基于色差技術的微生物發酵床墊料發酵等級研究

潘志針，劉 波*，朱育菁，陳 崢，許 煉，史 懷

(1.福建省農業科學院農業生物資源研究所，福建 福州 350003；2.廈門大學生命科學院，福建 廈門 361005)

基于色差技術的微生物發酵床墊料發酵等級研究

潘志針1，劉 波1*，朱育菁1，陳 崢1，許 煉2，史 懷1

(1.福建省農業科學院農業生物資源研究所，福建 福州 350003；2.廈門大學生命科學院，福建 廈門 361005)

采用TES-135色差儀對微生物發酵床大欄養豬場的160份墊料樣本進行色度分析，采用亨特(Hunter)色差公式：△E=[(△L)2+(△a)2+(△b)2]1/2對樣本間的色差進行統計分析，結合STDEV算法，根據樣本的色差相對于平均值(μ)的離散程度(σ)，將墊料的發酵等級分為4級: 0<△E≤μ-2σ為發酵1級；μ-2σ<△E≤μ為發酵2級；μ<△E≤μ+2σ為發酵3級；△E>μ+2σ為發酵4級。通過表觀顏色、干濕度、味道、腐爛程度等對不同發酵等級的墊料樣本進行表觀描述，結果顯示墊料的色度分析能準確反應墊料的發酵等級。這為墊料發酵等級的快速鑒定奠定理論基礎。

微生物發酵床墊料；色度分析；墊料分級

微生物發酵床大欄養豬，是一種區別于傳統養豬模式、具有無污染、零排放的新型有機農業技術，其優勢在于能有效地解決養豬生產過程中糞污處理問題，改善豬的生長環境，減少養殖污染對環境的壓力[1-4]。微生物發酵床養殖技術在20世紀60年代起源于日本，近幾年在中國得到廣泛推廣和應用，產生了巨大的經濟效益[5-6]。

發酵床墊料是由谷殼、秸稈、鋸末等按照一定的比例混合泥土后鋪設起來有機介質，其作用是對豬排泄物進行吸附、通過微生物對排泄物進行降解，達到無污染、零排放的目的[7]。隨著發酵時間的增加，發酵床墊料的發酵程度逐漸加深，墊料也從新鮮原料開始慢慢發生一系列變化，并最終成為可以用于花卉栽培的基質[8]。墊料是微生物發酵床養殖技術的核心，發酵床墊料管理得當不僅能夠保持豬舍內部的微環境平衡，而且能促進微生物對豬排泄物進行發酵分解；因此，了解并調控發酵床墊料的發酵情況對于整個豬舍的環境的保持具有重大意義[9-10]。目前對于發酵程度的判斷主要根據墊料存在于發酵床的時間對其進行簡單分級，但是由于豬在豬舍內的排泄區具有特異性，因此簡單地通過墊料的存在時間墊料發酵程度進行分級很難全面反映墊料的真實發酵情況[11]。另一種方法是根據墊料物理特征(即墊料的顏色、氣味、腐爛度、濕度、成分完整性等特點)對墊料的發酵程度進行分級，這種方法總的來說具有直觀、檢測快速的優點，不需要大量的儀器和復雜的測定，常用于描述墊料發酵過程所處的狀態，可以定性描述墊料的發酵程度的情況，適合有經驗的技術人員現場應用。但是這種方法由于缺乏量化的測定指標，容易造成人為引起的主觀誤差，只能與其他指標結合使用[12]。宋澤瓊等[13]根據墊料在不同NaCl溶液中的懸浮率不同，將豬發酵床墊料分成4個等級，較好地反映了豬發酵床墊料的發酵程度，但同時也存在操作繁瑣、工作量大等問題。探尋一種快速鑒定發酵床墊料的發酵等級的方法對研究微生物發酵床具有重要的意義，目前尚未有該方面研究的報道。

發酵床墊料隨著發酵時間的延長，墊料顏色逐漸從黃色往灰色變化，最終變成黑色，墊料色澤能較準確地反映出墊料的真實發酵程度。筆者根據這一思路，從福建漁溪豬場中采集160份豬發酵床墊料樣本。利用CIE Lab色差法得到采集樣本與未發酵墊料之間的色差值△E，利用統計學分析將墊料分成4個等級，得到一個根據色差值△E對豬發酵墊料分級的標準，以期快速鑒定豬發酵床墊料的發酵等級，為后續的研究奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

發酵床墊料采集： 2015年5月份采集于福建漁溪現代微生物發酵床大欄養豬福清示范基地。將養豬場發酵床(長60 m，寬35 m)的長軸和短軸分別進行8等分和4等分，將發酵床分成32個區域(圖1)。

采用五點采樣法(圖2)，以對角線中點為中心取樣點，再在對角線上選擇4個與中心樣點距離相等的點作為取樣點，1個區域取5點，32個區域共計160份樣本。每份樣本均勻的四等分，取2份樣本混勻再四等分，再取2份樣本混勻再四等分，直至所需的采樣量，進行色差數據的分析。

1.2 色差分析研究

色差儀選用臺灣泰仕TES135色差儀測定。測定前將160份已混勻的墊料在白紙上鋪平，將色差計正對墊料成90度，保證其不露光，對墊料樣本進行色差測定。測定模式采用L*、a*、b*，△E，以未發酵的空白墊料作為色差測定參比樣。采用亨特(Hunter)色差公式對色差數據進行分析：

△E=[(△L)2+(△a)2+(△b)2]1/2

其中L=10Y1/2

X，Y，Z為樣品的刺激值，fXA、fXB、fZB為所選用的CIE標準色度觀察者和標準照明體決定的常數。計算已發酵墊料的總色差值(△E)。每份墊料重復3次，取平均值作為該份墊料的最終色差值。

1.3 墊料發酵等級研究

根據墊料的色差劃分墊料的發酵等級，引入STDEV算法，根據樣本的色差相對于平均值(μ)的離散程度(σ)，將墊料的發酵等級分為4級(表1)。

1.4 不同發酵等級墊料表觀特征分析

分析不同發酵等級的墊料的表觀特性，從表觀顏色、干濕度、味道和腐爛度4個角度進行闡述，并拍照記錄。

表1 不同發酵等級墊料色差值△E范圍Table 1 Ranges of △E for 4 fermentation stages

2 結果與分析

2.1 墊料樣本色差統計

采用TES135色差儀對160份墊料樣本的色差進行測定，選用L*、a*、b*，△E模式，通過亨特色差公式對數據進行分析，測定△E。如表2所示，160份墊料樣本的平均色差(μ)=39.06，標準偏差(σ)=15.72。

表2 墊料樣本色差統計Table 2 Chromaticity of sampled bedding material

(續上表)

2.2 墊料發酵等級測定

如表3所示為墊料發酵的4個等級。160份墊料樣本大多為發酵2級和發酵3級，其中發酵2級的樣本數最多，有102份樣本為發酵2級，發酵3級的樣本數為47個。發酵4級的樣本數較少，只有8個樣本。發酵1級的樣本數最少，只有1個樣本為發酵1級。

表3 墊料發酵等級測定Table 3 Determination of fermentation stages for bedding material

2.3 不同等級墊料表觀特征研究

將4個等級的表觀特征統計如表4所示，隨著發酵時間的增加，墊料的顏色逐漸由黃向黑轉變，墊料的腐爛程度和濕度也越來越大；4級墊料帶有明顯的氨臭味，表明豬糞等排泄物已經被發酵降解。

表4 不同發酵等級墊料表觀特征Table 4 Characteristics of bedding material at various fermentation stages

采用平板攝像儀，固定焦距，固定光圈對4個等級的墊料樣本拍攝，如圖3所示。

3 討論與結論

CIE LAB色空間是基于一種顏色不能同時既是綠又是紅、也不能同時既是藍又是黃這個理論而建立。當一種顏色用CIEL*a*b時，L*表示明度值；a*表示紅/綠值及b*表示黃/藍值。隨著發酵程度的增加，L、a和b的值逐漸下降；表明隨著發酵程度的增加，墊料的明度值下降，顏色逐漸往黑色轉變；a和b的值總體上也隨著發酵程度的增加而變少，但是相比L值，沒有呈現出規律性遞減，表明發酵過程中墊料的顏色會朝著不同的顏色轉變，這可能跟豬排泄區域分布有關，后續作者將進行深入研究。不同發酵等級墊料與空白墊料的色差值△E綜合了L、a和b等3個指標，結果更科學合理。

STDEV(б)是基于樣本估算的標準偏差，反映數值相對于平均值的離散程度。根據樣本的色差離平均值的離散程度，我們初步得到一個根據色差值△E對豬發酵墊料分級的標準。根據這一標準，能快速地通過色差計測色值對墊料的發酵等級進行初步的分級。由不同發酵等級墊料的表觀特征的測定的結果顯示：墊料的色度分析能準確地反應墊料的發酵等級，為墊料發酵等級的快速確定奠定理論基礎。

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(責任編輯：林海清)

Chromatic Determination of Fermentation Stages for Microbial Fermentation Bed in Pig Pan

PAN Zhi-zhen1, LIU Bo1*, ZHU Yu-jing1, CHEN Zheng1, XU Lian2, SHI Huai1

(1.InstituteofAgriculturalBiologicalResources,FujianAcademyofAgricultureSciences，Fuzhou，Fujian350003，China; 2.SchoolofLifeScience,XiamenUniversity，Xiamen,Fujian361005，China)

Using a TES-135A color meter, 160 samples of bedding material from the microbial fermentation beds in pig pans were measured. The chromaticity data were fed to the Hunter's color difference formula, △E=[(△L)2+(△a)2+(△b)2]1/2, to obtain the △E value. Based on the average value (μ) and dispersion degree (σ) of △E, the stages of fermentation of the bedding material were classified. The 1ststage ranged from 0 to μ-2σ, the 2ndstage from μ-2σ to μ, the 3rdstage from μ to μ+2σ, and the 4thstage beyond μ+2σ. Subsequently, the apparent color, humidity, odor, and degree of decomposition were determined for samples from each fermentation stage. A regression analysis showed a high correlation between the colorimetric measurements and the observations suggesting the color meter might be used as a means to rapidly determine the fermentation stages of a microbial fermentation bed in a pig pan.

microbial fermentation bed; chromaticity analysis; bedding material classification

2016-04-06初稿；2016-05-26修改稿

潘志針(1985-)，男，碩士，主要從事生物化學和生物活性物質分析研究 *通訊作者：劉波(1957-)，男，博士，研究員，主要從事微生物生物技術及農業生物藥物研究(E-mail：Fzliubo@163.com)

福建省科技計劃項目——省屬公益類科研院所基本科研專項(2015R1018-10、2015R1018-1); 福建省科技重大專項(2015NZ0003)

S 828

：A

：1008-0384(2016)11-1248-04

潘志針，劉波，朱育菁，等.基于色差技術的微生物發酵床墊料發酵等級研究[J].福建農業學報，2016，31(11)：1248-1251.

PAN Z-Z，LIU B，ZHU Y-J，et al.Chromatic Determination of Fermentation Stages for Microbial Fermentation Bed in Pig Pan[J].FujianJournalofAgriculturalSciences，2016，31(11)：1248-1251.