相对于其他方法具有操作简便、灵敏度高、准确性高和重现性好等优点[18]。豆渣蛋白主要为细胞壁内部的伸展蛋白和一些附着蛋白,这些蛋白质结构复杂紧密,酶切位点被包藏在蛋白内部,难被水解[19]。所包含蛋白质类型主要为β-伴大豆球蛋白(7s)和大豆球蛋白(11s),其中包括的亚基有83 kDa的α'、70 kDa的α亚基、55 kDa的β亚基、43 kDa的A3酸性亚基、37 kDa的酸性亚基以及20 kDa的碱性亚基,豆渣中7s球蛋白及其轻亚基含量会影响豆渣可溶性蛋白的提取含量[20-23]。红外光谱检测发现,大豆中可溶性蛋白的强吸收峰和弱吸收峰与C—H谱带、N—H谱带和O—H谱带密切相关,而且水溶性蛋白是不同类型蛋白的混合物,含有CH、CH2、OH和NH官能团[24]。豆渣中的可溶性蛋白也应具相同的官能团和吸收峰,并且具有良好溶解性的蛋白会影响其他蛋白功能特性,如乳化特性等。因此,可以通过发酵降解豆渣部分蛋白亚基,形成分子量较小的蛋白质、暴露更多的亲水基团,从而增加水溶性蛋白相关的官能团。日粮中可溶性蛋白容易被消化酶水解,可以提高动物体对蛋白的消化吸收利用率。2微生物发酵豆渣的方式发酵可以提高豆渣营养成分含量,降低抗营养因子含量。发酵利用微生物分泌产生的多种酶将豆渣中的物质分解为易吸收的营养成分[25-26]。微生物分泌酸性、碱性、中性蛋白酶作用于疏水性基团和氨基酸,可以水解原有蛋白,提高可溶性[27-28]。朱云平等[29]以枯草芽孢杆菌和纳豆杆菌发酵豆渣,发现豆渣粗纤维、还原糖、游离氨基酸含量均提高。Gupta等[30]分别利用寡头根霉菌和植物乳杆菌(真菌和细菌属)发酵豆渣,发现可以将豆渣中的复杂大分子物质降解为简单或分子小的糖、氨基酸、短链脂肪酸,易于消化。Zhou等[31]使用粗糙脉孢菌发酵的豆渣,发现发酵的豆渣短链脂肪酸含量提高,其中800 mg/L的寡糖具有调节肠道菌群和改善肠道健康的潜力,使发酵后的豆渣有成为益生元食品的潜力。因此,豆渣发酵的菌种选择至关重要。2.1单一菌种发酵豆渣蛋白是豆渣中的主要营养之一,含量约20%~30%,但豆渣蛋白水溶性低[32]。发酵豆渣常用的微生物种类丰富,如毛霉、灵芝菌丝、米曲霉等进行单一菌株发酵,经发酵后豆渣中的可溶性蛋白含量均有所增加。刘俊梅等[33]以试验室诱变的蛋白酶活性高的米曲霉对豆渣进行固态发酵,发现在最佳发酵条件下,豆渣的水溶性蛋白含量从1.18%增至17.876%。蛋白酶活力随着发酵时间逐渐增加到最大时,豆渣中的可溶性蛋白含量达到最大。因此,微生物发酵可以增加可溶性蛋白含量,改善原有蛋白溶解度,解决豆渣蛋白溶出率与利用率低的问题。2.1.1细菌发酵豆渣细菌在发酵过程可以产生具生物活性的物质和改善原有营养成分,如芽孢杆菌种类[34]。芽孢杆菌属能够产生分泌到细胞外的碱性蛋白酶,通过发酵可将豆渣中原有蛋白分解加强豆渣蛋白的应用价值。芽孢杆菌属中纳豆芽孢杆菌可以通过孢子形式长期保存,且不消耗饲料的营养成分保持饲料质量,在生产加工的干燥过程中不易死亡,可以形成复杂的酶体系。大豆产品应用广泛,纳豆芽孢杆菌和常用的霉菌、酵母菌等饲用益生菌相比具有优势,因此采用纳豆芽孢杆菌发酵提高豆渣可溶性蛋白的含量。周亚楠等[35]运用纳豆芽孢杆菌固态发酵豆渣,发现在5%和10%接种量条件下,发酵后的蛋白分子量比原来分子量小14.4 ku,并且可溶性蛋白的含量显著提高。童丹[36]研究经纳豆杆菌固态发酵后的豆渣中营养成分的变化,发现在水分75%、接种量9%、发酵温度35 ℃、发酵时间21 h时,豆渣中的可溶性蛋白含量显著增加。关于采用细菌发酵豆渣提高豆渣中可溶性蛋白含量或改善蛋白溶解度的研究较少,且发酵的菌种单一。发酵豆渣多采用细菌分泌或分解的具有生物活性的物质(抗氧化的肽和激酶),常采用纳豆芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、乳酸菌等。细菌也难以在豆渣表面附着,这可能是造成研究发酵后豆渣蛋白溶解度变化较少的原因,可以同菌丝发达的霉菌等混合发酵改善这种情况。2.1.2真菌发酵豆渣真菌包括丝状真菌(霉菌、食用菌)和单细胞真菌(酵母)等。有些真菌菌丝发达,可以在豆渣固态基质中生长,有些真菌在发酵过程中可以产生较为齐全的酶系,如淀粉酶、蛋白酶和纤维素酶等。真菌分泌的纤维素酶可以将豆渣中的纤维素和半纤维素分解,有助于蛋白质的释放,提高其他营养成分的含量。管瑛[22]将霉豆渣中分离纯化得到的雅致放射毛霉DCY-1,以最佳发酵条件对豆渣进行发酵,发现在发酵进程中可溶性蛋白含量与蛋白酶活力呈正相关,分泌的蛋白酶将豆渣蛋白分解成较小分子量、有一定空间结构的可溶性蛋白。管瑛等[37]研究米根霉和少孢根霉对豆渣进行固态发酵后豆渣的成分变化,发现其可溶性蛋白的含量与蛋白酶的活力的变动趋势几乎相同,0~24 h内,两菌种分泌蛋白酶活力不断提高,可溶蛋白含量显著增加,从4.17 mg BSA/g分别增加至8.99、9.44 mg BSA/g。谭青云[38]利用总状毛霉在最佳发酵条件产生混合蛋白酶(中性和酸性蛋白酶),发现当酶活分别达最高值时,原有大分子蛋白含量逐渐分解为中低分子量蛋白,可溶性蛋白含量上升,原有蛋白的溶解性增大。Lee等[39]利用圆红冬孢酵母菌生长繁殖并发酵豆渣,发现通过挤压的物理手段使豆渣蛋白结构发生变化,让蛋白更易水解,真菌产生的蛋白水解酶水解豆渣蛋白将其转变为分子量小、结构简单的蛋白,二者成功将豆渣蛋白变为可溶性营养。申春莉等[40-41]采用刚果红浸染法筛选出产纤维素、半纤维素酶活高的食用菌灵芝为目标菌对豆渣进行固态发酵,发现产生的纤维素酶、半纤维素酶将纤维素、半纤维素分解释放蛋白等营养成分,胞外蛋白水解酶水解豆渣蛋白使其可溶性蛋白含量提高3.57倍。进一步研究灵芝菌丝固体发酵豆渣,发现可溶性蛋白的增长情况和蛋白酶的变化相似,发酵1~7 d,可溶性蛋白含量显著增长;11 d时,可溶性蛋白含量由2.27 mg/g增至11.05 mg/g。真菌中的霉菌,酵母和食用菌发酵均可以改善豆渣蛋白溶解性低、可溶性蛋白含量少的问题。霉菌发酵会使产品颜色加深、产生霉味、可能产生真菌毒素;酵母发酵豆渣难以附着在豆渣表面,对豆渣发酵不充分。食用菌发酵豆渣具有发达的菌丝,可以进入细胞内部,有利于营养成分的释放,还可以分泌一些具有生物活性的功能成分。但是,有关食用菌发酵豆渣提高豆渣可溶性蛋白含量的研究报道较少,多是将豆渣作为基质提取分泌的功能性成分,如三萜类化合物等。2.2混合菌种发酵豆渣发酵豆渣常用的微生物种类多样,采用具有丰富酶系或蛋白酶活力高的菌种可以解决豆渣水溶性蛋白含量低的问题。李应琼[42]从自然发酵霉豆渣样品中分离纯化得到的雅致放射毛霉和运动发酵单胞菌共同发酵豆渣,在单因素试验基础上,固定自然pH值、水分含量和运动发酵单胞菌接种量,进行响应面试验确定最佳条件,发现可溶性蛋白的最大值12.65%。于寒松等[43]采用不具有拮抗作用的葡萄酒酵母和米曲霉对熟浆工艺获得豆渣进行共同发酵,在单因素试验的基础上进行响应面试验优化确定最佳发酵条件,发现最佳发酵条件为含水量72%、接种量11%、接种比例1.5∶1.0、最适温度32 ℃和葡萄酒酵母的辅助,该条件下可溶性蛋白含量从0.26 mg/g增至4.15 mg/g。徐媛[44]采用米曲霉和红酒酵母混合发酵豆渣粉,发现发酵过程中分泌的蛋白酶将20 kDa以上大分子蛋白分解为20~16 kDa以下的可溶性蛋白,并且在单因素试验的基础上进行响应面试验得出,混合发酵的条件下,可溶性蛋白从10.18%提高至21.06%。米曲霉单独发酵和混菌共同发酵豆渣相比,混合菌可溶性蛋白含量比米曲霉单独发酵可溶性蛋白含量高。因此,不同菌种混合发酵优于单一菌种发酵。不同菌种在发酵过程中分泌的酶有所不同,混合发酵可以弥补单一菌种发酵上的不足。因此,可以根据不同的目的将菌丝发达的菌种和其他菌种组合在一起解决对豆渣利用不充分或改善发酵过程中存在的问题。如酵母菌难以附着在豆渣表面,可以将其与菌丝发达的米曲霉组合。3发酵豆渣的应用豆渣作为粗饲料直接投喂动物利用效率低。发酵豆渣中的可溶性蛋白可以作为优质植物蛋白,是良好的动物蛋白替代品,可降低饲料价格。Maria等[45]运用黑曲霉和寡根霉菌分别发酵和混合发酵木薯-豆渣来替代肉鸡玉米粉饲料,混合发酵使木薯-豆渣中蛋白含量增加。王红艳[46]采用植物乳杆菌、保加利亚乳杆菌和嗜热乳杆菌微贮豆渣制备富含蛋白等营养的动物饲料,发现发酵可以提高豆渣中主要营养蛋白含量,改善溶解度,减少植酸等抗营养因子,发酵后豆渣保存期延长,营养和适口性得到改善,是良好的动物蛋白饲料。童丹[36]发现,发酵豆渣替代原饲料中的5%的豆粕能够显著改善肉牛的生长性能。因此,发酵后豆渣在动物饲料经济效益和动物生长等方面均具有良好的应用前景。4展望未来的研究可将微生物发酵与物理、酶解等其他方法相结合,进一步提高豆渣大分子蛋白转化为可溶性蛋白提高溶解度。目前的研究多处于试验规模,应进一步研究大规模发酵。

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