乳酸菌接種劑對紅薯飲料渣青貯品質(zhì)的影響

鄭明利 王慧麗 郝 薇 寧婷婷 徐春城

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

伴隨著我國工業(yè)化城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，人口數(shù)量增長及城鄉(xiāng)居民生活水平的提高，糧食需求呈剛性增長，受耕地減少、資源短缺等因素的制約，我國糧食的供求將長期處于緊平衡狀態(tài)。飼料糧是糧食消費(fèi)的重要組成部分，近年來，我國飼料糧占糧食消費(fèi)的比重一直保持著較快速度增長。飼料糧變化對我國糧食供需平衡影響越來越大，為避免人畜爭糧，將農(nóng)業(yè)和工業(yè)副產(chǎn)品等生物資源轉(zhuǎn)化為飼料，大力發(fā)展節(jié)糧型畜牧業(yè)是我國現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展的新趨勢。

我國是最大的紅薯(Ipomoea batatas)生產(chǎn)國，2009年紅薯產(chǎn)量達(dá)到7.68×107t，占世界總產(chǎn)量的75%以上［1］。紅薯有較高的營養(yǎng)價(jià)值，一般紅薯塊根中含有水分60%～80%、淀粉10%～30%、糖分5%及少量蛋白質(zhì)、油脂、纖維素、半纖維素、果膠和灰分等;同時(shí)又具有很好的藥用功效，紅薯含有豐富的胡蘿卜素和抗壞血酸等維生素和抗氧化物質(zhì)，能夠延緩衰老、抑制氧化類物質(zhì)等［2］。近年來，紅薯飲料作為一種新型的保健飲品備受消費(fèi)者的青睞。紅薯飲料渣是紅薯飲料生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，這些副產(chǎn)品中不僅含有淀粉、纖維素、礦物質(zhì)、維生素及蛋白質(zhì)等營養(yǎng)成分，而且水分含量高，如不及時(shí)處理極易受到微生物的污染而變質(zhì)，從而造成資源的浪費(fèi)和環(huán)境污染。目前，關(guān)于紅薯飲料渣的開發(fā)與利用的研究較少。部分作為工業(yè)原料用于生產(chǎn)包裝材料及提取伯醇［3－4］，但以紅薯飲料渣為原料進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)面臨著成本高、效率低、污染環(huán)境及難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化等問題。部分未經(jīng)任何加工直接飼喂家畜，但由于紅薯飲料渣的營養(yǎng)成分不平衡，直接飼喂飼料轉(zhuǎn)化效率較低;而且由于水分含量高，各種細(xì)菌、真菌，特別是霉菌(例如黃曲霉、脫氧雪腐鐮刀菌等)極易生長繁殖，并產(chǎn)生有毒代謝產(chǎn)物(例如黃曲霉毒素、嘔吐毒素等)，直接飼喂存在安全隱患。同時(shí)，由于紅薯飲料渣季節(jié)性強(qiáng)，且沒有建立安全貯藏體系，不能滿足常年供應(yīng)，也給紅薯飲料渣的飼料化利用帶來一定的困難。大部分紅薯飲料渣被露天堆積或野外傾倒，造成環(huán)境污染及資源浪費(fèi)。本試驗(yàn)旨在探究添加不同乳酸菌接種劑對紅薯飲料渣青貯的發(fā)酵品質(zhì)及營養(yǎng)成分的影響，為我國高效利用紅薯飲料渣，發(fā)展節(jié)糧型畜牧業(yè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 紅薯飲料渣

紅薯飲料渣取自河北國投中魯果蔬汁有限公司(河北省辛集市)。

1.1.2 乳酸菌接種劑

乳酸菌接種劑－Ⅰ:主要成分為植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum KM005155)，活菌數(shù)為1×108CFU/g。

乳酸菌接種劑－Ⅱ:主要成分為戊糖片球菌(Pediococcus pentosaceus KM005149)，活菌數(shù)為5×108CFU/g。

乳酸菌接種劑－Ⅲ:主要成分為植物乳桿菌、戊糖片球菌及屎腸球菌(Enterococcus faecium KM005157)，混合比例為 4∶4∶1，總活菌數(shù)為3×108CFU/g。

上述乳酸菌接種劑均為本實(shí)驗(yàn)室分離純化的菌種通過復(fù)配而成。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)4個(gè)組。對照(CK)組不添加乳酸菌接種劑;3個(gè)乳酸菌接種劑組分別按照原料鮮重的1.0 g/kg添加(乳酸菌數(shù)分別為1×105、5×105和 3×105CFU/g)，依次編號為T1、T2、T3。每個(gè)組各調(diào)制3袋，各組于青貯后第60天分別開封，進(jìn)行發(fā)酵品質(zhì)和化學(xué)成分分析。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 青貯飼料的調(diào)制

取紅薯飲料生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的新鮮紅薯飲料渣立即進(jìn)行青貯調(diào)制。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別添加乳酸菌接種劑，對照組添加等量的滅菌去離子水。原料充分混勻后，裝入200 mm×150 mm的青貯專用聚乙烯袋，每袋約200 g，并迅速用真空包裝機(jī)抽真空、封口，室溫(18～25℃)條件下避光貯藏。

1.3.2 測定項(xiàng)目和分析方法

青貯袋開封后，將青貯料取出并充分混勻。取10 g樣品裝入滅菌的聚乙烯袋，于超凈工作臺內(nèi)加入90 mL滅菌去離子水，用無菌均質(zhì)器處理1 min，再通過4層紗布及定性濾紙過濾，得到青貯飼料浸提液，用于 pH及氨態(tài)氮(NH3-N)、乳酸(LA)、乙酸(AA)、丙酸(PA)、丁酸(BA)等揮發(fā)性有機(jī)酸含量的測定。剩余青貯飼料樣品于65℃鼓風(fēng)干燥48 h后，粉碎過1 mm篩備用。pH用pH計(jì)(Mettler Toledo-S20，Greifensee，Switzerland)測定。揮發(fā)性有機(jī)酸含量通過高效液相色譜儀(Shimadzu－10A，Japan)測定。色譜條件為色譜柱(Shodex RSpak KC－811 S-DVB gel Column 300×8 mm，Japan)，檢測器(SPD-M10AVP，Japan)，流動相:3 mmol/L的高氯酸溶液，流速:1 mL/min，進(jìn)樣量:5μL，柱溫:50℃，檢測波長:210 nm。原料的微生物組成按照Xu等［5］的方法測定。干物質(zhì)(DM)、粗蛋白質(zhì)(CP)含量按照AOAC［6］的方法，中性洗滌纖維(NDF)和酸性洗滌纖維(ADF)含量采用 Van Soest等［7］的方法，NH3-N和可溶性碳水化合物(WSC)含量采用Wang 等［8］的方法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel軟件統(tǒng)計(jì)整理初始試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用SPSS 11.5軟件中的LSD及S-N-K程序進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果

2.1 紅薯飲料渣的原料特性

如表1所示，紅薯飲料渣的DM含量較低，僅為16.6%;而WSC 含量較高，達(dá)到21.1%DM;淀粉含量為17.0%DM。乳酸菌和好氧性細(xì)菌數(shù)量分別為1.04×105和3.25×105CFU/g，未檢測到酵母菌、霉菌和腸細(xì)菌。

2.2 紅薯飲料渣青貯的微生物組成

如表2所示，添加乳酸菌接種劑能夠促進(jìn)乳酸發(fā)酵并抑制有害微生物的繁殖。與CK組相比，3個(gè)乳酸菌接種劑組中乳酸菌數(shù)量顯著提高(P＜0.05)，酵母菌及好氧性細(xì)菌數(shù)量顯著降低(P＜0.05)。各組中均未檢測到霉菌及腸細(xì)菌。

2.3 紅薯飲料渣青貯的發(fā)酵品質(zhì)

如表3所示，各組的發(fā)酵品質(zhì)良好，表現(xiàn)在pH低于 3.8，氨態(tài)氮/總氮(NH3-N/TN)低于 0.1%，未檢測到PA和BA。與CK組相比，添加乳酸菌接種劑進(jìn)一步提高了紅薯飲料渣青貯的發(fā)酵品質(zhì)，表現(xiàn)在顯著降低了pH(P＜0.05)，顯著提高了LA含量(P＜0.05)。T1組青貯料的AA含量最低但與CK組差異不顯著(P＞0.05)，NH3-N/TN 顯著高于CK組(P＜0.05)。T2組青貯料中AA含量及NH3-N/TN與CK組差異不顯著(P＞0.05)。T3組青貯料的 pH最低，LA及 AA含量最高，NH3-N/TN較CK 組無顯著差異(P＞0.05)。

表1 紅薯飲料渣的原料特性Table 1 Characterization of sweet potato beverage residue raw

表2 紅薯飲料渣青貯的微生物組成Table 2 Microorganism composition of sweet potato beverage residue silage lg(CFU/g)

表3 紅薯飲料渣青貯的發(fā)酵品質(zhì)Table 3 Fermentation quality of sweet potato beverage residue silage

2.4 紅薯飲料渣青貯的化學(xué)成分

如表4所示，經(jīng)過發(fā)酵后的紅薯飲料渣的CP含量為14.82% ～15.75%DM，高于原料中14.1%DM;WSC 含量為14.88% ～20.73%DM，低于原料中21.1%DM;NDF和ADF含量與原料相比略有增加的傾向。與CK組相比，添加乳酸菌接種劑降低了紅薯飲料渣青貯的DM及WSC含量，提高了CP含量。T1組各化學(xué)成分含量與CK組無顯著差異(P＞0.05)。T2組DM 含量顯著低于CK組(P＜0.05)，其他化學(xué)成分與 CK組差異不顯著(P＞0.05)。T3組的 DM及 WSC含量最低，CP含量最高，且均與CK組差異顯著(P＜0.05)。

表4 紅薯飲料渣青貯的化學(xué)成分Table 4 Chemical composition of sweet potato beverage residue silage

3 討論

3.1 紅薯飲料渣的原料特性

紅薯飲料渣是生產(chǎn)紅薯飲料過程中的副產(chǎn)品，水分含量高達(dá)85%左右，干物中富含WSC、淀粉、蛋白質(zhì)和纖維成分，是反芻動物良好的能量飼料來源。本試驗(yàn)的紅薯飲料渣中，CP含量明顯高于馬鈴薯淀粉渣的9.1%DM，與玉米淀粉渣基本持平;淀粉含量低于馬鈴薯淀粉渣的38.3%DM，而高于玉米淀粉渣;NDF含量與馬鈴薯淀粉渣基本相同，明顯低于玉米淀粉渣的52.1%DM［9］。由于水分含量高，富含碳水化合物和蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，因此紅薯飲料渣極易變質(zhì)，必須在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行青貯或干燥等加工處理。

乳酸菌作為乳酸發(fā)酵的啟動菌，在青貯過程中起到主導(dǎo)作用。一般情況下，當(dāng)原料表面附著乳酸菌數(shù)量達(dá)到或超過105CFU/g時(shí)，才能確保青貯的順利進(jìn)行［10－11］。制作青貯飼料時(shí)，要使乳酸菌能夠快速生長繁殖，青貯原料應(yīng)具有適宜的DM含量、一定的WSC含量及較低的緩沖能［10－11］。本試驗(yàn)中的紅薯飲料渣雖然乳酸菌含量達(dá)到1.04×105CFU/g，但好氧性細(xì)菌高達(dá)3.25×105CFU/g，而且由于水分含量高，不是比較理想的青貯原料。Purwin等［12］報(bào)道，DM含量較低是導(dǎo)致青貯飼料質(zhì)量下降的一個(gè)重要原因，這種情況會增加梭菌(Clostridia)生長繁殖的機(jī)率，引起丁酸發(fā)酵，進(jìn)而降低動物對飼料的采食量。因此，為了調(diào)制優(yōu)質(zhì)的紅薯飲料渣青貯，本試驗(yàn)采取添加乳酸菌接種劑來促進(jìn)乳酸發(fā)酵，提高青貯發(fā)酵品質(zhì)。

3.2 乳酸菌接種劑對紅薯飲料渣青貯發(fā)酵品質(zhì)的影響

添加乳酸菌接種劑進(jìn)一步改善了紅薯飲料渣青貯的發(fā)酵品質(zhì)，與CK組相比，試驗(yàn)組pH顯著降低，LA 含量顯著增加，這與以前的報(bào)道相同［5，8，13］。添加乳酸菌接種劑可以增加青貯早期原料中的乳酸菌數(shù)量，并有效利用原料中的WSC，在短時(shí)間內(nèi)成為優(yōu)勢菌群主導(dǎo)發(fā)酵過程產(chǎn)生大量LA，快速降低pH，有效抑制有害微生物的活動，從而阻止BA的產(chǎn)生和蛋白質(zhì)的降解。

乳酸菌接種劑組中，隨乳酸菌多樣性增加LA含量顯著提高。一方面是由于乳酸球菌的作用。Cai等［14］認(rèn)為，產(chǎn)酸的乳酸球菌像腸球菌(Enterococcus)、片球菌(Pediococci)、乳球菌(Lactococcus)、明串珠菌(Leuconostoc)等在青貯時(shí)往往作為發(fā)酵啟動菌株，在青貯初期快速繁殖產(chǎn)生大量LA，迅速降低pH。在青貯的發(fā)酵期及穩(wěn)定期，耐酸的乳酸桿菌才逐漸占據(jù)優(yōu)勢，成為最后發(fā)酵的主要菌群。另一方面是由于乳酸菌種類增加導(dǎo)致乳酸菌間的協(xié)同作用及乳酸菌對于其他微生物的抑制或拮抗作用增強(qiáng)。

添加植物乳桿菌接種劑的T1組與添加戊糖片球菌接種劑的T2組，其青貯中的AA含量與CK組無顯著差異，與之前的研究相符。Tabacco等［15］及Rota等［16］的研究表明，添加植物乳桿菌或植物乳桿菌與戊糖片球菌的混合接種劑的全株玉米青貯中AA含量與對照組無顯著差異。T3組的AA含量顯著高于CK組，這可能是由于該組中添加了屎腸球菌，而屎腸球菌在代謝過程中可以產(chǎn)生大量的AA所致［17］。

發(fā)酵品質(zhì)較好的青貯中NH3-N/TN一般小于10%［10－11］。本試驗(yàn)中 NH3-N/TN 不足 0.1%，達(dá)到了優(yōu)質(zhì)青貯的要求。但值得注意的是乳酸菌接種劑組中 NH3-N/TN均高于 CK組。Tabacco等［15］報(bào)道，添加植物乳桿菌后，高粱青貯的NH3-N/TN高于對照組但差異不顯著;Sadeghi等［18］的研究也發(fā)現(xiàn)，接種植物乳桿菌、戊糖片球菌、費(fèi)氏丙酸桿菌(Propionibacter freudenreichii)的高水分全株玉米青貯中NH3-N/TN顯著高于對照組。這可能是由于添加乳酸菌接種劑后，青貯體系原有的微生態(tài)平衡被打破，某些耐酸的梭菌或腸細(xì)菌等有害微生物活動相對增強(qiáng)，促進(jìn)蛋白質(zhì)的降解［19］。

3.3 乳酸菌接種劑對紅薯飲料渣青貯營養(yǎng)成分的影響

WSC作為乳酸菌等微生物的發(fā)酵底物，在青貯過程被不斷消耗，這是導(dǎo)致3個(gè)乳酸菌接種劑組的DM及WSC含量均低于CK組的原因。T3組中乳酸菌活性最強(qiáng)，消耗的DM及WSC最多。3個(gè)乳酸菌接種劑組的CP、NDF及ADF含量略高于CK組，且與原料相比有增加的趨勢，這可能是由于WSC等供乳酸菌發(fā)酵的基質(zhì)損失，導(dǎo)致其他組分在干樣中的相對含量升高。

4 結(jié)論

添加乳酸菌接種劑明顯改善了紅薯飲料渣的青貯品質(zhì)。綜合考慮，青貯品質(zhì)優(yōu)劣次序?yàn)?T3＞T2＞T1＞CK。說明乳酸球菌與乳酸桿菌混合使用比單獨(dú)使用乳酸桿菌或乳酸球菌對于改善青貯品質(zhì)的效果更好。

［1］ FAO.Selected indicators of food and agricultural development in the Asia-Pacific region 2000-2010［EB/OL］.2011，http://www.fao.org/docrep/014/i2371e/i2371e00.htm.

［2］ 劉惠知，王升平，周映華，等.紅薯渣及其利用［J］.飼料博覽，2013(7):41－43.

［3］ JIANG D.Sweet potato juice producing process and packing material of sweet potato residue fiber:China，CN1672562-A;CN1316918-C［P］.2005－4－12.

［4］ KIM Y N，PARK K M，CHOI S J，et al.Optimizing conditions for TEMPO/NaOCl-mediated chemoselective oxidation of primary alcohols in sweet potato residue［J］.Food and Bioprocess Technology，2013，6(3):690－698.

［5］ XU C C，CAI Y M，ZHANG J G，et al.Ensiling and subsequent ruminal degradation characteristics of barley tea grounds treated with contrasting additives［J］.Animal Feed Science and Technology，2008，141(3/4):368－374.

［6］ AOAC.Official Methods of Analysis［M］.16th ed.Virginia，USA:Association of Official Analytical Chemists，1995.

［7］ VAN SOEST P J，ROBERTSON J B，LEWIS B A.Methods for dietary fiber，neutral detergent fiber，and non-starch polysaccharides in relation to animal nutrition［J］.Journal of Dairy Science，1991，74(10):3583－3597.

［8］ WANG R R，WANG H L，LIU X，et al.Effect of different additives on fermentation characteristics and protein degradation of gereen tea grounds silage［J］.Asian-Australasian Journal of Animal Sciences，2011，24(5):616－622.

［9］ 雷恒，王慧麗，郝薇，等.利用物理化學(xué)參數(shù)評價(jià)糟渣類副產(chǎn)品的飼料特性［J］.飼料工業(yè)，2014，35(7):20－25.

［10］ MCDONALD P，EDWARDSR A，GREENHALGH JF D，et al.Animal nutrition［M］.6th ed.London:Prentice Hall，2002.

［11］ 徐春城，楊富裕，張建國，等.現(xiàn)代青貯理論與技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2013:68－73.

［12］ PURWIN C， ?ANIEWSKA-TROKENHEIM ?，WARMIN’SKA-RADYKO I，et al.Silage quality:microbiological，health-promoting and production aspects［J］.Medycyna Weterynaryjna，2006，62(8):865－869.

［13］ 王蓉蓉，趙海燕，徐春城.杏飲料殘?jiān)噘A飼料的發(fā)酵品質(zhì)研究［J］.飼料工業(yè)，2010，31(13):31－34.

［14］ CAI Y M，KUMAI S，ZHANG J G，et al.Comparative studies of lactobacilli and enterococci associated with forage crops as silage inoculants［J］.Animal Science Journal，1999，70(4):188－194.

［15］ TABACCO E，PIANO S，CAVALLARIN L，et al.Clostridia spore formation during aerobic deterioration of maize and sorghum silages as influenced by Lactobacillus buchneri and Lactobacillus plantarum inoculants［J］.Journal of Applied Microbiology，2009，107(5):1632－1641.

［16］ ROTA C，PIRONDINI M，MALAGUTTI L，et al.Evaluation of fermentative parameters，aerobic stability and in vitro gas production of whole crop maize silage treated with a microbial inoculant containing Pediococcus pentosaceus and Lactobacillus plantarum［C］//Proceedings of the XVI International Silage Conference.Helsinki，F(xiàn)inland:MTT Agrifood Research Finland，2012.

［17］ JIN L Z，MARQUARDT R R，ZHAO X.A strain of Enterococcus faecium(18C23)inhibits adhesion of enterotoxigenic Escherichia coli K88 to porcine small intestine mucus［J］.Applied and Environmental Microbiology，2000，66(10):4200－4204.

［18］ SADEGHI K，KHORVASH M，GHORBANI G R，et al.Effects of homo-fermentative bacterial inoculants on fermentation characteristics and nutritive value of low dry matter corn silage［J］.Iranian Journal of Veterinary Research，2012，13(4):303－309，350.

［19］ ROSSI F，DELLAGLIO F.Quality of silages from Italian farms as attested by number and identity of microbial indicators［J］.Journal of Applied Microbiology，2007，103(5):1707－1715.