玉米秸秆与豆粕混合发酵饲料工艺研究

刘劲松，张俊奇，刘 辉，陈凡荣



玉米秸秆与豆粕混合发酵饲料工艺研究

刘劲松，张俊奇，刘 辉，陈凡荣

（中粮生化能源（肇东）有限公司，黑龙江 肇东 151100）

研究了以玉米秸秆和豆粕为主要原料制备微生物发酵饲料的操作条件。开展了pH、配料含水量、发酵温度、乳酸菌接种量、枯草芽孢杆菌接种量等不同工艺参数的发酵优化。结果显示：采用pH为5.5、配料含水量为35%、发酵温度40 ℃、乳酸菌接种量为5‰，枯草芽孢杆菌接种量为1‰的工艺参数进行发酵，效果较好。

微生物饲料；发酵；接种比例

玉米秸秆是主要农作物秸秆之一，具有来源广、数量大、价格低、竞争用途少和开发利用潜力大等特点。目前世界稻秆年产量约29亿t，玉米秸秆占世界稻秆年产量的35%，中国稻秆年产量约7亿t，其中玉米秸秆约占全国稻秆年产量56.6%[1]。目前用作饲料的玉米秸秆约占其中的13%、造纸占12%、燃料占25%[2]；尚有50%左右的资源直接还田，烧荒或丢弃，既浪费了资源又污染了环境。

我国是一个农牧业大国，2010年-2013年全球饲料产量呈增长状态，亚洲地区位居全球饲料产量第一，2013年全球饲料产量达9.63亿t，我国饲料总产量达1.9亿t占全球饲料产量的20%左右[3]，随着畜禽数量和饲料需求量的与年俱增,畜禽与人争粮问题已引起广泛重视，在中国，85%的畜禽产品是由散养殖户提供的[4]，由于散养殖户的个人能力以及生产规模等原因，使得大部分散养殖户无法对秸秆进行有效的加工利用，进一步抑制了秸秆的饲料化发展。因此，合理开发利用稻秆作为饲料资源，为牛和羊等草食家畜提供物质基础，是许多国家尤其是发展中国家研究的重点方向[5]。目前，对于单一的玉米秸秆处理已经有了较为成熟的工艺，但是由于秸秆少蛋白、低能量和多纤维的营养特点，使得玉米秸秆很难作为成品的饲料商品进行销售，影响了秸秆饲料的推广。

本文针对玉米秸秆少蛋白、低能量的营养成分特点，将豆粕与玉米秸秆进行混合，以豆粕丰富的蛋白质和微量元素[6]含量来弥补玉米秸秆的不足，通过采用微生物发酵技术，对混合后的原料进行处理，在消除抗营养因子，释放多肽等营养物质的同时，能够保存菌种活性，制作富含益生菌的饲料产品。

1 实验部分

1.1 材料与试剂

1.1.1 试验材料

玉米秸秆：肇东农村地区采购；豆粕：市场采购；甘蔗糖蜜：市场采购；枯草芽孢杆菌：辽宁华星生物科技有限公司，活菌数≥200×108CFU/g；乳酸菌：四川高福记生物科技有限公司，活菌数≥200×108CFU/g。

1.1.2 主要试剂

MRS培养基、酵母浸粉、蛋白胨、葡萄糖、氯化钠、琼脂、氢氧化钠。

1.2 仪器与设备

恒温培养箱（GHP-9160 上海一恒科学技术仪器有限公司）；高压灭菌锅（MJ-45A 无锡益腾压力容器有限公司）；紫外分光光度计（UV-2802 尤尼科科学仪器有限公司）；分析天平（Mettler AL204 梅特勒- 托利多仪器上海有限公司）；分析天平（Mettler PL4002 梅特勒-托利多仪器上海有限公司）；万能粉碎机（WF-20B 江阴市亿丰机械设备有限公司）；pH 计（PHS-3C 上海精密科学仪器有限公司雷磁仪器厂）；封口机（SF-300 广林机械设备有限公司）；恒温摇床（ZHWY-2112F 上海智城分析仪器制造有限公司）；恒温摇床（ZWF-2102C 上海智城分析仪器制造有限公司）。

1.3 检测方法

（1）水分测定方法：GBT 6435-2006 饲料中水分和其他挥发性物质含量的测定。

（2）枯草芽孢杆菌数量测定方法：平板计数法[7]。

（3）乳酸菌数量测定方法：平板涂布法[8]。

1.4 试验方法

1.4.1 菌种适宜生长条件探索

将菌粉按1:10比例复水活化，将活化液按1%比例分别加入不同pH的对应培养液内，测试不同温度或不同pH条件下菌种的生长情况。

1.4.2 玉米秸秆与豆粕混合发酵参数探索

将玉米秸秆与粉碎后的豆粕和甘蔗糖蜜按9:6:1的比例进行混合，将混合后的物料按照试验要求与水混合配制成不同水分含量低温，再以不同乳酸菌接种量、不同枯草芽孢杆菌接种量、不同pH、不同发酵温度为试验因素，进行密闭发酵，通过多因子实验，寻找关键影响因子和最佳优化组合。

2 结果与分析

2.1 枯草芽孢杆菌生长条件测定

枯草芽孢杆菌属于细菌的一科，属于厚壁菌门，在发酵饲料中芽孢杆菌主要发挥两大作用，一方面是提高饲料的消化性和营养价值，另一方面是产生抗菌肽和细菌素抑制有害菌的生长和腐败作用，芽孢杆菌不仅可以促进多糖、淀粉和蛋白质的水解，还可以促进共生的乳酸菌生长，具调查摄食枯草芽孢杆菌饲料的动物发育良好，血清中溶菌酶水平提高，致使疾病率与死亡率均显著下降[9]。

通过图1、图2可以看出，随着培养基pH的升高，枯草芽孢杆菌的菌浓度随之增加；随着培养温度的提高，枯草芽孢杆菌的生长速度明显加快，但OD值随之降低。根据菌种活力以及稳定性等多方面因素考虑，选择30 ℃、pH7.0为枯草芽孢杆菌的最适条件。

图1 不同温度条件下枯草芽孢杆菌生长对比

图2 不同pH条件下枯草芽孢杆菌生长对比

2.2 乳酸菌生长条件测定

乳酸菌同样属于细菌的一个分支厚壁菌门，乳酸菌是饲料中应用最早、最广泛的菌类，在饲料中发挥以下作用：产生抗菌素抑制和杀灭有害菌使其不能生长繁殖，减少或杀灭有害物质，使动物体内毒素含量降低从而增强使原宿主抗异能力，增强在竞争中占优势；提高饲料的营养价值，在活菌体内和代谢产物中含有较高的超氧化物歧化酶可以增强动物的体液免疫和细胞免疫[10]；将糖类分解改善物料风味和适口性。

通过图3、图4可以看出，在32 ℃和35 ℃培养温度下，乳酸菌的生长速率相差不大，在37 ℃时，乳酸菌生长速率明显增高，但最终OD值略低于采用35 ℃进行培养；在不同pH培养基环境下，前期菌液的OD值并未呈现出非常明显的差别，但随着培养时间的延长，高pH的试验组OD值开始呈现不同程度的下降趋势。根据菌种活力以及稳定性等多方面因素考虑，选择35 ℃、pH5.0为乳酸菌的最适条件。

图3 不同温度条件下乳酸菌生长对比

图4 不同pH条件下乳酸菌生长对比

2.3 玉米秸秆与豆粕混合发酵参数测定

由于试验因素较多，对全部因子进行交互试验，费时费力，因此，利用minitab软件进行辅助[11]，设计部分因子试验，以之前试验出的乳酸菌和枯草芽孢杆菌最适生长条件为界限，拟定试验因子为pH(最小值5.0、最大值7.0)、温度(最小值30 ℃、最大值35 ℃)、水分(最小值35%、最大值40%)、乳酸菌接种量(最小值1‰、最大值5‰)、枯草芽孢杆菌接种量(最小值1‰、最大值5‰)，具体设计如下：

每个试验组重复进行三次试验，在发酵过程第1、3、7、15 d分别对各试验组取样进行颜色、气味、酸度、水分、微生物数量等检测、并根据各试验组发酵水平，进行综合评定，将综合评定值平均平均数返回设计软件，通过回归方程，经层层删减，计算各因子影响性（表1-2）。

表1 部分因子试验设计

表2 试验检测数据及综合评定

通过软件计算，得出模型及回归方程，其-sq=99.63%、-sq（调整）=99.06%，说明删去所有影响不显著项后的模型结构较好，回归方程具有较好的预测能力。其控制方程式（精简模式）如下：

综合评定值=6.2062+0.1812水分-0.0312pH+ 0.1438温度 +0.9313乳酸菌接种量-0.6187枯草芽孢杆菌接种量-0.1812水分×温度-0.0813pH×乳酸菌接种量+0.1937pH×枯草芽孢杆菌接种量-0.1063温度×枯草芽孢杆菌接种量（图5）。

图5 评价值的效应Pareto

通过效应Pareto可以看出，试验的关键因子为D、E、BE、A、AC、C、CE、BD，即乳酸菌接种量、枯草芽孢杆菌接种量、pH×枯草芽孢杆菌接种量、水分、水分×温度、温度、温度×枯草芽孢杆菌接种量、pH×乳酸菌接种量（图6）。

图6 评价值的主效应图

通过主效应图可以看出，乳酸菌接种量和枯草芽孢杆菌接种量的斜率较大，说明其对发酵的影响显著，水分、温度、pH的斜率较为平缓，说明其对发酵的影响不显著。因子的重要顺序为D＞E＞A＞C＞B（乳酸菌接种量＞枯草芽孢杆菌接种量＞水分＞温度＞pH）。

通过交互作用图可以看出，水分与pH、水分与温度之间存在着一定的交互作用外，其余因子间不存在明显的交互作用关系（图7-8）。

图7 评价值的交互作用

Fig.7Interaction evaluation

图8 相应优化图

Fig.8Corresponding optimization

通过相应优化器，利用控制方程式对数据进行计算，得出最佳操作水平为pH 5.5、温度35 ℃、配料水分40%、乳酸菌接种量5‰、枯草芽孢杆菌接种量1‰。

采用最佳操作水平数据对进行试验，以验证结果的稳定性，通过试验发现，在发酵15 d时，饲料具气味芳香，颗粒松散，乳酸菌活菌数＞4×107CFU/g，枯草芽孢杆菌活菌数＞2×107CFU/g最终评价值为8.9，优于其他试验组。

由于研究方向以及设备仪器的原因，本次实验主要对发酵饲料感官评价及益生菌数量，进行了比较，并未对发酵前后的小肽类、氨基酸类等微量营养成分，以及饲料的消化能。代谢能等进行详细检测，后续我们将对饲料发酵前后小肽、氨基酸、微量元素的变化，并开展动物饲喂研究，以找出最优发酵方案。

3 结 论

经过初步研究，采用pH5.5、温度35 ℃、配料水分40%、乳酸菌接种量5‰、枯草芽孢杆菌接种量1‰作为工艺条件进行发酵时，能获得较高的益生菌数量和较优的感官评价结果，发酵效果较好。

参考文献：

［1］ 李红宇. 玉米秸秆营养价值评定及其发酵饲料的研究[D]. 东北农业大学，2014.

［2］ 谢涛，曹文龙，史云天 玉米秸秆饲料的现状及玉米秸秆穰颗粒饲料的应用[J]. 农业与技术，2010，30(1)：66-68.

［3］ 李建. 发酵豆粕研究进展[J]. 粮食与饲料工业，2009，6：31-35.

［4］ 贾朋君. 玉米秸秆颗粒饲料工艺参数的研究[D]. 河南科技大学，2012.

［5］WILKINSON J M,TOIVONEN M L World silage: A survey of forage conservation aroundthe world[M]. Chalcombe Publications, Lincoln, 2003: 204.

［6］ 安晓萍，王哲奇，齐景伟，于长青，陈大勇，仝宝生. 菌种对发酵豆粕营养成分的影响[J]. 饲料工业，2013，21.

［7］ 李丽蓓，饶正华. 浅谈饲料微生物的检测[J]. 饲料研究，2006，6.

［8］ 张帆. 饲用嗜酸乳杆菌制剂研制及乳酸菌检测研究[D]. 中国农业科学院，2009.

［9］ 李绍章. 生物饲料技术内涵辨析[J]. 饲料工业，2014(12): 1-5.

［10］ 姚琨，李富伟，李兆勇. 发酵豆粕概述[J]. 饲料与畜牧，2011，(10): 32-37.

［11］ 毛君，尹航，崔闯，王铁雷. 基于Minitab确定最佳参数的实验设计[J]. 煤矿机械，2018(8)

Study on Production Process of Fermented Feed With Corn Stalk and Soybean Meal

，，，

（COFCO Bio-energy（zhaodong）Co.Ltd.，Heilongjiang Zhaodong 151100，China）

The operating conditions of preparing microbial fermented feed from corn stalk and soybean meal were studied. Various fermentation conditions such as pH, water content, fermentation temperature, inoculation amount of Lactobacillus and Bacillus subtilis were optimized. The results show that the optimal conditions of fermentation are as follows: pH 5.5, water content 35%, fermentation temperature 40 ℃, inoculation amount 5‰ for Lactobacillus and inoculation amount 1‰ for Bacillus subtilis.

microbial feed；fermentation；inoculation ratio

TQ 929

A

1671-0460（2016）09-2105-04

2016-08-09

刘劲松（1974-），男，高级工程师，博士，主要从事谷物发酵生产酒精及生物质能源方面的研究工作。E-mail：liujinsong@cofco.com。