玉米秸稈與豆粕混合發(fā)酵飼料工藝研究

劉勁松，張俊奇，劉 輝，陳凡榮

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玉米秸稈與豆粕混合發(fā)酵飼料工藝研究

劉勁松，張俊奇，劉 輝，陳凡榮

（中糧生化能源（肇東）有限公司，黑龍江 肇東 151100）

研究了以玉米秸稈和豆粕為主要原料制備微生物發(fā)酵飼料的操作條件。開展了pH、配料含水量、發(fā)酵溫度、乳酸菌接種量、枯草芽孢桿菌接種量等不同工藝參數(shù)的發(fā)酵優(yōu)化。結(jié)果顯示：采用pH為5.5、配料含水量為35%、發(fā)酵溫度40 ℃、乳酸菌接種量為5‰，枯草芽孢桿菌接種量為1‰的工藝參數(shù)進(jìn)行發(fā)酵，效果較好。

微生物飼料；發(fā)酵；接種比例

玉米秸稈是主要農(nóng)作物秸稈之一，具有來源廣、數(shù)量大、價(jià)格低、競爭用途少和開發(fā)利用潛力大等特點(diǎn)。目前世界稻稈年產(chǎn)量約29億t，玉米秸稈占世界稻稈年產(chǎn)量的35%，中國稻稈年產(chǎn)量約7億t，其中玉米秸稈約占全國稻稈年產(chǎn)量56.6%[1]。目前用作飼料的玉米秸稈約占其中的13%、造紙占12%、燃料占25%[2]；尚有50%左右的資源直接還田，燒荒或丟棄，既浪費(fèi)了資源又污染了環(huán)境。

我國是一個(gè)農(nóng)牧業(yè)大國，2010年-2013年全球飼料產(chǎn)量呈增長狀態(tài)，亞洲地區(qū)位居全球飼料產(chǎn)量第一，2013年全球飼料產(chǎn)量達(dá)9.63億t，我國飼料總產(chǎn)量達(dá)1.9億t占全球飼料產(chǎn)量的20%左右[3]，隨著畜禽數(shù)量和飼料需求量的與年俱增,畜禽與人爭糧問題已引起廣泛重視，在中國，85%的畜禽產(chǎn)品是由散養(yǎng)殖戶提供的[4]，由于散養(yǎng)殖戶的個(gè)人能力以及生產(chǎn)規(guī)模等原因，使得大部分散養(yǎng)殖戶無法對(duì)秸稈進(jìn)行有效的加工利用，進(jìn)一步抑制了秸稈的飼料化發(fā)展。因此，合理開發(fā)利用稻稈作為飼料資源，為牛和羊等草食家畜提供物質(zhì)基礎(chǔ)，是許多國家尤其是發(fā)展中國家研究的重點(diǎn)方向[5]。目前，對(duì)于單一的玉米秸稈處理已經(jīng)有了較為成熟的工藝，但是由于秸稈少蛋白、低能量和多纖維的營養(yǎng)特點(diǎn)，使得玉米秸稈很難作為成品的飼料商品進(jìn)行銷售，影響了秸稈飼料的推廣。

本文針對(duì)玉米秸稈少蛋白、低能量的營養(yǎng)成分特點(diǎn)，將豆粕與玉米秸稈進(jìn)行混合，以豆粕豐富的蛋白質(zhì)和微量元素[6]含量來彌補(bǔ)玉米秸稈的不足，通過采用微生物發(fā)酵技術(shù)，對(duì)混合后的原料進(jìn)行處理，在消除抗?fàn)I養(yǎng)因子，釋放多肽等營養(yǎng)物質(zhì)的同時(shí)，能夠保存菌種活性，制作富含益生菌的飼料產(chǎn)品。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

1.1.1 試驗(yàn)材料

玉米秸稈：肇東農(nóng)村地區(qū)采購；豆粕：市場采購；甘蔗糖蜜：市場采購；枯草芽孢桿菌：遼寧華星生物科技有限公司，活菌數(shù)≥200×108CFU/g；乳酸菌：四川高福記生物科技有限公司，活菌數(shù)≥200×108CFU/g。

1.1.2 主要試劑

MRS培養(yǎng)基、酵母浸粉、蛋白胨、葡萄糖、氯化鈉、瓊脂、氫氧化鈉。

1.2 儀器與設(shè)備

恒溫培養(yǎng)箱（GHP-9160 上海一恒科學(xué)技術(shù)儀器有限公司）；高壓滅菌鍋（MJ-45A 無錫益騰壓力容器有限公司）；紫外分光光度計(jì)（UV-2802 尤尼科科學(xué)儀器有限公司）；分析天平（Mettler AL204 梅特勒- 托利多儀器上海有限公司）；分析天平（Mettler PL4002 梅特勒-托利多儀器上海有限公司）；萬能粉碎機(jī)（WF-20B 江陰市億豐機(jī)械設(shè)備有限公司）；pH 計(jì)（PHS-3C 上海精密科學(xué)儀器有限公司雷磁儀器廠）；封口機(jī)（SF-300 廣林機(jī)械設(shè)備有限公司）；恒溫?fù)u床（ZHWY-2112F 上海智城分析儀器制造有限公司）；恒溫?fù)u床（ZWF-2102C 上海智城分析儀器制造有限公司）。

1.3 檢測方法

（1）水分測定方法：GBT 6435-2006 飼料中水分和其他揮發(fā)性物質(zhì)含量的測定。

（2）枯草芽孢桿菌數(shù)量測定方法：平板計(jì)數(shù)法[7]。

（3）乳酸菌數(shù)量測定方法：平板涂布法[8]。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 菌種適宜生長條件探索

將菌粉按1:10比例復(fù)水活化，將活化液按1%比例分別加入不同pH的對(duì)應(yīng)培養(yǎng)液內(nèi)，測試不同溫度或不同pH條件下菌種的生長情況。

1.4.2 玉米秸稈與豆粕混合發(fā)酵參數(shù)探索

將玉米秸稈與粉碎后的豆粕和甘蔗糖蜜按9:6:1的比例進(jìn)行混合，將混合后的物料按照試驗(yàn)要求與水混合配制成不同水分含量低溫，再以不同乳酸菌接種量、不同枯草芽孢桿菌接種量、不同pH、不同發(fā)酵溫度為試驗(yàn)因素，進(jìn)行密閉發(fā)酵，通過多因子實(shí)驗(yàn)，尋找關(guān)鍵影響因子和最佳優(yōu)化組合。

2 結(jié)果與分析

2.1 枯草芽孢桿菌生長條件測定

枯草芽孢桿菌屬于細(xì)菌的一科，屬于厚壁菌門，在發(fā)酵飼料中芽孢桿菌主要發(fā)揮兩大作用，一方面是提高飼料的消化性和營養(yǎng)價(jià)值，另一方面是產(chǎn)生抗菌肽和細(xì)菌素抑制有害菌的生長和腐敗作用，芽孢桿菌不僅可以促進(jìn)多糖、淀粉和蛋白質(zhì)的水解，還可以促進(jìn)共生的乳酸菌生長，具調(diào)查攝食枯草芽孢桿菌飼料的動(dòng)物發(fā)育良好，血清中溶菌酶水平提高，致使疾病率與死亡率均顯著下降[9]。

通過圖1、圖2可以看出，隨著培養(yǎng)基pH的升高，枯草芽孢桿菌的菌濃度隨之增加；隨著培養(yǎng)溫度的提高，枯草芽孢桿菌的生長速度明顯加快，但OD值隨之降低。根據(jù)菌種活力以及穩(wěn)定性等多方面因素考慮，選擇30 ℃、pH7.0為枯草芽孢桿菌的最適條件。

圖1 不同溫度條件下枯草芽孢桿菌生長對(duì)比

圖2 不同pH條件下枯草芽孢桿菌生長對(duì)比

2.2 乳酸菌生長條件測定

乳酸菌同樣屬于細(xì)菌的一個(gè)分支厚壁菌門，乳酸菌是飼料中應(yīng)用最早、最廣泛的菌類，在飼料中發(fā)揮以下作用：產(chǎn)生抗菌素抑制和殺滅有害菌使其不能生長繁殖，減少或殺滅有害物質(zhì)，使動(dòng)物體內(nèi)毒素含量降低從而增強(qiáng)使原宿主抗異能力，增強(qiáng)在競爭中占優(yōu)勢；提高飼料的營養(yǎng)價(jià)值，在活菌體內(nèi)和代謝產(chǎn)物中含有較高的超氧化物歧化酶可以增強(qiáng)動(dòng)物的體液免疫和細(xì)胞免疫[10]；將糖類分解改善物料風(fēng)味和適口性。

通過圖3、圖4可以看出，在32 ℃和35 ℃培養(yǎng)溫度下，乳酸菌的生長速率相差不大，在37 ℃時(shí)，乳酸菌生長速率明顯增高，但最終OD值略低于采用35 ℃進(jìn)行培養(yǎng)；在不同pH培養(yǎng)基環(huán)境下，前期菌液的OD值并未呈現(xiàn)出非常明顯的差別，但隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，高pH的試驗(yàn)組OD值開始呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢。根據(jù)菌種活力以及穩(wěn)定性等多方面因素考慮，選擇35 ℃、pH5.0為乳酸菌的最適條件。

圖3 不同溫度條件下乳酸菌生長對(duì)比

圖4 不同pH條件下乳酸菌生長對(duì)比

2.3 玉米秸稈與豆粕混合發(fā)酵參數(shù)測定

由于試驗(yàn)因素較多，對(duì)全部因子進(jìn)行交互試驗(yàn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此，利用minitab軟件進(jìn)行輔助[11]，設(shè)計(jì)部分因子試驗(yàn)，以之前試驗(yàn)出的乳酸菌和枯草芽孢桿菌最適生長條件為界限，擬定試驗(yàn)因子為pH(最小值5.0、最大值7.0)、溫度(最小值30 ℃、最大值35 ℃)、水分(最小值35%、最大值40%)、乳酸菌接種量(最小值1‰、最大值5‰)、枯草芽孢桿菌接種量(最小值1‰、最大值5‰)，具體設(shè)計(jì)如下：

每個(gè)試驗(yàn)組重復(fù)進(jìn)行三次試驗(yàn)，在發(fā)酵過程第1、3、7、15 d分別對(duì)各試驗(yàn)組取樣進(jìn)行顏色、氣味、酸度、水分、微生物數(shù)量等檢測、并根據(jù)各試驗(yàn)組發(fā)酵水平，進(jìn)行綜合評(píng)定，將綜合評(píng)定值平均平均數(shù)返回設(shè)計(jì)軟件，通過回歸方程，經(jīng)層層刪減，計(jì)算各因子影響性（表1-2）。

表1 部分因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表2 試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)及綜合評(píng)定

通過軟件計(jì)算，得出模型及回歸方程，其-sq=99.63%、-sq（調(diào)整）=99.06%，說明刪去所有影響不顯著項(xiàng)后的模型結(jié)構(gòu)較好，回歸方程具有較好的預(yù)測能力。其控制方程式（精簡模式）如下：

綜合評(píng)定值=6.2062+0.1812水分-0.0312pH+ 0.1438溫度 +0.9313乳酸菌接種量-0.6187枯草芽孢桿菌接種量-0.1812水分×溫度-0.0813pH×乳酸菌接種量+0.1937pH×枯草芽孢桿菌接種量-0.1063溫度×枯草芽孢桿菌接種量（圖5）。

圖5 評(píng)價(jià)值的效應(yīng)Pareto

通過效應(yīng)Pareto可以看出，試驗(yàn)的關(guān)鍵因子為D、E、BE、A、AC、C、CE、BD，即乳酸菌接種量、枯草芽孢桿菌接種量、pH×枯草芽孢桿菌接種量、水分、水分×溫度、溫度、溫度×枯草芽孢桿菌接種量、pH×乳酸菌接種量（圖6）。

圖6 評(píng)價(jià)值的主效應(yīng)圖

通過主效應(yīng)圖可以看出，乳酸菌接種量和枯草芽孢桿菌接種量的斜率較大，說明其對(duì)發(fā)酵的影響顯著，水分、溫度、pH的斜率較為平緩，說明其對(duì)發(fā)酵的影響不顯著。因子的重要順序?yàn)镈＞E＞A＞C＞B（乳酸菌接種量＞枯草芽孢桿菌接種量＞水分＞溫度＞pH）。

通過交互作用圖可以看出，水分與pH、水分與溫度之間存在著一定的交互作用外，其余因子間不存在明顯的交互作用關(guān)系（圖7-8）。

圖7 評(píng)價(jià)值的交互作用

Fig.7Interaction evaluation

圖8 相應(yīng)優(yōu)化圖

Fig.8Corresponding optimization

通過相應(yīng)優(yōu)化器，利用控制方程式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出最佳操作水平為pH 5.5、溫度35 ℃、配料水分40%、乳酸菌接種量5‰、枯草芽孢桿菌接種量1‰。

采用最佳操作水平數(shù)據(jù)對(duì)進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證結(jié)果的穩(wěn)定性，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在發(fā)酵15 d時(shí)，飼料具氣味芳香，顆粒松散，乳酸菌活菌數(shù)＞4×107CFU/g，枯草芽孢桿菌活菌數(shù)＞2×107CFU/g最終評(píng)價(jià)值為8.9，優(yōu)于其他試驗(yàn)組。

由于研究方向以及設(shè)備儀器的原因，本次實(shí)驗(yàn)主要對(duì)發(fā)酵飼料感官評(píng)價(jià)及益生菌數(shù)量，進(jìn)行了比較，并未對(duì)發(fā)酵前后的小肽類、氨基酸類等微量營養(yǎng)成分，以及飼料的消化能。代謝能等進(jìn)行詳細(xì)檢測，后續(xù)我們將對(duì)飼料發(fā)酵前后小肽、氨基酸、微量元素的變化，并開展動(dòng)物飼喂研究，以找出最優(yōu)發(fā)酵方案。

3 結(jié) 論

經(jīng)過初步研究，采用pH5.5、溫度35 ℃、配料水分40%、乳酸菌接種量5‰、枯草芽孢桿菌接種量1‰作為工藝條件進(jìn)行發(fā)酵時(shí)，能獲得較高的益生菌數(shù)量和較優(yōu)的感官評(píng)價(jià)結(jié)果，發(fā)酵效果較好。

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Study on Production Process of Fermented Feed With Corn Stalk and Soybean Meal

，，，

（COFCO Bio-energy（zhaodong）Co.Ltd.，Heilongjiang Zhaodong 151100，China）

The operating conditions of preparing microbial fermented feed from corn stalk and soybean meal were studied. Various fermentation conditions such as pH, water content, fermentation temperature, inoculation amount of Lactobacillus and Bacillus subtilis were optimized. The results show that the optimal conditions of fermentation are as follows: pH 5.5, water content 35%, fermentation temperature 40 ℃, inoculation amount 5‰ for Lactobacillus and inoculation amount 1‰ for Bacillus subtilis.

microbial feed；fermentation；inoculation ratio

TQ 929

A

1671-0460（2016）09-2105-04

2016-08-09

劉勁松（1974-），男，高級(jí)工程師，博士，主要從事谷物發(fā)酵生產(chǎn)酒精及生物質(zhì)能源方面的研究工作。E-mail：liujinsong@cofco.com。