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、價格低、競爭用途少和開發(fā)利用潛力大等特點。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，既浪費了資源又污染了環(huán)境。

我國是一個農(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9.63億t，我國飼料總產(chǎn)量達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)殖戶無法對秸稈進行有效的加工利用，進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，是許多國家尤其是發(fā)展中國家研究的重點方向[5]。目前，對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，使得玉米秸稈很難作為成品的飼料商品進行銷售，影響了秸稈飼料的推廣。

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

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

1.1.1 試驗材料

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 儀器與設備

恒溫培養(yǎng)箱（GHP-9160 上海一恒科學技術儀器有限公司）；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（UV-2802 尤尼科科學儀器有限公司）；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（WF-20B 江陰市億豐機械設備有限公司）；pH 計（PHS-3C 上海精密科學儀器有限公司雷磁儀器廠）；封口機（SF-300 廣林機械設備有限公司）；恒溫搖床（ZHWY-2112F 上海智城分析儀器制造有限公司）；恒溫搖床（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 試驗方法

1.4.1 菌種適宜生長條件探索

將菌粉按1:10比例復水活化，將活化液按1%比例分別加入不同pH的對應培養(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的比例進行混合，將混合后的物料按照試驗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)酵溫度為試驗因素，進行密閉發(fā)酵，通過多因子實驗，尋找關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)價值，另一方面是產(chǎn)生抗菌肽和細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多糖、淀粉和蛋白質(zhì)的水解，還可以促進共生的乳酸菌生長，具調(diào)查攝食枯草芽孢桿菌飼料的動物發(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比

圖2 不同pH條件下枯草芽孢桿菌生長對比

2.2 乳酸菌生長條件測定

乳酸菌同樣屬于細菌的一個分支厚壁菌門，乳酸菌是飼料中應用最早、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)，使動物體內(nèi)毒素含量降低從而增強使原宿主抗異能力，增強在競爭中占優(yōu)勢；提高飼料的營養(yǎng)價值，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動物的體液免疫和細胞免疫[10]；將糖類分解改善物料風味和適口性。

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，乳酸菌生長速率明顯增高，但最終OD值略低于采用35 ℃進行培養(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)時間的延長，高pH的試驗組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比

圖4 不同pH條件下乳酸菌生長對比

2.3 玉米秸稈與豆粕混合發(fā)酵參數(shù)測定

由于試驗因素較多，對全部因子進行交互試驗，費時費力，因此，利用minitab軟件進行輔助[11]，設計部分因子試驗，以之前試驗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‰)，具體設計如下：

每個試驗組重復進行三次試驗，在發(fā)酵過程第1、3、7、15 d分別對各試驗組取樣進行顏色、氣味、酸度、水分、微生物數(shù)量等檢測、并根據(jù)各試驗組發(fā)酵水平，進行綜合評定，將綜合評定值平均平均數(shù)返回設計軟件，通過回歸方程，經(jīng)層層刪減，計算各因子影響性（表1-2）。

表1 部分因子試驗設計

表2 試驗檢測數(shù)據(jù)及綜合評定

通過軟件計算，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后的模型結(jié)構(gòu)較好，回歸方程具有較好的預測能力。其控制方程式（精簡模式）如下：

綜合評定值=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 評價值的效應Pareto

通過效應Pareto可以看出，試驗的關鍵因子為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 評價值的主效應圖

通過主效應圖可以看出，乳酸菌接種量和枯草芽孢桿菌接種量的斜率較大，說明其對發(fā)酵的影響顯著，水分、溫度、pH的斜率較為平緩，說明其對發(fā)酵的影響不顯著。因子的重要順序為D＞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系（圖7-8）。

圖7 評價值的交互作用

Fig.7Interaction evaluation

圖8 相應優(yōu)化圖

Fig.8Corresponding optimization

通過相應優(yōu)化器，利用控制方程式對數(shù)據(jù)進行計算，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)對進行試驗，以驗證結(jié)果的穩(wěn)定性，通過試驗發(fā)現(xiàn)，在發(fā)酵15 d時，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最終評價值為8.9，優(yōu)于其他試驗組。

由于研究方向以及設備儀器的原因，本次實驗主要對發(fā)酵飼料感官評價及益生菌數(shù)量，進行了比較，并未對發(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。代謝能等進行詳細檢測，后續(xù)我們將對飼料發(fā)酵前后小肽、氨基酸、微量元素的變化，并開展動物飼喂研究，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‰作為工藝條件進行發(fā)酵時，能獲得較高的益生菌數(shù)量和較優(yōu)的感官評價結(jié)果，發(fā)酵效果較好。

參考文獻：

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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。