基于色差技術(shù)的微生物發(fā)酵床墊料發(fā)酵等級(jí)研究

潘志針，劉 波*，朱育菁，陳 崢，許 煉，史 懷

(1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物資源研究所，福建 福州 350003；2.廈門(mén)大學(xué)生命科學(xué)院，福建 廈門(mén) 361005)

基于色差技術(shù)的微生物發(fā)酵床墊料發(fā)酵等級(jí)研究

潘志針1，劉 波1*，朱育菁1，陳 崢1，許 煉2，史 懷1

(1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物資源研究所，福建 福州 350003；2.廈門(mén)大學(xué)生命科學(xué)院，福建 廈門(mén) 361005)

采用TES-135色差儀對(duì)微生物發(fā)酵床大欄養(yǎng)豬場(chǎng)的160份墊料樣本進(jìn)行色度分析，采用亨特(Hunter)色差公式：△E=[(△L)2+(△a)2+(△b)2]1/2對(duì)樣本間的色差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合STDEV算法，根據(jù)樣本的色差相對(duì)于平均值(μ)的離散程度(σ)，將墊料的發(fā)酵等級(jí)分為4級(jí): 0<△E≤μ-2σ為發(fā)酵1級(jí)；μ-2σ<△E≤μ為發(fā)酵2級(jí)；μ<△E≤μ+2σ為發(fā)酵3級(jí)；△E>μ+2σ為發(fā)酵4級(jí)。通過(guò)表觀顏色、干濕度、味道、腐爛程度等對(duì)不同發(fā)酵等級(jí)的墊料樣本進(jìn)行表觀描述，結(jié)果顯示墊料的色度分析能準(zhǔn)確反應(yīng)墊料的發(fā)酵等級(jí)。這為墊料發(fā)酵等級(jí)的快速鑒定奠定理論基礎(chǔ)。

微生物發(fā)酵床墊料；色度分析；墊料分級(jí)

微生物發(fā)酵床大欄養(yǎng)豬，是一種區(qū)別于傳統(tǒng)養(yǎng)豬模式、具有無(wú)污染、零排放的新型有機(jī)農(nóng)業(yè)技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于能有效地解決養(yǎng)豬生產(chǎn)過(guò)程中糞污處理問(wèn)題，改善豬的生長(zhǎng)環(huán)境，減少養(yǎng)殖污染對(duì)環(huán)境的壓力[1-4]。微生物發(fā)酵床養(yǎng)殖技術(shù)在20世紀(jì)60年代起源于日本，近幾年在中國(guó)得到廣泛推廣和應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益[5-6]。

發(fā)酵床墊料是由谷殼、秸稈、鋸末等按照一定的比例混合泥土后鋪設(shè)起來(lái)有機(jī)介質(zhì)，其作用是對(duì)豬排泄物進(jìn)行吸附、通過(guò)微生物對(duì)排泄物進(jìn)行降解，達(dá)到無(wú)污染、零排放的目的[7]。隨著發(fā)酵時(shí)間的增加，發(fā)酵床墊料的發(fā)酵程度逐漸加深，墊料也從新鮮原料開(kāi)始慢慢發(fā)生一系列變化，并最終成為可以用于花卉栽培的基質(zhì)[8]。墊料是微生物發(fā)酵床養(yǎng)殖技術(shù)的核心，發(fā)酵床墊料管理得當(dāng)不僅能夠保持豬舍內(nèi)部的微環(huán)境平衡，而且能促進(jìn)微生物對(duì)豬排泄物進(jìn)行發(fā)酵分解；因此，了解并調(diào)控發(fā)酵床墊料的發(fā)酵情況對(duì)于整個(gè)豬舍的環(huán)境的保持具有重大意義[9-10]。目前對(duì)于發(fā)酵程度的判斷主要根據(jù)墊料存在于發(fā)酵床的時(shí)間對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單分級(jí)，但是由于豬在豬舍內(nèi)的排泄區(qū)具有特異性，因此簡(jiǎn)單地通過(guò)墊料的存在時(shí)間墊料發(fā)酵程度進(jìn)行分級(jí)很難全面反映墊料的真實(shí)發(fā)酵情況[11]。另一種方法是根據(jù)墊料物理特征(即墊料的顏色、氣味、腐爛度、濕度、成分完整性等特點(diǎn))對(duì)墊料的發(fā)酵程度進(jìn)行分級(jí)，這種方法總的來(lái)說(shuō)具有直觀、檢測(cè)快速的優(yōu)點(diǎn)，不需要大量的儀器和復(fù)雜的測(cè)定，常用于描述墊料發(fā)酵過(guò)程所處的狀態(tài)，可以定性描述墊料的發(fā)酵程度的情況，適合有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。但是這種方法由于缺乏量化的測(cè)定指標(biāo)，容易造成人為引起的主觀誤差，只能與其他指標(biāo)結(jié)合使用[12]。宋澤瓊等[13]根據(jù)墊料在不同NaCl溶液中的懸浮率不同，將豬發(fā)酵床墊料分成4個(gè)等級(jí)，較好地反映了豬發(fā)酵床墊料的發(fā)酵程度，但同時(shí)也存在操作繁瑣、工作量大等問(wèn)題。探尋一種快速鑒定發(fā)酵床墊料的發(fā)酵等級(jí)的方法對(duì)研究微生物發(fā)酵床具有重要的意義，目前尚未有該方面研究的報(bào)道。

發(fā)酵床墊料隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，墊料顏色逐漸從黃色往灰色變化，最終變成黑色，墊料色澤能較準(zhǔn)確地反映出墊料的真實(shí)發(fā)酵程度。筆者根據(jù)這一思路，從福建漁溪豬場(chǎng)中采集160份豬發(fā)酵床墊料樣本。利用CIE Lab色差法得到采集樣本與未發(fā)酵墊料之間的色差值△E，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析將墊料分成4個(gè)等級(jí)，得到一個(gè)根據(jù)色差值△E對(duì)豬發(fā)酵墊料分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，以期快速鑒定豬發(fā)酵床墊料的發(fā)酵等級(jí)，為后續(xù)的研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

發(fā)酵床墊料采集： 2015年5月份采集于福建漁溪現(xiàn)代微生物發(fā)酵床大欄養(yǎng)豬福清示范基地。將養(yǎng)豬場(chǎng)發(fā)酵床(長(zhǎng)60 m，寬35 m)的長(zhǎng)軸和短軸分別進(jìn)行8等分和4等分，將發(fā)酵床分成32個(gè)區(qū)域(圖1)。

采用五點(diǎn)采樣法(圖2)，以對(duì)角線中點(diǎn)為中心取樣點(diǎn)，再在對(duì)角線上選擇4個(gè)與中心樣點(diǎn)距離相等的點(diǎn)作為取樣點(diǎn)，1個(gè)區(qū)域取5點(diǎn)，32個(gè)區(qū)域共計(jì)160份樣本。每份樣本均勻的四等分，取2份樣本混勻再四等分，再取2份樣本混勻再四等分，直至所需的采樣量，進(jìn)行色差數(shù)據(jù)的分析。

1.2 色差分析研究

色差儀選用臺(tái)灣泰仕TES135色差儀測(cè)定。測(cè)定前將160份已混勻的墊料在白紙上鋪平，將色差計(jì)正對(duì)墊料成90度，保證其不露光，對(duì)墊料樣本進(jìn)行色差測(cè)定。測(cè)定模式采用L*、a*、b*，△E，以未發(fā)酵的空白墊料作為色差測(cè)定參比樣。采用亨特(Hunter)色差公式對(duì)色差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

△E=[(△L)2+(△a)2+(△b)2]1/2

其中L=10Y1/2

X，Y，Z為樣品的刺激值，fXA、fXB、fZB為所選用的CIE標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者和標(biāo)準(zhǔn)照明體決定的常數(shù)。計(jì)算已發(fā)酵墊料的總色差值(△E)。每份墊料重復(fù)3次，取平均值作為該份墊料的最終色差值。

1.3 墊料發(fā)酵等級(jí)研究

根據(jù)墊料的色差劃分墊料的發(fā)酵等級(jí)，引入STDEV算法，根據(jù)樣本的色差相對(duì)于平均值(μ)的離散程度(σ)，將墊料的發(fā)酵等級(jí)分為4級(jí)(表1)。

1.4 不同發(fā)酵等級(jí)墊料表觀特征分析

分析不同發(fā)酵等級(jí)的墊料的表觀特性，從表觀顏色、干濕度、味道和腐爛度4個(gè)角度進(jìn)行闡述，并拍照記錄。

表1 不同發(fā)酵等級(jí)墊料色差值△E范圍Table 1 Ranges of △E for 4 fermentation stages

2 結(jié)果與分析

2.1 墊料樣本色差統(tǒng)計(jì)

采用TES135色差儀對(duì)160份墊料樣本的色差進(jìn)行測(cè)定，選用L*、a*、b*，△E模式，通過(guò)亨特色差公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測(cè)定△E。如表2所示，160份墊料樣本的平均色差(μ)=39.06，標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)=15.72。

表2 墊料樣本色差統(tǒng)計(jì)Table 2 Chromaticity of sampled bedding material

(續(xù)上表)

2.2 墊料發(fā)酵等級(jí)測(cè)定

如表3所示為墊料發(fā)酵的4個(gè)等級(jí)。160份墊料樣本大多為發(fā)酵2級(jí)和發(fā)酵3級(jí)，其中發(fā)酵2級(jí)的樣本數(shù)最多，有102份樣本為發(fā)酵2級(jí)，發(fā)酵3級(jí)的樣本數(shù)為47個(gè)。發(fā)酵4級(jí)的樣本數(shù)較少，只有8個(gè)樣本。發(fā)酵1級(jí)的樣本數(shù)最少，只有1個(gè)樣本為發(fā)酵1級(jí)。

表3 墊料發(fā)酵等級(jí)測(cè)定Table 3 Determination of fermentation stages for bedding material

2.3 不同等級(jí)墊料表觀特征研究

將4個(gè)等級(jí)的表觀特征統(tǒng)計(jì)如表4所示，隨著發(fā)酵時(shí)間的增加，墊料的顏色逐漸由黃向黑轉(zhuǎn)變，墊料的腐爛程度和濕度也越來(lái)越大；4級(jí)墊料帶有明顯的氨臭味，表明豬糞等排泄物已經(jīng)被發(fā)酵降解。

表4 不同發(fā)酵等級(jí)墊料表觀特征Table 4 Characteristics of bedding material at various fermentation stages

采用平板攝像儀，固定焦距，固定光圈對(duì)4個(gè)等級(jí)的墊料樣本拍攝，如圖3所示。

3 討論與結(jié)論

CIE LAB色空間是基于一種顏色不能同時(shí)既是綠又是紅、也不能同時(shí)既是藍(lán)又是黃這個(gè)理論而建立。當(dāng)一種顏色用CIEL*a*b時(shí)，L*表示明度值；a*表示紅/綠值及b*表示黃/藍(lán)值。隨著發(fā)酵程度的增加，L、a和b的值逐漸下降；表明隨著發(fā)酵程度的增加，墊料的明度值下降，顏色逐漸往黑色轉(zhuǎn)變；a和b的值總體上也隨著發(fā)酵程度的增加而變少，但是相比L值，沒(méi)有呈現(xiàn)出規(guī)律性遞減，表明發(fā)酵過(guò)程中墊料的顏色會(huì)朝著不同的顏色轉(zhuǎn)變，這可能跟豬排泄區(qū)域分布有關(guān)，后續(xù)作者將進(jìn)行深入研究。不同發(fā)酵等級(jí)墊料與空白墊料的色差值△E綜合了L、a和b等3個(gè)指標(biāo)，結(jié)果更科學(xué)合理。

STDEV(б)是基于樣本估算的標(biāo)準(zhǔn)偏差，反映數(shù)值相對(duì)于平均值的離散程度。根據(jù)樣本的色差離平均值的離散程度，我們初步得到一個(gè)根據(jù)色差值△E對(duì)豬發(fā)酵墊料分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，能快速地通過(guò)色差計(jì)測(cè)色值對(duì)墊料的發(fā)酵等級(jí)進(jìn)行初步的分級(jí)。由不同發(fā)酵等級(jí)墊料的表觀特征的測(cè)定的結(jié)果顯示：墊料的色度分析能準(zhǔn)確地反應(yīng)墊料的發(fā)酵等級(jí)，為墊料發(fā)酵等級(jí)的快速確定奠定理論基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯：林海清)

Chromatic Determination of Fermentation Stages for Microbial Fermentation Bed in Pig Pan

PAN Zhi-zhen1, LIU Bo1*, ZHU Yu-jing1, CHEN Zheng1, XU Lian2, SHI Huai1

(1.InstituteofAgriculturalBiologicalResources,FujianAcademyofAgricultureSciences，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian350003，China; 2.SchoolofLifeScience,XiamenUniversity，Xiamen,Fujian361005，China)

Using a TES-135A color meter, 160 samples of bedding material from the microbial fermentation beds in pig pans were measured. The chromaticity data were fed to the Hunter's color difference formula, △E=[(△L)2+(△a)2+(△b)2]1/2, to obtain the △E value. Based on the average value (μ) and dispersion degree (σ) of △E, the stages of fermentation of the bedding material were classified. The 1ststage ranged from 0 to μ-2σ, the 2ndstage from μ-2σ to μ, the 3rdstage from μ to μ+2σ, and the 4thstage beyond μ+2σ. Subsequently, the apparent color, humidity, odor, and degree of decomposition were determined for samples from each fermentation stage. A regression analysis showed a high correlation between the colorimetric measurements and the observations suggesting the color meter might be used as a means to rapidly determine the fermentation stages of a microbial fermentation bed in a pig pan.

microbial fermentation bed; chromaticity analysis; bedding material classification

2016-04-06初稿；2016-05-26修改稿

潘志針(1985-)，男，碩士，主要從事生物化學(xué)和生物活性物質(zhì)分析研究 *通訊作者：劉波(1957-)，男，博士，研究員，主要從事微生物生物技術(shù)及農(nóng)業(yè)生物藥物研究(E-mail：Fzliubo@163.com)

福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目——省屬公益類(lèi)科研院所基本科研專(zhuān)項(xiàng)(2015R1018-10、2015R1018-1); 福建省科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2015NZ0003)

S 828

：A

：1008-0384(2016)11-1248-04

潘志針，劉波，朱育菁，等.基于色差技術(shù)的微生物發(fā)酵床墊料發(fā)酵等級(jí)研究[J].福建農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2016，31(11)：1248-1251.

PAN Z-Z，LIU B，ZHU Y-J，et al.Chromatic Determination of Fermentation Stages for Microbial Fermentation Bed in Pig Pan[J].FujianJournalofAgriculturalSciences，2016，31(11)：1248-1251.