邢文會(huì)+付瑞敏+王丁+王雅雅+谷亞楠+郭彥釗+陳五嶺

摘要：以甘薯渣為原料，利用復(fù)合微生物菌劑進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，并探討發(fā)酵產(chǎn)物對(duì)育肥豬生產(chǎn)性能的影響。采用響應(yīng)面法對(duì)甘薯渣的發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇接種量、發(fā)酵溫度、初始pH值3個(gè)因素，以發(fā)酵產(chǎn)物的真蛋白含量作為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面法分析，并將發(fā)酵產(chǎn)物作為添加物進(jìn)行育肥豬飼喂試驗(yàn)。結(jié)果表明，微生物發(fā)酵甘薯渣產(chǎn)蛋白飼料的最優(yōu)工藝是：接種量1.64%、發(fā)酵溫度29.79 ℃、初始pH值 5.59。在該條件下，真蛋白含量增加至22.95%，比優(yōu)化前提高了47.68%。此外，經(jīng)檢測(cè)，發(fā)酵后產(chǎn)物各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均良好，可將其添加入育肥豬飼料中，且最佳添加比例為10%。

關(guān)鍵詞：甘薯渣；發(fā)酵條件；響應(yīng)面法；育肥豬

中圖分類號(hào)： S816.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）04-0279-06

甘薯是一種高產(chǎn)而適應(yīng)性強(qiáng)的糧食作物[1]，甘薯塊根中含大量的淀粉、糖分、蛋白質(zhì)和纖維素半纖維素等營(yíng)養(yǎng)成分[2-5]。甘薯不僅可以用作人類的主糧，還是飼料生產(chǎn)、淀粉加工和乙醇制造等行業(yè)的重要原材料。研究資料表明，甘薯中的膳食纖維對(duì)維持人和動(dòng)物的胃腸道健康具有極其重要的作用[6-8]。甘薯渣是甘薯淀粉廠提取甘薯淀粉后剩余的殘?jiān)?，其主要成分是淀粉、纖維素和蛋白質(zhì)等，質(zhì)量約占鮮質(zhì)量的45%～60%。當(dāng)前，飼料工業(yè)中大多采用新鮮薯渣來(lái)生產(chǎn)飼料，陳年薯渣由于久置生霉、產(chǎn)乙醇等原因不易被動(dòng)物食用，故大多被廢棄，不僅污染環(huán)境，還造成了資源的浪費(fèi)[9-11]。

當(dāng)前，隨著生物技術(shù)與飼料加工產(chǎn)業(yè)的不斷融合，生物飼料的開發(fā)已逐漸成為我國(guó)飼料加工的熱點(diǎn)。基于生物飼料的生產(chǎn)特點(diǎn)，用有益微生物復(fù)合菌劑發(fā)酵陳年薯渣，利用菌體的生長(zhǎng)代謝將薯渣中各種成分進(jìn)行高效轉(zhuǎn)化并生產(chǎn)蛋白飼料，不僅解決陳年薯渣的污染等難題，還可有效提高薯渣中蛋白質(zhì)的利用率。此外，由于發(fā)酵產(chǎn)物中含有豐富的維生素、礦物質(zhì)和其他生物活性物質(zhì)，將其添加于飼料中，可有效提高畜禽的生長(zhǎng)率[12-15]。

本研究擬采用功能微生物發(fā)酵陳年甘薯渣，并以發(fā)酵殘留物中真蛋白含量為品質(zhì)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化。采用優(yōu)化工藝進(jìn)行蛋白飼料的擴(kuò)大生產(chǎn)，經(jīng)測(cè)定，所得產(chǎn)物各養(yǎng)分評(píng)價(jià)指標(biāo)均良好，育肥豬飼喂試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)酵后的產(chǎn)物不僅可提高適口性，還可有效提高育肥豬的料肉比和鮮肉品質(zhì)等生產(chǎn)性能。本研究結(jié)果不僅能夠有效解決陳年甘薯渣造成的環(huán)境污染問(wèn)題，還可以實(shí)現(xiàn)其資源化，將其用于飼料生產(chǎn)和畜禽養(yǎng)殖，可有效降低生產(chǎn)成本，具有良好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

陳年甘薯渣：取自山西美家園生物科技股份有限公司。薯渣經(jīng)固液分離后，含水率為60%，攪碎成糊狀物備用。

功能微生物復(fù)合菌劑：為產(chǎn)朊假絲酵母、解脂假絲酵母、乳酸乳球菌、米曲霉。菌種保存于西北大學(xué)農(nóng)業(yè)及環(huán)境微生物技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 單因素試驗(yàn) 通過(guò)對(duì)影響甘薯渣發(fā)酵的主要因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，包括：接種量、發(fā)酵溫度、初始pH值、發(fā)酵溫度。以發(fā)酵產(chǎn)物中真蛋白含量的變化來(lái)判斷各因素對(duì)薯渣發(fā)酵工藝的影響。

1.2.2 響應(yīng)面優(yōu)化發(fā)酵條件的優(yōu)化 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，利用2-Level Factorial Design試驗(yàn)設(shè)計(jì)，從發(fā)酵接種量、發(fā)酵溫度、初始pH值和發(fā)酵溫度4因素中篩選出對(duì)發(fā)酵工藝影響重要的3個(gè)單因素，通過(guò)爬坡試驗(yàn)確定各因素的最佳取值范圍。利用Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，采用響應(yīng)面法，以甘薯渣殘留物真蛋白含量為響應(yīng)值，進(jìn)行3因素3水平試驗(yàn)對(duì)甘薯渣發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化。

1.3 甘薯渣發(fā)酵殘留物品質(zhì)測(cè)定

真蛋白的測(cè)定[16]：用三氯乙酸沉淀法進(jìn)行預(yù)處理后，按照GB 500905—1986《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》的方法測(cè)定，具體操作流程如下：取發(fā)酵產(chǎn)物樣品2 g，加入三氯乙酸10 mL，振蕩搖勻，靜置30 min， 3 000 r/min離心10 min，留沉淀，加入三氯乙酸，振蕩搖勻、靜置、離心，重復(fù)過(guò)程2次，收集沉淀物備用，采用凱氏定氮法[17]測(cè)定沉淀物蛋白含量即為真蛋白。粗脂肪：按照GB 6433—1986《飼料粗脂肪測(cè)定方法》中的索氏提取法測(cè)定。粗灰分：按照GB 6438—1994《飼料中粗灰分的測(cè)定方法》的高溫灼燒法測(cè)定。粗纖維：按照GB/T 6434—1994《飼料中粗纖維測(cè)定方法》中的酸堿洗滌法測(cè)定。水分：按照GB 6435—1992《飼料中水分的測(cè)定》方法測(cè)定。乳酸菌的測(cè)定用平板活菌計(jì)數(shù)法[18]，采用改良MRS培養(yǎng)基。大腸桿菌的測(cè)定采用GB 4789.3—2010《食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 大腸菌群計(jì)數(shù)》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；酵母菌的測(cè)定按照GB 4789.15—2003《食品衛(wèi)生微生物學(xué)檢驗(yàn) 霉菌和酵母計(jì)數(shù)》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

1.4 育肥豬的飼養(yǎng)試驗(yàn)研究

選用生長(zhǎng)狀況基本一致的育肥豬40頭，隨機(jī)分組，每組10頭，對(duì)照組飼喂基礎(chǔ)日糧，1號(hào)試驗(yàn)組添加5%發(fā)酵產(chǎn)物，2號(hào)試驗(yàn)組添加10%發(fā)酵產(chǎn)物，3號(hào)試驗(yàn)組添加15%發(fā)酵產(chǎn)物。試驗(yàn)周期為60 d，完成后測(cè)定料肉比、屠宰率、肉的品質(zhì)。試驗(yàn)地點(diǎn)為陜西某養(yǎng)豬場(chǎng)。

育肥豬胴體質(zhì)量為：屠宰后去頭、蹄、尾及內(nèi)臟，保留板油和腎臟的軀體質(zhì)量。

肉的品質(zhì)測(cè)定包括：pH值的測(cè)定、剪切力的測(cè)定、肉色的測(cè)定、大理石紋評(píng)分[19]。測(cè)定對(duì)象為豬肋骨處的背最長(zhǎng)肌。用PH值S-25 數(shù)顯酸度計(jì)測(cè)定肌肉pH值；用C-L M3B型數(shù)顯式肌肉嫩度儀測(cè)定剪切力；使用美制NPPC標(biāo)準(zhǔn)比色板進(jìn)行肉色測(cè)定；使用美制NPPC標(biāo)準(zhǔn)比色板進(jìn)行大理石紋測(cè)定。

鮮肉肉色分為5級(jí)評(píng)定[20]：1分為灰白色（PSE肉色），2分為輕度灰白（傾向PSE肉色），3分為亮紅色（正常肉色），4分為稍深紅色（正常肉色），5分為暗紫色（DFD肉色）。

大理石紋：大理石紋是評(píng)定肉質(zhì)指標(biāo)之一，將最后肋骨處的背最長(zhǎng)肌橫斷面置于4 ℃冷卻24 h后測(cè)定。評(píng)分制分為5個(gè)等級(jí)：1分為脂肪極少量，2分為脂肪微量，3分為脂肪少量，4分為脂肪適量，5分為脂肪過(guò)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 接種量對(duì)真蛋白含量的影響

在發(fā)酵條件為發(fā)酵溫度32 ℃、發(fā)酵時(shí)間2 d、初始pH值自然的情況下，當(dāng)接種量分別為0.5%、1%、1.5%、2%、25%時(shí)，真蛋白含量的變化情況如圖1所示。從圖1可知，在接種量為0.5%～1.5%范圍內(nèi)，發(fā)酵產(chǎn)物真蛋白含量隨著接種量的增加而增加。當(dāng)接種量為1.5%時(shí)，真蛋白含量達(dá)到了22.05%。當(dāng)接種量超過(guò)1.5%時(shí)，真蛋白含量有所下降，從菌體生長(zhǎng)和生產(chǎn)成本來(lái)看，選擇1.5%的接種量為最佳。

2.2 發(fā)酵溫度對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物真蛋白含量的影響

在發(fā)酵條件為發(fā)酵時(shí)間2 d、接種量1.5%、初始pH值自然，發(fā)酵溫度分別是26、28、30、32、34 ℃時(shí)，各組發(fā)酵后的真蛋白含量見圖2。由圖2可以看出，在26～30 ℃范圍內(nèi)，甘薯渣發(fā)酵產(chǎn)物的真蛋白含量隨著溫度的升高而增加，在30 ℃時(shí)發(fā)酵產(chǎn)物真蛋白含量達(dá)到了21.92%。當(dāng)發(fā)酵溫度超過(guò) 30 ℃，真蛋白含量下降。

2.3 初始pH值對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物真蛋白含量的影響

在發(fā)酵條件為發(fā)酵溫度32 ℃、接種量1.5%的情況下，發(fā)酵時(shí)間2 d，初始pH值分別設(shè)置5.0、5.5、6.0、6.5、7.0時(shí)，各組發(fā)酵后的真蛋白含量見圖3。從圖3可以看出，pH值在5.0～5.5之間，真蛋白含量的增加趨勢(shì)明顯，在pH值5.5時(shí)真蛋白含量達(dá)到了22.96%。當(dāng)pH值在5.5～6.5之間，真蛋白含量呈下降趨勢(shì)。

2.4 發(fā)酵時(shí)間對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物真蛋白含量的影響

在發(fā)酵溫度32 ℃、接種量1.5%，初始pH值為自然的情況下，分別設(shè)置發(fā)酵時(shí)間為24、36、48、60 h時(shí)，各組發(fā)酵后的真蛋白含量見圖4。從圖4可以看出，發(fā)酵時(shí)間在24～48 h之間時(shí)，真蛋白含量逐漸增加，當(dāng)發(fā)酵時(shí)間為48 h，真蛋白含量為21.96%，當(dāng)發(fā)酵時(shí)間超過(guò)48 h之后，真蛋白含量慢慢下降?？赡苁怯捎诎l(fā)酵物質(zhì)缺乏，菌體繁殖將部分真蛋白分解。

2.5 影響發(fā)酵工藝的主要因素及其范圍

利用Design Expert 8.0.5b軟件中2-Level Factorial Design 設(shè)計(jì)試驗(yàn)，從接種量、發(fā)酵溫度（℃）、初始pH值和發(fā)酵溫度中選出主要的影響因素。因素水平表以及試驗(yàn)設(shè)計(jì)表見表1和表2。

方差分析結(jié)果（表3）表明，對(duì)甘薯渣發(fā)酵產(chǎn)物中真蛋白含量的影響因素中，依次為：接種量>初始pH值>發(fā)酵溫度。

2.6 響應(yīng)曲面法優(yōu)化發(fā)酵工藝

根據(jù)以上單因素試驗(yàn)以及2-Level Factorial Design試驗(yàn)設(shè)計(jì)的結(jié)果，采用響應(yīng)曲面法對(duì)發(fā)酵工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，因素水平見表4。采用響應(yīng)曲面法進(jìn)行多元回歸分析，以接種量、發(fā)酵溫度和初始pH值3因素3水平設(shè)計(jì) Box-Benhnken中心試驗(yàn)，響應(yīng)面分析方案與結(jié)果見表5。

由NAVOA擬合結(jié)果（表6）分析可知：模型F檢驗(yàn)極顯著（P<0.001），失擬項(xiàng)P=0.23>0.05，表明此二次回歸模型擬合性較好，決定系數(shù)r2=0.994 8，調(diào)整決定系數(shù)r2Adj=0983 5，說(shuō)明回歸方程能較好地描述各影響因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系。從表6可以看出：接種量（A）、接種量（A）的二次方、初始pH值（C）的二次方對(duì)真蛋白含量的影響極顯著（P<0.01）。各影響因素對(duì)真蛋白含量的影響顯著性順序?yàn)椋航臃N量>初始pH值>發(fā)酵溫度，該模型可用于陳年薯渣發(fā)酵條件的優(yōu)化。

根據(jù)回歸方程，利用響應(yīng)面軟件可以繪制出兩兩交互作用對(duì)真蛋白含量影響的等高線和響應(yīng)面曲線圖，所得結(jié)果見圖5、圖6、圖7。從圖5可以看出，當(dāng)初始pH值為5.5時(shí)，接種量和發(fā)酵溫度對(duì)真蛋白含量的交互影響。接種量（A）、發(fā)酵溫度（B）對(duì)真蛋白含量的影響都是明顯的，曲面比較陡峭。接種量（A）與發(fā)酵溫度（B）交互作用是不明顯的。

從圖6可以看出，接種量（A）與初始pH值（C）對(duì)真蛋白含量的含量影響明顯，響應(yīng)面圖曲面較陡峭，并且2個(gè)因素的交互作用不明顯。接種量（A）與發(fā)酵溫度（B）交互作用與接種量（A）與初始pH值（C）交互作用相比，前者對(duì)真蛋白含量交互作用比后者明顯，即P值為0.111 5和0.133 4。當(dāng)接種量一定時(shí)，初始pH值大于5.5時(shí)，真蛋白含量呈下降趨勢(shì)，較高的pH值不利于陳年薯渣發(fā)酵。

從圖7可以看出，發(fā)酵溫度（B）和初始pH值（C）對(duì)真蛋白含量的影響顯著，響應(yīng)面曲面較為陡峭。發(fā)酵溫度（B）和初始pH值（C）2個(gè)因素的交互作用也是明顯的。

基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Design Expert 8.0.5b，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，獲得最大真蛋白含量的各試驗(yàn)條件為：接種量為164%、發(fā)酵溫度為29.79 ℃、初始pH值為5.59。為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃?，以及?shí)際試驗(yàn)的可操作性，將接種量取為16%、發(fā)酵溫度取為30 ℃、初始pH值取為5.6，在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，平行測(cè)定3次，所得到真蛋白含量的平均值為22.95%，與模型預(yù)測(cè)的結(jié)果很接近，表明該模型可信，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

2.7 擴(kuò)大驗(yàn)證試驗(yàn)發(fā)酵品質(zhì)測(cè)定

在最優(yōu)工藝條件下，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件，取1 kg陳年薯渣進(jìn)行擴(kuò)大發(fā)酵試驗(yàn)，對(duì)發(fā)酵原料和發(fā)酵產(chǎn)物采用三點(diǎn)法取樣，并對(duì)發(fā)酵后產(chǎn)物進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定。從表7可以看出：經(jīng)過(guò)發(fā)

2.8 發(fā)酵產(chǎn)物對(duì)育肥豬喂養(yǎng)試驗(yàn)研究

試驗(yàn)豬基礎(chǔ)日糧由養(yǎng)殖場(chǎng)提供，育肥結(jié)束后，測(cè)定料肉比、屠宰率、肉品質(zhì)。由表8可知，2號(hào)試驗(yàn)組的料肉比最小，小于對(duì)照組，并且優(yōu)于1號(hào)和3號(hào)試驗(yàn)組，各試驗(yàn)組屠宰率結(jié)果中，2號(hào)試驗(yàn)組大于其他試驗(yàn)組，因此選用添加10%的甘薯渣發(fā)酵產(chǎn)物作為最佳的添加量。由表9可知，鮮肉pH值在6.2左右，肉色評(píng)分在3～4分之間，色澤良好，大理石紋評(píng)分在4左右，肌肉脂肪呈適量分布。上述結(jié)果表明甘薯渣發(fā)酵產(chǎn)物的添加對(duì)鮮肉品質(zhì)無(wú)影響。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)利用復(fù)合微生物菌劑對(duì)陳年甘薯渣進(jìn)行發(fā)酵，提高發(fā)酵產(chǎn)物的真蛋白含量并且應(yīng)用于育肥豬的飼喂過(guò)程中。通過(guò)單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)因素分別為接種量、發(fā)酵溫度、初始pH值，利用響應(yīng)面法對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化，在最優(yōu)條件下，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行擴(kuò)大驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明與預(yù)測(cè)模型十分相近，并且真蛋白含量的增加率為47.68%。將發(fā)酵產(chǎn)物作為飼料添加物，對(duì)育肥豬進(jìn)行飼喂試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)添加量為10%時(shí)，與其他組相比料肉比小、屠宰率高。說(shuō)明添加10%發(fā)酵產(chǎn)物后的飼料適口性好，并且經(jīng)過(guò)檢測(cè)鮮肉品質(zhì)較之前有所提高。試驗(yàn)結(jié)果表明，將陳年甘薯渣作為原材料發(fā)酵生產(chǎn)豬蛋白飼料，是一種可行的方法，它不僅可高效利用甘薯中的營(yíng)養(yǎng)成分，且對(duì)生態(tài)環(huán)境沒(méi)有造成任何污染，整個(gè)過(guò)程是一個(gè)綠色高效循環(huán)的農(nóng)業(yè)模式，具有良好的應(yīng)用和推廣前景。

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