馬鈴薯渣飼料化利用研究進展

劉 琳，趙宇慈，蘇德花，曾凡逵*

（1.中國科學院蘭州化學物理研究所，甘肅 蘭州 730030；2.西吉縣萬里淀粉有限公司，寧夏 固原 756200）

2015 年，農(nóng)業(yè)部宣布中國啟動馬鈴薯主食化戰(zhàn)略[1,2]，目前馬鈴薯已成為中國第四大糧食作物[3]，2020 年全國馬鈴薯鮮薯產(chǎn)量達到1 億t，全國馬鈴薯種植面積穩(wěn)定在533.33 萬hm2以上。在中國，馬鈴薯占糧食產(chǎn)量和農(nóng)作物總播種面積比例常年保持在3%左右[4]。隨著馬鈴薯繁育技術(shù)的不斷發(fā)展，中國馬鈴薯產(chǎn)量不斷增加，產(chǎn)業(yè)鏈不斷延伸，供應(yīng)鏈不斷完善，價值鏈不斷提升，馬鈴薯的增值空間不斷拓寬，馬鈴薯淀粉加工業(yè)中伴生的廢渣因是一種可利用的寶貴再生資源且數(shù)量龐大而引起了廣泛關(guān)注。

目前，對馬鈴薯渣資源的利用主要有直接飼喂或經(jīng)脫水干燥處理后出售的處理方式，但是這些方式存在很大弊端：（1）不經(jīng)處理的馬鈴薯渣作為飼料營養(yǎng)價值差，蛋白含量低，粗纖維含量高，飼用生物效價低；（2）未經(jīng)干燥處理的馬鈴薯渣水分高，不易去除，貯存和運輸困難，將其干燥脫水能耗大，成本高；（3）新鮮薯渣微生物種群豐富，易腐敗變質(zhì)，將其丟棄，浪費資源的同時污染環(huán)境。因此，為了更好的利用薯渣，從成本、效益、技術(shù)、質(zhì)量、環(huán)保等方面綜合考慮，采用微生物發(fā)酵處理是最佳解決弊端的方式。

目前，馬鈴薯淀粉加工廠對馬鈴薯廢渣利用的方式主要有2 種，其中一種是通過初步脫水后出售給農(nóng)民當飼料，初步脫水后的薯渣，再次通過晾曬或烘干處理后，作飼料添加劑，開發(fā)膳食纖維食品、發(fā)酵產(chǎn)品；另外一種是國內(nèi)外有不少研究利用生物技術(shù)，用馬鈴薯渣發(fā)酵生產(chǎn)單細胞蛋白，合理利用薯渣資源的同時增加淀粉加工企業(yè)的盈利[5]。比較2 種利用方式，第2 種方式更加合理、有效，飼用效價和經(jīng)濟效益更加明顯。

利用微生物發(fā)酵將薯渣轉(zhuǎn)化為具有特殊香味、營養(yǎng)豐富、適口性好、附加值高的高蛋白飼料。微生物發(fā)酵使微生物利用或者酶解纖維素，提高吸收利用率。微生物剛好能夠利用新鮮薯渣中的水分，利用發(fā)酵減少薯渣對環(huán)境的污染，并通過代謝轉(zhuǎn)化產(chǎn)生更多營養(yǎng)物質(zhì)。該方法適用范圍廣、效率高、生產(chǎn)效益好，是一種值得廣泛應(yīng)用且能解決當下畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)較為先進的生產(chǎn)廢棄物再利用和飼料短缺的方法。

1 馬鈴薯渣飼用價值

從物理組成來看，薯渣由馬鈴薯的細胞碎片、細胞壁殘留物、殘留淀粉顆粒以及薯皮細胞等構(gòu)成[6]；從化學組成來看，新鮮馬鈴薯渣中含有作為飼料的基本營養(yǎng)物質(zhì)和生長因子，具體成分和含量見表1[7]。

表1 新鮮薯渣的營養(yǎng)成分Table 1 Nutritional content of fresh potato residue

未經(jīng)處理的馬鈴薯渣中淀粉含量是最高的，是動物能夠利用的優(yōu)質(zhì)碳水來源，經(jīng)過酶解或發(fā)酵的淀粉能分解成小分子糖，更易被動物吸收利用，也是很好的生長因子。纖維素、半纖維素和果膠含量也較高，纖維可以幫助動物腸胃蠕動，促進消化；果膠能為動物提供能量，在動物體內(nèi)被吸收后，可轉(zhuǎn)化成體脂肪或乳脂肪。薯渣中含有部分鉀、鈣、鎂等礦物元素，這些礦物元素是維持機體正常生理功能必不可少的，有的對提高機體的免疫力和促進動物發(fā)育至關(guān)重要。薯渣中含有蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是動物體必不可少的營養(yǎng)物質(zhì)，是合成機體某些功能性物質(zhì)的重要成分，如酶、抗體和激素等，也能作為發(fā)酵基質(zhì)在發(fā)酵飼料過程中為微生物提供重要的營養(yǎng)物質(zhì)。因此，馬鈴薯渣具備飼料化的基礎(chǔ)營養(yǎng)條件，是具備開發(fā)前景的一種飼料原料。

相關(guān)研究顯示[8]，馬鈴薯渣中自帶菌種數(shù)量多達15類33種，其中細菌多達28種，還有4種霉菌和1 種酵母菌[9]，這些菌種都含有較為豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和功能，其中，霉菌能夠分解纖維素和淀粉，酵母菌菌體中含有非常豐富的蛋白質(zhì)、B 族維生素、糖、酶等多種營養(yǎng)成分，并且能提高動物免疫力、生產(chǎn)性能，減少應(yīng)激反應(yīng)。同樣也帶有大腸桿菌等多種致病菌，加速薯渣腐敗，威脅薯渣作為飼料的安全性。因此，馬鈴薯渣實現(xiàn)飼料化應(yīng)當趨利避害，利用好有益菌，抑制有害菌，通過發(fā)酵菌種的篩選和條件優(yōu)化，使馬鈴薯渣成為具有更高營養(yǎng)價值、更安全的飼料資源。

2 馬鈴薯渣飼用方式

2.1 直接使用

馬鈴薯渣最簡單直接的使用方式是經(jīng)初步脫水就近進行飼喂。但是在實際生產(chǎn)中很少有直接將馬鈴薯渣作為主要飼料進行飼喂。原因主要是馬鈴薯渣雜菌含量高、糖苷生物堿含量高，直接飼喂造成動物拉稀和腸道中毒。西北部分地區(qū)有農(nóng)戶將新鮮薯渣蒸煮或直接少量參入其他發(fā)酵飼料中飼喂牛羊。國內(nèi)大部分馬鈴薯加工企業(yè)收購的原料薯都是露天堆放，露天堆放時間越長，原料薯中的有毒性糖苷生物堿含量越高，有時薯渣中殘留生物堿含量超過國際規(guī)定20 mg/100 g 的10倍以上。糖苷生物堿具有耐高溫的特性，120℃也難以將糖苷生物堿分解。因此，一般不建議直接將薯渣作為飼料飼用。

2.2 酶 解

酶的作用是通過降解功能使不易消化吸收的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化成容易消化吸收的小分子物質(zhì)，薯渣中主要包括淀粉、纖維、果膠等大分子物質(zhì)。因此，目前使用較多的是淀粉酶、纖維素酶和果膠酶，這些酶根據(jù)想要達成的效果可以單獨使用，也可以組合使用。酶解馬鈴薯渣的效果見表2。

表2 酶解馬鈴薯渣Table 2 Enzymatic hydrolysis of potato residue

纖維素酶的主要作用是降解大分子的纖維，使可溶性膳食纖維的含量提升，通過纖維素酶的作用一方面利于動物的消化吸收，另一方面改善飼料的適口性。耐高溫型α-淀粉酶促進馬鈴薯渣中淀粉的分解，提高了原料利用率。在處理馬鈴薯渣的過程中，2 種酶可以單獨使用，也可以組合使用，組合使用時探索到最佳酶解條件能夠得到更好品質(zhì)的飼料。

2.3 發(fā) 酵

在馬鈴薯渣中接種發(fā)酵飼料的專用菌劑，經(jīng)過發(fā)酵，薯渣中纖維、淀粉被微生物菌群代謝轉(zhuǎn)化成小分子糖，并代謝產(chǎn)生蛋白質(zhì)或者含氮物質(zhì)，不僅可以提高發(fā)酵后薯渣的粗蛋白質(zhì)含量，發(fā)酵后薯渣中的氨基酸、微生物和各種生物酶都會相應(yīng)提高，并且微生物經(jīng)過生長繁殖，最終發(fā)酵產(chǎn)物含有大量的菌體蛋白。

發(fā)酵根據(jù)形態(tài)可分為液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵2種方式。根據(jù)馬鈴薯渣的形態(tài)，其發(fā)酵形式更適合固態(tài)發(fā)酵，即利用微生物在固態(tài)濕培養(yǎng)基上進行發(fā)酵。固態(tài)發(fā)酵根據(jù)是否對原料進行糖化處理分為生料發(fā)酵和熟料發(fā)酵。將馬鈴薯渣初步脫水后進行發(fā)酵即生料發(fā)酵，因薯渣中含有多種菌群，此方法雜菌污染幾率大，生產(chǎn)工藝的參數(shù)難以確定；而將馬鈴薯渣糖化后再發(fā)酵，此方法使用專門的菌種糖化發(fā)酵，染菌率小、發(fā)酵條件可控、發(fā)酵質(zhì)量較高[13]。常用的飼料發(fā)酵菌種包括酵母菌、霉菌、芽孢桿菌、乳酸菌等，他們能夠產(chǎn)生多種活性水解酶、淀粉酶、纖維素酶、蛋白酶、果膠酶等，能夠消除飼料中的抗營養(yǎng)因子，同時優(yōu)勢菌種的大量繁殖對病原菌和腐敗菌有抑制作用，菌體蛋白含量高、氨基酸充足，可提高發(fā)酵產(chǎn)品的營養(yǎng)價值，同時也提高了發(fā)酵飼料的適口性。

不同菌種發(fā)酵效果不同，因此，優(yōu)化菌種是發(fā)酵的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外的研究更趨向于利用多菌種混合生產(chǎn)發(fā)酵馬鈴薯渣，并注重菌種間的協(xié)同性和互補性，使其發(fā)揮更大的效用。多菌種混合發(fā)酵可以通過不同代謝能力的組合，完成單個菌種難以完成的復雜代謝反應(yīng)，從而提高發(fā)酵產(chǎn)品質(zhì)量、提高轉(zhuǎn)化率。同時，也在探索最優(yōu)的發(fā)酵條件，包括發(fā)酵時間、溫度、料層厚度、接種量、尿素或其他氮源添加量等。目前，關(guān)于馬鈴薯發(fā)酵的研究見表3。

表3 馬鈴薯渣發(fā)酵菌種、發(fā)酵條件及效果Table 3 Potato residue fermentation strain,fermentation condition and result

續(xù)表3

另外，在馬鈴薯淀粉生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量的工藝水（分離汁水），其中含有大量的蛋白質(zhì)、氨基酸、小顆粒淀粉、低聚糖、有機酸等有機營養(yǎng)物，也含有植物所需的氮、磷、鉀等[24]，將馬鈴薯淀粉工藝水中蛋白等營養(yǎng)物質(zhì)提取回收，添加在馬鈴薯渣中一并發(fā)酵，增加其蛋白含量，也是馬鈴薯副產(chǎn)物資源化和高值化利用的有效途徑之一。

3 馬鈴薯渣飼用效果

馬鈴薯渣發(fā)酵飼料適合牛、羊、兔、豬、魚等農(nóng)家畜禽等動物的養(yǎng)殖，在家禽飼料中可根據(jù)需求適量添加。利用接種薯渣專用菌劑的方式發(fā)酵，淀粉企業(yè)生產(chǎn)級別在萬t級以上時，可產(chǎn)生的薯渣發(fā)酵飼料年產(chǎn)量可達3萬~8萬t。

3.1 反芻動物

發(fā)酵馬鈴薯渣由于含有大量的纖維，用于反芻動物飼料的研究較多。發(fā)酵薯渣對反芻動物最明顯的改善是增重和提升產(chǎn)奶量。薯渣發(fā)酵飼料在反芻動物的應(yīng)用見表4。

表4 薯渣發(fā)酵飼料在反芻動物的應(yīng)用Table 4 Application of potato residue fermented feed in ruminants

3.2 非反芻動物

應(yīng)用于禽類的馬鈴薯發(fā)酵飼料研究表明，發(fā)酵馬鈴薯渣對禽類生長無不良影響，適當?shù)奶砑涌梢愿纳迫赓|(zhì)、提高蛋白質(zhì)利用率[9]。薯渣發(fā)酵飼料在非反芻動物的應(yīng)用見表5。

表5 薯渣發(fā)酵飼料在非反芻動物的應(yīng)用Table 5 Application of potato residue fermented feed in non-ruminant animals

4 馬鈴薯渣發(fā)酵飼料存在的問題

目前，馬鈴薯渣飼用利用率很低，馬鈴薯渣發(fā)酵飼料的應(yīng)用范圍很小，主要限制因素是馬鈴薯中含有有毒物質(zhì)糖苷生物堿，F(xiàn)riedman[2]研究了一種商品馬鈴薯濃縮蛋白中的糖苷生物堿，結(jié)果顯示糖苷生物堿含量高達200 mg/100 g，嚴重超出了食品安全上限20 mg/100 g。近年對中國多地馬鈴薯淀粉加工分離汁水提取回收的蛋白和薯渣中糖苷生物堿含量的監(jiān)測研究發(fā)現(xiàn)，北方馬鈴薯一季作收獲高峰期，淀粉企業(yè)集中收購馬鈴薯原

料露天堆放超過一周以上的回收蛋白和薯渣中基本都出現(xiàn)了糖苷生物堿超過20 mg/100 g 的食品安全上限。糖苷生物堿不易分解，達到一定量時會損害動物的消化系統(tǒng)，引發(fā)動物疾病，或者導致減重。因此，馬鈴薯渣高值化利用首要解決的問題是研究如何有效降低糖苷生物堿含量。

5 結(jié) 語

隨著中國馬鈴薯加工產(chǎn)業(yè)特別是淀粉加工業(yè)的不斷發(fā)展，馬鈴薯渣的資源化和高值化利用研究成為了越來越重要和迫切的內(nèi)容。目前中國大部分馬鈴薯淀粉加工產(chǎn)生的大量薯渣，因含水量高、易腐敗變質(zhì)，成為企業(yè)最嚴重的固體污染物，是環(huán)保部門的重要監(jiān)管對象之一。多數(shù)企業(yè)需要雇傭?qū)ｉT車輛拉到田間地頭，灑在農(nóng)田中作為有機肥施入地中用土覆蓋；部分企業(yè)堆在廠區(qū)附近，自然曬干后做燃料用。處理不當就會造成環(huán)境污染。因此，解決馬鈴薯渣的資源化利用特別是飼料化利用是較科學便捷的固廢處理方式。薯渣因果膠含量高，脫水困難，通過機械和填料適當脫水，達到固體發(fā)酵要求，可以大幅度節(jié)約常規(guī)干燥脫水能耗高的問題。未來應(yīng)對馬鈴薯渣發(fā)酵的具體生產(chǎn)工藝和參數(shù)進行定量化研究，薯渣脫除糖苷生物堿毒性和抑制雜菌滋生，并對不同菌種混合發(fā)酵的作用機制、在動物體內(nèi)的作用渠道進行深層次研究，開發(fā)符合經(jīng)濟效益和工業(yè)化生產(chǎn)的制備方式，使發(fā)酵馬鈴薯渣能夠更好地應(yīng)用于飼料生產(chǎn)，解決飼用蛋白質(zhì)資源短缺的問題。同時當?shù)卣O(shè)立引導資金，對延伸馬鈴薯渣飼料產(chǎn)業(yè)鏈條中添補當?shù)乜瞻椎漠a(chǎn)品和技術(shù)給予一定的資金補助或貸款貼息[34]，以推進產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。