微生物發(fā)酵飼料工藝條件優(yōu)化的研究

摘要：生產(chǎn)工藝條件影響著微生物發(fā)酵飼料的產(chǎn)量和質(zhì)量，試驗對一種微生物飼料發(fā)酵的淀粉原料組成與含量、物料含水量、發(fā)酵菌液pH、發(fā)酵溫度和發(fā)酵時間等工藝條件進行了優(yōu)化。結(jié)果表明，接種釀酒酵母（Sacharomyces cerevisiae）和乳酸菌（唾液鏈球菌嗜熱亞種Streptococcus salivarius subsp. thermophilus）的最優(yōu)發(fā)酵工藝條件為玉米淀粉250 kg、豆粕4 000 kg、淀粉酶0.85 kg、糖化酶0.30 kg、物料含水量34%～36%、發(fā)酵菌液pH 5.0、發(fā)酵溫度30 ℃和發(fā)酵時間90 h。

關鍵詞：微生物；發(fā)酵飼料；工藝條件；優(yōu)化

中圖分類號：TQ921 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）21-5272-04

Technology Optimization of Microbial Fermentation Feeds

LIN Biao-shenga，b，LI Jina，LIN Qiao-xuea，WEN Yun-yana，YANG Xiao-yana，b

（a. College of Life Science； b. Fujian Universities Key Laboratory of Preventive Veterinary and Biotechnology，

Longyan University， Longyan 364012， Fujian， China）

Abstract： The technological conditions influencing the quality and quantity of microbial fermentation feeds were optimized on starch composition and content， water content， pH value， temperature and fermentation time. The results showed that the optimal fermentation conditions for sacharomyces cerevisiae and streptococcus salivarius subsp. thermophilus included 250 kg cornstarch， 4 000 kg soybean meal， 0.85 kg amylase， 0.30 kg saccharifying enzyme， 34%～36% moisture， fermentation 90 h under pH 5.0 and at 30 ℃.

Key words： microorganism； fermentation feed； technology condition； optimization

微生物發(fā)酵飼料的生產(chǎn)與應用是目前飼料工業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)最熱門的內(nèi)容[1]，其生產(chǎn)和應用歷史也較為悠久，形式多樣[2]。微生物發(fā)酵飼料是利用乳酸菌、酵母菌、芽孢桿菌等有益菌種，對農(nóng)業(yè)和輕工業(yè)生產(chǎn)的各種副產(chǎn)物進行發(fā)酵降解，生成含有機酸、可溶性多肽等物質(zhì)，適口性好、營養(yǎng)豐富、有益活菌含量高的生物飼料或飼料原料[3]。除菌種外，生產(chǎn)工藝條件也是決定微生物發(fā)酵飼料產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素[4]。本試驗通過對一種微生物發(fā)酵飼料的原料種類、配比組成、發(fā)酵溫度、發(fā)酵菌液pH及發(fā)酵時間等工藝條件的研究，探討適合微生物發(fā)酵飼料的最佳工藝，為微生物發(fā)酵飼料的生產(chǎn)和應用提供相關的理論參考或依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

發(fā)酵原料：豆粕、陳米粉、紅糖、棉粕、菜粕、玉米淀粉、馬鈴薯淀粉等均由福建龍巖金和動物飼料有限公司提供。

其他試劑及材料：淀粉酶（1，4-α-D-葡聚糖麥芽水解酶），購自南京都萊生物技術有限公司，酶活2 000 U/g；糖化酶（α-1，4-葡萄糖水解酶），購自上海滬宇生物科技有限公司，酶活10萬U/g；XIBA-6B型直插式水分儀，購自濟南恒安商貿(mào)有限公司。

菌種：釀酒酵母（Sacharomyces cerevisiae）和乳酸菌（唾液鏈球菌嗜熱亞種Streptococcus salivarius subsp. thermophilus），均由福建龍巖金和動物飼料有限公司提供。

1.2 方法

1.2.1 整體工藝流程 在蒸煮鍋內(nèi)加入淀粉（150 kg陳米粉）和1 000 kg水混合→通入蒸汽，100～105 ℃蒸煮30 min →冷卻到70 ℃，加入0.5 kg淀粉酶，作用120 min→加入0.2 kg糖化酶，攪拌3 min →與蛋白飼料原料（4 000 kg豆粕，含水量13.0%，粉碎過20目篩）混合→冷卻到35 ℃以下，加入紅糖水（8 kg紅糖+75 kg水）活化的菌液（pH 5.5），菌液含5 L乳酸菌培養(yǎng)液（109 CFU/mL）和2 kg活性干酵母粉（109 CFU/g）→放入發(fā)酵罐中發(fā)酵，頂部壓實，不留空隙，通冷卻水直至發(fā)酵結(jié)束（環(huán)境溫度20～26 ℃，冷卻水的溫度20～22 ℃），發(fā)酵時間96 h→氣流干燥，獲得產(chǎn)品→檢測產(chǎn)品乳酸含量。

1.2.2 發(fā)酵產(chǎn)品檢測 水分測定：采用水分儀檢測發(fā)酵物料含水量（%）。發(fā)酵溫度的測定：發(fā)酵罐物料中心安裝有溫度傳感器探頭，可隨時測定發(fā)酵物料中心溫度。乳酸含量的測定：參照羅建等[5]的方法，采用乳酸檢測試劑盒檢測。

1.2.3 發(fā)酵淀粉原料優(yōu)化試驗 發(fā)酵工藝采用了陳米粉、紅糖等淀粉原料進行發(fā)酵，本試驗對發(fā)酵的淀粉原料的種類和用量進行了優(yōu)化。

1）淀粉原料的選擇試驗。試驗采用兩種不同的淀粉原料進行對比試驗。對照組采用的發(fā)酵淀粉原料為紅糖（150 kg），無需加入淀粉酶和糖化酶，可為發(fā)酵菌種直接利用。試驗組采用的是陳米粉（150 kg）完全代替紅糖，并添加一定量的淀粉酶和糖化酶輔助陳米粉水解。陳米粉價格（1 000元/t）遠低于紅糖價格，可節(jié)省一定的生產(chǎn)成本。對照組和試驗組均需使用8 kg紅糖活化菌種，作為啟動糖源。具體原料組成見表1。

2）陳米粉不同用量對飼料發(fā)酵效果的影響。在前一試驗的基礎上，考察陳米粉不同用量（200、250、300 kg）對飼料發(fā)酵效果的影響。試驗用原料為4 000 kg豆粕，啟動糖源為紅糖8 kg，淀粉酶和糖化酶的量作相應的調(diào)整，所有其他操作參數(shù)和工藝流程保持不變。具體原料組成見表2。

3）陳米粉淀粉原料替代試驗。在前一試驗的基礎上，考察等量的玉米淀粉和馬鈴薯淀粉代替陳米粉淀粉對飼料發(fā)酵效果的影響，其他所有的操作工藝均按前面所述的優(yōu)化條件進行。

1.2.4 發(fā)酵工藝優(yōu)化試驗

1）在確定最優(yōu)淀粉原料組成的基礎上，將物料總體含水量分別配制成24%、26%、28%、30%、32%、34%、36%、38%和40%，在環(huán)境溫度26 ℃下共發(fā)酵100 h。在發(fā)酵60～100 h期間，每隔10 h取樣一次測定其乳酸含量，考察物料不同水分含量對發(fā)酵結(jié)果的影響。

2）在選定的最優(yōu)物料含水量的基礎上，設置發(fā)酵菌液pH分別為5.0、5.5、6.0，在環(huán)境溫度26 ℃下發(fā)酵100 h。在發(fā)酵60～100 h期間，每隔10 h取樣一次測定其乳酸含量，考察加入不同pH的發(fā)酵菌液對發(fā)酵結(jié)果的影響。

3）在選定的最優(yōu)物料含水量及發(fā)酵菌液pH基礎上，設置3種發(fā)酵溫度（20、25、30 ℃），共發(fā)酵100 h。在發(fā)酵60～100 h期間，每隔5 h取樣一次測定其乳酸含量，考察不同發(fā)酵溫度對發(fā)酵結(jié)果的影響。

4）在選定的最優(yōu)物料含水量、發(fā)酵菌液pH、發(fā)酵溫度的條件下共發(fā)酵100 h。在發(fā)酵60～100 h期間，每隔5 h取樣一次測定其乳酸含量，以確定最優(yōu)的發(fā)酵時間。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵淀粉原料優(yōu)化試驗結(jié)果

2.1.1 淀粉原料的選擇試驗結(jié)果 由圖1、表3可見，試驗組的乳酸產(chǎn)量比對照組高16.7%，發(fā)酵中心溫度比對照組低11 ℃，降溫效果很顯著。雖然試驗組發(fā)酵成熟時間比對照組延長了24 h，但是其綜合效益還是優(yōu)于對照組的。

2.1.2 陳米粉不同用量對飼料發(fā)酵效果的影響 由圖2、表4可見，隨著陳米粉用量的增加，發(fā)酵中心溫度隨之升高，發(fā)酵成熟時間隨之縮短。但發(fā)酵效果（乳酸產(chǎn)量）截然不同。當陳米粉用量由200 kg增加到250 kg時，其乳酸產(chǎn)量明顯增加；而當陳米粉用量再繼續(xù)增加（300 kg）時，其乳酸產(chǎn)量卻急劇減少。因此，選擇陳米粉用量250 kg、淀粉酶用量0.85 kg、糖化酶用量0.30 kg、物料含水量34.95%為適宜的發(fā)酵條件。

2.1.3 陳米粉淀粉原料替代試驗結(jié)果 按前一試驗確定的優(yōu)化條件，分別選用250 kg的玉米淀粉和250 kg馬鈴薯淀粉代替陳米粉淀粉，其他操作條件和工藝不變，試驗結(jié)果見圖3、表5。結(jié)果表明，玉米淀粉和馬鈴薯淀粉的發(fā)酵中心溫度均稍低于陳米粉淀粉。與陳米粉淀粉發(fā)酵相比，馬鈴薯淀粉發(fā)酵乳酸產(chǎn)量較低，且發(fā)酵時間較長，不是理想的發(fā)酵淀粉原料；玉米淀粉雖然發(fā)酵時間稍長，但乳酸產(chǎn)量更高，且為非主要糧食作物，更具有生產(chǎn)應用價值，是理想的發(fā)酵淀粉原料，能代替陳米粉淀粉進行發(fā)酵生產(chǎn)。

2.2 發(fā)酵工藝優(yōu)化試驗結(jié)果

2.2.1 物料不同含水量對發(fā)酵結(jié)果的影響 由圖4可見，物料的含水量越高，乳酸菌的生長繁殖速度越快。但在實際生產(chǎn)中，隨著物料水分含量增大，其操作成本也會越來越高（主要體現(xiàn)在防止雜菌污染、收獲成品等方面[6]）。因此，綜合分析認為含水量在34%～36%之間是比較合適的，不僅能保證較快的乳酸菌生長速度，產(chǎn)生較多的乳酸，同時又能適當降低操作成本。

2.2.2 不同發(fā)酵菌液pH對發(fā)酵結(jié)果的影響 由圖5可見，發(fā)酵菌液pH越低，乳酸菌的生長繁殖速度越快，乳酸產(chǎn)量越高。因此選擇發(fā)酵菌液pH為5.0較為適宜。

2.2.3 不同發(fā)酵溫度對發(fā)酵結(jié)果的影響 由圖6可見，發(fā)酵的環(huán)境溫度對微生物的生長有重要影響。環(huán)境溫度越高，微生物（包括乳酸菌和酵母菌）生長越快，發(fā)酵所需要的時間也越短。因此，選擇30 ℃作為發(fā)酵溫度較為適宜。

2.2.4 優(yōu)化條件下發(fā)酵時間對發(fā)酵結(jié)果的影響 在最優(yōu)的物料含水量、發(fā)酵菌液pH、發(fā)酵溫度下進行發(fā)酵，發(fā)酵時間對發(fā)酵結(jié)果的影響如圖7所示。由圖7可見，在該優(yōu)化條件下，乳酸產(chǎn)量在發(fā)酵90 h左右就能達到峰值。因此選擇90 h為最優(yōu)發(fā)酵時間。

3 小結(jié)與討論

微生物發(fā)酵飼料中含有大量的有益微生物菌群（乳酸菌、酵母菌等），在生產(chǎn)上應用能起到減少腹瀉以及改善豬腸道健康的功效[7]。微生物發(fā)酵飼料的應用對解決抗生素的濫用、殘留和耐藥性問題提供了新的思路，現(xiàn)已成為了世界各國在無抗飼養(yǎng)應用方面研究的熱點[8]。目前微生物發(fā)酵飼料比較成功的技術包括傳統(tǒng)的青貯飼料[9]、單細胞蛋白飼料[10]、呼吸膜移動固態(tài)發(fā)酵飼料等[5]。目前國內(nèi)外發(fā)酵飼料研究主要集中在飼料的原料組成、發(fā)酵菌株種類和配比、生產(chǎn)工藝條件等方面[11]。

本試驗對微生物制備發(fā)酵飼料工藝進行了優(yōu)化試驗，結(jié)果表明，以4 000 kg豆粕作為蛋白原料、添加250 kg玉米淀粉、0.85 kg淀粉酶、0.30 kg糖化酶、物料含水量34%～36%、在30 ℃下接種pH 5.0釀酒酵母和嗜熱乳酸菌混合菌液進行發(fā)酵，發(fā)酵90 h其乳酸產(chǎn)量即能達到峰值。在此優(yōu)化條件下，不僅能以較快的發(fā)酵速度得到較好的乳酸飼料產(chǎn)品，還能降低生產(chǎn)成本，可為微生物發(fā)酵飼料的生產(chǎn)實踐和推廣應用提供一定的借鑒[12]。

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