利用糖蜜和甜菜粕開發(fā)固態(tài)發(fā)酵飼料的初步探索

王健，張棟，趙抒娜，，吳子毅，趙金力，陳凌超，張思聰，武運(yùn)，王寶，

（1.中糧營(yíng)養(yǎng)健康研究院有限公司/老年?duì)I養(yǎng)食品研究北京市工程實(shí)驗(yàn)室/營(yíng)養(yǎng)健康與食品安全北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102209；2.中糧糖業(yè)遼寧有限公司，遼寧營(yíng)口 115212；3.中糧屯河糖業(yè)股份有限公司/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部糖料與番茄質(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆昌吉 831100；4.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052）

0 引言

甜菜粕是甜菜在制糖過(guò)程中，經(jīng)切絲、滲出、提糖后得到的含糖率很低的甜菜絲[1]，其主要成分為纖維素、半纖維素和果膠，還含有少量蛋白質(zhì)、糖分、礦物質(zhì)、甜菜堿、煙酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。甜菜粕顆粒能夠?yàn)閯?dòng)物提供能量，維持動(dòng)物瘤胃pH 值正常，是一種優(yōu)良的飼料資源[2-3]。新鮮甜菜粕的含水量較高，存在運(yùn)輸不便、銷售半徑有限等問(wèn)題，而且高含水量的甜菜粕在儲(chǔ)存過(guò)程中不可避免地會(huì)發(fā)生變質(zhì)腐爛，不僅造成大量浪費(fèi)，更能污染生態(tài)環(huán)境，亟待找到可行的解決方案。糖蜜作為甜菜制糖工業(yè)的另一大主要副產(chǎn)物，是一種粘稠、黑褐色、呈半流動(dòng)狀態(tài)的液體，其主要成分為蔗糖、葡萄糖、果糖、粗蛋白、可溶性膠體和礦物質(zhì)等。糖蜜具有消化吸收快、提高適口性、降低粉塵、提高顆粒質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，是一種物美價(jià)廉的飼料能量原料[4-5]。目前，大部分糖蜜是以液態(tài)形式進(jìn)行出售，液體狀態(tài)使得其存儲(chǔ)、運(yùn)輸過(guò)程存在較多的不便，這也嚴(yán)重限制了糖蜜的運(yùn)輸半徑和使用范圍。

圍繞甜菜粕和糖蜜的資源化利用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛的研究。從甜菜粕可以提取多種高附加值的工業(yè)及民用產(chǎn)品，如果膠、聚乳酸、阿魏酸、阿拉伯糖、半乳糖醛酸等，并可制作聚酰胺或增塑劑、螯合劑和吸附劑、酶類及蛋白質(zhì)等高附加值產(chǎn)品[6]。張睿[7]的研究表明，通過(guò)優(yōu)化發(fā)酵條件，可以利用甜菜糖蜜制取低聚果糖，使低聚果糖的產(chǎn)率大幅提高，增加糖蜜的附加值。李秀永[8]采用串聯(lián)樹脂吸附處理甜菜糖蜜酒精廢液,可以從中提取甜菜堿等活性物質(zhì)，提取物具有一定的抗氧化能力。上述研究均以制糖工業(yè)的副產(chǎn)物進(jìn)行二次開發(fā)，需要額外投資生產(chǎn)線及工藝，對(duì)產(chǎn)業(yè)而言存在投資風(fēng)險(xiǎn)和難度，且將甜菜糖蜜和甜菜粕進(jìn)行分開應(yīng)用，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)物的協(xié)同利用。

本文將甜菜糖廠副產(chǎn)物甜菜粕和糖蜜進(jìn)行協(xié)同利用，采用擠壓脫水方式控制甜菜粕含水量，并添加固形物含量相對(duì)較高的糖蜜，在厭氧密封狀態(tài)進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵。通過(guò)添加乳酸菌來(lái)降解可溶性糖類產(chǎn)生乳酸，降低飼料的pH值，以抑制霉菌和其他細(xì)菌的生產(chǎn)繁殖，不僅可以實(shí)現(xiàn)青綠多汁飼料長(zhǎng)期保存，還可以提升飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[9]。本文通過(guò)檢測(cè)固態(tài)發(fā)酵后的營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)、有機(jī)酸、菌群數(shù)量、真菌毒素等，結(jié)合感官評(píng)價(jià)以綜合評(píng)價(jià)固態(tài)發(fā)酵的質(zhì)量，以探討糖蜜和甜菜粕固態(tài)發(fā)酵的可能性。有望解決高含水甜菜粕的難以長(zhǎng)期保存問(wèn)題，同時(shí)可以提升甜菜糖兩大副產(chǎn)物的飼用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

甜菜粕（含水量75%）和糖蜜（錘度85oBx、含水量15%）：由中糧屯河新源糖業(yè)股份有限公司提供。乳酸菌：采購(gòu)自臺(tái)灣亞芯公司，菌1：秸稈青貯發(fā)酵劑，活性乳酸菌含量≥100 億/g，適用于糖分含量較低物料的青貯發(fā)酵；菌2：全株玉米青貯發(fā)酵劑，活性乳酸菌含量≥100 億/g，適用于水分和糖分含量較高物料的青貯發(fā)酵。使用時(shí)，將菌種加水溶解，按照一定的比例添加到原料中。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分為不添加菌種與添加菌種兩個(gè)部分，菌種類別、糖蜜含量和含水量如表1 所示，菌種的添加量為每噸發(fā)酵飼料添加20 g 菌種。由于糖蜜固形物含量高，因此試驗(yàn)時(shí)可以通過(guò)調(diào)控糖蜜的添加量來(lái)控制終產(chǎn)品的含水量，根據(jù)終產(chǎn)品的含水量計(jì)算所需甜菜粕和糖蜜的比例。將菌種溶液和糖蜜加入到甜菜粕中，添加時(shí)充分混合均勻并壓實(shí)、封口，模擬實(shí)際生產(chǎn)中的窖貯或真空裹包，在常溫、真空狀態(tài)下厭氧發(fā)酵。

表1 甜菜粕固態(tài)發(fā)酵條件Table 1 Conditions for solid state fermentation of beet pulp

1.3 檢測(cè)指標(biāo)與評(píng)定方法

檢測(cè)產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)、有機(jī)酸、菌群數(shù)量、真菌毒素，具體檢測(cè)項(xiàng)目和檢測(cè)依據(jù)如表2所示。

表2 檢測(cè)項(xiàng)目和檢測(cè)依據(jù)Table 2 Test items and test standards

此外，根據(jù)奶牛營(yíng)養(yǎng)需求標(biāo)準(zhǔn)NRC（2001）[10]計(jì)算甜菜粕飼料的代謝能、泌乳凈能、維持凈能、增重凈能，根據(jù)樣品質(zhì)量和消化后殘?jiān)|(zhì)量來(lái)計(jì)算干物質(zhì)消化率。

1.4 感官評(píng)定

我國(guó)現(xiàn)行的青貯飼料質(zhì)量評(píng)定依據(jù)是1996年農(nóng)業(yè)部下發(fā)的《青貯飼料質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，包括了感官評(píng)定和化學(xué)評(píng)定。青貯完成啟用時(shí)，從青貯飼料的氣味、顏色、質(zhì)地等方面進(jìn)行感官評(píng)定[11]。固態(tài)發(fā)酵后的色澤為綠色或黃色為最佳；固態(tài)發(fā)酵后若具有輕微酸味或果香味則代表品質(zhì)較高，有腐臭、霉變等異味則說(shuō)明固態(tài)發(fā)酵質(zhì)量不佳。

2 結(jié)果與分析

2.1 固態(tài)發(fā)酵對(duì)粗蛋白含量的影響

固態(tài)發(fā)酵完成后，測(cè)定粗蛋白的含量，分析不同試驗(yàn)方案對(duì)固態(tài)發(fā)酵飼料粗蛋白的影響，結(jié)果如表1所示。由圖1A 分析，不添加糖蜜和乳酸菌的甜菜粕原料粗蛋白的含量?jī)H為11.46%，而添加乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)品Y1和Y2 粗蛋白的含量均值為12.39%，6 組添加糖蜜的乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)品中粗蛋白含量更高，最高可達(dá)14.49%，Y3～Y8粗蛋白含量均值為13.08%，表明在甜菜粕中添加乳酸菌可以強(qiáng)化甜菜粕原料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，而添加糖蜜，經(jīng)乳酸菌發(fā)酵后可以進(jìn)一步增加粗蛋白的含量。

圖1 固態(tài)發(fā)酵對(duì)粗蛋白含量（A）和洗滌纖維含量（B）的影響Fig. 1 Effect of solid state fermentation on crude protein(A)and detergent fiber content(B)

2.2 固態(tài)發(fā)酵對(duì)酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維的影響

飼料中的酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維可以影響動(dòng)物的瘤胃消化率和采食率[12]。相較甜菜粕原料，經(jīng)固態(tài)發(fā)酵后的酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量變化不一（見圖1B）。試驗(yàn)組Y3、Y5、Y7 的含水量均為70%，菌種的添加不同，相較未添加菌種的Y3，添加菌種1，Y5 的酸性洗滌纖維含量下降，中性洗滌纖維稍微升高；而添加菌種2，Y7 的酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維均有所下降。當(dāng)含水量降低至65%時(shí)，如Y4、Y6、Y8 數(shù)據(jù)所示，添加菌種1，Y6 酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量均上升；而添加菌種2，Y8 酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量均下降。存在上述差異的原因可能是本研究所采用菌種由乳酸菌與酶制劑構(gòu)成，兩種菌種適用范圍存在一定的區(qū)別，在不同的含水量下，其活性和代謝產(chǎn)物也存在一定差異。

2.3 固態(tài)發(fā)酵對(duì)粗纖維含量與干物質(zhì)消化率的影響

粗纖維是植物細(xì)胞壁的主要組成成分，包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及角質(zhì)等成分。如圖2A 所示，在發(fā)酵試驗(yàn)中，不同試驗(yàn)處理下固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)品的粗纖維含量可達(dá)12.30%，均值為14.71%，顯著低于甜菜粕的粗纖維含量（22.72%），說(shuō)明發(fā)酵過(guò)程存在強(qiáng)烈的微生物活動(dòng)，粗纖維降解速率快，粗纖維含量顯著下降。干物質(zhì)消化率是指飼料中動(dòng)物可消化吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)占總營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的百分比，干物質(zhì)消化率越高，表明飼料中可被動(dòng)物有效利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)占比越高。試驗(yàn)處理后，干物質(zhì)消化率可達(dá)82.14%，Y3～Y8的干物質(zhì)消化率均值為78.87%，顯著高于甜菜粕原料70.05%。經(jīng)過(guò)發(fā)酵，粗纖維降解為更易吸收的小分子單糖多糖，有利于動(dòng)物對(duì)飼料的消化利用。

在乳酸菌發(fā)酵過(guò)程中添加糖蜜，Y1 的干物質(zhì)消化率則由74.81%增加至Y5 的75.42%，Y2 的干物質(zhì)消化率則由80.13%增加至Y7的82.08%，表明添加糖蜜對(duì)乳酸菌發(fā)酵有促進(jìn)作用。糖蜜富含蔗糖，可為乳酸菌生長(zhǎng)繁殖提供能量，從而加劇乳酸菌活動(dòng)，促進(jìn)粗纖維降解，提高動(dòng)物對(duì)飼料中總干物質(zhì)的消化利用效率。

2.4 固態(tài)發(fā)酵對(duì)能量指標(biāo)的影響

固態(tài)發(fā)酵對(duì)甜菜粕飼料代謝能的影響如圖2B所示，可以看出添加糖蜜乳酸菌發(fā)酵的能量指標(biāo)出現(xiàn)不規(guī)則變化。糖蜜含糖率可達(dá)到50%以上，能量指標(biāo)高于甜菜粕原料，因此，添加糖蜜后，Y5 的代謝能、泌乳凈能、維持凈能和增重凈能均高于Y1，Y7的代謝能、泌乳凈能、維持凈能和增重凈能也均高于Y2。當(dāng)甜菜粕含水量不同時(shí)，不添加菌種的Y4 的代謝能、泌乳凈能、維持凈能和增重凈能均高于Y3。而通過(guò)糖蜜來(lái)調(diào)節(jié)甜菜粕含水量時(shí)，添加菌種1時(shí)，低含水量的Y6的代謝能、泌乳凈能、維持凈能和增重凈能均低于Y5；添加菌種2 時(shí)，低含水量的Y8 的代謝能、泌乳凈能、維持凈能和增重凈能均高于Y7，可能是由于添加糖蜜后促進(jìn)了菌種1繁殖速度，消耗養(yǎng)分量增加，導(dǎo)致最終發(fā)酵產(chǎn)品能量指標(biāo)出現(xiàn)下降。

圖2 固態(tài)發(fā)酵對(duì)粗纖維含量與干物質(zhì)消化率（A）及代謝能（B）的影響Fig. 2 Effect of solid state fermentation on crude fiber content,dry matter digestibility(A)and metabolic energy(B)

2.5 固態(tài)發(fā)酵對(duì)有機(jī)酸和pH值的影響

在固態(tài)發(fā)酵飼料的質(zhì)量評(píng)定中，有機(jī)酸含量及構(gòu)成也是重要組成部分。有機(jī)酸包括乳酸、乙酸、丙酸和丁酸，其存在總量與乳酸含量可以反映固態(tài)發(fā)酵過(guò)程的好壞。

如表3 所示，可以發(fā)現(xiàn)乳酸菌處理的8組乳酸含量均高于甜菜粕原料，表明了加入乳酸菌種可以提升乳酸菌含量。對(duì)比Y1 和Y5、Y2 和Y7，發(fā)現(xiàn)相同條件下，在固態(tài)發(fā)酵甜菜粕的體系中添加一定量糖蜜，乳酸的含量大幅提升，如Y7 乳酸含量達(dá)到2.14%，高于不添加糖蜜Y2 的0.50%，添加糖蜜后乳酸含量約增加4 倍。此外，糖蜜添加量越高，乳酸含量越高，如Y6 乳酸含量達(dá)到2.58%，Y4 達(dá)2.65%，高于糖蜜更低的Y5 的1.92%，表明糖蜜對(duì)發(fā)酵過(guò)程有明顯促進(jìn)作用。

表3 甜菜粕原料及固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)品有機(jī)酸含量Table 3 Organic acid content of beet pulp and solid fermentation products

pH 值是評(píng)價(jià)固態(tài)發(fā)酵飼料品質(zhì)最簡(jiǎn)單且最直觀的指標(biāo)之一，pH 值越低，酸度越大，固態(tài)發(fā)酵飼料越容易保存。試驗(yàn)時(shí)，跟蹤甜菜粕固態(tài)發(fā)酵過(guò)程的pH 值變化，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，pH 值在發(fā)酵初期下降迅速，在發(fā)酵10 d 以后，添加糖蜜的試驗(yàn)樣品pH 值下降到3.0 以下，不添加糖蜜的試驗(yàn)樣品pH 值要偏高，為4.0左右，表明添加糖蜜可以促進(jìn)乳酸菌的發(fā)酵，提高乳酸產(chǎn)量，降低pH值。

2.6 固態(tài)發(fā)酵對(duì)菌群數(shù)量的影響

甜菜粕固態(tài)發(fā)酵中所含主要微生物為乳酸菌、酵母菌、霉菌，在成功的固態(tài)發(fā)酵中乳酸菌含量最多，是固態(tài)發(fā)酵中的有益微生物，后兩種微生物在固態(tài)發(fā)酵初期較活躍，很快進(jìn)入穩(wěn)定的休眠狀態(tài)。試驗(yàn)中檢測(cè)了甜菜粕原料、甜菜粕加菌發(fā)酵樣品中的菌群數(shù)量。在甜菜粕原料中，霉菌小于10 CFU/g，酵母菌約40 CFU/g，乳酸菌數(shù)量?jī)H為1.0×104CFU/g，低水平的菌落數(shù)量有利于甜菜粕的保存。糖蜜和甜菜粕加菌固態(tài)發(fā)酵后樣品中霉菌小于10 CFU/g，酵母菌約3.7×104CFU/g，乳酸菌數(shù)量高達(dá)8.0×108CFU/g。由數(shù)據(jù)可知，乳酸菌菌群數(shù)量始終占主導(dǎo)地位，對(duì)比發(fā)酵前后的數(shù)據(jù)，說(shuō)明了添加乳酸菌可有效抑制霉菌的生長(zhǎng)，酵母菌數(shù)量的增長(zhǎng)可能是因?yàn)樘鸩似杉犹敲酆蠼湍妇换罨?，進(jìn)行了生長(zhǎng)繁殖。

2.7 真菌毒素檢測(cè)

飼料中常見真菌毒素包括黃曲霉素、玉米赤霉烯酮、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇。對(duì)甜菜粕發(fā)酵產(chǎn)品中的3種真菌毒素進(jìn)行檢測(cè)，均未檢出，即固態(tài)發(fā)酵的產(chǎn)品能夠滿足飼料的相關(guān)要求，不會(huì)對(duì)動(dòng)物的健康產(chǎn)生不利影響。

2.8 感官評(píng)價(jià)

現(xiàn)場(chǎng)指標(biāo)評(píng)定結(jié)果是由固態(tài)發(fā)酵料的氣味、結(jié)構(gòu)、色澤等相關(guān)感官指標(biāo)綜合評(píng)定而來(lái)，是最直觀也是最簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)固態(tài)飼料質(zhì)量好壞的方法之一。結(jié)合pH 值和水分含量，對(duì)各試驗(yàn)進(jìn)行感官評(píng)價(jià)綜合打分，數(shù)據(jù)見表4。通常來(lái)講，優(yōu)等的固態(tài)飼料氣味無(wú)丁酸臭味，有芳香果味或明顯的面包香味，質(zhì)構(gòu)保持良好，無(wú)霉變，色澤與原料相似，烘干后呈淡褐色，另外在手感上，要感覺(jué)松軟不粘手。

表4 甜菜粕原料及發(fā)酵產(chǎn)品感官評(píng)定得分表Table 4 Results of sensory evaluation of solid fermentation products

甜菜粕原料的結(jié)構(gòu)較差，主要是由于其含水量較高，導(dǎo)致飼料表面帶有粘性，若作為商品直接出售，也不會(huì)具有太大價(jià)值，而其余樣品含水量均在75%及以下，結(jié)構(gòu)松散軟弱不粘手。加菌發(fā)酵后，由于乳酸菌產(chǎn)生大量乳酸，可使甜菜粕中的異味成分得到抑制，使得產(chǎn)品的氣味水平提升，尤其是添加糖蜜的樣品氣味得分較高，可以達(dá)到酸香味，酸味強(qiáng)烈；對(duì)于飼料色澤，由于糖蜜顏色呈深褐色，所以加糖蜜處理的樣品顏色較深，得分偏低，不加糖蜜的樣品可達(dá)到褐黃色和亮黃色。綜合評(píng)估，甜菜粕原料經(jīng)固態(tài)發(fā)酵后可達(dá)到良好級(jí)，添加糖蜜進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，感官評(píng)價(jià)為優(yōu)等。說(shuō)明添加乳酸菌和糖蜜可有效改善飼料風(fēng)味，增加飼料適口性。

3 結(jié)論

本文以甜菜粕和糖蜜為原料，通過(guò)添加乳酸菌種開展固態(tài)發(fā)酵試驗(yàn)，通過(guò)檢測(cè)固態(tài)發(fā)酵后的營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)、有機(jī)酸、菌群數(shù)量、真菌毒素等，結(jié)合感官評(píng)價(jià)以綜合評(píng)價(jià)固態(tài)發(fā)酵的質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，在甜菜粕發(fā)酵中同時(shí)添加乳酸菌種和一定量糖蜜，發(fā)酵終產(chǎn)物的粗蛋白含量可達(dá)14.49%，粗纖維含量可達(dá)12.30%，干物質(zhì)消化率可達(dá)82.14%，表明發(fā)酵進(jìn)程可以強(qiáng)化甜菜粕原料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，提高動(dòng)物對(duì)飼料的消化利用。此外，乳酸含量有所提高，可達(dá)到2.65%，有利于降低發(fā)酵體系pH 值，抑制雜菌生長(zhǎng)，并且添加糖蜜的發(fā)酵甜菜粕感官品質(zhì)也得到提升，具有酸香氣味，整體感官評(píng)價(jià)達(dá)到了優(yōu)等級(jí)。

本文的研究從產(chǎn)業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)角度出發(fā)，提出含水量較高的甜菜粕應(yīng)用方案，不僅對(duì)于含水量較低的甜菜粕顆粒相關(guān)研究做補(bǔ)充，相關(guān)結(jié)果也有助于解決甜菜粕貯藏期短和糖蜜儲(chǔ)存運(yùn)輸不便的問(wèn)題，有助于提升甜菜粕的附加價(jià)值，彌補(bǔ)飼料供應(yīng)淡季的市場(chǎng)需求，助力甜菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)品升級(jí)。