濟(jì)薯26甘薯皮加工飼料發(fā)酵工藝參數(shù)研究

摘要：為提高甘薯皮的利用率，為甘薯加工產(chǎn)業(yè)廢棄物資源化利用提供新途徑，文章以甘薯品種濟(jì)薯26的甘薯皮及其下腳料為原料，以尿素為氮源，選用產(chǎn)朊假絲酵母、釀酒酵母、枯草芽孢桿菌進(jìn)行甘薯皮復(fù)合菌固態(tài)發(fā)酵加工飼料試驗(yàn)，研究其最佳發(fā)酵工藝參數(shù)。結(jié)果表明，在溫度為27 ℃、pH 5.5、發(fā)酵原料接種量20%、培養(yǎng)時(shí)間4 d的發(fā)酵條件下，由甘薯皮加工而成的飼料中粗蛋白含量達(dá)24.53%，高于傳統(tǒng)飼料中的粗蛋白含量平均水平。

關(guān)鍵詞：甘薯皮；發(fā)酵；工藝參數(shù)；粗蛋白含量

中圖分類號(hào)：S531

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

福建省龍巖市連城縣（簡(jiǎn)稱連城縣）甘薯種植與加工是當(dāng)?shù)靥厣r(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)，全縣甘薯種植面積高峰值為6 700 hm2，年加工甘薯干產(chǎn)量10萬(wàn)t，甘薯全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值80億元，從事甘薯種植、加工、銷售的從業(yè)人員達(dá)13萬(wàn)人[1]。

近年來(lái)，連城縣甘薯種植與加工產(chǎn)業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)，當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)種植的甘薯品種產(chǎn)量比外地甘薯品種產(chǎn)量低500 kg·667 m-2[1]，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益大幅降低，嚴(yán)重打擊了農(nóng)戶種植的積極性。為維持連城縣甘薯行業(yè)在區(qū)域經(jīng)濟(jì)中的龍頭地位與引領(lǐng)作用，連城縣引進(jìn)甘薯新品種濟(jì)薯26，開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)高附加值產(chǎn)品，取得了顯著成果。但在濟(jì)薯26加工過(guò)程中，容易產(chǎn)生大量甘薯皮、下腳料、廢棄糖水等，不僅造成大量資源浪費(fèi)，而且對(duì)環(huán)境保護(hù)造成一定壓力。

飼料發(fā)酵是在人為控制的條件下，以糧食原糧及其副產(chǎn)物為主要原料，經(jīng)過(guò)微生物發(fā)酵作

用，將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分解為更容易被動(dòng)物消化吸收的小分子物質(zhì)，如活性肽、寡肽、單糖、寡糖等[2]。甘薯皮及其下腳料含有豐富的淀粉、蛋白質(zhì)、糖類物質(zhì)，共含有18種氨基酸，其中必需氨基酸含量高于許多植物蛋白，是微生物發(fā)酵制備飼料的理想原料[3]。近年來(lái)，生物發(fā)酵已成為開(kāi)發(fā)甘薯功能性食品、食品添加劑和高蛋白質(zhì)飼料的新途徑[4]。

在國(guó)內(nèi)外研究中，常用于甘薯微生物轉(zhuǎn)化的菌類主要包括酵母菌、霉菌、裂褶菌、鏈霉菌、乳酸菌、芽孢桿菌等[5]，其中以酵母菌最為常見(jiàn)，獲得效益最高。李愛(ài)民[6]在2015年開(kāi)展針對(duì)薯類的菌種發(fā)酵研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合菌混合發(fā)酵能顯著提高加權(quán)增值，實(shí)現(xiàn)氨基酸最大增量，優(yōu)于單菌發(fā)酵。在各類菌種發(fā)酵中，黑木霉菌、芽孢桿菌降解纖維素的能力突出，產(chǎn)朊假絲酵母菌能高效利用氮源，啤酒酵母能起到富集蛋白作用，芽孢桿菌則在固態(tài)發(fā)酵中表現(xiàn)良好。

本研究以甘薯品種濟(jì)薯26的甘薯皮及其下腳料為原料，以尿素為氮源，選用產(chǎn)朊假絲酵母、釀酒酵母、枯草芽孢桿菌進(jìn)行復(fù)合菌固態(tài)發(fā)酵，加工成飼料配料，供給飼料廠作為部分玉米和豆粕的替代物，既解決了玉米及豆粕中抗?fàn)I養(yǎng)因子對(duì)動(dòng)物器官發(fā)育、生產(chǎn)性能、免疫構(gòu)建的不利影響，同時(shí)又能改善飼料中蛋白的結(jié)構(gòu)組成，提高牲畜營(yíng)養(yǎng)消化率[7]，有利于緩解甘薯產(chǎn)業(yè)加工廢料對(duì)環(huán)境造成的污染，增加甘薯加工附加值，為甘薯加工產(chǎn)業(yè)廢物資源化利用提供新途徑。

1 "材料和方法

1.1 " 試驗(yàn)材料

1.1.1 材料與試劑 濟(jì)薯26甘薯皮、麩皮、尿素；產(chǎn)朊假絲酵母、釀酒酵母、枯草芽孢桿菌。材料與試劑均由福建紫心生物薯業(yè)有限公司提供。

1.1.2 儀器與設(shè)備 超凈工作臺(tái)（SW-CJ-2F）、生化培養(yǎng)箱（SHP-150）、恒溫干燥箱（101-4A）、凱氏定氮儀（KDN-BI）、pH計(jì)（PHS-3C）。

1.2 " 試驗(yàn)方法

1.2.1 發(fā)酵溫度單因素試驗(yàn) 試驗(yàn)設(shè)6個(gè)發(fā)酵溫度水平，分別為25、30、35、40、45、50 ℃。發(fā)酵原料分別為甘薯皮及其下腳料100 g、麩皮5%、尿素1%、pH 6，發(fā)酵原料接種量為15%，培養(yǎng)2 d，發(fā)酵后分別測(cè)定甘薯皮成品粗蛋白總量。

1.2.2 發(fā)酵pH單因素試驗(yàn) 試驗(yàn)設(shè)6個(gè)pH處理，pH分別為4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0。發(fā)

酵原料分別為甘薯皮及其下腳料100 g、麩皮5%、尿素1%，發(fā)酵溫度35 ℃，發(fā)酵原料接種量15%，培養(yǎng)2 d，發(fā)酵后分別測(cè)定甘薯皮成品粗蛋白總量。

1.2.3 發(fā)酵原料接種量單因素試驗(yàn) 試驗(yàn)設(shè)6個(gè)發(fā)酵原料接種量處理，接種量分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%。發(fā)酵原料分別為甘薯皮及其下腳料100 g、麩皮5%、尿素1%，發(fā)酵溫度35 ℃，pH 6，培養(yǎng)2 d，發(fā)酵后分別測(cè)定甘薯皮成品粗蛋白總量。

1.2.4 培養(yǎng)時(shí)間單因素試驗(yàn) 試驗(yàn)設(shè)6個(gè)培養(yǎng)時(shí)間，分別為1、2、3、4、5、6 d。發(fā)酵原料分別為甘薯皮及其下腳料100 g，麩皮5%，尿素1%，發(fā)酵溫度35 ℃，pH 6，發(fā)酵原料接種量15%，發(fā)酵后分別測(cè)定甘薯皮成品粗蛋白總量。

1.2.5 正交試驗(yàn) 根據(jù)各項(xiàng)單因素試驗(yàn)結(jié)果，合理選定各因素水平（表1），采用4因素3水平進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)。

1.2.6 重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn) 根據(jù)正交試驗(yàn)的最佳組合進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，測(cè)定發(fā)酵甘薯皮成品粗蛋白總量，與其他組合進(jìn)行對(duì)比。

1.3 " 甘薯皮加工飼料的發(fā)酵工藝流程

甘薯皮加工飼料的發(fā)酵工藝流程見(jiàn)圖1。

1.4 " 測(cè)定項(xiàng)目

依據(jù)GB/T 6432-2018凱氏定氮法測(cè)定各項(xiàng)試驗(yàn)甘薯皮發(fā)酵成品的粗蛋白含量。

2 "結(jié)果與分析

2.1 " 不同發(fā)酵溫度對(duì)甘薯皮成品粗蛋白含量的影響

溫度是微生物生長(zhǎng)的重要環(huán)境因素，影響微生物的繁殖能力與代謝速率。微生物對(duì)溫度異常敏感，微弱的溫度差異即可很大程度地影響微生物的生長(zhǎng)和繁殖能力。由圖2可知，發(fā)酵甘薯皮成品粗蛋白含量隨著溫度的升高呈先上升后下降的趨勢(shì)，在27 ℃時(shí)，發(fā)酵甘薯皮成品粗蛋白含量達(dá)到峰值19.63%，隨后急劇下降，在35 ℃時(shí)，發(fā)酵甘薯皮成品粗蛋白含量最低，為6.37%。試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)溫度超過(guò)27 ℃后，復(fù)合菌的活性開(kāi)始被抑制，甘薯皮的蛋白轉(zhuǎn)化效率降低。由此可見(jiàn)，在發(fā)酵溫度25、27、29 ℃條件下，發(fā)酵后的甘薯皮粗蛋白含量較高，因此，25、27、29 ℃可作為正交試驗(yàn)的3個(gè)發(fā)酵溫度水平。

2.2 " 不同pH對(duì)發(fā)酵甘薯皮成品粗蛋白含量的影響

由圖3可知，發(fā)酵甘薯皮成品粗蛋白含量隨著pH的升高呈先上升后下降的趨勢(shì)，在pH 5.5時(shí)，發(fā)酵甘薯皮成品粗蛋白含量最高，為20.91%。由此可見(jiàn)，在pH 5.0、5.5、6.0條件下，發(fā)酵后的甘薯皮粗蛋白含量較高。因此，可選用pH 5.0、5.5、6.0作為正交試驗(yàn)的3個(gè)pH水平。

2.3 " 不同發(fā)酵原料接種量對(duì)發(fā)酵甘薯皮成品粗蛋

白含量的影響

由圖4可知，隨著發(fā)酵原料接種量的增加，發(fā)酵甘薯皮成品粗蛋白含量同樣呈先上升后下降的趨勢(shì)，發(fā)酵原料接種量5%處理的甘薯皮成品粗蛋白含量最低，為18.37%，發(fā)酵原料接種量15%處理的甘薯皮成品粗蛋白含量最高，為23.52%，此后開(kāi)始緩慢下降。這是由于當(dāng)發(fā)酵原料接種量較小時(shí)，微生物數(shù)量較少，甘薯皮的蛋白轉(zhuǎn)化率較低，而隨著發(fā)酵原料接種量的增加，甘薯皮的蛋白轉(zhuǎn)化量也隨之增加。但由于發(fā)酵體系中的養(yǎng)分有限，待菌群擴(kuò)大到一定程度后，由于微生物彼此之間的競(jìng)爭(zhēng)，超過(guò)養(yǎng)分供給上限后，微生物加速進(jìn)入衰亡期，導(dǎo)致蛋白轉(zhuǎn)化率開(kāi)始降低，由于氮源短缺，部分微生物甚至開(kāi)始降解小分子蛋白。總體分析，發(fā)酵原料接種量為10%、15%、20%的3個(gè)處理，發(fā)酵后的甘薯皮成品粗蛋白含量相對(duì)較高，因此可選用10%、15%、20%的接種量作為正交試驗(yàn)的3個(gè)發(fā)酵原料接種量水平。

2.4 " 不同發(fā)酵時(shí)間對(duì)發(fā)酵甘薯皮成品粗蛋白含量的影響

由圖5可知，甘薯皮發(fā)酵1～3 d，其成品粗蛋白含量快速增長(zhǎng)，粗蛋白含量從15.37%升至22.32%；發(fā)酵3～4 d，發(fā)酵甘薯皮成品粗蛋白含量由22.32%升至峰值22.68%；發(fā)酵4～7 d，

發(fā)酵甘薯皮成品粗蛋白含量則開(kāi)始呈非常緩慢的下降趨勢(shì)。這可能是由于發(fā)酵初期培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足，各類菌種生長(zhǎng)迅速，促進(jìn)甘薯皮蛋白的分解，而隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，各類菌種逐漸進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)、抑制期，生長(zhǎng)速度放緩，最終氮源耗盡，微生物轉(zhuǎn)入衰亡期，蛋白質(zhì)也開(kāi)始慢慢降解，發(fā)酵后期導(dǎo)致蛋白質(zhì)不增加反而減少。試驗(yàn)顯示，發(fā)酵3、4、5 d的甘薯皮成品粗蛋白含量較高，因此發(fā)酵3、4、5 d可作為正交試驗(yàn)的3個(gè)甘薯皮發(fā)酵時(shí)間。

2.5 " 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

表2和表3顯示，溫度、pH、發(fā)酵原料接種量、培養(yǎng)時(shí)間4個(gè)因素的差異均達(dá)到極顯著水平。上述4個(gè)因素對(duì)發(fā)酵甘薯皮成品粗蛋白含量影響的排序?yàn)椋簻囟龋窘臃N量＞培養(yǎng)時(shí)間＞pH，即溫度對(duì)發(fā)酵甘薯皮成品粗蛋白含量的影響最大，pH的影響最小，最優(yōu)組合為A2B2C3D3，即甘薯皮發(fā)酵的最佳工藝條件參數(shù)為發(fā)酵溫度27 ℃、pH 5.5、發(fā)酵原料接種量20%、培養(yǎng)時(shí)間4 d。

2.6 " 重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)正交試驗(yàn)最佳組合A2B2C3D3進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，測(cè)定發(fā)酵甘薯皮成品粗蛋白含量為24.53%，超過(guò)其他試驗(yàn)組的粗蛋白含量，驗(yàn)證了正交試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

3 nbsp;結(jié)論與討論

濟(jì)薯26甘薯皮直接廢棄不僅造成資源浪費(fèi)，還會(huì)造成環(huán)境污染。由于甘薯皮中水分較多，不利于長(zhǎng)久保存及利用[8]，直接烘干不僅耗費(fèi)人力物力，而且還會(huì)破壞其中的營(yíng)養(yǎng)成分。固態(tài)發(fā)酵不僅可以有效降解甘薯皮纖維素等抗?fàn)I養(yǎng)因子，還能通過(guò)酶解作用實(shí)現(xiàn)大分子蛋白轉(zhuǎn)化成小分子肽，改善甘薯皮營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，提高飼喂效價(jià)[9]。本試驗(yàn)表明，采用復(fù)合菌固體發(fā)酵，以濟(jì)薯26甘薯皮及其下腳料為原材料，加工成飼料的發(fā)酵工藝最佳條件為溫度27 ℃、pH 5.5、發(fā)酵原料接種量20%、培養(yǎng)時(shí)間4 d，在此條件下加工而成的甘薯皮粗蛋白含量可達(dá)24.53%，顯著高于我國(guó)當(dāng)前豬飼料蛋白平均含量15.7%的水平[10]。因此，利用復(fù)合菌固體發(fā)酵甘薯皮加工成飼料，可進(jìn)一步降低傳統(tǒng)飼料對(duì)豆粕的依賴，減少大豆進(jìn)口壓力，對(duì)于甘薯皮廢棄物資源化利用，降低養(yǎng)殖成本，減少氮排放等具有重要作用。

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