棉稈微波預(yù)處理對生物發(fā)酵飼料的影響

■張玉丹 楊 陽任 航劉沐霖

（1.新疆紅帆生物科技有限公司，新疆庫爾勒 841100；2.哈爾濱市食品藥品檢驗(yàn)檢測中心，黑龍江哈爾濱 150025）

我國新疆地區(qū)每年擁有約2 000萬畝的棉花種植面積，棉稈年均產(chǎn)量就達(dá)540萬噸[1]，目前主要采用焚燒的處理方式，不僅污染了當(dāng)?shù)丨h(huán)境，而且浪費(fèi)了可利用的生物資源。棉稈中除含有40%～60%粗纖維、4.5%～5.5%的粗蛋白外，還含有豐富的果膠物質(zhì)、氮和磷，因此，以棉稈為原料開發(fā)生產(chǎn)生物飼料，不僅有效利用了農(nóng)業(yè)資源，擴(kuò)寬了飼料原料的范圍，避免傳統(tǒng)處理方式帶來的環(huán)境污染，而且在一定程度上緩解了飼料行業(yè)長久以來的糧食短缺問題。

棉稈作為生物飼料原料，預(yù)處理工藝中需粉碎、加入菌種發(fā)酵的各種營養(yǎng)物質(zhì)，但是棉稈本身含有自然界中的各種霉菌，因此在培養(yǎng)目的菌的同時(shí)，霉菌也生長繁殖，除消耗發(fā)酵基質(zhì)中的部分營養(yǎng)物質(zhì)外，還產(chǎn)生酪青霉毒素[2]、黃曲霉毒素、赭（棕）曲霉毒素、雜色（柄）曲霉毒素、玉米赤霉烯酮、麥角生物堿、伏馬毒素等[3]。靳志強(qiáng)等[4]對玉米中曲霉孢子殺菌模型的研究表明，在50～75℃的微波加熱條件下可獲得曲霉孢子的致死曲線，擬合得到的Weibull模型有效預(yù)測了特定溫度-時(shí)間組合的滅菌效果，避免了線性模型導(dǎo)致的殺菌不徹底。杭鋒等[5]通過比較大腸桿菌、乙型副傷寒沙門氏菌和金黃色葡萄球菌的微波和水浴殺菌的D值和Z值，研究表明，微波與水浴殺菌效果相近，未發(fā)現(xiàn)明顯的非熱效應(yīng)。

飼料經(jīng)霉菌污染后，嚴(yán)重時(shí)飼喂動物會導(dǎo)致產(chǎn)生致病、致畸、致突變，“三致”效應(yīng)引發(fā)的動物中毒，不僅使飼料失去其商品價(jià)值，還造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此生物飼料原料的預(yù)處理在工業(yè)化過程中具有重要意義。

微波作為一種非電離輻射電磁波，頻率范圍在300 MHZ～300 GHZ，對應(yīng)波長在1 mm～1 m之間[6]，微波工藝在食品行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，如殺菌、干燥、輔助提取、脫膠、綠茶殺青、生物質(zhì)輔助液化等[7]。微波殺菌主要通過熱力的溫度場和頻率極高的交變電磁場兩個熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)共同作用的效果[8]，研究表明：通過對枯草芽孢桿菌黑色變種進(jìn)行直接微波場、銅網(wǎng)屏蔽微波和水浴加熱三種方法處理可知，殺菌效果除微波熱效應(yīng)外，還存在非熱效應(yīng)，對微生物細(xì)胞壁起到破壞作用，對微生物通透性的作用明顯，還可造成微生物DNA結(jié)構(gòu)損傷[9]。目前，微波殺菌技術(shù)在飼料原料中的應(yīng)用還未見報(bào)道，因此，通過微波對棉稈的殺菌工藝的研究，減少原料中的霉菌，對于防止生物飼料的污染具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑及設(shè)備

棉稈：自新疆綠洲大洋生物科技有限公司生產(chǎn)基地；高鹽察氏培養(yǎng)基；微波爐。

1.2 棉稈微波殺菌試驗(yàn)方法

1.2.1 微波殺菌工藝加水量的確定

稱取3份同樣質(zhì)量的棉稈，分別加入10%、20%、30%、40%和50%的蒸餾水，料層厚度為4 cm，均使用微波爐殺菌（2450HZ）90 s，再分別檢測霉菌總數(shù)。

1.2.2 微波殺菌時(shí)間的確定

稱取3份同樣質(zhì)量的棉稈，均加入40%的蒸餾水，料層厚度為4 cm，分別使用微波爐殺菌30、60、90、120 s和150 s，再分別檢測霉菌總數(shù)。

1.2.3 棉稈料層厚度的確定

稱取3份同樣質(zhì)量的棉稈，均加入40%的蒸餾水，殺菌時(shí)間為60 s，棉稈料厚度分別為4、6、8、10、12 cm和14 cm，再分別檢測霉菌總數(shù)。

1.2.4 正交試驗(yàn)

在單因素的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)優(yōu)化棉稈微波殺菌工藝，正交試驗(yàn)見表1。

表1 棉稈的微波殺菌工藝正交試驗(yàn)

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得出最佳工藝條件。

1.4 產(chǎn)朊假絲酵母活化方法

1.4.1 pH值對產(chǎn)朊假絲酵母活化的影響

采用YPD培養(yǎng)基，配制1%的酵母菌液，分別調(diào)節(jié)pH值為4.5、5.0、5.5、6.0和6.5，置于28 ℃恒溫，120 r/min震蕩培養(yǎng)24 h后檢測菌落總數(shù)。

1.4.2 溫度對產(chǎn)朊假絲酵母活化的影響

采用YPD培養(yǎng)基，調(diào)節(jié)pH值為6.0，配制1%的酵母菌液，活化溫度分別為26、28、30、32 ℃和34 ℃，120 r/min震蕩培養(yǎng)24 h后檢測菌落總數(shù)。

1.4.3 恒溫震蕩培養(yǎng)箱轉(zhuǎn)數(shù)對產(chǎn)朊假絲酵母活化的影響

采用YPD培養(yǎng)基，調(diào)節(jié)pH值為6.0，配制1%的酵母菌液，活化溫度為30℃，恒溫培養(yǎng)箱轉(zhuǎn)數(shù)分別為0、60、90、120、90～120 r/min和120～240 r/min，震蕩培養(yǎng)24 h后檢測菌落總數(shù)。

1.5 產(chǎn)朊假絲酵母活化

采用微波殺菌最佳工藝對棉稈進(jìn)行預(yù)處理，將產(chǎn)朊假絲酵母經(jīng)活化后接種到棉稈中，測定pH值、粗蛋白和粗纖維含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波殺菌工藝加水量的確定

圖1 微波殺菌加水量的確定

由圖1結(jié)果可知，當(dāng)加水量為10%時(shí)，霉菌總數(shù)最大，達(dá)到了135 cfu/g，隨著加水量的增加，霉菌總數(shù)急劇下降，加水30%的棉稈中霉菌總數(shù)為10 cfu/g，而加水量40%和50%的棉稈均未檢測到霉菌，為了減少加水量和后期烘干成本，因此選擇加水量為40%。

2.2 微波殺菌時(shí)間的確定

由圖2結(jié)果可知，隨著對棉稈殺菌時(shí)間的延長，霉菌總數(shù)急劇下降，當(dāng)殺菌時(shí)間為30 s時(shí)，霉菌總量達(dá)到了125 cfu/g，當(dāng)殺菌時(shí)間增加到60 s時(shí)，霉菌總量下降到10 cfu/g，表明殺菌時(shí)間的延長，對殺滅霉菌具有極大的促進(jìn)作用。當(dāng)殺菌時(shí)間延長到大于90 s時(shí)，霉菌完全殺滅，因此考慮實(shí)際工藝中的傳送問題，選擇殺菌時(shí)間為60 s。

2.3 棉稈料層厚度的確定

由圖3結(jié)果可知：厚度為4 cm和6 cm的棉稈均未檢測到霉菌，厚度為8 cm的棉稈檢測到的霉菌數(shù)量小于10 cfu/g，但是厚度增加到14 cm后霉菌總數(shù)可達(dá)到260 cfu/g，因此需將棉稈殺菌料層厚度控制在6 m以內(nèi)。

圖2 微波殺菌時(shí)間的確定

圖3 微波殺菌棉稈料層厚度的確定

2.4 棉稈微波殺菌最佳工藝條件的確定

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，以微波殺菌后酵母菌的菌落總數(shù)為指標(biāo)，設(shè)計(jì)了L9（34）正交試驗(yàn)，以確定微波殺菌的最佳工藝條件。試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1，結(jié)果見表2。

表2 棉稈的微波殺菌工藝L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果

由表2結(jié)果可知：微波殺菌的最佳工藝條件為A2B2C1，即加水量為40%、殺菌時(shí)間為60 s，料層厚度為4 cm。采用最佳的微波殺菌條件對棉稈進(jìn)行滅菌，再進(jìn)行菌落總數(shù)檢測得0 cfu/g，表明此組合為最佳工藝條件。由極差分析可知，棉稈厚度對殺菌效果的影響最大，主次因素依次為棉稈厚度、殺菌時(shí)間、加水量。

2.5 產(chǎn)朊假絲酵母活化結(jié)果

2.5.1 pH值對產(chǎn)朊假絲酵母活化的影響

由圖4結(jié)果可知：隨著酵母菌活化培養(yǎng)基pH值由4.5升高到6.5，酵母菌落總數(shù)也隨之增大，當(dāng)pH值升高到6.0之后，其菌落總數(shù)與pH值為6.5時(shí)幾乎持平，因此可選擇酵母菌的活化培養(yǎng)基的pH值為6.0。

2.5.2 溫度對產(chǎn)朊假絲酵母活化的影響

由圖5結(jié)果可知：隨著培養(yǎng)溫度的升高，酵母菌的菌落總數(shù)是先升高后降低的過程，當(dāng)溫度從26℃升高到30℃時(shí)，菌落總數(shù)達(dá)到最大值，溫度繼續(xù)升高會導(dǎo)致酵母菌落總數(shù)逐漸下降，因此可選擇30℃恒溫培養(yǎng)。

2.5.3 恒溫震蕩培養(yǎng)箱轉(zhuǎn)數(shù)對產(chǎn)朊假絲酵母活化的影響

由圖6結(jié)果可知：當(dāng)酵母菌采用靜置活化培養(yǎng)時(shí)，其菌落總數(shù)很低，約為2.5×107cfu/g，增大恒溫培養(yǎng)的轉(zhuǎn)數(shù)，隨著通氧量的增加，加速了酵母菌的生長繁殖，因此其菌落總數(shù)隨之增加，特別是在整個活化過程中采用不同時(shí)段的變化轉(zhuǎn)速時(shí)，對酵母菌的增殖起到了明顯的促進(jìn)作用，特別是采用120～240 r/min的變化轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，使得菌落總數(shù)急劇增加，因此可選擇120～240 r/min的變化培養(yǎng)轉(zhuǎn)數(shù)。

圖4 酵母活化pH值的確定

圖5 酵母活化溫度的確定

圖6 酵母活化培養(yǎng)轉(zhuǎn)數(shù)的確定

2.6 殺菌棉稈生物飼料的發(fā)酵結(jié)果

采用2.5確定的培養(yǎng)條件對產(chǎn)朊假絲酵母進(jìn)行活化，接種量為2.6‰，調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的pH值為6.0，置于30℃恒溫，前12 h的恒溫震蕩培養(yǎng)箱轉(zhuǎn)數(shù)為120 r/min，后12 h的轉(zhuǎn)數(shù)為240 r/min，共恒溫培養(yǎng)24 h。發(fā)酵后飼料較棉稈發(fā)酵原料的pH值降低了2.11，粗蛋白提高了2.10個百分點(diǎn)，粗纖維含量沒有明顯變化。

表3 殺菌棉稈生物飼料的發(fā)酵結(jié)果

3 結(jié)論

采用微波殺菌工藝對棉稈進(jìn)行預(yù)處理，可有效防止生物飼料被霉菌污染，對提高飼料品質(zhì)具有重要意義。微波殺菌的最佳工藝條件為加水量為40%、殺菌時(shí)間為60 s、料層厚度為4 cm，產(chǎn)朊假絲酵母的活化條件為培養(yǎng)基pH值為6.0、培養(yǎng)溫度為30℃、恒溫震蕩培養(yǎng)箱為120～240 r/min變化轉(zhuǎn)數(shù)。經(jīng)微波殺菌預(yù)處理的棉稈，接種產(chǎn)朊假絲酵母，經(jīng)發(fā)酵后飼料pH值較原料降低了2.11，粗蛋白相比提高了2.10個百分點(diǎn)，對棉稈生物飼料的品質(zhì)和營養(yǎng)起到了明顯的提高作用。