棉粕發酵前后營養成分的變化

2021-01-03 14:23:17 點擊：

摘要：使用發酵法處理棉籽粕，除了可以最大限度地消除棉粕原料中的抗營養因子，對氨基酸不均衡等限制因素有一定的改善效果外，還可以對原料本身的品質有顯著的提高。經發酵后，原料中所含有機酸可達到3.5%，酸溶蛋白含量在10%以上，活菌含量在107 cfu/g。

前言

隨著國內畜牧業的快速發展，蛋白質原料的緊缺狀況也日趨嚴重[1]。近年來，國內大豆種植面積的逐年減少，我國每年需從國外訂購大豆量在逐年增加，2013年預計在5500萬噸左右，預計2014年將達到6000萬噸。而國內的蛋白質原料，如棉粕、菜粕等因含有抗營養因子，且氨基酸平衡度不高，消化利用率較低等原因，使得幼畜及中高檔飼料配方中不敢使用，中低檔飼料配方中使用后飼料消化利用率降低，畜禽生產性能受限，污染環境。

新疆是國內產棉主產區，同樣也是養殖大省。獨特的地理條件造就了棉粕的產量和質量在國內都是首屈一指。然而，原料中由于高含量的游離棉酚和棉子糖等抗營養因子的存在[2]，在高檔配合飼料中很難見到棉粕的身影。但隨著微生物發酵技術的發展與成熟，為我們提供了一種除物理和化學方法外的另一種思路[3]。通過選擇合適的菌種對棉粕進行發酵處理，游離棉酚和寡糖含量可大幅度降低，完全可以達到幼齡動物的耐受范圍[4]。而難以消化利用的大分子蛋白質分子經發酵處理后，小分子蛋白質含量顯著增多，動物對蛋白原料的消化利用率提高，排泄物中含氮含硫成分含量降低，改善了養殖環境[5]。并且發酵類產品由于含有多種風味物質，動物的采食量提高明顯，其中的活菌成分在改善腸道菌群平衡的同時，也會利用豐富的產酶性能，分泌復合酶，在提高原料吸收利用率的同時，發揮了額外的保健作用。

1材料與方法

1.1試驗材料

1.1.1 發酵菌種

發酵菌種由湖南農業大學生科院實驗室提供，粉

末狀固體,活菌數>1010 CFU/g。

1.1.2 發酵原材料

棉粕、麥麩由湖南湘北水產飼料有限公司提供,棉粕粗蛋白41.25%、淀粉酶活力580U/g、脂肪酶活力260 U/g;麥麩粗蛋白16.46%,淀粉酶活力180 U/g、脂肪酶活力150 U/goo

1.1.3 培養基

斜面培養基:牛肉膏0.5%、蛋白胨1%、NaCl 0.5%、瓊脂1.5%~2.0% ,pH值7.0~7.2, 121 C滅菌25 min。液體種子培養基@:牛肉膏0.5%、蛋白胨1%、NaCl0.5%.、葡萄糖5%、pH值7.0~7.2,121 C滅菌25 min。發酵培養基:棉粕、麥麩分別占發酵底物的80%、20%，葡萄糖2%,(NH4)SO4 1%,固水比1 : 0.5,pH值7.0。

1.2 試驗方法

1.2.1菌種培養

菌種活化:將保存于冰箱的斜面種子接種于新鮮斜面培養基上,37 C恒溫培養36 h。液體種子培養:將培養36 h的斜面種子分別接種于液體種子培養基中,37 C, 150 r/min條件下振蕩培養18~24 h。發酵培養:按5%的接種量(V/W)接種于裝量為50g/250ml三角瓶發酵培養基中，混合均勻后,置于30 C恒溫培養箱中培養5 d,培養過程中從培養開始每24 h搖動1次。

1.2.2單因素條件研究

培養方法與1.2.1 節相同,替換不同的條件,即棉粕與麥麩的比例、葡萄糖含量、(NH)2SO4添加量、發酵溫度、初始pH值含水量、接種量、發酵時間、裝量等,測定不同條件下各營養成分的變化情況。每處理3個重復。

1.3 測定及分析方法

1.3.1 蛋白質含量測定

全自動凱氏定氮儀(FOSS), kjeltecTM 2300。

1.3.2淀粉酶活力的測定

采用顧賽紅報道方法，即3、5-二硝基水楊酸法測定。酶活定義為:在40 C條件下,每分鐘催化可溶性淀粉水解生成1μmol麥芽糖所需要的酶量為1個酶活力單位(U/g)。.

1.3.3脂肪酶活力的測定

采用張海燕8報道方法,即銅皂法測定。酶活定義為:在37 C條件下,每分鐘催化脂肪水解產生1 μmol脂肪酸的脂肪酶量定義為一個脂肪酶國際單位(U/g)。

1.3.4數據處理分析

試驗結果使用SPSS17.0統計軟件，Duncan氏多重比較檢驗均值的差異顯著性，當P>0.05時，表示差異不顯著，當P<0.05時,表示差異顯著,結果用平均值(M)+標準誤(SE)表示,用Excel 2000進行圖表分析。

2試驗結果與分析

2.1發酵培養基的篩選

2.1.1棉粕與麥麩比例對發酵產物營養成分的影響改變發酵培養基棉粕與麥麩的比例(100:0;95: 5;90: 10;85: 15;80: 20;75 : 25),30 C恒溫培養5d,發酵料低溫烘干后，測定粗蛋白含量及淀粉酶、纖維素酶和脂肪酶酶活(見圖1)。

圖1棉粕與麥麩比例對發酵棉粕營養成分的影響從圖1可知,粗蛋白含量、淀粉酶活力脂肪酶活力隨培養基中麥麩比例增加而升高,當棉粕與麥麩的比例為90: 10時，達到最高，粗蛋白含量達到39.41% ;淀粉酶活力746 U/g,與其他比例條件下相比達到最高;脂肪酶活力比發酵前的249提高了132 U/g,達到381 U/g。隨后增加培養基中麥麩的比例,粗蛋白含量隨之降低，兩種酶活明顯降低,因此，選擇棉粕與麥麩的比例為90: 10。

2.1.2葡萄糖含量對發酵產物營養成分的影響

按質量比在培養基中分別加入0.5% .1.0%、1.5%、2.0%和2.5%的葡萄糖，以不加葡萄糖為對照組,其它條件不變,見圖2。

從圖2可以看出,發酵培養基中加入葡萄糖對粗蛋白含量的影響較大。培養基中隨著葡萄糖含量增加，粗蛋白含量下降較快,對提高營養成分含量不利。葡萄糖含量對淀粉酶活力影響較小，但淀粉酶活力、脂肪酶活力都隨添加量的增加而降低。因此，發酵過程中不需要在培養基中加入葡萄糖作為微生物生長的速效碳源。

2.1.3硫酸銨含量對發酵產物營養成分的影響

分別在培養基中加入不同質量比的硫酸銨(0.5%、1% .1.5%、2%、2.5%),以不加硫酸銨為對照,見圖3。

從圖3可以看出,在一-定范圍內,發酵培養基中隨著(NH4)2SO4含量的增加，營養成分含量也隨之增加。當發酵培養基中(NH4)$SO4含量為1%時,發酵產物中粗蛋白與不添加硫酸銨對照組的39.97%相比提高了0.58% ,達到40.55% ;淀粉酶活力比對照組748 U/g提高了103U/g,達到861U/g;脂肪酶與對照組相比提高了82 U/g,達到最高474 U/g。當NH4)SO4含量超過1%,營養成分呈下降趨勢。(NH)SO4作為微生物生長的速效氮源,在發酵前期,對微生物的生長有利，但發酵培養基中(NH)2SO4的含量過高,改變了培養.基的碳氮比,導致微生物大量生長而不分泌或少分泌某些酶類,從而影響了各成分含量。

2.2發酵條件對發酵產物營養成分的影響

2.2.1溫度對發酵產物營養成分的影響

將發酵培養基分別置于30、35、40、45 C恒溫培.養箱中培養5 d,結果見圖4。.

溫度是微生物生長和產生代謝產物的重要影響因素之一，合適的發酵溫度,有利于微生物的生長和代謝。從圖4可知,在30~40C范圍內,粗蛋白含量,淀粉酶、脂肪酶活力隨溫度的升高而提高。當發酵溫度為40C時,達到最高,但隨著發酵溫度的進--步升高,各成分隨之下降,可能是因為高溫抑制了微生物產生酶所致。

2.2.2pH值對發酵產物營養成分的影響

調節發酵培養基的pH值為6.0、6.5.7.0.7.5、8.0、8.5,結果見圖5。

從圖5可以看出,發酵培養基的初始pH值為6.0時,粗蛋白含量為42.10%、淀粉酶活力1 037 U/g、脂肪酶活力548 U/g，較其他pH值條件下達到最高水平。當pH值為8.5時，發酵產物中的各營養成分最低。初始pH值大于6.0,發酵培養基中的各成分隨之下降,其原因有待進-步研究。

2.2.3含水量對發酵產物營養成分的影響

調整發酵培養基的含水量為30%、35%、40%、45%、50%、55% ,40 C恒溫發酵5 d,結果見圖6。

從圖6可以看出，隨著發酵料中含水量的增加，粗蛋白含量也在增加,淀粉酶、脂肪酶酶活也隨之提高,當含水量為509%時，粗蛋白含量達到40.99%,淀粉酶酶活887 Ug,比未發酵前540 U/g提高了347 U/g;脂肪酶活力比發酵前提高了233 U/g。但含水量超過50%，各成分下降明顯。主要原因為發酵料中過高的含水量,可降低發酵料中氧氣濃度,從而導致厭氧發酵,影響營養成分含量提高。

2.2.4接種量對發酵產物營養成分的影響

按菌種接種量分別為(V/W)2%、3%、4%、5%、6%、7%接人發酵培養基中,結果見圖7。

接種量的大小可直接影響發酵進度和代謝產物的生成量。接種量太小，延長發酵時間及增加雜菌污染的機會;接種量太大,可導致發酵前期營養物質消耗過快,不利于產物的形成和毒性物質的降解。圖7結果表明,當接種量為6%時,發酵料中粗蛋白含量達到42.63%;淀粉酶活力1 158 U/g,比其他接種量條件下活力提高明顯,與發酵前相比提高了618U/g;脂肪酶活力比發酵前提高289 U/g,達到了538 U/g。但增加接種量，營養物質含量下降。

2.2.5裝量對發酵產物營養成分的影響

250 ml三角瓶中分別裝入30、40、50.60.70、80、90 g固體發酵培養基,結果見圖8。

圖8表明，當250ml三角瓶中裝人70g發酵培養基時,粗蛋白含量淀粉酶活力、脂肪酶活力與其他裝量條件下相比，達到最高值,分別為42.94%、1 314 Ug、546 U/g。

2.2.6發酵時間對發酵產物營養成分的影響

在得到的上述最優條件下，分別發酵3.4.5.6、7d,結果見圖9。

從圖9可以看出,隨著發酵時間的延長,發酵料中營養成分的含量和酶活也隨之提高,到發酵第6d,粗蛋白含量43.76% ;淀粉酶活力1 306 U/g,提高了766 U/g;脂肪酶活力548 U/g,提高了299 Ug。發酵4d,脂肪酶活力提高最低，比發酵前只提高了251U/g。發酵3~5 d,淀粉酶活力、粗蛋白含量變化不明顯。但隨著發酵時間的延長,營養物質含量反而降低,主要原因是微生物代謝消耗所致。

2.3正交試驗結果分析

在單因素試驗的基礎上,選用(NH4)2S04添加量、物料含水量、發酵溫度和發酵時間作為考察的4個因素，分別選取3個水平，以粗蛋白含量、淀粉酶活力、脂肪酶活力為考察指標,結果見表1。

根據表1結果可知,處理4的粗蛋白含量顯著高于其他8組處理及未發酵對照組(P<0.05),其他8組處理的粗蛋白含量也都極顯著高于對照組(P<0.05)。9組處理的淀粉酶活力均顯著高于對照組(P

3討論

3.1微生物固態發酵棉粕后蛋白質含量變化五株芽孢桿菌和酵母菌發生協同作用,使得微生物大量繁殖,向細胞外分泌一定量的多肽、酶蛋白等;物質,同時利用底物及非蛋白氮合成大量菌體蛋白凹。由試驗結果可知,發酵產物中，粗蛋白提高了6.99 個百分點,比張慶華等報道提高的2.29%又提高了4.70個百分點,主要原因是微生物生長繁殖過程中消耗底物而導致發酵物的絕對含量減少和微生物利用非蛋白氮合成菌體蛋白,從而提高了發酵產物中粗蛋白含量:00。

3.2微生物固態發酵棉粕后酶活性變化

芽孢桿菌株在其生長繁殖過程中能夠產生淀粉酶、纖維素酶和少量脂肪酶等酶類11-12。酵母菌能產生氨基酸、維生素(K、B、泛酸、煙酸、生物素、肌醇和葉酸等)1315。微生物發酵產生的各種消化酶、氨基酸、維生素等也大大提高了棉粕的營養價值。在最佳發酵條件下，發酵產物中淀粉酶活力較發酵前的540 U/g提高了766 U/g,脂肪酶較發酵前的249 U/g提高了299 U/g。

3.3微生物固態發酵棉粕的最佳條件

以粗蛋白含量、總游離氨基酸含量、淀粉酶活力、脂肪酶活力和纖維素酶活力作為固態發酵效果的評價指標，對復合芽孢桿菌和酵母菌共同固態發酵棉粕的組成及其配比,添加碳源氮源種類及濃度,培養基的含水量進行了優化，得到固態發酵最佳條件為:棉粕:麥麩為90: 10, (NH4)2SO4添加量1%,發酵溫度40C,物料含水量50%,接種量6%,裝量為70g/250ml三角瓶，發酵時間6 d。

本試驗按照得到的最優水平又進行了堆積發酵底物1t驗證,結果與預測結果接近,說明優化結果是可信的,具有較強的生產指導意義，為棉粕在畜牧水產養殖業中利用多菌種、多重發酵技術生產生物飼料提供了一條新途徑。

棉粕在經過發酵后，無論從品質還是成本方面，相對于其他蛋白原料都有很大的優勢。在蛋白原料選擇范圍少，價格居高不下的大背景下，發酵棉粕的使用前景巨大。

結論

棉粕是新疆的一種優勢資源，但由于其抗營養因子含量高，消化率低，一直以來只是當作一種相對較為廉價的蛋白原料來使用，重視程度始終不夠。然而，由于微生物技術的快速發展，生物發酵飼料的概念慢慢被養殖從業人員接受，養殖所用原料的范圍也從單一向元轉變。甚至有的原料經過發酵改良后，其營養應用價值完全可以和現有常規原料相媲美。

實戰操作技術——棉菜籽餅脫毒變身優質飼料替代豆粕操作新技術

當前豆粕價格很高有些地方貨源緊缺，而棉菜籽餅（棉籽粕、菜籽粕）價格相對便宜，棉菜籽餅是棉子、油菜籽榨油后剩下的餅狀殘渣，蛋白質含量較高，含有各種氨基酸成分。但由于棉菜籽餅中含有植酸、芥子堿等物質，這些物質含有一定的毒性，還會影響動物的消化吸收，不能大量使用，因此不建議直接飼喂給動物！

現在通過微生物飼料發酵劑的除毒脫毒技術，可以成功將菜籽餅變為優質添加飼料，直接按照1公斤發酵的棉菜籽餅（發酵前的重量）代替約0.85公斤豆粕進行使用。飼料發酵劑中的有益微生物，在發酵過程中分泌的代謝產物，可將棉菜籽餅中的毒性物質等有效分解。

豆粕、菜粕、棉粕成分對比

1.豆粕是一種高蛋白原料，無需脫毒即可用作飼料。其中蛋白質含量為40%-48%，賴氨酸含量為2.5%-3.0%，色氨酸含量為0.6%-0.7%，蛋氨酸含量為0.5%-0.7%。2020年11月12日報價每噸在3500元左右。

2.菜粕的粗蛋白含量在34%-38%之間，特點是蛋氨酸含量高（僅次于芝麻餅、粕），賴氨酸含量亦高。而精氨酸含量低，是餅、粕飼料中含量最低的。菜籽粕的有效能值偏低（淀粉含量低、菜籽殼難以消化利用）。礦物質中，鈣和磷的含量均高，硒和錳的含量亦高。特別是硒的含量是常用植物飼料中最高的。2020年11月12日報價每噸在2900元左右。

3.棉粕蛋白質含量一般為44.32%，僅次于豆粕的蛋白質含量48%，而高于菜籽粕的蛋白質含量36.04%。精氨酸含量高達3.6%-3.8%，而賴氨酸含量僅有1.3%-l.5%，只有豆粕的一半。2020年11月12日報價每噸在3000元左右。

是否需要脫毒處理

1.豆粕無需經過脫毒即可用作飼料。而且豆粕中富含蛋白質和多種氨基酸，在不需要額外加入動物性蛋白的情況下，僅豆粕中含有的蛋白質和氨基酸足以平衡家禽和豬的食譜，促進它們的營養吸收。只有當其他粕類單位蛋白成本遠低于豆粕時，豆粕才有可能被替代。

2.菜粕菜籽中含有硫葡萄糖苷、芥酸、單寧、皂角苷等不良成分，其中主要是硫葡萄糖苷。硫葡萄糖苷本身無毒，但在一定溫度和水分條件下，經過菜籽本身含有的芥子酶的酶解作用而產生異硫氰酸酯、唑烷硫酮和腈類等有害物質。這些物質可引起甲狀腺腫大，從而造成動物生長速度下降，繁殖力減退。單寧則妨礙蛋白質的消化，降低適口性。而芥酸阻撓脂肪代謝，造成心臟脂肪蓄積及生長受到抑制。。使用前需進行一定的脫毒處理，并且使用時要加以限制，具體喂量應根據菜粕中有害成分含量而定。經過脫毒處理的菜籽粕喂量可以加大，而“雙低”油菜籽生產的菜粕喂量要受限制。同時，應結合菜粕的氨基酸組成特點，適當搭配其它餅粕。

3.棉籽中含有對動物有害的棉酚及環丙烯脂肪酸，尤其是棉酚的危害很大。在制油過程中，由于蒸炒，壓榨等熱作用，大部分棉酚與蛋白質、氨基酸結合而變成結合棉酚，結合棉酚在動物消化道內不被動物吸收，故毒性很小。另一部分棉酚則以游離形式存在于餅、粕及油品中，這部分游離棉酚對動物毒性較大，尤其單胃動物過量攝取或攝取時間較長，可導致生長遲緩、繁殖性能及生產性能下降，甚至導致死亡。幼小動物對棉酚的耐受能力更低。由于棉籽餅、粕中游離棉酚對動物有害，因此，在使用棉餅、粕時，要根據飼喂對象及餅粕中游離棉酚的含量加以限量。反芻家畜在有優質粗料及多汁青料的情況下，棉籽餅、粕的用量不受限制，不會造成中毒。對單胃動物要限制喂量，最好使用經過脫毒處理的棉籽餅粕。同時，使用棉籽餅、粕配制飼糧要注意氨基酸平衡，尤其是棉籽餅、粕的賴氨酸含量低，且利用率差，應注意添加賴氨酸。

發酵操作技術

發酵棉菜籽餅其實也是一個脫毒技術，具體操作如下：

1.仔細檢查棉菜籽餅，剔除棉菜籽餅中嚴重變質發霉的部分，輕度發霉的原料可以忽略，因為微生物發酵能夠脫霉。

2.將棉菜籽餅粉碎并添加適量的玉米粉淀粉類的能量飼料等，調節飼料營養比例。

3.每噸棉菜籽餅加入2公斤食鹽、玉米粉（其它淀粉、面粉次粉等也可以，或者粉碎的生紅薯300公斤也可以）100公斤、“99多功能飼料發酵劑”1包（500g/包，市場售價約25元，以高濃度乳酸菌、酵母菌、復合酶制劑的專業發酵劑）。

4.在混合物料中添加適量水分，使混合物料含水量保持在55%左右，以“手抓一把并緊握，無水滴落，松手后輕觸即散”為宜，一般上述配方中需要加入清水約500-600公斤。

5.發酵方式根據實際環境條件各異，在桶、缸、塑料袋等容器中發酵均可。

6.發酵時要盡可能排盡空氣進行密封發酵。如果使用的發酵容器有密封不嚴實的隱患，要在一開始就在其外層包裹一層塑料袋并扎緊。發酵過程中不能啟封。

7.發酵時間受環境溫度影響，通常夏季發酵2-3天，冬季發酵5-7天即可完成。發酵完成后，有較為強烈的酸香味，ph值在3-4。

規模運用混合發酵現場

塑料缸、飼料袋（有內膜）均可做發酵飼料

采用池子發酵

發酵完成的棉菜粕飼喂動物技術

需要注意的是，發酵后的飼料酸度較低，不可以取代禽畜全部日糧。其他類發酵飼料同理。飼喂時根據不同情況，將發酵飼料按照一定比例添加到日糧中，發酵完成的棉菜粕為濕料，具體使用量每大概1.5-2公斤發酵棉菜粕（濕料）代替動物日糧配方中1公斤豆粕的使用量進行代替使用，與其它飼料混合后直接飼喂，由于棉菜籽粕蛋白較高，最高使用量不要超過禽畜日糧飼喂量的40%（濕料重量）。如果發現發酵飼料過酸適口性變差，可在飼喂前在陽光下曬1-2小時，或添加適量的碳酸氫鈉（小蘇打）即可改善。

發酵過程中與發酵后使用過程中，發酵的容器要一直保持密封狀態，可以長時間保存（一年左右）。

當前養殖業成本高居不下，而飼料成本是其中最高的，利用廉價原料發酵飼料（包括一些輕度發霉的粕類低價收回）是極佳解決辦法。通過微生物飼料發酵劑的發酵作用，可以將輕度霉變飼料變成優質飼料，將不易消化的物質分解為可被畜禽吸收的小分子糖類、氨基酸等。同時發酵飼料中富含有益微生物、酶制劑、酸化劑等，可調節畜禽腸胃微生態環境并進一步提高飼料利用率。發酵飼料氣味清香，提高了飼料的適口性，加上發酵飼料中有大約4℃的酒度，能夠促進動物新陳代謝促進健康抵御疾病，是當前養殖業發展中重要的一環。

本技術也可以同樣發酵菜籽粕（餅）、棕櫚粕等，方法同上。

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