微生物發(fā)酵甘薯渣產(chǎn)蛋白飼料的工藝優(yōu)化及對育肥豬生產(chǎn)性能的影響

邢文會+付瑞敏+王丁+王雅雅+谷亞楠+郭彥釗+陳五嶺

摘要：以甘薯渣為原料，利用復(fù)合微生物菌劑進行固態(tài)發(fā)酵，并探討發(fā)酵產(chǎn)物對育肥豬生產(chǎn)性能的影響。采用響應(yīng)面法對甘薯渣的發(fā)酵條件進行優(yōu)化，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選擇接種量、發(fā)酵溫度、初始pH值3個因素，以發(fā)酵產(chǎn)物的真蛋白含量作為響應(yīng)值進行響應(yīng)面法分析，并將發(fā)酵產(chǎn)物作為添加物進行育肥豬飼喂試驗。結(jié)果表明，微生物發(fā)酵甘薯渣產(chǎn)蛋白飼料的最優(yōu)工藝是：接種量1.64%、發(fā)酵溫度29.79 ℃、初始pH值 5.59。在該條件下，真蛋白含量增加至22.95%，比優(yōu)化前提高了47.68%。此外，經(jīng)檢測，發(fā)酵后產(chǎn)物各項評價指標均良好，可將其添加入育肥豬飼料中，且最佳添加比例為10%。

關(guān)鍵詞：甘薯渣；發(fā)酵條件；響應(yīng)面法；育肥豬

中圖分類號： S816.4

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0279-06

甘薯是一種高產(chǎn)而適應(yīng)性強的糧食作物[1]，甘薯塊根中含大量的淀粉、糖分、蛋白質(zhì)和纖維素半纖維素等營養(yǎng)成分[2-5]。甘薯不僅可以用作人類的主糧，還是飼料生產(chǎn)、淀粉加工和乙醇制造等行業(yè)的重要原材料。研究資料表明，甘薯中的膳食纖維對維持人和動物的胃腸道健康具有極其重要的作用[6-8]。甘薯渣是甘薯淀粉廠提取甘薯淀粉后剩余的殘渣，其主要成分是淀粉、纖維素和蛋白質(zhì)等，質(zhì)量約占鮮質(zhì)量的45%～60%。當前，飼料工業(yè)中大多采用新鮮薯渣來生產(chǎn)飼料，陳年薯渣由于久置生霉、產(chǎn)乙醇等原因不易被動物食用，故大多被廢棄，不僅污染環(huán)境，還造成了資源的浪費[9-11]。

當前，隨著生物技術(shù)與飼料加工產(chǎn)業(yè)的不斷融合，生物飼料的開發(fā)已逐漸成為我國飼料加工的熱點。基于生物飼料的生產(chǎn)特點，用有益微生物復(fù)合菌劑發(fā)酵陳年薯渣，利用菌體的生長代謝將薯渣中各種成分進行高效轉(zhuǎn)化并生產(chǎn)蛋白飼料，不僅解決陳年薯渣的污染等難題，還可有效提高薯渣中蛋白質(zhì)的利用率。此外，由于發(fā)酵產(chǎn)物中含有豐富的維生素、礦物質(zhì)和其他生物活性物質(zhì)，將其添加于飼料中，可有效提高畜禽的生長率[12-15]。

本研究擬采用功能微生物發(fā)酵陳年甘薯渣，并以發(fā)酵殘留物中真蛋白含量為品質(zhì)測定標準，對發(fā)酵條件進行優(yōu)化。采用優(yōu)化工藝進行蛋白飼料的擴大生產(chǎn)，經(jīng)測定，所得產(chǎn)物各養(yǎng)分評價指標均良好，育肥豬飼喂試驗結(jié)果表明，發(fā)酵后的產(chǎn)物不僅可提高適口性，還可有效提高育肥豬的料肉比和鮮肉品質(zhì)等生產(chǎn)性能。本研究結(jié)果不僅能夠有效解決陳年甘薯渣造成的環(huán)境污染問題，還可以實現(xiàn)其資源化，將其用于飼料生產(chǎn)和畜禽養(yǎng)殖，可有效降低生產(chǎn)成本，具有良好的環(huán)境和經(jīng)濟效益。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

陳年甘薯渣：取自山西美家園生物科技股份有限公司。薯渣經(jīng)固液分離后，含水率為60%，攪碎成糊狀物備用。

功能微生物復(fù)合菌劑：為產(chǎn)朊假絲酵母、解脂假絲酵母、乳酸乳球菌、米曲霉。菌種保存于西北大學(xué)農(nóng)業(yè)及環(huán)境微生物技術(shù)工程實驗室。

1.2 試驗方法

1.2.1 單因素試驗 通過對影響甘薯渣發(fā)酵的主要因素進行單因素試驗，包括：接種量、發(fā)酵溫度、初始pH值、發(fā)酵溫度。以發(fā)酵產(chǎn)物中真蛋白含量的變化來判斷各因素對薯渣發(fā)酵工藝的影響。

1.2.2 響應(yīng)面優(yōu)化發(fā)酵條件的優(yōu)化 根據(jù)單因素試驗結(jié)果，利用2-Level Factorial Design試驗設(shè)計，從發(fā)酵接種量、發(fā)酵溫度、初始pH值和發(fā)酵溫度4因素中篩選出對發(fā)酵工藝影響重要的3個單因素，通過爬坡試驗確定各因素的最佳取值范圍。利用Box-Benhnken中心組合試驗設(shè)計原理，采用響應(yīng)面法，以甘薯渣殘留物真蛋白含量為響應(yīng)值，進行3因素3水平試驗對甘薯渣發(fā)酵條件進行優(yōu)化。

1.3 甘薯渣發(fā)酵殘留物品質(zhì)測定

真蛋白的測定[16]：用三氯乙酸沉淀法進行預(yù)處理后，按照GB 500905—1986《食品中蛋白質(zhì)的測定》的方法測定，具體操作流程如下：取發(fā)酵產(chǎn)物樣品2 g，加入三氯乙酸10 mL，振蕩搖勻，靜置30 min， 3 000 r/min離心10 min，留沉淀，加入三氯乙酸，振蕩搖勻、靜置、離心，重復(fù)過程2次，收集沉淀物備用，采用凱氏定氮法[17]測定沉淀物蛋白含量即為真蛋白。粗脂肪：按照GB 6433—1986《飼料粗脂肪測定方法》中的索氏提取法測定。粗灰分：按照GB 6438—1994《飼料中粗灰分的測定方法》的高溫灼燒法測定。粗纖維：按照GB/T 6434—1994《飼料中粗纖維測定方法》中的酸堿洗滌法測定。水分：按照GB 6435—1992《飼料中水分的測定》方法測定。乳酸菌的測定用平板活菌計數(shù)法[18]，采用改良MRS培養(yǎng)基。大腸桿菌的測定采用GB 4789.3—2010《食品微生物學(xué)檢驗 大腸菌群計數(shù)》標準執(zhí)行；酵母菌的測定按照GB 4789.15—2003《食品衛(wèi)生微生物學(xué)檢驗 霉菌和酵母計數(shù)》標準執(zhí)行。

1.4 育肥豬的飼養(yǎng)試驗研究

選用生長狀況基本一致的育肥豬40頭，隨機分組，每組10頭，對照組飼喂基礎(chǔ)日糧，1號試驗組添加5%發(fā)酵產(chǎn)物，2號試驗組添加10%發(fā)酵產(chǎn)物，3號試驗組添加15%發(fā)酵產(chǎn)物。試驗周期為60 d，完成后測定料肉比、屠宰率、肉的品質(zhì)。試驗地點為陜西某養(yǎng)豬場。

育肥豬胴體質(zhì)量為：屠宰后去頭、蹄、尾及內(nèi)臟，保留板油和腎臟的軀體質(zhì)量。

肉的品質(zhì)測定包括：pH值的測定、剪切力的測定、肉色的測定、大理石紋評分[19]。測定對象為豬肋骨處的背最長肌。用PH值S-25 數(shù)顯酸度計測定肌肉pH值；用C-L M3B型數(shù)顯式肌肉嫩度儀測定剪切力；使用美制NPPC標準比色板進行肉色測定；使用美制NPPC標準比色板進行大理石紋測定。

鮮肉肉色分為5級評定[20]：1分為灰白色（PSE肉色），2分為輕度灰白（傾向PSE肉色），3分為亮紅色（正常肉色），4分為稍深紅色（正常肉色），5分為暗紫色（DFD肉色）。

大理石紋：大理石紋是評定肉質(zhì)指標之一，將最后肋骨處的背最長肌橫斷面置于4 ℃冷卻24 h后測定。評分制分為5個等級：1分為脂肪極少量，2分為脂肪微量，3分為脂肪少量，4分為脂肪適量，5分為脂肪過量。

2 結(jié)果與分析

2.1 接種量對真蛋白含量的影響

在發(fā)酵條件為發(fā)酵溫度32 ℃、發(fā)酵時間2 d、初始pH值自然的情況下，當接種量分別為0.5%、1%、1.5%、2%、25%時，真蛋白含量的變化情況如圖1所示。從圖1可知，在接種量為0.5%～1.5%范圍內(nèi)，發(fā)酵產(chǎn)物真蛋白含量隨著接種量的增加而增加。當接種量為1.5%時，真蛋白含量達到了22.05%。當接種量超過1.5%時，真蛋白含量有所下降，從菌體生長和生產(chǎn)成本來看，選擇1.5%的接種量為最佳。

2.2 發(fā)酵溫度對發(fā)酵產(chǎn)物真蛋白含量的影響

在發(fā)酵條件為發(fā)酵時間2 d、接種量1.5%、初始pH值自然，發(fā)酵溫度分別是26、28、30、32、34 ℃時，各組發(fā)酵后的真蛋白含量見圖2。由圖2可以看出，在26～30 ℃范圍內(nèi)，甘薯渣發(fā)酵產(chǎn)物的真蛋白含量隨著溫度的升高而增加，在30 ℃時發(fā)酵產(chǎn)物真蛋白含量達到了21.92%。當發(fā)酵溫度超過 30 ℃，真蛋白含量下降。

2.3 初始pH值對發(fā)酵產(chǎn)物真蛋白含量的影響

在發(fā)酵條件為發(fā)酵溫度32 ℃、接種量1.5%的情況下，發(fā)酵時間2 d，初始pH值分別設(shè)置5.0、5.5、6.0、6.5、7.0時，各組發(fā)酵后的真蛋白含量見圖3。從圖3可以看出，pH值在5.0～5.5之間，真蛋白含量的增加趨勢明顯，在pH值5.5時真蛋白含量達到了22.96%。當pH值在5.5～6.5之間，真蛋白含量呈下降趨勢。

2.4 發(fā)酵時間對發(fā)酵產(chǎn)物真蛋白含量的影響

在發(fā)酵溫度32 ℃、接種量1.5%，初始pH值為自然的情況下，分別設(shè)置發(fā)酵時間為24、36、48、60 h時，各組發(fā)酵后的真蛋白含量見圖4。從圖4可以看出，發(fā)酵時間在24～48 h之間時，真蛋白含量逐漸增加，當發(fā)酵時間為48 h，真蛋白含量為21.96%，當發(fā)酵時間超過48 h之后，真蛋白含量慢慢下降?？赡苁怯捎诎l(fā)酵物質(zhì)缺乏，菌體繁殖將部分真蛋白分解。

2.5 影響發(fā)酵工藝的主要因素及其范圍

利用Design Expert 8.0.5b軟件中2-Level Factorial Design 設(shè)計試驗，從接種量、發(fā)酵溫度（℃）、初始pH值和發(fā)酵溫度中選出主要的影響因素。因素水平表以及試驗設(shè)計表見表1和表2。

方差分析結(jié)果（表3）表明，對甘薯渣發(fā)酵產(chǎn)物中真蛋白含量的影響因素中，依次為：接種量>初始pH值>發(fā)酵溫度。

2.6 響應(yīng)曲面法優(yōu)化發(fā)酵工藝

根據(jù)以上單因素試驗以及2-Level Factorial Design試驗設(shè)計的結(jié)果，采用響應(yīng)曲面法對發(fā)酵工藝條件進行優(yōu)化，因素水平見表4。采用響應(yīng)曲面法進行多元回歸分析，以接種量、發(fā)酵溫度和初始pH值3因素3水平設(shè)計 Box-Benhnken中心試驗，響應(yīng)面分析方案與結(jié)果見表5。

由NAVOA擬合結(jié)果（表6）分析可知：模型F檢驗極顯著（P<0.001），失擬項P=0.23>0.05，表明此二次回歸模型擬合性較好，決定系數(shù)r2=0.994 8，調(diào)整決定系數(shù)r2Adj=0983 5，說明回歸方程能較好地描述各影響因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系。從表6可以看出：接種量（A）、接種量（A）的二次方、初始pH值（C）的二次方對真蛋白含量的影響極顯著（P<0.01）。各影響因素對真蛋白含量的影響顯著性順序為：接種量>初始pH值>發(fā)酵溫度，該模型可用于陳年薯渣發(fā)酵條件的優(yōu)化。

根據(jù)回歸方程，利用響應(yīng)面軟件可以繪制出兩兩交互作用對真蛋白含量影響的等高線和響應(yīng)面曲線圖，所得結(jié)果見圖5、圖6、圖7。從圖5可以看出，當初始pH值為5.5時，接種量和發(fā)酵溫度對真蛋白含量的交互影響。接種量（A）、發(fā)酵溫度（B）對真蛋白含量的影響都是明顯的，曲面比較陡峭。接種量（A）與發(fā)酵溫度（B）交互作用是不明顯的。

從圖6可以看出，接種量（A）與初始pH值（C）對真蛋白含量的含量影響明顯，響應(yīng)面圖曲面較陡峭，并且2個因素的交互作用不明顯。接種量（A）與發(fā)酵溫度（B）交互作用與接種量（A）與初始pH值（C）交互作用相比，前者對真蛋白含量交互作用比后者明顯，即P值為0.111 5和0.133 4。當接種量一定時，初始pH值大于5.5時，真蛋白含量呈下降趨勢，較高的pH值不利于陳年薯渣發(fā)酵。

從圖7可以看出，發(fā)酵溫度（B）和初始pH值（C）對真蛋白含量的影響顯著，響應(yīng)面曲面較為陡峭。發(fā)酵溫度（B）和初始pH值（C）2個因素的交互作用也是明顯的。

基于試驗設(shè)計軟件Design Expert 8.0.5b，對試驗結(jié)果進行優(yōu)化，獲得最大真蛋白含量的各試驗條件為：接種量為164%、發(fā)酵溫度為29.79 ℃、初始pH值為5.59。為了檢驗?zāi)Ｐ偷目煽啃?，以及實際試驗的可操作性，將接種量取為16%、發(fā)酵溫度取為30 ℃、初始pH值取為5.6，在此條件下進行驗證試驗，平行測定3次，所得到真蛋白含量的平均值為22.95%，與模型預(yù)測的結(jié)果很接近，表明該模型可信，具有實際的應(yīng)用價值。

2.7 擴大驗證試驗發(fā)酵品質(zhì)測定

在最優(yōu)工藝條件下，根據(jù)實際生產(chǎn)條件，取1 kg陳年薯渣進行擴大發(fā)酵試驗，對發(fā)酵原料和發(fā)酵產(chǎn)物采用三點法取樣，并對發(fā)酵后產(chǎn)物進行各項指標測定。從表7可以看出：經(jīng)過發(fā)

2.8 發(fā)酵產(chǎn)物對育肥豬喂養(yǎng)試驗研究

試驗豬基礎(chǔ)日糧由養(yǎng)殖場提供，育肥結(jié)束后，測定料肉比、屠宰率、肉品質(zhì)。由表8可知，2號試驗組的料肉比最小，小于對照組，并且優(yōu)于1號和3號試驗組，各試驗組屠宰率結(jié)果中，2號試驗組大于其他試驗組，因此選用添加10%的甘薯渣發(fā)酵產(chǎn)物作為最佳的添加量。由表9可知，鮮肉pH值在6.2左右，肉色評分在3～4分之間，色澤良好，大理石紋評分在4左右，肌肉脂肪呈適量分布。上述結(jié)果表明甘薯渣發(fā)酵產(chǎn)物的添加對鮮肉品質(zhì)無影響。

3 結(jié)論與討論

通過利用復(fù)合微生物菌劑對陳年甘薯渣進行發(fā)酵，提高發(fā)酵產(chǎn)物的真蛋白含量并且應(yīng)用于育肥豬的飼喂過程中。通過單因素試驗，試驗因素分別為接種量、發(fā)酵溫度、初始pH值，利用響應(yīng)面法對發(fā)酵條件進行優(yōu)化，在最優(yōu)條件下，根據(jù)實際生產(chǎn)情況進行擴大驗證試驗，結(jié)果表明與預(yù)測模型十分相近，并且真蛋白含量的增加率為47.68%。將發(fā)酵產(chǎn)物作為飼料添加物，對育肥豬進行飼喂試驗，結(jié)果表明，當添加量為10%時，與其他組相比料肉比小、屠宰率高。說明添加10%發(fā)酵產(chǎn)物后的飼料適口性好，并且經(jīng)過檢測鮮肉品質(zhì)較之前有所提高。試驗結(jié)果表明，將陳年甘薯渣作為原材料發(fā)酵生產(chǎn)豬蛋白飼料，是一種可行的方法，它不僅可高效利用甘薯中的營養(yǎng)成分，且對生態(tài)環(huán)境沒有造成任何污染，整個過程是一個綠色高效循環(huán)的農(nóng)業(yè)模式，具有良好的應(yīng)用和推廣前景。

參考文獻：

[1]Lei H，Wang H L，Ning T T，et al. Protein enrichment of potato starch residue by solid state fermentation with mixed strains[J]. Journal of Animal and Veterinary Advances，2012，11（15）：2700-2705.

[2]Hao Z H，Wang D J，Chen H，et al. Sweet potato starch residue as starting material to prepare polyacrylonitrile adsorbent via SI-SET-LRP[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry，2014，62（8）：1765-1770.

[3]Minh N P. Technical factors affecting to production of sweet potato wine[J]. Int J Pure App Biosci，2015，3（2）：237-240.

[4]Hsu P K，Liu C P，Liu Li Yun，et al. Protein enrichment and digestion improvement of napiergrass and pangolagrass with solid-state fermentation[J]. Journal of Microbiology，2013，46（3）：171-179.

[5]Hu C C，Liu Li Yun，Yang S S. Protein enrichment，cellulase production and in vitro digestion improvement of pangolagrass with solid state fermentation[J]. Journal of Microbiology，2012，45（1）：7-14.

[6]Liu G，Yang G，F(xiàn)ang T，et al. NMR-based metabolomic studies reveal changes in biochemical profile of urine and plasma from rats fed with sweet potato fiber or sweet potato residue[J]. RSC Advances，2014，4（45）：23749-23758.

[7]Zhang K，F(xiàn)eng H. Fermentation potentials of Zymomonas mobilis and its application in ethanol production from low-cost raw sweet potato[J]. African Journal of Biotechnology，2010，9（37）：6122-6128.

[8]Mutua F K，Dewey C，Arimi S，et al. A description of local pig feeding systems in village smallholder farms of Western Kenya[J]. Tropical Animal Health and Production，2012，44（6）：1157-1162.

[9]Wang X Y，Zhang S T，Wang J，et al. Exploring optimal feed to microbes ratio for anaerobic acidogenic fermentation of cassava residue from brewery[J]. BioResources，2012，7（1）：1111-1122.

[10]Onyimba I A，Ogbonna C C，Akueshi C O，et al. Changes in the nutrient composition of brewery spent grain subjected to solid state natural fermentation[J]. Nigerian Journal of Biotechnology，2015，20（1）：55-60.

[11]Mussoline W A，Wilkie A C. Anaerobic digestion potential of coproducts associated with ethanol production from sweetpotato：a review[J]. Industrial Biotechnology，2015，11（2）：113-126.

[12]Tsai C C，Chiu T H，Ho C Y，et al. Effects of anti-hypertension and intestinal microflora of spontaneously hypertensive rats fed gamma-aminobutyric acid-enriched Chingshey purple sweet potato fermented milk by lactic acid bacteria[J]. African Journal of Microbiological Research，2013，7（11）：932-940.

[13]Díaz I，González C，Reyes J L，et al. Digestion of sweet potato（Ipomea batatass Lam）foliage in pigs Ileal and fecal in vitro digestibility[J]. Cuban Journal of Agricultural Science，2013，47（1）：289.

[14]Soo C S，Yap W S，Hon W M，et al. Mini review：Hydrogen and ethanol co-production from waste materials via microbial fermentation[J]. World Journal of Microbiology and Biotechnology，2015，31（10）：1475-1488.

[15]Sanusi G O，Belewu M A，Oduguwa B O，et al. Changes in chemical composition of jatroph curcas kernel cake after solid-state fermentation using some selected fungi[J]. Global Journal of Biology，Agriculture and Health Science，2013，2（2）：66-68.

[16]胡艷麗，王克然.飼料中真蛋白的測定[J]. 河南畜牧獸醫(yī)，2007，28（10）：31-32.

[17]張世仙，余永華，金 茜，等. 凱氏定氮法測定茅臺醬香型酒酒糟蛋白質(zhì)含量[J]. 中國釀造，2013，32（1）：130-132.

[18]張 艷，劉均娥，張 晶，等. 平板活菌計數(shù)法檢測糞便中的腸道菌群[J]. 首都醫(yī)科大學(xué)學(xué)報，2008，29（1）：85-86.

[19]孫朋朋，宋春陽.豬肉品質(zhì)的評價指標及營養(yǎng)因素對豬肉品質(zhì)影響的研究進展[J]. 豬業(yè)科學(xué)，2014（2）：112-117.

[20]周 波，黃瑞華，曲 亮，等. 色差儀和肉色板在豬肉肉色評定中的應(yīng)用[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007（2）：121-124.阮國良，柯玉清，楊代勤. 限食水平和時間對黃鱔血細胞數(shù)的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（4）：285-287.