北方地区豆粕发酵技术

■李 杰 张刘运 王立群

（1.东北农业大学，黑龙江哈尔滨 150030；2.黑龙江省华森畜牧科技有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150030）

豆粕是饲料工业应用量最大的蛋白质饲料原料。但因其含有多种抗营养因子（胰蛋白酶抑制因子、脲酶和植酸酶等）而降低了动物对其营养物质的消化、吸收和利用。豆粕经过微生物发酵后可有效去除其中的多种抗营养因子，将大分子蛋白物质分解成动物容易消化、吸收和利用的多肽和小肽，使消化能力弱的幼小动物对植物蛋白质的消化利用率得到大幅度提高。多肽是经过蛋白酶水解处理后得到的由3～10个氨基酸组成的小分子肽，其分子量一般为1 000 Da。因多肽具有溶解度好、黏度低、吸收好和促进微生物发酵等特点，而成为发酵豆粕饲料的重要指标。此外，发酵豆粕含有多种益生菌及多种发酵有益代谢产物和生物活性物质，具有调节动物生理功能和增强动物免疫力的作用。发酵豆粕是具有营养、调理动物生理和免疫力双重作用的优质蛋白质饲料。豆粕发酵过程是一个抗营养因子消除、大分子蛋白质降解成小分子肽、微生物源及代谢产物产生等一系列复杂的益生菌发酵过程，其产品是具有无（低）抗原、易吸收、生物安全，富含营养的优质发酵蛋白质饲料。

一些试验表明，在规模化生产中，37～45℃条件下，微生物生长旺盛，蛋白酶活性较高，当温度≥50℃，虽然菌种仍有生长，但蛋白酶活性较低，豆粕发酵速度较慢。在南方很容易达到以上豆粕发酵的温度，而在北方年平均温度较低，要达到这样的发酵温度，需要提供较多的热能，这就导致豆粕发酵成本大幅度提高，发酵豆粕价格较高，不利于发酵豆粕饲料的推广和应用。北方是我国大豆的主要产区，非转基因大豆资源丰富，所产豆粕质优价廉，利用地产大豆生产发酵豆粕具有资源优势。因此，研究北方地区温度条件下豆粕发酵的技术和生产工艺对北方豆粕资源的利用和提高附加值具有重要意义和促进作用。

1 豆粕发酵工艺参数

我国豆粕发酵生产的起步较晚，目前对豆粕发酵工艺参数缺乏系统的研究,而这些参数对于发酵豆粕质量具有重要的影响作用。豆粕发酵受诸多因素的影响，比如水分、养分、pH值、温度、发酵方式等。莫重文等(2007)试验结果表明，豆粕发酵菌种接种量为6%，发酵温度为28℃，发酵时间为72 h，发酵豆粕中粗蛋白质含量可达49.10%，比原料提高12.1%。戚薇等（2008）利用纳豆芽孢杆菌和凝结芽孢杆菌发酵豆粕，结果表明，两种菌（两菌比例为1∶1）接种时间隔开，接种量为10%，初始含水量为40%，初始pH值自然，发酵温度37℃，发酵时间缩短为48 h。发酵豆粕的蛋白质水解度达到20.14%。王金斌等（2009）采用枯草芽孢杆菌和热带假丝酵母（接种比例为1∶1），发酵温度为38℃，基质初始含水量为52%，发酵时间为48 h。发酵豆粕粗蛋白质含量由31.75%升至49.27%。马文强等（2008）的试验结果表明，发酵豆粕中高分子量蛋白质含量下降，低分子蛋白质含量提高，粗蛋白质、粗脂肪、磷和氨基酸的含量显著高于发酵前，胰蛋白酶抑制因子等抗营养因子含量显著降低。吴胜华等（2008）采用2种芽孢杆菌、乳酸菌及酵母菌进行豆粕固态发酵，料水比为1∶1.2，通气量为60 g/ml，接种量为4%，发酵温度为40℃。发酵豆粕中的小肽含量可达12.01%。以上研究结果表明，发酵温度为28～38℃，接种量为4%～7.5%，料水比为1∶1.2，发酵时间为48～72 h，起始温度越高发酵时间越短。

2 北方地区豆粕发酵技术及工艺参数

工厂化生产发酵豆粕通常采用堆式发酵，成本低，易于操作，但缺点是堆外侧的豆粕与微生物接触较少，发酵不完全。固态堆式发酵时豆粕堆的高度可达到1 m左右，发酵物料堆中因可溶性碳水化合物分解产生热量，使发酵堆内部温度可升高达到50～60℃。虽然豆粕发酵过程能够产生热量，但如果环境温度过低，豆粕堆式发酵的初期微生物活性较低，繁殖速度较慢，豆粕发酵升温过程很缓慢，发酵时间较长，有时会导致异常发酵。在北方环境温度条件下，尤其是在冬季豆粕发酵车间的温度一般维持在10～16℃之间，如果不采取任何措施，在此温度条件下，豆粕发酵的菌种活力较低，豆粕的发酵速度缓慢。杨玉芬等研究不同温度对豆粕发酵的影响，结果表明，35℃条件下发酵豆粕的粗蛋白含量高于25℃。由此看出，堆式豆粕发酵的决定因素是起始温度。起始温度适宜，豆粕发酵温度升高速度快，微生物繁殖快，发酵速度就快。

2.1 豆粕发酵菌种的筛选和培育

北方发酵豆粕的生产和研究都刚刚起步，在发酵菌种的培育和发酵工艺参数方面的研究报道较少。国内豆粕发酵始于南方，发酵所用的菌种也来源于南方，发酵豆粕菌种对北方气温条件的适应性较差，有必要筛选和培育适应于北方气温条件的豆粕发酵菌种，提高发酵豆粕的生产效率。

东北农业大学微生物教研室近年来一直从事豆粕发酵菌种的低温驯化和菌种的培育研究。他们在市售的产品中分离和筛选了产酶高的豆粕发酵菌种进行低温驯化。并根据蛋白酶的高低筛选出5株芽孢杆菌优良菌株进行紫外诱变，以菌株蛋白酶活力、酸溶蛋白含量和游离氨基酸含量，以及胰蛋白酶抑制因子和植酸含量为指标进行复选，筛选出优良菌株2枚——JY14和JY15。用这两株菌进行豆粕发酵试验，蛋白酶活性分别提高122.14%和170.69%，酸溶蛋白分别提高108.85%和151.95%，游离氨基酸含量分提高49.45%和50.07%，胰蛋白酶抑制因子分别降低38.18%和73.88%，植酸含量分别降低50.40%和80.29%。其中JY15无论是蛋白酶活性、酸溶蛋白含量还是抗营养因子降低的程度都优于JY14。

2.2 略低温度菌种扩繁培养基优化

一般芽孢杆菌的培养都在37℃度条件下进行，陈雷采用上述低温驯化的芽孢杆菌菌株放置到30℃条件下进行培养与扩繁，与37℃条件下培养的菌种进行比较，结果表明，在30℃培养的活菌数量和酶活性与37℃没有显著差异，表明以上经过低温驯化的菌种在略低温度条件下具有较高的活力。同时采用以玉米、豆粕、小麦麸常规饲料为主的原料进行菌种扩繁，以降低菌种培养的成本。结果表明，在30℃条件下进行菌种液体发酵，不同的培养基配方培养的活菌数量不同，其中由1.5%玉米、0.5%小麦麸、1.0%豆粕及少量矿物质组成的配方其活菌数量可达到2.08×1010cfu/ml，与37℃对照组相比差异不显著；蛋白酶和淀粉酶活性分别略高于37℃对照组。由此看出，经过低温驯化的芽孢杆菌在比正常温度低7℃的条件下进行液体发酵，其活菌数量和产酶活性均可达到与37℃条件下相同的水平。

2.3 北方温度条件下豆粕发酵升温技术

刘天蒙等在实验室条件下进行温度对豆粕发酵影响的试验，结果表明，不同的温度条件下微生物所产蛋白酶的活性不同，在28℃条件下主要为碱性和中性蛋白酶，酶活力较低，酶活高峰出现在78 h，以后酶活力明显下降；在30℃条件下，所产酶的活性明显高于28℃，酶活高峰出现在66 h，32℃条件酶活性高峰出现在56 h，但酶活性较低，他们认为30℃是米曲霉发酵豆粕的最佳发酵温度。

在北方豆粕发酵车间温度能够超过20℃的月份为6～9月，其他月份（即使是冬季供暖条件下）车间温度也就在10～20℃之间。解决低温豆粕发酵困难的方法有两种：一是在豆粕发酵时加热水提高物料堆的温度，但也仅在发酵堆内部保持这个温度，而在堆外侧的豆粕很快变凉，与车间温度相同；二是在豆粕发酵时添加升温物质，提高豆粕发酵温度升高的速度，但堆外侧豆粕温度很快降低。解决发酵堆外侧豆粕温度降低的方法是在堆外面覆盖透气、保温的覆盖物。

在车间温度15℃的条件下，陈雷等在发酵豆粕时加热水使发酵豆粕的温度达到24℃左右，并在豆粕发酵时不添加任何物质（试验1组）、添加0.2%糖化酶（试验2组）和添加0.2%糖化酶+0.1%酵母菌（试验3组），与起始温度30℃（对照组）进行比较试验。结果表明，起始温度对豆粕发酵过程的温度有较大影响，30℃对照组温度升高速度较快，发酵12 h达到38℃，而24℃发酵组仅达到28℃左右；发酵24 h对照组温度达到51.4℃，开始翻堆，而3个试验组温度仅达到27～32℃，其中试验3组的温度高于试验2组，而试验2组高于试验1组。3个试验组在发酵的40 h温度达到50℃，进行翻堆，翻堆后的温度一直维持在40～50℃之间。发酵时间为64 h。3个试验组豆粕发酵成熟时间比30℃晚12～16 h。卫琳等进行恒温和变温豆粕发酵试验，将温度恒定在30℃，固态发酵豆粕则需要96 h，将温度由30℃升高为45℃，发酵时间可缩短为72 h。朱曦等（2007）的试验结果表明，在平均温度25℃条件下，48 h翻料1次，翻料温度为60℃左右，发酵时间为72 h。由此可见，堆式发酵豆粕的产热可提高微生物繁殖速度，缩短豆粕发酵时间。

卓林霞等用枯草芽孢杆菌在pH值6.6、接种量为3.8%、料水比为1∶1条件下发酵豆粕，蛋白酶活力比发酵前提高了2.55倍。陈雷等的试验结果表明，在发酵结束时，30℃对照组小肽含量从3.81%提高到9.3%，而试验1、2、3组分别达到8.72%、9.03%和9.14%，试验2组和试验3组小肽含量接近对照组。发酵后对照组脲酶活性和胰蛋白酶抑制因子比发酵前降低55.69%和32.46%，而试验1、2和3组脲酶活性分别降低61.57%、51.37%和77.25%，胰蛋白酶抑制因子比发酵前分别降低56.24%、47.95%和51.17%。3个试验组抗营养因子含量降低的幅度均高于对照组，其中试验3组降低的幅度最大。由此看出，在24℃温度条件下豆粕发酵时添加糖化酶+酵母菌可以提高豆粕发酵过程的温度，使发酵豆粕小肽含量提高和抗营养因子降低的程度与30℃对照组相比没有显著差异。这表明在24℃条件下豆粕发酵时，添加糖化酶使豆粕堆中的可溶性碳水化合物快速分解，释放热量，添加酵母菌加快这一过程，二者联合使用比单独添加糖化酶产热量大。王卫国等的试验结果也表明，在豆粕发酵时添加糖化酶可提高其发酵速度，缩短发酵时间。添加酵母菌还可以加快豆粕的发酵过程，分解豆粕蛋白，产生较多的菌体蛋白和生物活性物质，有利于提高动物的免疫力和抗病力。

2.4 北方温度条件下豆粕发酵保温技术

堆式发酵豆粕堆外侧的温度与环境温度相同，或由于含水量大，低于环境温度。为保持堆外侧豆粕的温度，可采用覆盖物进行保温。但是由于豆粕发酵产热及主要发酵菌种是需氧菌，选择的覆盖物即要保温，又要透气，而且又要防止杂菌污染。

陈雷采用市售的帆布苫布和薄层棉被进行豆粕发酵保温试验。车间温度在12～15℃条件下，加热水使发酵豆粕达到22.5～22.9℃，由于环境温度低，发酵温度升高比较缓慢，到44 h，才达到50℃以上。棉被组在发酵32 h后温度首先到达30℃以上，分别高出对照组和苫布组4.6℃和2.4℃；随着发酵的进行，该组的温度始终高于对照组和苫布组，比对照组和苫布组提前4 h，达到50℃。棉被组发酵豆粕的小肽含量略高于对照组，氨基酸总量比对照组高4.37%；脲酶活性比对照组低29.17%；苫布组以上指标均优于对照组，但略逊于棉被组。该试验结果表明，在环境温度较低的季节，以堆式发酵豆粕时，在堆外覆盖薄层棉被或苫布可保持豆粕发酵的温度，但棉被的透气性优于苫布，使豆粕发酵得更完全，时间可缩短4 h。

3 结论

在北方地区低温条件下进行工厂化生产发酵豆粕，首先筛选和培育适合于北方温度条件下的豆粕发酵菌种，并进行相应温度条件下的菌种扩繁；在北方温度条件下[（22～24）℃]豆粕发酵时添加糖化酶+酵母菌及覆盖薄层棉被可提高堆式发酵豆粕的温度和速度，以及提高发酵豆粕的质量。