微生物发酵甘薯渣产蛋白饲料的工艺优化及对育肥猪生产性能的影响

邢文会+付瑞敏+王丁+王雅雅+谷亚楠+郭彦钊+陈五岭

摘要：以甘薯渣为原料，利用复合微生物菌剂进行固态发酵，并探讨发酵产物对育肥猪生产性能的影响。采用响应面法对甘薯渣的发酵条件进行优化，在单因素试验的基础上，选择接种量、发酵温度、初始pH值3个因素，以发酵产物的真蛋白含量作为响应值进行响应面法分析，并将发酵产物作为添加物进行育肥猪饲喂试验。结果表明，微生物发酵甘薯渣产蛋白饲料的最优工艺是：接种量1.64%、发酵温度29.79 ℃、初始pH值 5.59。在该条件下，真蛋白含量增加至22.95%，比优化前提高了47.68%。此外，经检测，发酵后产物各项评价指标均良好，可将其添加入育肥猪饲料中，且最佳添加比例为10%。

关键词：甘薯渣；发酵条件；响应面法；育肥猪

中图分类号： S816.4

文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）04-0279-06

甘薯是一种高产而适应性强的粮食作物[1]，甘薯块根中含大量的淀粉、糖分、蛋白质和纤维素半纤维素等营养成分[2-5]。甘薯不仅可以用作人类的主粮，还是饲料生产、淀粉加工和乙醇制造等行业的重要原材料。研究资料表明，甘薯中的膳食纤维对维持人和动物的胃肠道健康具有极其重要的作用[6-8]。甘薯渣是甘薯淀粉厂提取甘薯淀粉后剩余的残渣，其主要成分是淀粉、纤维素和蛋白质等，质量约占鲜质量的45%～60%。当前，饲料工业中大多采用新鲜薯渣来生产饲料，陈年薯渣由于久置生霉、产乙醇等原因不易被动物食用，故大多被废弃，不仅污染环境，还造成了资源的浪费[9-11]。

当前，随着生物技术与饲料加工产业的不断融合，生物饲料的开发已逐渐成为我国饲料加工的热点。基于生物饲料的生产特点，用有益微生物复合菌剂发酵陈年薯渣，利用菌体的生长代谢将薯渣中各种成分进行高效转化并生产蛋白饲料，不仅解决陈年薯渣的污染等难题，还可有效提高薯渣中蛋白质的利用率。此外，由于发酵产物中含有丰富的维生素、矿物质和其他生物活性物质，将其添加于饲料中，可有效提高畜禽的生长率[12-15]。

本研究拟采用功能微生物发酵陈年甘薯渣，并以发酵残留物中真蛋白含量为品质测定标准，对发酵条件进行优化。采用优化工艺进行蛋白饲料的扩大生产，经测定，所得产物各养分评价指标均良好，育肥猪饲喂试验结果表明，发酵后的产物不仅可提高适口性，还可有效提高育肥猪的料肉比和鲜肉品质等生产性能。本研究结果不仅能够有效解决陈年甘薯渣造成的环境污染问题，还可以实现其资源化，将其用于饲料生产和畜禽养殖，可有效降低生产成本，具有良好的环境和经济效益。

1 材料与方法

1.1 试验材料

陈年甘薯渣：取自山西美家园生物科技股份有限公司。薯渣经固液分离后，含水率为60%，搅碎成糊状物备用。

功能微生物复合菌剂：为产朊假丝酵母、解脂假丝酵母、乳酸乳球菌、米曲霉。菌种保存于西北大学农业及环境微生物技术工程实验室。

1.2 试验方法

1.2.1 单因素试验 通过对影响甘薯渣发酵的主要因素进行单因素试验，包括：接种量、发酵温度、初始pH值、发酵温度。以发酵产物中真蛋白含量的变化来判断各因素对薯渣发酵工艺的影响。

1.2.2 响应面优化发酵条件的优化 根据单因素试验结果，利用2-Level Factorial Design试验设计，从发酵接种量、发酵温度、初始pH值和发酵温度4因素中筛选出对发酵工艺影响重要的3个单因素，通过爬坡试验确定各因素的最佳取值范围。利用Box-Benhnken中心组合试验设计原理，采用响应面法，以甘薯渣残留物真蛋白含量为响应值，进行3因素3水平试验对甘薯渣发酵条件进行优化。

1.3 甘薯渣发酵残留物品质测定

真蛋白的测定[16]：用三氯乙酸沉淀法进行预处理后，按照GB 500905—1986《食品中蛋白质的测定》的方法测定，具体操作流程如下：取发酵产物样品2 g，加入三氯乙酸10 mL，振荡摇匀，静置30 min， 3 000 r/min离心10 min，留沉淀，加入三氯乙酸，振荡摇匀、静置、离心，重复过程2次，收集沉淀物备用，采用凯氏定氮法[17]测定沉淀物蛋白含量即为真蛋白。粗脂肪：按照GB 6433—1986《饲料粗脂肪测定方法》中的索氏提取法测定。粗灰分：按照GB 6438—1994《饲料中粗灰分的测定方法》的高温灼烧法测定。粗纤维：按照GB/T 6434—1994《饲料中粗纤维测定方法》中的酸碱洗涤法测定。水分：按照GB 6435—1992《饲料中水分的测定》方法测定。乳酸菌的测定用平板活菌计数法[18]，采用改良MRS培养基。大肠杆菌的测定采用GB 4789.3—2010《食品微生物学检验 大肠菌群计数》标准执行；酵母菌的测定按照GB 4789.15—2003《食品卫生微生物学检验 霉菌和酵母计数》标准执行。

1.4 育肥猪的饲养试验研究

选用生长状况基本一致的育肥猪40头，随机分组，每组10头，对照组饲喂基础日粮，1号试验组添加5%发酵产物，2号试验组添加10%发酵产物，3号试验组添加15%发酵产物。试验周期为60 d，完成后测定料肉比、屠宰率、肉的品质。试验地点为陕西某养猪场。

育肥猪胴体质量为：屠宰后去头、蹄、尾及内脏，保留板油和肾脏的躯体质量。

肉的品质测定包括：pH值的测定、剪切力的测定、肉色的测定、大理石纹评分[19]。测定对象为猪肋骨处的背最长肌。用PH值S-25 数显酸度计测定肌肉pH值；用C-L M3B型数显式肌肉嫩度仪测定剪切力；使用美制NPPC标准比色板进行肉色测定；使用美制NPPC标准比色板进行大理石纹测定。

鲜肉肉色分为5级评定[20]：1分为灰白色（PSE肉色），2分为轻度灰白（倾向PSE肉色），3分为亮红色（正常肉色），4分为稍深红色（正常肉色），5分为暗紫色（DFD肉色）。

大理石纹：大理石纹是评定肉质指标之一，将最后肋骨处的背最长肌横断面置于4 ℃冷却24 h后测定。评分制分为5个等级：1分为脂肪极少量，2分为脂肪微量，3分为脂肪少量，4分为脂肪适量，5分为脂肪过量。

2 结果与分析

2.1 接种量对真蛋白含量的影响

在发酵条件为发酵温度32 ℃、发酵时间2 d、初始pH值自然的情况下，当接种量分别为0.5%、1%、1.5%、2%、25%时，真蛋白含量的变化情况如图1所示。从图1可知，在接种量为0.5%～1.5%范围内，发酵产物真蛋白含量随着接种量的增加而增加。当接种量为1.5%时，真蛋白含量达到了22.05%。当接种量超过1.5%时，真蛋白含量有所下降，从菌体生长和生产成本来看，选择1.5%的接种量为最佳。

2.2 发酵温度对发酵产物真蛋白含量的影响

在发酵条件为发酵时间2 d、接种量1.5%、初始pH值自然，发酵温度分别是26、28、30、32、34 ℃时，各组发酵后的真蛋白含量见图2。由图2可以看出，在26～30 ℃范围内，甘薯渣发酵产物的真蛋白含量随着温度的升高而增加，在30 ℃时发酵产物真蛋白含量达到了21.92%。当发酵温度超过 30 ℃，真蛋白含量下降。

2.3 初始pH值对发酵产物真蛋白含量的影响

在发酵条件为发酵温度32 ℃、接种量1.5%的情况下，发酵时间2 d，初始pH值分别设置5.0、5.5、6.0、6.5、7.0时，各组发酵后的真蛋白含量见图3。从图3可以看出，pH值在5.0～5.5之间，真蛋白含量的增加趋势明显，在pH值5.5时真蛋白含量达到了22.96%。当pH值在5.5～6.5之间，真蛋白含量呈下降趋势。

2.4 发酵时间对发酵产物真蛋白含量的影响

在发酵温度32 ℃、接种量1.5%，初始pH值为自然的情况下，分别设置发酵时间为24、36、48、60 h时，各组发酵后的真蛋白含量见图4。从图4可以看出，发酵时间在24～48 h之间时，真蛋白含量逐渐增加，当发酵时间为48 h，真蛋白含量为21.96%，当发酵时间超过48 h之后，真蛋白含量慢慢下降。可能是由于发酵物质缺乏，菌体繁殖将部分真蛋白分解。

2.5 影响发酵工艺的主要因素及其范围

利用Design Expert 8.0.5b软件中2-Level Factorial Design 设计试验，从接种量、发酵温度（℃）、初始pH值和发酵温度中选出主要的影响因素。因素水平表以及试验设计表见表1和表2。

方差分析结果（表3）表明，对甘薯渣发酵产物中真蛋白含量的影响因素中，依次为：接种量>初始pH值>发酵温度。

2.6 响应曲面法优化发酵工艺

根据以上单因素试验以及2-Level Factorial Design试验设计的结果，采用响应曲面法对发酵工艺条件进行优化，因素水平见表4。采用响应曲面法进行多元回归分析，以接种量、发酵温度和初始pH值3因素3水平设计 Box-Benhnken中心试验，响应面分析方案与结果见表5。

由NAVOA拟合结果（表6）分析可知：模型F检验极显著（P<0.001），失拟项P=0.23>0.05，表明此二次回归模型拟合性较好，决定系数r2=0.994 8，调整决定系数r2Adj=0983 5，说明回归方程能较好地描述各影响因素与响应值之间的关系。从表6可以看出：接种量（A）、接种量（A）的二次方、初始pH值（C）的二次方对真蛋白含量的影响极显著（P<0.01）。各影响因素对真蛋白含量的影响显著性顺序为：接种量>初始pH值>发酵温度，该模型可用于陈年薯渣发酵条件的优化。

根据回归方程，利用响应面软件可以绘制出两两交互作用对真蛋白含量影响的等高线和响应面曲线图，所得结果见图5、图6、图7。从图5可以看出，当初始pH值为5.5时，接种量和发酵温度对真蛋白含量的交互影响。接种量（A）、发酵温度（B）对真蛋白含量的影响都是明显的，曲面比较陡峭。接种量（A）与发酵温度（B）交互作用是不明显的。

从图6可以看出，接种量（A）与初始pH值（C）对真蛋白含量的含量影响明显，响应面图曲面较陡峭，并且2个因素的交互作用不明显。接种量（A）与发酵温度（B）交互作用与接种量（A）与初始pH值（C）交互作用相比，前者对真蛋白含量交互作用比后者明显，即P值为0.111 5和0.133 4。当接种量一定时，初始pH值大于5.5时，真蛋白含量呈下降趋势，较高的pH值不利于陈年薯渣发酵。

从图7可以看出，发酵温度（B）和初始pH值（C）对真蛋白含量的影响显著，响应面曲面较为陡峭。发酵温度（B）和初始pH值（C）2个因素的交互作用也是明显的。

基于试验设计软件Design Expert 8.0.5b，对试验结果进行优化，获得最大真蛋白含量的各试验条件为：接种量为164%、发酵温度为29.79 ℃、初始pH值为5.59。为了检验模型的可靠性，以及实际试验的可操作性，将接种量取为16%、发酵温度取为30 ℃、初始pH值取为5.6，在此条件下进行验证试验，平行测定3次，所得到真蛋白含量的平均值为22.95%，与模型预测的结果很接近，表明该模型可信，具有实际的应用价值。

2.7 扩大验证试验发酵品质测定

在最优工艺条件下，根据实际生产条件，取1 kg陈年薯渣进行扩大发酵试验，对发酵原料和发酵产物采用三点法取样，并对发酵后产物进行各项指标测定。从表7可以看出：经过发

2.8 发酵产物对育肥猪喂养试验研究

试验猪基础日粮由养殖场提供，育肥结束后，测定料肉比、屠宰率、肉品质。由表8可知，2号试验组的料肉比最小，小于对照组，并且优于1号和3号试验组，各试验组屠宰率结果中，2号试验组大于其他试验组，因此选用添加10%的甘薯渣发酵产物作为最佳的添加量。由表9可知，鲜肉pH值在6.2左右，肉色评分在3～4分之间，色泽良好，大理石纹评分在4左右，肌肉脂肪呈适量分布。上述结果表明甘薯渣发酵产物的添加对鲜肉品质无影响。

3 结论与讨论

通过利用复合微生物菌剂对陈年甘薯渣进行发酵，提高发酵产物的真蛋白含量并且应用于育肥猪的饲喂过程中。通过单因素试验，试验因素分别为接种量、发酵温度、初始pH值，利用响应面法对发酵条件进行优化，在最优条件下，根据实际生产情况进行扩大验证试验，结果表明与预测模型十分相近，并且真蛋白含量的增加率为47.68%。将发酵产物作为饲料添加物，对育肥猪进行饲喂试验，结果表明，当添加量为10%时，与其他组相比料肉比小、屠宰率高。说明添加10%发酵产物后的饲料适口性好，并且经过检测鲜肉品质较之前有所提高。试验结果表明，将陈年甘薯渣作为原材料发酵生产猪蛋白饲料，是一种可行的方法，它不仅可高效利用甘薯中的营养成分，且对生态环境没有造成任何污染，整个过程是一个绿色高效循环的农业模式，具有良好的应用和推广前景。

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