2022第九届济南国际生物发酵产品与技术装备展览会
2022年3月30-4月1日 山东国际会展中心

【生物发酵展资讯】分级固态发酵生产甘蔗尾梢饲料工艺研究

摘要:以甘蔗尾梢为主要原料,采用分级固态发酵技术研究生产甘蔗尾梢饲料的工艺条件,通过单因素和正交实验,对一级发酵工艺中接种量、水分含量、一级发酵时间和二级发酵工艺中精粗比、二级发酵时间5个因素进行了优化。

结果表明:当接种0.15%发酵菌剂于一级发酵底物中,调整其水分含量为 50%,密封常温发酵5d后按3∶7比例将一级发酵料与新鲜甘蔗尾梢混合均匀,压实密封进行二级发酵,21d后甘蔗尾梢饲料品质最佳。所得甘蔗尾梢饲料粗蛋白含量为15.24%,粗纤维含量为24.03%。分级固态发酵技术可快速、有效提高甘蔗尾梢饲料中粗蛋白含量,同时降解粗纤维,改善饲料适口性,可应用于甘蔗尾梢饲料的制备。

广西是全国种植甘蔗面积最大的省份,全区种植面积达8×105hm2,约占全国甘蔗总种植面积的63%。甘蔗收割榨糖之后产生的大量副产物如甘蔗尾梢、蔗渣、糖蜜等均可用于养殖饲料加工。甘蔗尾梢中粗蛋白含量达5%~8%、粗纤维含量达 35%~45%、粗脂肪含量达3%~4%,营养丰富,是牛羊等反刍动物优良的饲料原料来源。

甘蔗尾梢饲料化利用技术已日趋成熟,目前常见发酵技术主要以青贮、微贮和氨化等形式,发酵后甘蔗尾梢营养价值有一定改善,可提高适口性,对牛羊增重也有一定效果。广西每年有大量的甘蔗尾梢产出,目前的发酵方式存在发酵时间长、发酵均匀度不足、发酵后产品品质差等缺陷,尚未能将甘蔗尾梢在饲料化利用上的优点发挥到极致,仍需进一步加大研发力度。常见的甘蔗尾梢饲料发酵方式以固态发酵为主,利用酵母菌、芽孢杆菌、乳酸菌和霉菌等益生菌种处理原料,通过微生物的生长繁殖,降解原料中难以利用的物质,提高粗蛋白,从而改善饲料品质。

为推进广西大宗作物甘蔗尾梢饲料化利用发展进程,本实验采用精粗分级固态发酵技术对甘蔗尾梢进行处理,探索甘蔗尾梢发酵饲料新工艺。通过精粗分级发酵方式提高甘蔗尾梢饲料整体营养水平,在提高甘蔗尾梢发酵饲料粗蛋白含量的同时降解部分粗纤维,改善甘蔗尾梢饲料适口性,生产出可直接饲用的高品质甘蔗尾梢发酵饲料。本研究与常规发酵模式有所区别,为广西甘蔗尾梢饲料品种多样化提供新思路,同时为高品质甘蔗尾梢饲料快速制备和长期贮存以解决越冬期牛羊草料短缺问题提供技术支撑。

1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 材料与试剂 

甘蔗尾梢来自广西某甘蔗试验基地。发酵菌剂,即甘蔗副产物饲料化专用复合微生态制剂,由广西某产品加工研究所农产品增值利用研究室自主研发,主要组成为产朊假丝酵母、植物乳杆菌、枯草芽孢杆菌、黑曲霉、米曲霉等。其他辅料如豆粕、玉米粉、麦麸、米糠、矿物质元素等均为市售饲料原料。试剂氢氧化钠、浓硫酸、浓盐酸、硫酸铜、硫酸钾、硼酸、甲基红、溴甲酚绿、蔗糖均为化学纯。

1.1.2 仪器与设备

KDN型凯氏定氮仪、F800型纤维测定仪、SX2-8-10A型箱式电阻炉、WGLL-230BE型电热鼓风干燥箱、VM-220高频水分测定仪、SOX406全自动粗脂肪测定仪。

1.2 方法
1.2.1 发酵底物

一级发酵底物由玉米粉、麦麸、米糠、豆粕组成,粗蛋白含量为16.20%。二级发酵底物由一级发酵底物与甘蔗尾梢按一定比例混合均匀。

1.2.2 精粗分级固态发酵 

用清水将糖蜜浓度调整为28 Bx,接种发酵菌剂,活化30min,随后接种于一级发酵底物中,调整水分,装入单向透气发酵袋,常温固态发酵一定时间,得到一级发酵料,将发酵好的一级发酵底物与新鲜甘蔗尾梢混合均匀,压实密封进行二级固态发酵,一定时间后即成甘蔗尾梢发酵饲料。

1.2.3 一级发酵单因素实验 

以粗蛋白含量为评价指标,采用单因素变量法对一级发酵工艺进行初步优化。在前期预实验基础上,设置发酵菌剂接种量分别为0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%;水分含量分别为35%、40%、45%、50%、55%;发酵时间分别为2、3、4、5、6、7d;

1.2.4 一级发酵工艺正交优化 

根据一级发酵单因素结果,设置L9(33)正交实验进一步优化一级发酵工艺,正交因素和水平如表1所示。

 

1.2.5 二级发酵工艺 

采用较优工艺生产一级发酵料,将其与新鲜甘蔗尾梢混合进行二级发酵,分别考察在精粗比1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5和发酵时间为7、14、21、28、35d 情况下二级发酵底物中粗蛋白和粗纤维含量变化情况。

1.2.6 分析指标测定 

粗蛋白含量按《饲料中粗蛋白的测定凯氏定氮法》(GB/T6432—2018)测定;粗纤维含量按《饲料中粗纤维的含量测定过滤法》(GB/T6434—2006)测定;粗灰分含量测定参照《饲料中粗灰分的测定》(GB/T6438—2007);粗脂肪测定参照《饲料中粗脂肪的测定》(GB/T6433—2006)。

1.3 数据处理

正交设计采用正交设计助手Ⅱv3.1软件设计和分析,实验数据用Excel表格整理,用Origin pro2017软件进行显著性分析并绘图。

2 结果分析
2.1 发酵方式选择

通过常规全混合发酵与精粗分级发酵两种固态发酵方式进行对比可知,相同环境下,甘蔗尾梢分级发酵后粗蛋白含量达到了15.11%,较全混合发酵提高了 15.04%,提高效果显著(P<0.05);采用精粗分级发酵方式发酵后甘蔗尾梢饲料中粗纤维含量为22.08%,与全混合发酵方式相比(24.42%),粗纤维含量降低了 9.56%,效果显著(P<0.05);精粗分级发酵方式粗脂肪含量比全混合发酵方式略高,粗灰分含量比全混合发酵模式较低,但二者差异均不显著(P>0.05)(图1)。粗蛋白和粗纤维含量的差异性体现了2种发酵方式的优劣,由结果可知,精粗分级固态发酵对提高甘蔗尾梢发酵饲料营养品质更有效。

2.2 接种量对一级发酵料的影响

 

不同接种量对一级发酵料的影响如图2所示。相同时间内,随着接种量增加,一级发酵料粗蛋白含量有显著性提高(P<0.05),在接种量为0.15%时,发酵料中粗蛋白含量达19.03%,比发酵前提高17.48%,提高效果显著(P<0.05);随着接种量的增加,粗蛋白含量有明显下降(P<0.05),继续增加接种量,粗蛋白含量增加效果不显著(P>0.05)。相同时间内,合适的接种量可以使发酵料中益生菌生长繁殖处于一个快速增长状态,菌体蛋白积累较快;接种量小,发酵速度较慢,菌体蛋白积累较慢;接种量过大,益生菌生长密度过大,提前进入衰亡期,不利于菌体蛋白积累,同时也增加了成本。因此,接种量在0.15%较为合适,其次是0.20%和0.25%。

2.3 水分含量对一级发酵料的影响

图3可知,水分含量对发酵效果有较大影响,低水分含量(35%和40%)不利于发酵,粗蛋白含量提高较为缓慢,差异性不显著(P>0.05);水分含量达45%时,一级发酵料中粗蛋白含量达19.15%,比发酵前提高18.2%,与低水分相比,提高效果显著(P<0.05);在水分含量为55%时,粗蛋白含量显著降低(P<0.05),说明高水分含量亦不利于发酵。水分含量在45%时较适合一级发酵料发酵。

2.4 发酵时间对一级发酵料的影响

 

一级发酵时间对一级发酵料影响如图4所示。随着发酵时间的进行,一级发酵料中粗蛋白含量持续升高,在发酵4d时,粗蛋白含量达19.38%,提高效果显著(P<0.05),其中原因可能是一级发酵料在发酵3~4d后进入微生物生长的对数期,此时微生物生长最为旺盛,菌体蛋白含量增加快;发酵第5天,粗蛋白含量有显著降低(P<0.05),随后保持动态平衡,没有显著性差异(P>0.05),第5天进入平稳后期或衰亡期,同时菌体的增值对发酵底物的粗蛋白含量有一定的消耗,因此发酵启动4d后转入二级发酵较为合适,其次是3d和5d。

2.5 一级发酵工艺正交优化结果

根据单因素实验结果,选择接种量、水分含量、一级发酵时间为因素进行3因素3水平正交优化。结果表明,在3个因素中,水分含量对一级发酵料中粗蛋白含量影响最大,其次为发酵时间,接种量影响较小;正交实验得到最优组合为A1B3C3,即接种量为0.15%,底物水分含量为50%,发酵时间为5d,发酵料粗蛋白含量达19.74%,比发酵前(CK)粗蛋白含量(16.2%)提高21.85%(表2)

 

2.6 精粗比对二级发酵料的影响

图5可知,精饲料的用量对二级发酵饲料的粗蛋白含量的提高有较大影响,在精粗比从1∶9提高到2∶8时,粗蛋白含量从10.31%提高到12.54%,提高了 21.60%,效果显著(P<0.05),但是粗纤维含量仅从32.49%降到31.96%,效果不显著(P>0.05);精粗比增加到3∶7时,粗蛋白含量有显著性提高(P<0.05),粗纤维含量有显著性降低(P<0.05);精粗比提高到4∶6时,粗纤维含量有显著性降低(P<0.05),但粗蛋白含量增加不明显(P>0.05)。在一定范围内,加大精料添加量可以提高发酵饲料的能量,有利于益生菌生长繁殖,提高对甘蔗尾梢粗纤维的降解能力,但是所需饲料成本也相应较高,综合考虑以精粗比3∶7较为合适。

2.7 二级发酵时间对二级发酵料的影响

二级发酵时间对二级发酵料品质影响如图6所示。按精粗比3∶7混合进行二级发酵,发酵底物粗蛋白含量为13.22%,粗纤维含量为32.18%。发酵启动后,粗蛋白含量有显著性提高(P<0.05%),在发酵至21d时,粗蛋白含量达15.24%,比发酵前提高15.31%,提高效果明显(P<0.05),粗纤维含量为24.03%,比发酵前降低了25.34%,降低效果显著(P<0.05);随着发酵时间延长,粗蛋白和粗纤维含量均变化不大(P>0.05%)。实验结果说明甘蔗尾梢发酵饲料发酵21d后品质趋于稳定,可用于饲喂或长期贮存。

3 讨论

甘蔗尾梢营养丰富且产量大,可作为牛羊等反刍动物饲料,对牛羊具有良好的育肥效果。甘蔗尾梢中添加辅料或者采用微生物制剂进行青贮可改善甘蔗尾梢青贮饲料的品质,提高营养价值。利用益生菌发酵甘蔗尾梢可改善甘蔗尾梢饲料的营养成分,降解发酵饲料中的部分粗纤维,同时可以改善牛羊等反刍动物肠道环境,提高饲料转化率。

发酵饲料粗蛋白提高主要依赖于微生物菌体蛋白,微生物生长情况直接影响到发酵体系中粗蛋白含量的变化,从而影响到整体粗蛋白含量的变化。常用的菌种主要为酵母菌、乳酸菌和霉菌等,一般采用多菌种混合进行发酵效果较好。

水分含量是影响发酵饲料品质的重要因素,水分高低影响菌体的繁殖和饲料营养的维持,在制作发酵饲料的时候,水分调整极为重要。其次通过添加精饲料的方式在提高发酵饲料整体营养水平的同时促进发酵,益生菌可利用精料中的豆粕、玉米等营养物质进行繁殖,同时降解抗营养成分,改善饲料品质。当精料比例过小,有益微生物繁殖缓慢,如果不能快速形成优势菌群就会导致饲料品质下降;当精料比例过大,有益微生物繁殖过快,温度过高,会造成菌体死亡,不利于发酵的进行。

精粗混合发酵可提发酵饲料品质,是畜禽发酵饲料的发展方向。粗饲料粗蛋白含量较低、粗纤维含量高,动物不易消化吸收,采用精粗结合发酵可提高饲粮蛋白质水平,有助于提高动物瘤胃对饲粮干物质的消化率,提高饲料转化率,同时精粗结合发酵可显著提高动物的日增重和肉质品质,具有较好的经济效益。精粗结合发酵方式可分为全混合发酵和分级发酵2种方式。全混合发酵方式是将精饲料、甘蔗尾梢、益生菌等投入TMR日粮搅拌机混合均匀、装袋后进行发酵。全混合发酵是目前常见的精粗混合发酵方式,10m³的TMR搅拌机处理量可达3000~5000kg/h,单次充分混合均匀需要20~30min,在秸秆使用比例较大的情况下,混合时间较长,易产生热量,影响益生菌活力,同时菌种的接种均匀度难以保证,影响发酵质量。

本研究采用的精粗分级发酵方式是将玉米、豆粕等精饲料预先接种益生菌进行一级发酵,提高精饲料营养水平的同时对益生菌进行扩大繁殖,在与甘蔗尾梢混合进入二级发酵时,菌种更易于与秸秆混合均匀,保证接种的均匀度,搅拌时间可以相对缩短。发酵过程中,相同时间内,精粗分级发酵饲料中益生菌繁殖达到一定生物量比全混合发酵方式需要的时间短,精粗分级发酵方式可在短时间内营造厌氧环境,更有利于秸秆饲料的保存。国内外相关报道中,类似的发酵方式称为两步发酵法,但采用的是分阶段接种不同菌种进行发酵,

与本研究所述分级发酵方式有所区别。豆粕、玉米等精饲料原料在发酵中提供了大量能量,益生菌经一级发酵得到大量扩繁,在加入新底物进行二级发酵时能利用底物营养进行快速增殖,在相同时间内菌体蛋白的增加速率比全混合发酵快速,所以饲料整体粗蛋白提高较快;菌体繁殖分泌的纤维素酶、淀粉酶等代谢产物快速累积,相同时间内对粗纤维的降解比全混合发酵高效迅速,因此相同时间内分级发酵在粗纤维降解能力上较全混合发酵有优势。

甘蔗尾梢含糖量较高,水分含量较大,收割后刀口位置接触空气极易发生霉变,霉变的甘蔗尾梢用于牛羊饲喂存在极大的安全隐患,容易引发牛羊中毒导致死亡,因此如何快速进行发酵处理,提高饲料品质是甘蔗尾梢饲料化利用的重中之重。与传统发酵模式相比,精粗分级固态发酵技术具有短时高效的特点,非常适合用于甘蔗尾梢的饲料化生产。本研究以甘蔗副产物甘蔗尾梢为原料,通过发酵方式的对比以及单因素和正交实验,得出了最佳的发酵工艺,即接种0.15%复合微生物菌剂于一级发酵底物,调整水分含量为50%,密封常温发酵5d,随后按3∶7的精粗比将一级发酵料与新鲜甘蔗尾梢混合均匀,压实密封进行第二级发酵21d得到的发酵饲料品质较优,所得甘蔗尾梢发酵饲料粗蛋白含量为15.24%,粗纤维含量为24.03%。采用精粗分级固态发酵技术可快速、有效地提高甘蔗尾梢饲料中粗蛋白含量同时降解粗纤维,改善甘蔗尾梢饲料的适口性。

2022第九届上海国际生物发酵产品与技术装备展览会

暨上海国际生物工程装备技术展

地点:山东国际会展中心(济南市槐荫区日照路1号

时间:2022年3月30-4月1日

联合举办共享:800家品牌、 共享60000买家、40000平方展示面积

发酵工程、生物工程、细胞工程、蛋白质工程、生物制药、生物饲料、生物农药、生物肥料、

生物化工、食品发酵工程、生物质能源等行业—全新展示新产品、新技术、新工艺、新装备   

主办单位:  中国生物发酵产业协会                              

承办单位:  上海信世展览服务有限公司

协办单位:  上海市食品协会、上海市生物医药行业协会、上海市食品添加剂和配料行业协会

支持协会中国饮料工业协会、中国医药生物技术协会、上海市包装技术协会、上海张江生物医药产业园、泰州医药高新技术产业开发区 

上海市生物医药科技产业促进中心

BIO CHINA 2021上海生物发酵展,目前已成为生物发酵产业一年一度行业盛会,展会将围绕,生物工程、发酵工程、细胞工程、蛋白工程、生物医药(抗生素、疫苗等)、生物饲料、生物农药、生物肥料、生物化工、食品发酵、发酵产品(氨基酸及有机酸、淀粉及淀粉糖、酵母及衍生物、酶制剂、发酵功能制品)等产业化中的新产品、新技术、新装备、新工艺为主要展示内容,打造集“展示、商贸、学习、交流”为一体的全产业链覆盖,引领行业专业综合服务平台!打造高标准国际化的生物发酵生态圈。上海发酵展参展咨询:周彬13167144125了解更多!

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