甜菜粕固态发酵饲料的开发及可行性分析

2021-05-22 11:39:09      点击:

摘要:甜菜粕柔软多汁、消化特性优良且富含多种营养物质,是家畜良好的饲料来源。由于受季节性及市场形势制约较强,甜菜糖厂通常无法将甜菜粕及时售出,余下的甜菜粕会快速腐烂,不仅造成大量的经济损失,且会造成环境污染。利用微生物进行固态发酵,产生的多种物质可以抑制饲料中有害的生长,从而长期保存饲料中的营养成分。以甜菜粕为原料开展发酵试验,通过添加乳酸菌探究乳酸菌对青贮的影响,并结合工艺流程分析其关键控制指标。

甜菜是我国重要的糖料作物,主要种植于新疆、内蒙古和黑龙江等地区。甜菜糖业不仅关系到我国食糖的供给问题,更关系到甜菜种植区域广大农民的经济利益以及甜菜加工企业的就业问题。甜菜粕是甜菜在制糖过程中,经切丝、渗出、提糖后得到的含糖量很低的甜菜丝,是甜菜制糖工业重要的副产物。甜菜粕主要成分为纤维素、半纤维素和果胶,还含有少量的蛋白质、糖分、矿物质、甜菜碱和烟酸等营养物质。甜菜粕柔软多汁,在动物肠道内停留时间较长,容易被降解吸收,不仅能够为动物提供能量,同时还能维持瘤胃正常的pH值,是一种优质的家畜饲料来源。

目前,只有少部分甜菜粕是通过干燥、制粒加工成甜菜粕颗粒产品进行销售,大部分的甜菜粕是直接以湿粕的形式作为饲料进行销售的。由于甜菜粕含水量较高,受工厂加工和贮存条件及季节性、市场因素的制约,部分甜菜粕无法及时售出,在堆放储存过程中会发生腐烂变质、滋生细菌、损失营养物质,不仅造成了大量经济损失,同时也加剧了废弃物排放,污染生态环境。利用乳酸菌厌氧发酵产生乳酸,降低青贮料的pH值,可以抑制微生物活动,从而在提升饲料的营养价值同时,实现青绿多汁饲料的长期保存。

结合糖厂实际生产需求,对甜菜湿粕的固态发酵技术进行探索,旨在通过微生物固态发酵(青贮)技术解决甜菜粕贮藏期短问题。以甜菜粕为原料,通过添加乳酸菌种开展发酵试验,并对发酵产物进行评估来探究引入乳酸菌的影响,同时结合工艺流程分析其关键控制指标。

材料与方法

1 试验材料

甜菜粕,由中粮屯河新源糖业股份有限公司提供;

菌种1:秸秆青贮发酵剂,采购自中国台湾亚芯公司,活性乳酸菌含量≥100亿个/g,适用于糖分含量较低物料的青贮发酵;

菌种2:全株玉米青贮发酵剂,采购自中国台湾亚芯公司,活性乳酸菌含量≥100亿个/g,适用于水分和糖分含量较高物料的青贮发酵。

试验时,将秸秆青贮乳酸菌菌种和全株玉米青贮乳酸菌菌种分别加水溶解,质量分数为0.2%。

2 试验方案

考虑到新鲜甜菜粕自身就含有天然菌种,因此试验分为不添加菌种与添加菌种2个部分,菌种类别和含水量见 表1,菌种的添加量为每1t发酵饲料添加20g菌种。试验时,通过螺旋挤压机将甜菜粕挤压至一定含水量;根据终产品的含水量计算所需甜菜粕的量及菌剂溶液的量;向甜菜粕中喷洒乳酸菌溶液,适当翻动甜菜粕,保证喷洒均匀;将试验样品用食品真空袋真空密封,为乳酸菌厌氧发酵创造条件,模拟实际生产中的窖贮或真空裹包,厌氧发酵60d。


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3.2 有机酸

有机酸检测方法见表3,包括乳酸、乙酸、丙酸和丁酸

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3.3 能量代谢和消化率

根据奶牛营养需求标准NRC(2001)计算甜菜粕饲料的代谢能、泌乳净能、维持净能、增重净能,根据样品质量和消化后残渣质量来计算干物质消化率。

3.4 pH值

pH值是影响发酵成功与否的重要指标,当青贮饲料pH值在4.0以下时,质量优等;pH值在4.1~4.3,质量良好;pH值在4.4~5.0,质量一般;pH值在5.0以上,质量劣等。

3.5 菌群检测

菌群检测方法见表4,包括乳酸菌、酵母菌、霉菌。乳酸菌是固态发酵过程中的有益菌,可产生乳酸降低饲料的pH值,另外二者的量会在青贮初期随着含氧量下降而下降。

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3.6 真菌毒素

真菌毒素检测方法见表5,饲料中常见的真菌毒素包括黄曲霉素、玉米赤霉烯酮、脱氧雪腐镰刀菌烯醇,如果含量超标会严重影响动物健康。

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3.7 感官评定

我国现行的青贮饲料质量评定依据是1996年农业部下发的《青贮饲料质量评定标准》,包括了感官评定和化学评定。青贮完成启用时,从青贮饲料的气味、颜色、质地等方面进行感官评定。青贮后的色泽为绿色或黄色为最佳;青贮后若具有轻微酸味或果香味则代表品质较高,有腐臭、霉变等异味则说明青贮质量不佳。具体评定方法见表6。

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3.8 有机酸含量评定

有机酸总量及构成可以反映青贮发酵过程的好坏,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。本研究主要评定有机酸,具体评分方法见表7。

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结果分析

本研究所添加的菌种由乳酸菌与酶制剂构成。每1g试剂中乳酸菌数量可达100亿个,主要为同型发酵菌,具有产酸速度快、能力强的特点;酶制剂主要为纤维素酶,可以将多糖分解为单糖,为乳酸菌发酵提供可溶性糖。分析5组发酵产物的测定数据,以此评估添加乳酸菌对发酵的影响。

1 粗蛋白质

添加乳酸菌青贮,能快速产生大量乳酸,维持低pH值环境,抑制蛋白酶活性和有害微生物的生长,从而有效减少了蛋白质成分的损失。Muck研究表明,添加乳酸菌青贮发酵,青贮饲料中氨态氮下降了60%。如图1所示,4个加菌处理组中,3个组的粗蛋白质含量均超过了甜菜粕原料,且4个组的均值为12.43%,略高于甜菜粕原料的11.46%,表明了甜菜粕经青贮发酵后营养价值有所提升。

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结果分析

本研究所添加的菌种由乳酸菌与酶制剂构成。每1g试剂中乳酸菌数量可达100亿个,主要为同型发酵菌,具有产酸速度快、能力强的特点;酶制剂主要为纤维素酶,可以将多糖分解为单糖,为乳酸菌发酵提供可溶性糖。分析5组发酵产物的测定数据,以此评估添加乳酸菌对发酵的影响。

1 粗蛋白质

添加乳酸菌青贮,能快速产生大量乳酸,维持低pH值环境,抑制蛋白酶活性和有害微生物的生长,从而有效减少了蛋白质成分的损失。Muck研究表明,添加乳酸菌青贮发酵,青贮饲料中氨态氮下降了60%。如图1所示,4个加菌处理组中,3个组的粗蛋白质含量均超过了甜菜粕原料,且4个组的均值为12.43%,略高于甜菜粕原料的11.46%,表明了甜菜粕经青贮发酵后营养价值有所提升。

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2 中性洗涤纤维

中性洗涤纤维(NDF)指饲料中的结构性碳水化合物,对维持瘤胃正常的发酵功能具有重要意义,但含量过高则会对动物的采食量造成一定影响。由图2分析可知:加菌处理的4个组的中性洗涤纤维含量高于甜菜粕原料,表明加入乳酸菌的发酵中,中性洗涤纤维含量呈上升趋势,可能是由于菌种种的乳酸菌与酶制剂改变了甜菜粕的细胞壁结构

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3 粗纤维含量与干物质消化率

由图3可知,添加乳酸菌发酵后,4组的粗纤维含量均低于甜菜粕原料,均值为17.88%,低于甜菜粕原料的22.71%,而干物质消化率均高于甜菜粕原料,均值为76.42%,高于甜菜粕原料的70.055%。这表明添加乳酸菌后可以有效的降解粗纤维,降解产物中的小分子糖可以作为乳酸菌的营养物质,同时提高了干物质消化率,提升了动物对饲料的利用效率。

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4 能量指标

通过体外消化实验检测饲料的代谢能,由图4数据可知,添加乳酸菌发酵的甜菜粕其能量指标均略低于甜菜粕原料,4组的代谢能、泌乳净能、维持净能、增重净能均值分别为11.30、7.13、7.44、4.83 MJ/kg,均低于甜菜粕原料对应的11.64、7.37、7.70、5.07 MJ/kg。这表明了乳酸菌发酵饲料中的代谢能量指标有小幅下降,同时说明了发酵过程中有强烈的微生物活动。

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5 有机酸总量

有机酸总量及构成可以反映青贮发酵过程的好坏,测定有机酸的总量和构成,作为评分指标并进行评分,见表8~表10。

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根据《青贮饲料质量评定标准》评分细则,甜菜粕原料及甜菜粕发酵产物均获得了较高分数。在有机酸成分中,乳酸占70%以上,为有用物质。观察有机酸含量数据,可以发现乳酸菌处理的4组料中乳酸含量均高于甜菜粕原料,4组的乳酸平均含量为0.82%,远高于甜菜粕原料的0.32%,表明了加入乳酸菌种可以显著提升乳酸菌含量。另外,Y1和Y2的乳酸平均含量为1.13%,高于Y3和Y4的乳酸平均含量0.76%,即从乳酸的角度分析,菌种1更加适合甜菜粕的固态发酵。此外,乙酸含量呈下降的趋势,可能是因为甜菜粕发酵过程发生了异型乳酸菌发酵,生成了乙酸,而再加入乳酸菌之后抑制了异型发酵过程,使得乙酸含量下降,乳酸含量上升。由此可得出结论:加入乳酸菌利于无用有机酸成分的减少,能使乳酸维持在较高的水平。

6 pH值


pH值是评价青贮发酵饲料品质最简单且最直观的指标之一,pH值越低,酸度越大,青贮发酵越容易保存。选取Y1组作为考察对象,跟踪甜菜粕青贮发酵过程的pH值变化,如图5所示,随着发酵时间的延长,4个实验处理组pH值在发酵初期下降迅速,在发酵3d内,试验样品pH值下降到4.4以下,发酵30d后pH值下降到4.2以下,且变化幅度较小,较低的pH值达到了良好的青贮发酵要求。

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7 菌群数量分析

试验中检测了甜菜粕原料、甜菜粕加菌发酵样品中的菌群数量。在甜菜粕原料中,霉菌小于10CFU/g,酵母菌约40CFU/g,乳酸菌数量仅为1.0×104CFU/g,低水平的菌落数量有利于甜菜粕的保存。甜菜粕加菌样品中霉菌小于10CFU/g,酵母菌约7100CFU/g,乳酸菌数量高达4.3×108CFU/g。由数据可知乳酸菌菌群数量始终占主导地位,对比发酵前后的数据,说明了添加乳酸菌可有效抑制霉菌的生长,酵母菌数量的增长可能是因为甜菜粕加水后酵母菌被活化,进行了生长繁殖。


8 真菌毒素检测


饲料中常见真菌毒素包括黄曲霉素、玉米赤霉烯酮、脱氧雪腐镰刀菌烯醇,其中黄曲霉素还包括B1、B2、G1、G2。4种类型。对甜菜粕发酵产品中的3种真菌毒素进行检测,均未检出,即满足饲料的相关相求,不会对动物的健康产生影响。

9 感官评定


对甜菜粕原料、甜菜粕加菌后的样品从气味、色泽、结构3方面进行感官评定,结合pH值与水分含量进行综合评分,结果见表11。

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分析评分结果可知,甜菜粕原料在气味、结构与水分含量等方面都处在极低水平,若作为商品直接售出,也不会具有太大价值。而甜菜粕加菌发酵后,由于乳酸菌产生大量乳酸,可使甜菜粕中的异味成分得到抑制,使得产品的气味水平提升;同时提升pH值水平,利于贮存;并且不会对其余指标产生明显的负面影响,产品综合评分大幅上升。

综上所述,添加乳酸菌使得甜菜粕饲料体系内pH值明显降低,有利于青贮发酵的成功率;其发酵产物的中性洗涤纤维与粗蛋白质含量均有提升,含量下降的粗纤维被降解成易于吸收的小分子糖,促进了干物质在动物体内的消化;各项能量指标的下降也说明了青贮饲料内部发生了剧烈的发酵活动。通过固态发酵,提升了甜菜粕饲料的营养价值。

可行性分析


甜菜粕固态发酵可以有效地提升其作为饲料的营养价值,结合发酵工艺流程,对关键的控制指标进行分析。

1 工艺技术路线


甜菜粕固态发酵技术可有效缓解甜菜粕腐烂变质的问题,在提高产品销售量的同时降低了废品处理成本与环境污染,多方面提高了工厂效益;同时还能带动相关产业的发展,形成一条全新的产业链,促进就业,造福社会。目前,甜菜粕青贮饲料的生产方式主要为窖储或者裹包青贮发酵两种技术途径生产发酵甜菜粕产品,经牧场饲喂试验,收到了良好的效果和收益。

青贮窖储一般选在地势高、向阳、排水良好、距畜舍近、取喂方便、无粪场、无污染的干燥地区,挖好窖后应晾晒1~2d以减少窖壁水分。典型的窖储青贮饲料的制作过程如下:

(1)用水泥、石板等建筑材料建造窖池,并清理干净。

(2)用隔氧率较好的塑料膜覆盖窖池的底部、边墙。

(3)将青贮原料卸料至窖池,注意避免碾压。

(4)装好料后,用拖拉机压实。

(5)临近地窖边缘的部分要包裹好。

(6)另找一块塑料膜压在上层,完全包裹甜菜粕。

(7)塑料膜上层用5cm厚的泥土封盖。

(8)4~6周后打开地窖开始使用,取料处表面保持竖直,以避免坍塌。

窖藏成本较低,但需要建设专用窖池,如果厌氧条件保持不佳,容易产生霉变等现象而影响饲料品质,如果条件控制不当,容易发生2次发酵现象。因此,近年来欧洲市场也在持续推动裹包发酵饲料技术的应用。

裹包生产发酵甜菜粕,储藏简易,榨季开始后即可发酵。使用特制打包机在榨季期间进行生产,密封性好,而且运输较方便,可以不拆包直接运达使用地,不易出现2次发酵等现象。典型的裹包青贮饲料制作过程如下:

(1)裹包:在环形压力仓内对甜菜粕进行压缩,当达到设定压力后,停止进料;使用特制的塑料膜进行裹包;然后将打包捆抬起、释放压力,并使用拉伸薄膜进一步裹包;打捆后自动放置到垫子上,并印上生产日期。

(2)运送:大多数裹包饲料在榨季期间直接运送给客户;部分放置在仓库,在当年卖出。

(3)饲喂:包裹一旦打开后,冬季需1周内使用,气候温暖时需3d内使用。

2 固态发酵关键控制指标

2.1 乳酸菌数量

青贮添加剂中的菌株必须是能战胜原料本身所附着的各种菌群,同时这些菌株必须具有耐酸性,在青贮中可以迅速繁殖,可以广泛的利用各种可溶性糖,不应降解有机酸,在较大的温度范围及多种条件下均可生长,且不具有过度的蛋白质水解酶活性。每1g原料必须至少含有1×105个乳酸菌,在青贮发酵时添加活力旺盛的乳酸菌,可以使乳酸菌数量尽快达标,保证快速有效的发酵。

2.2 保持无氧环境

乳酸菌为厌氧菌,在无氧条件下才能生长繁殖。若青贮容器内空气没有排尽,则乳酸菌不能存活,同时酵母菌、霉菌等好氧菌会大量滋生,导致青贮失败。因此青贮过程中的原料一定要切短、压实、封严,且制作过程尽量迅速。

2.3 充足的含糖量

饲料中的乳酸菌主要利用小分子糖进行生长繁殖,并将糖转化为乳酸。因此若青贮原料中含糖量较高,会极大地促进乳酸菌的生长繁殖,从而产生很多的乳酸,加大对有害微生物的抑制程度;反之,会使体系酸度过低,有害物质便会滋生,使得青贮料霉变腐烂。一般要严格保证青贮原料中含糖量不低于鲜重的1%~1.5%。

2.4 适宜的含水量

水分含量的高低会影响青贮发酵过程和青贮料品质。一般青贮原料含水量在65%~70%为宜。若含水高于80%,在挤压时会引起原料中的糖分的流失,从而影响乳酸菌的生长繁殖,影响青贮效果;若含水量过低,则会使得干料难以压实,隙间会残留空气,也会导致乳酸菌活性降低和有害菌的滋生,使饲料霉变腐烂。

2.5 适宜的温度控制

青贮过程中温度直接影响着乳酸菌的生长繁殖。大量研究表明,青贮饲料品质的优劣和饲用价值的高低,取决于青贮饲料的厌氧发酵是乳酸发酵还是丁酸发酵,而温度便是控制发酵类型的关键。乳酸菌发酵的适宜温度为19~37℃,丁酸发酵则需要更高的温度。

结论

以甜菜粕为原料开展发酵试验,通过添加乳酸菌探究乳酸菌对青贮的影响,添加乳酸菌使得体系内pH值明显降低,有利于青贮发酵的成功率;其发酵产物的中性洗涤纤维与粗蛋白质含量均有提升,含量下降的粗纤维被降解成易于吸收的小分子糖,促进了干物质在动物体内的消化;各项能量指标的下降也说明了青贮饲料内部发生了剧烈的发酵活动。乳酸菌不会改变粗纤维与中性洗涤纤维等物质的结构,因此其消化率也不会受到影响。青贮饲料的气味随着乳酸菌的加入得到了提升,有助于提高动物采食量。

对于常见的2种固态发酵模式,窖藏成本较低,但需要建设专用窖池,如果厌氧条件保持不佳,容易产生霉变等现象而影响饲料品质,如果条件控制不当,容易发生2次发酵现象。裹包生产发酵甜菜粕,储藏简易,相较窖储,能够增加运输半径,储存运输更加方便,并且能有效减少青贮渗出液,从而保留营养成分,但生产成本和运输成本较高。无论是窖藏还是裹包模式,都需要保持无氧环境,保证充足的乳25-OH-D3被充分提取,以提高检测的准确性。

研究结果表明,所建立方法的检出限、定量限、标准曲线范围、准确度与精确度等均能满足预混合饲料中25-OH-D3测定要求。

发酵完成的棉菜粕饲喂动物技术

需要注意的是,发酵后的饲料酸度较低,不可以取代禽畜全部日粮。其他类发酵饲料同理。饲喂时根据不同情况,将发酵饲料按照一定比例添加到日粮中,发酵完成的棉菜粕为湿料,具体使用量每大概1.5-2公斤发酵棉菜粕(湿料)代替动物日粮配方中1公斤豆粕的使用量进行代替使用,与其它饲料混合后直接饲喂,由于棉菜籽粕蛋白较高,最高使用量不要超过禽畜日粮饲喂量的40%(湿料重量)。如果发现发酵饲料过酸适口性变差,可在饲喂前在阳光下晒1-2小时,或添加适量的碳酸氢钠(小苏打)即可改善。

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发酵过程中与发酵后使用过程中,发酵的容器要一直保持密封状态,可以长时间保存(一年左右)。

当前养殖业成本高居不下,而饲料成本是其中最高的,利用廉价原料发酵饲料(包括一些轻度发霉的粕类低价收回)是极佳解决办法。通过微生物饲料发酵剂的发酵作用,可以将轻度霉变饲料变成优质饲料,将不易消化的物质分解为可被畜禽吸收的小分子糖类、氨基酸等。同时发酵饲料中富含有益微生物、酶制剂、酸化剂等,可调节畜禽肠胃微生态环境并进一步提高饲料利用率。发酵饲料气味清香,提高了饲料的适口性,加上发酵饲料中有大约4℃的酒度,能够促进动物新陈代谢促进健康抵御疾病,是当前养殖业发展中重要的一环。

本技术也可以同样发酵菜籽粕(饼)、棕榈粕等,方法同上。

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