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        甜菜粕固態(tài)發(fā)酵飼料的開發(fā)及可行性分析

        2020-07-09 02:04:40吳子毅張思聰鄧國強趙抒娜
        糧食與飼料工業(yè) 2020年2期
        關鍵詞:青貯飼料甜菜有機酸

        王 健,張 棟,吳子毅,張思聰,王 寶,,武 運,鄧國強,趙抒娜,

        (1.中糧營養(yǎng)健康研究院有限公司,老年營養(yǎng)食品研究北京市工程實驗室,營養(yǎng)健康與食品安全北京市重點實驗室,北京 102209; 2.中糧糖業(yè)遼寧有限公司,遼寧 營口 115212; 3.中糧屯河糖業(yè)股份有限公司,農業(yè)部糖料與番茄質量安全控制重點實驗室,新疆 昌吉 831100; 4.新疆農業(yè)大學食品科學與藥學學院,新疆 烏魯木齊 830052)

        甜菜是我國重要的糖料作物,主要種植于新疆、內蒙古和黑龍江等地區(qū)。甜菜糖業(yè)不僅關系到我國食糖的供給問題,更關系到甜菜種植區(qū)域廣大農民的經濟利益以及甜菜加工企業(yè)的就業(yè)問題。甜菜粕是甜菜在制糖過程中,經切絲、滲出、提糖后得到的含糖量很低的甜菜絲,是甜菜制糖工業(yè)重要的副產物[1]。甜菜粕主要成分為纖維素、半纖維素和果膠,還含有少量的蛋白質、糖分、礦物質、甜菜堿和煙酸等營養(yǎng)物質。甜菜粕柔軟多汁,在動物腸道內停留時間較長,容易被降解吸收,不僅能夠為動物提供能量,同時還能維持瘤胃正常的pH值[2-3],是一種優(yōu)質的家畜飼料來源。

        目前,只有少部分甜菜粕是通過干燥、制粒加工成甜菜粕顆粒產品進行銷售,大部分的甜菜粕是直接以濕粕的形式作為飼料進行銷售的。由于甜菜粕含水量較高,受工廠加工和貯存條件及季節(jié)性、市場因素的制約,部分甜菜粕無法及時售出,在堆放儲存過程中會發(fā)生腐爛變質、滋生細菌、損失營養(yǎng)物質,不僅造成了大量經濟損失,同時也加劇了廢棄物排放,污染生態(tài)環(huán)境。利用乳酸菌厭氧發(fā)酵產生乳酸,降低青貯料的pH值,可以抑制微生物活動,從而在提升飼料的營養(yǎng)價值同時,實現青綠多汁飼料的長期保存[4-5]。

        結合糖廠實際生產需求,對甜菜濕粕的固態(tài)發(fā)酵技術進行探索,旨在通過微生物固態(tài)發(fā)酵(青貯)技術解決甜菜粕貯藏期短問題。以甜菜粕為原料,通過添加乳酸菌種開展發(fā)酵試驗,并對發(fā)酵產物進行評估來探究引入乳酸菌的影響,同時結合工藝流程分析其關鍵控制指標。

        1 材料與方法

        1.1 試驗材料

        甜菜粕,由中糧屯河新源糖業(yè)股份有限公司提供;菌種1:秸稈青貯發(fā)酵劑,采購自中國臺灣亞芯公司,活性乳酸菌含量≥100億個/g,適用于糖分含量較低物料的青貯發(fā)酵;菌種2:全株玉米青貯發(fā)酵劑,采購自中國臺灣亞芯公司,活性乳酸菌含量≥100億個/g,適用于水分和糖分含量較高物料的青貯發(fā)酵。試驗時,將秸稈青貯乳酸菌菌種和全株玉米青貯乳酸菌菌種分別加水溶解,質量分數為0.2%。

        1.2 試驗方案

        考慮到新鮮甜菜粕自身就含有天然菌種,因此試驗分為不添加菌種與添加菌種2個部分,菌種類別和含水量見表1,菌種的添加量為每1t發(fā)酵飼料添加20 g菌種。試驗時,通過螺旋擠壓機將甜菜粕擠壓至一定含水量;根據終產品的含水量計算所需甜菜粕的量及菌劑溶液的量;向甜菜粕中噴灑乳酸菌溶液,適當翻動甜菜粕,保證噴灑均勻;將試驗樣品用食品真空袋真空密封,為乳酸菌厭氧發(fā)酵創(chuàng)造條件,模擬實際生產中的窖貯或真空裹包,厭氧發(fā)酵60 d。

        表1 甜菜粕發(fā)酵條件

        1.3 檢測指標與評定方法

        1.3.1營養(yǎng)指標

        營養(yǎng)指標檢測方法見表2,包括干物質、粗蛋白質、粗纖維、粗脂肪、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維。

        表2 營養(yǎng)指標檢測方法

        1.3.2有機酸

        有機酸檢測方法見表3,包括乳酸、乙酸、丙酸和丁酸。

        表3 有機酸方法

        1.3.3能量代謝和消化率

        根據奶牛營養(yǎng)需求標準NRC(2001)計算甜菜粕飼料的代謝能、泌乳凈能、維持凈能、增重凈能,根據樣品質量和消化后殘渣質量來計算干物質消化率。

        1.3.4pH值

        pH值是影響發(fā)酵成功與否的重要指標,當青貯飼料pH值在4.0以下時,質量優(yōu)等;pH值在4.1~4.3,質量良好;pH值在4.4~5.0,質量一般;pH值在5.0以上,質量劣等[4]。

        1.3.5菌群檢測

        菌群檢測方法見表4,包括乳酸菌、酵母菌、霉菌。乳酸菌是固態(tài)發(fā)酵過程中的有益菌,可產生乳酸降低飼料的pH值,另外二者的量會在青貯初期隨著含氧量下降而下降。

        表4 菌群檢測方法

        1.3.6真菌毒素

        真菌毒素檢測方法見表5,飼料中常見的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,如果含量超標會嚴重影響動物健康。

        表5 真菌毒素檢測方法

        1.3.7感官評定

        我國現行的青貯飼料質量評定依據是1996年農業(yè)部下發(fā)的《青貯飼料質量評定標準》,包括了感官評定和化學評定。

        青貯完成啟用時,從青貯飼料的氣味、顏色、質地等方面進行感官評定。青貯后的色澤為綠色或黃色為最佳;青貯后若具有輕微酸味或果香味則代表品質較高,有腐臭、霉變等異味則說明青貯質量不佳。具體評定方法見表6。

        表6 青貯飼料感官評定評分細則

        注:1.pH值用廣泛試紙測定。2.括號內數值表示得分數

        1.3.8有機酸含量評定

        有機酸總量及構成可以反映青貯發(fā)酵過程的好壞,其中最重要的是乳酸、乙酸和丁酸,乳酸所占的比例越大越好。本研究主要評定有機酸,具體評分方法見表7。

        表7 青貯飼料試驗室評定——有機酸評分細則

        2 結果分析

        本研究所添加的菌種由乳酸菌與酶制劑構成。每1 g試劑中乳酸菌數量可達100億個,主要為同型發(fā)酵菌,具有產酸速度快、能力強的特點;酶制劑主要為纖維素酶,可以將多糖分解為單糖,為乳酸菌發(fā)酵提供可溶性糖[4]。分析5組發(fā)酵產物的測定數據,以此評估添加乳酸菌對發(fā)酵的影響。

        2.1 粗蛋白質

        添加乳酸菌青貯,能快速產生大量乳酸,維持低pH值環(huán)境,抑制蛋白酶活性和有害微生物的生長,從而有效減少了蛋白質成分的損失。Muck研究[6]表明,添加乳酸菌青貯發(fā)酵,青貯飼料中氨態(tài)氮下降了60%。如圖1所示,4個加菌處理組中,3個組的粗蛋白質含量均超過了甜菜粕原料,且4個組的均值為12.43%,略高于甜菜粕原料的11.46%,表明了甜菜粕經青貯發(fā)酵后營養(yǎng)價值有所提升。

        圖1 乳酸菌發(fā)酵對甜菜粕粗蛋白質含量的影響

        2.2 中性洗滌纖維

        中性洗滌纖維(NDF)指飼料中的結構性碳水化合物,對維持瘤胃正常的發(fā)酵功能具有重要意義,但含量過高則會對動物的采食量造成一定影響。由圖2分析可知:加菌處理的4個組的中性洗滌纖維含量高于甜菜粕原料,表明加入乳酸菌的發(fā)酵中,中性洗滌纖維含量呈上升趨勢,可能是由于菌種種的乳酸菌與酶制劑改變了甜菜粕的細胞壁結構。

        圖2 乳酸菌發(fā)酵對甜菜粕中性洗滌纖維含量的影響

        2.3 粗纖維含量與干物質消化率

        由圖3可知,添加乳酸菌發(fā)酵后,4組的粗纖維含量均低于甜菜粕原料,均值為17.88%,低于甜菜粕原料的22.71%,而干物質消化率均高于甜菜粕原料,均值為76.42%,高于甜菜粕原料的70.055%。這表明添加乳酸菌后可以有效的降解粗纖維,降解產物中的小分子糖可以作為乳酸菌的營養(yǎng)物質,同時提高了干物質消化率,提升了動物對飼料的利用效率。

        圖3 乳酸菌發(fā)酵對甜菜粕粗纖維含量與干物質消化率的影響

        2.4 能量指標

        通過體外消化實驗檢測飼料的代謝能,由圖4數據可知,添加乳酸菌發(fā)酵的甜菜粕其能量指標均略低于甜菜粕原料,4組的代謝能、泌乳凈能、維持凈能、增重凈能均值分別為11.30、7.13、7.44、4.83 MJ/kg,均低于甜菜粕原料對應的11.64、7.37、7.70、5.07 MJ/kg。這表明了乳酸菌發(fā)酵飼料中的代謝能量指標有小幅下降,同時說明了發(fā)酵過程中有強烈的微生物活動。

        圖4 乳酸菌發(fā)酵對甜菜粕飼料代謝能的影響

        2.5 有機酸總量

        有機酸總量及構成可以反映青貯發(fā)酵過程的好壞,測定有機酸的總量和構成,作為評分指標并進行評分,見表8~表10。

        表8 甜菜粕原料及發(fā)酵產品有機酸含量

        表9 甜菜粕原料及發(fā)酵產品各有機酸占總酸比例

        表10 甜菜粕原料及發(fā)酵產品各有機酸得點

        根據《青貯飼料質量評定標準》評分細則,甜菜粕原料及甜菜粕發(fā)酵產物均獲得了較高分數。在有機酸成分中,乳酸占70%以上,為有用物質。觀察有機酸含量數據,可以發(fā)現乳酸菌處理的4組料中乳酸含量均高于甜菜粕原料,4組的乳酸平均含量為0.82%,遠高于甜菜粕原料的0.32%,表明了加入乳酸菌種可以顯著提升乳酸菌含量。另外,Y1和Y2的乳酸平均含量為1.13%,高于Y3和Y4的乳酸平均含量0.76%,即從乳酸的角度分析,菌種1更加適合甜菜粕的固態(tài)發(fā)酵。此外,乙酸含量呈下降的趨勢,可能是因為甜菜粕發(fā)酵過程發(fā)生了異型乳酸菌發(fā)酵,生成了乙酸,而再加入乳酸菌之后抑制了異型發(fā)酵過程,使得乙酸含量下降,乳酸含量上升。由此可得出結論:加入乳酸菌利于無用有機酸成分的減少,能使乳酸維持在較高的水平。

        2.6 pH值

        pH值是評價青貯發(fā)酵飼料品質最簡單且最直觀的指標之一,pH值越低,酸度越大,青貯發(fā)酵越容易保存。選取Y1組作為考察對象,跟蹤甜菜粕青貯發(fā)酵過程的pH值變化,如圖5所示,隨著發(fā)酵時間的延長,4個實驗處理組pH值在發(fā)酵初期下降迅速,在發(fā)酵3 d內,試驗樣品pH值下降到4.4以下,發(fā)酵30 d后pH值下降到4.2以下,且變化幅度較小,較低的pH值達到了良好的青貯發(fā)酵要求。

        圖5 乳酸菌發(fā)酵過程中甜菜粕pH值的變化

        2.7 菌群數量分析

        試驗中檢測了甜菜粕原料、甜菜粕加菌發(fā)酵樣品中的菌群數量。在甜菜粕原料中,霉菌小于10 CFU/g,酵母菌約40 CFU/g,乳酸菌數量僅為1.0×104CFU/g,低水平的菌落數量有利于甜菜粕的保存。甜菜粕加菌樣品中霉菌小于10 CFU/g,酵母菌約7 100 CFU/g,乳酸菌數量高達4.3×108CFU/g。由數據可知乳酸菌菌群數量始終占主導地位,對比發(fā)酵前后的數據,說明了添加乳酸菌可有效抑制霉菌的生長,酵母菌數量的增長可能是因為甜菜粕加水后酵母菌被活化,進行了生長繁殖。

        2.8 真菌毒素檢測

        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,其中黃曲霉素還包括B1、B2、G1、G24種類型。對甜菜粕發(fā)酵產品中的3種真菌毒素進行檢測,均未檢出,即滿足飼料的相關相求,不會對動物的健康產生影響。

        2.9 感官評定

        對甜菜粕原料、甜菜粕加菌后的樣品從氣味、色澤、結構3方面進行感官評定,結合pH值與水分含量進行綜合評分,結果見表11。

        表11 甜菜粕原料及發(fā)酵產品感官評定得分表

        分析評分結果可知,甜菜粕原料在氣味、結構與水分含量等方面都處在極低水平,若作為商品直接售出,也不會具有太大價值。而甜菜粕加菌發(fā)酵后,由于乳酸菌產生大量乳酸,可使甜菜粕中的異味成分得到抑制,使得產品的氣味水平提升;同時提升pH值水平,利于貯存;并且不會對其余指標產生明顯的負面影響,產品綜合評分大幅上升。

        綜上所述,添加乳酸菌使得甜菜粕飼料體系內pH值明顯降低,有利于青貯發(fā)酵的成功率;其發(fā)酵產物的中性洗滌纖維與粗蛋白質含量均有提升,含量下降的粗纖維被降解成易于吸收的小分子糖,促進了干物質在動物體內的消化;各項能量指標的下降也說明了青貯飼料內部發(fā)生了劇烈的發(fā)酵活動。通過固態(tài)發(fā)酵,提升了甜菜粕飼料的營養(yǎng)價值。

        3 可行性分析

        甜菜粕固態(tài)發(fā)酵可以有效地提升其作為飼料的營養(yǎng)價值,結合發(fā)酵工藝流程,對關鍵的控制指標進行分析。

        3.1 工藝技術路線

        甜菜粕固態(tài)發(fā)酵技術可有效緩解甜菜粕腐爛變質的問題,在提高產品銷售量的同時降低了廢品處理成本與環(huán)境污染,多方面提高了工廠效益;同時還能帶動相關產業(yè)的發(fā)展,形成一條全新的產業(yè)鏈,促進就業(yè),造福社會。目前,甜菜粕青貯飼料的生產方式主要為窖儲或者裹包青貯發(fā)酵兩種技術途徑生產發(fā)酵甜菜粕產品,經牧場飼喂試驗,收到了良好的效果和收益[7]。

        青貯窖儲一般選在地勢高、向陽、排水良好、距畜舍近、取喂方便、無糞場、無污染的干燥地區(qū),挖好窖后應晾曬1~2 d以減少窖壁水分[8]。典型的窖儲青貯飼料的制作過程如下:

        (1) 用水泥、石板等建筑材料建造窖池,并清理干凈。

        (2) 用隔氧率較好的塑料膜覆蓋窖池的底部、邊墻。

        (3) 將青貯原料卸料至窖池,注意避免碾壓。

        (4) 裝好料后,用拖拉機壓實。

        (5) 臨近地窖邊緣的部分要包裹好。

        (6) 另找一塊塑料膜壓在上層,完全包裹甜菜粕。

        (7) 塑料膜上層用5 cm厚的泥土封蓋。

        (8) 4~6周后打開地窖開始使用,取料處表面保持豎直,以避免坍塌。

        窖藏成本較低,但需要建設專用窖池,如果厭氧條件保持不佳,容易產生霉變等現象而影響飼料品質,如果條件控制不當,容易發(fā)生2次發(fā)酵現象。因此,近年來歐洲市場也在持續(xù)推動裹包發(fā)酵飼料技術的應用。

        裹包生產發(fā)酵甜菜粕,儲藏簡易,榨季開始后即可發(fā)酵。使用特制打包機在榨季期間進行生產,密封性好,而且運輸較方便,可以不拆包直接運達使用地,不易出現2次發(fā)酵等現象。典型的裹包青貯飼料制作過程如下:

        (1) 裹包:在環(huán)形壓力倉內對甜菜粕進行壓縮,當達到設定壓力后,停止進料;使用特制的塑料膜進行裹包;然后將打包捆抬起、釋放壓力,并使用拉伸薄膜進一步裹包;打捆后自動放置到墊子上,并印上生產日期。

        (2) 運送:大多數裹包飼料在榨季期間直接運送給客戶;部分放置在倉庫,在當年賣出。

        (3) 飼喂:包裹一旦打開后,冬季需1周內使用,氣候溫暖時需3 d內使用。

        3.2 固態(tài)發(fā)酵關鍵控制指標

        3.2.1乳酸菌數量

        青貯添加劑中的菌株必須是能戰(zhàn)勝原料本身所附著的各種菌群,同時這些菌株必須具有耐酸性,在青貯中可以迅速繁殖,可以廣泛的利用各種可溶性糖,不應降解有機酸,在較大的溫度范圍及多種條件下均可生長,且不具有過度的蛋白質水解酶活性[5]。每1 g原料必須至少含有1×105個乳酸菌,在青貯發(fā)酵時添加活力旺盛的乳酸菌,可以使乳酸菌數量盡快達標,保證快速有效的發(fā)酵。

        3.2.2保持無氧環(huán)境

        乳酸菌為厭氧菌,在無氧條件下才能生長繁殖。若青貯容器內空氣沒有排盡,則乳酸菌不能存活,同時酵母菌、霉菌等好氧菌會大量滋生,導致青貯失敗。因此青貯過程中的原料一定要切短、壓實、封嚴[8],且制作過程盡量迅速。

        3.2.3充足的含糖量

        飼料中的乳酸菌主要利用小分子糖進行生長繁殖,并將糖轉化為乳酸。因此若青貯原料中含糖量較高,會極大地促進乳酸菌的生長繁殖,從而產生很多的乳酸,加大對有害微生物的抑制程度;反之,會使體系酸度過低,有害物質便會滋生,使得青貯料霉變腐爛。一般要嚴格保證青貯原料中含糖量不低于鮮重的1%~1.5%[2]。

        3.2.4適宜的含水量

        水分含量的高低會影響青貯發(fā)酵過程和青貯料品質。一般青貯原料含水量在65%~70%為宜[2]。若含水高于80%,在擠壓時會引起原料中的糖分的流失,從而影響乳酸菌的生長繁殖,影響青貯效果;若含水量過低,則會使得干料難以壓實,隙間會殘留空氣,也會導致乳酸菌活性降低和有害菌的滋生,使飼料霉變腐爛。

        3.2.5適宜的溫度控制

        青貯過程中溫度直接影響著乳酸菌的生長繁殖。大量研究表明,青貯飼料品質的優(yōu)劣和飼用價值的高低,取決于青貯飼料的厭氧發(fā)酵是乳酸發(fā)酵還是丁酸發(fā)酵,而溫度便是控制發(fā)酵類型的關鍵。乳酸菌發(fā)酵的適宜溫度為19~37℃,丁酸發(fā)酵則需要更高的溫度[6]。

        4 結論

        以甜菜粕為原料開展發(fā)酵試驗,通過添加乳酸菌探究乳酸菌對青貯的影響,添加乳酸菌使得體系內pH值明顯降低,有利于青貯發(fā)酵的成功率;其發(fā)酵產物的中性洗滌纖維與粗蛋白質含量均有提升,含量下降的粗纖維被降解成易于吸收的小分子糖,促進了干物質在動物體內的消化;各項能量指標的下降也說明了青貯飼料內部發(fā)生了劇烈的發(fā)酵活動。乳酸菌不會改變粗纖維與中性洗滌纖維等物質的結構,因此其消化率也不會受到影響。青貯飼料的氣味隨著乳酸菌的加入得到了提升,有助于提高動物采食量。

        對于常見的2種固態(tài)發(fā)酵模式,窖藏成本較低,但需要建設專用窖池,如果厭氧條件保持不佳,容易產生霉變等現象而影響飼料品質,如果條件控制不當,容易發(fā)生2次發(fā)酵現象。裹包生產發(fā)酵甜菜粕,儲藏簡易,相較窖儲,能夠增加運輸半徑,儲存運輸更加方便,并且能有效減少青貯滲出液,從而保留營養(yǎng)成分,但生產成本和運輸成本較高。無論是窖藏還是裹包模式,都需要保持無氧環(huán)境,保證充足的乳

        酸菌數量和含糖量,同時控制適宜的含水量和溫度,以確保達到固態(tài)發(fā)酵預期效果。對于生產方式和生產設備的選擇,甜菜糖廠需要綜合考慮生產情況與市場價格進行評估,并結合下游市場需求,按照工廠實際情況進行模式篩選和規(guī)模生產。

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