不同尿素、麥麩的添加水平對(duì)咖啡渣發(fā)酵效果的影響

顧雅梅， 邊高瑞， 張曦元， 穆 明， 鄧凱東， 唐 倩， 張民揚(yáng)

（金陵科技學(xué)院動(dòng)物科學(xué)與食品工程學(xué)院，江蘇南京 210038）

咖啡在我國(guó)的產(chǎn)量和消費(fèi)量逐年增加，2021年我國(guó)年產(chǎn)咖啡豆10.91 萬(wàn)t， 年消費(fèi)咖啡豆達(dá)25.2 萬(wàn)t。 咖啡的加工過(guò)程會(huì)產(chǎn)生咖啡渣和咖啡皮等副產(chǎn)物，如綠咖啡會(huì)產(chǎn)生65%的咖啡渣（Rajesh Banu 等，2020）。 目前咖啡渣常作為廢棄物填埋或焚燒，這樣不僅會(huì)污染環(huán)境，也造成了資源的浪費(fèi)。有研究發(fā)現(xiàn)，咖啡渣可作為肥料和活性碳的原材料，但市場(chǎng)化效果不佳?？Х仍€可以作為底物用于生產(chǎn)生物燃料， 但工藝繁瑣， 并且投資巨大。 因此，開(kāi)發(fā)便捷、合理的咖啡渣利用策略，成為目前所關(guān)注的重要問(wèn)題。

咖啡渣具有一定的飼用價(jià)值，其含有6.7% ～13.7%的粗蛋白質(zhì)，10% ～15%的脂肪（多為不飽和脂肪酸）和13.0%的無(wú)氮浸出物。 但咖啡渣的粗纖維含量很高， 包括8.6% ～15.3%的纖維素和36.7%的半纖維素（Liu 等，2020）。 咖啡渣還含有1.5%的總植物多酚，如單寧酸、綠原酸和咖啡因等抗?fàn)I養(yǎng)因子，同時(shí)具有一些特殊的氣味，會(huì)影響動(dòng)物的采食量。 咖啡渣較高的粗纖維和植物多酚含量， 極大的影響其在單胃動(dòng)物飼料中的應(yīng)用， 但對(duì)反芻動(dòng)物來(lái)說(shuō)， 反而具有一定的優(yōu)勢(shì)。 粗纖維是牛羊等反芻動(dòng)物必不可少的飼料營(yíng)養(yǎng)成分。 植物多酚對(duì)瘤胃內(nèi)微生物的代謝具有一定的調(diào)控作用（譚健等，2021），在反芻動(dòng)物瘤胃中，咖啡渣中所含的縮合單寧可與蛋白質(zhì)結(jié)合，避免優(yōu)質(zhì)蛋白的瘤胃降解，縮合單寧還在抗寄生蟲(chóng)、 控制甲烷排放以及調(diào)控瘤胃內(nèi)環(huán)境等方面體現(xiàn)出了積極作用（邱清華，2016）。不飽和脂肪酸可以提高動(dòng)物產(chǎn)品的品質(zhì)（許鵬等，2022，張俊霞等，2020），咖啡渣中的亞油酸如果可以合理利用，可以為動(dòng)物提供必需脂肪酸（張馨月等，2017）。因此， 咖啡渣具有成為優(yōu)質(zhì)反芻動(dòng)物飼料資源的潛力（San Martin 等，2021）。

采用微生物發(fā)酵的方式處理飼料原料， 已經(jīng)成為改善劣質(zhì)原料， 尤其是糟渣類原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的有效方案。張帆等（2019）采用產(chǎn)朊假絲酵母菌、乳酸菌、枯草芽孢桿菌等菌種，對(duì)高粱酒糟進(jìn)行了兩周的微生物堆砌發(fā)酵， 提高了酒糟中的粗蛋白質(zhì)和粗脂肪含量，顯著降低了粗纖維的含量，進(jìn)而提高了飼用價(jià)值。 馬雪兒等（2022）采用乳酸菌混合菌液對(duì)富含植物多酚的核桃葉進(jìn)行了微生物發(fā)酵，提高了粗蛋白質(zhì)和無(wú)氮浸出物的含量，增加了飼料成分的消化率。 但目前鮮見(jiàn)有微生物發(fā)酵咖啡渣進(jìn)行飼料化利用的研究。

為了研究咖啡渣經(jīng)微生物發(fā)酵后營(yíng)養(yǎng)成分的變化規(guī)律，本研究以咖啡渣為研究對(duì)象，采用乳酸桿菌、枯草芽孢桿菌和酵母菌等多菌種發(fā)酵模式，評(píng)估麥麩和尿素添加水平對(duì)發(fā)酵咖啡渣營(yíng)養(yǎng)成分的影響，為咖啡渣的飼料化開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 菌液制備 發(fā)酵菌株（鼠李糖乳桿菌、羅伊氏乳桿菌、布拉迪酵母菌）來(lái)自于江蘇鎮(zhèn)江市天益健康科學(xué)研究院，植物乳桿菌、枯草芽孢桿菌為本實(shí)驗(yàn)室自行分離菌種。 將5%菌粉接種到MRS 液體培養(yǎng)基中，培養(yǎng)箱37 ℃培養(yǎng)24 h。 涂板檢查菌種發(fā)育情況， 挑取發(fā)育良好的單個(gè)菌， 接種后于37 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h，獲得接種菌液，各菌液按照1∶1∶1∶1 比例混合后使用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 尿素、麥麩的試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。本研究設(shè)置尿素添加水平分別為0%（對(duì)照組，0%組）、0.5%（0.5%組）、1%（1%組）、1.5%（1.5%組）四組，每組四個(gè)重復(fù)。 麥麩添加水平分別為0%（對(duì)照組，0MF 組）、5%（5MF 組）、10%（10MF 組）、15%（15MF 組）四組，每組四個(gè)重復(fù)。

表1 尿素、麥麩的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

各試驗(yàn)組的發(fā)酵基質(zhì)總重為100 g，水分含量為60%，加入密封袋后，接種5%的混合菌液并混合均勻，使用全自動(dòng)封口機(jī)抽出袋中空氣，并密封兩次，陰涼避光處發(fā)酵28 d。

1.3 感官評(píng)價(jià) 評(píng)定青貯料等級(jí)按照《德國(guó)DLG青貯飼料感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)》（馮驍騁等，2016）， 從氣味、質(zhì)地和色澤3 方面進(jìn)行感官評(píng)價(jià)。 其中，氣味占14 分，質(zhì)地占4 分，色澤占2 分，綜合得分16 ～20 為優(yōu)良，10 ～15 為尚可，5 ～9 為中等，0 ～4 為腐敗。

1.4 品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)測(cè)定 參考鄧凱東等 （2021）的測(cè)定方法， 采用pH 計(jì)檢測(cè)發(fā)酵咖啡渣的pH，采用凱氏定氮法測(cè)定粗蛋白質(zhì)含量。 測(cè)定氨態(tài)氮試劑盒購(gòu)自于北京市索萊寶生化試劑有限公司。 測(cè)定乳酸試劑盒購(gòu)自于南京建成生物工程研究所。采用日本島津公司GC-14BC 型氣相色譜儀檢測(cè)揮發(fā)性脂肪酸含量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析， 采用Duncan 氏法進(jìn)行多重比較，P ＜0.05 表示差異顯著。 粗灰分、粗蛋白質(zhì)、乳酸、乙酸和氨態(tài)氮含量以干物質(zhì)為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 尿素添加水平對(duì)咖啡渣發(fā)酵效果的影響

2.1.1 不同尿素添加水平對(duì)發(fā)酵咖啡渣的感官評(píng)分和營(yíng)養(yǎng)成分的影響 由表2 可知， 添加尿素的三個(gè)處理組感官評(píng)分均顯著低于對(duì)照組 （P ＜0.05）， 且試驗(yàn)組間感官評(píng)分差異均不顯著 （P ＞0.05）。 隨著尿素添加量的增加發(fā)酵咖啡渣的粗灰分含量顯著增加（P ＜0.05），而各組粗蛋白質(zhì)含量無(wú)顯著差異（P ＞0.05）。

表2 不同尿素添加水平對(duì)發(fā)酵咖啡渣的感官評(píng)分和營(yíng)養(yǎng)成分的影響

2.1.2 不同尿素添加水平對(duì)發(fā)酵咖啡渣發(fā)酵品質(zhì)的影響 由表3 可知， 添加尿素發(fā)酵組的pH 均顯著高于對(duì)照組， 處理組之間差異均顯著 （P ＜0.05）。 0.5%和1.0%組的乳酸含量較對(duì)照組分別提高63.28%和68.97%（P ＜0.05）。 而添加尿素的三個(gè)處理組乙酸含量與對(duì)照組相比無(wú)顯著差異（P ＞0.05）。添加1.5%尿素與對(duì)照組相比，發(fā)酵咖啡渣的尿素氮含量提高了56.96%（P ＜0.05）。

表3 不同尿素添加水平對(duì)發(fā)酵咖啡渣發(fā)酵品質(zhì)的影響

2.2 麥麩添加水平對(duì)咖啡渣發(fā)酵效果的影響

2.2.1 不同尿素添加水平對(duì)發(fā)酵咖啡渣的感官評(píng)分和營(yíng)養(yǎng)成分的影響 由表4 可知， 麥麩的添加未顯著改變咖啡渣的感官評(píng)分， 但所有組的感官評(píng)分均高于18.5。結(jié)果表明，咖啡渣經(jīng)微生物發(fā)酵之后，香氣成分改變很大，其中的咖啡氣味減少，有較強(qiáng)的酸味，芳香味弱，香氣品質(zhì)提高。 隨著麥麩添加水平的提高粗灰分含量與對(duì)照組相比分別提高23.41%、42.93%和58.05%（P ＜0.05）， 各組間均有顯著差異（P ＜0.05）。 5%與15%麥麩處理組的蛋白質(zhì)含量與對(duì)照組相比顯著提高3.88%和5.99%（P ＜0.05）。 隨著麥麩添加水平的提高，發(fā)酵后咖啡渣的粗蛋白質(zhì)含量顯著提升（P ＜0.05）。說(shuō)明微生物發(fā)酵作用顯著提高了咖啡渣營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的水平。

表4 不同尿素添加水平對(duì)發(fā)酵咖啡渣的感官評(píng)分和營(yíng)養(yǎng)成分的影響

2.2.2 添加不同水平麥麩對(duì)發(fā)酵咖啡渣發(fā)酵品質(zhì)的影響 由表5 可知， 不同麥麩添加水平處理組pH 存在顯著性差異，pH 隨著麥麩添加量的提高而降低，添加麥麩處理組pH 均顯著低于對(duì)照組（P ＜0.05），說(shuō)明發(fā)酵效果良好。添加10%和15%麥麩組的乳酸含量較對(duì)照組提高221.54%和264.62%（P ＜0.05），各處理組乙酸含量差異不顯著（P ＞0.05）。

表5 添加不同水平麥麩對(duì)發(fā)酵咖啡渣發(fā)酵品質(zhì)的影響

3 討論

咖啡渣作為咖啡產(chǎn)業(yè)的廢棄物，產(chǎn)量巨大，通過(guò)微生物發(fā)酵的方式改善其營(yíng)養(yǎng)成分， 不僅可以防止咖啡渣對(duì)環(huán)境的危害， 也可以滿足非糧飼料的新型飼料需求。 本研究利用常見(jiàn)的外源添加劑物質(zhì)，探究咖啡渣發(fā)酵的底物條件，為咖啡渣原料的微生物發(fā)酵提供理論和技術(shù)支撐。

徐倩倩等（2022）利用植物乳桿菌對(duì)咖啡渣進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化， 發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌發(fā)酵能夠有效促進(jìn)咖啡渣中活性及風(fēng)味物質(zhì)的釋放， 經(jīng)過(guò)補(bǔ)充加糖處理后， 咖啡渣發(fā)酵產(chǎn)物中總酚及蛋白含量顯著增加， 吡嗪類、 乙酸糠酯等風(fēng)味物質(zhì)含量顯著增加， 咖啡因等特征成分的釋放量相比發(fā)酵前顯著提升。 本研究利用微生物發(fā)酵的模式制作發(fā)酵咖啡渣飼料，發(fā)酵后可以有效提高其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，改善了咖啡渣的氣味?？Х仍?jīng)發(fā)酵后，含氮物質(zhì)可被微生物分解后合成菌體蛋白， 有助于反芻動(dòng)物消化利用，提高飼料報(bào)酬。

郭萌萌等（2022）用枯草芽孢桿菌、植物乳桿菌和釀酒酵母聯(lián)合發(fā)酵豆粕的研究中發(fā)現(xiàn)， 混合菌種發(fā)酵可顯著提高豆粕中粗蛋白質(zhì)含量， 最高可以將豆粕中粗蛋白質(zhì)的含量提高21.94%。張洪偉等（2022）在育肥期肉牛日糧中添加0.2%的酵母培養(yǎng)物、枯草芽孢桿菌復(fù)配的微生態(tài)制劑發(fā)現(xiàn)，可以提高肉牛的生產(chǎn)性能， 改善血清生化指標(biāo)和腸道菌群結(jié)構(gòu)，提高經(jīng)濟(jì)效益。 因此，本研究選用了乳酸桿菌、 枯草芽孢桿菌等微生物作為咖啡渣發(fā)酵的主要菌種。

尿素是富含氮元素的化合物， 屬于營(yíng)養(yǎng)性添加劑， 在反芻動(dòng)物飼料中尤為重要。 臧艷運(yùn)等（2012）在青貯飼料的制作過(guò)程中添加乳酸菌和尿素，提高了全株玉米的乳酸和氨氮含量，并能有效地阻止pH 過(guò)度下降。 付彤（2014）在全株玉米青貯中添加尿素發(fā)現(xiàn)， 尿素添加量為0.2%和0.4%時(shí)，乳酸和乙酸含量增加。當(dāng)添加量為0.8%時(shí)，乳酸和乙酸含量下降。 薛祝林等（2014）在高丹草青貯中添加尿素，當(dāng)尿素添加量為0.5%時(shí)乳酸含量較對(duì)照組顯著提高， 當(dāng)尿素添加量為1.0%和1.5%時(shí)，乳酸含量呈下降趨勢(shì)。 本研究結(jié)果與前人研究相似，尿素添加水平為1.0%時(shí)，乳酸生成量最高，而添加1.5%尿素并未顯著提高發(fā)酵咖啡渣的乳酸含量。

麥麩的粗蛋白質(zhì)和無(wú)氮浸出物的含量較高，且易于獲取，是重要的飼料原料，也是微生物發(fā)酵體系中重要的碳和氮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)源。吳躍明等（2004）研究麥麩對(duì)玉米秸、 稻草青貯發(fā)酵品質(zhì)影響發(fā)現(xiàn)，添加9%的麥麩能降低中性洗滌纖維含量， 促進(jìn)發(fā)酵，提高飼料品質(zhì)。 呂建敏等（2005）在麩皮對(duì)稻草青貯發(fā)酵品質(zhì)影響試驗(yàn)中，將各處理飼料干物質(zhì)含量調(diào)節(jié)為20%，設(shè)4 個(gè)處理，麩皮添加量分別為鮮樣的3%、6%、9%， 結(jié)果表明，9%麩皮處理能降低pH，提高發(fā)酵品質(zhì)。 本研究發(fā)現(xiàn)，隨著麥麩的添加水平逐漸增加， 咖啡渣發(fā)酵產(chǎn)物的粗蛋白質(zhì)水平、乳酸水平等顯著增加，pH 顯著降低，這表明咖啡渣的營(yíng)養(yǎng)成分和飼用價(jià)值有所提高。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)結(jié)果表明， 添加尿素不能提高發(fā)酵咖啡渣的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，與對(duì)照組相比，添加1.5%尿素可以顯著提高發(fā)酵咖啡渣的尿素氮含量。 添加麥麩不僅提高了發(fā)酵咖啡渣的感官指標(biāo)， 同時(shí)也提高了營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，添加15%的麥麩可以顯著提高發(fā)酵咖啡渣的蛋白質(zhì)和乳酸含量。