分級固態發酵生產甘蔗尾梢飼料工藝研究

黃振勇　廖才學　王冬梅　梁曉君　韋馨平　淡明　張娥珍

摘 ?要：以甘蔗尾梢為主要原料，采用分級固態發酵技術研究生產甘蔗尾梢飼料的工藝條件，通過單因素和正交實驗，對一級發酵工藝中接種量、水分含量、一級發酵時間和二級發酵工藝中精粗比、二級發酵時間5個因素進行了優化。結果表明：當接種0.15%發酵菌劑于一級發酵底物中，調整其水分含量為50%，密封常溫發酵5 d后按3∶7比例將一級發酵料與新鮮甘蔗尾梢混合均勻，壓實密封進行二級發酵，21 d后甘蔗尾梢飼料品質最佳。所得甘蔗尾梢飼料粗蛋白含量為15.24%，粗纖維含量為24.03%。分級固態發酵技術可快速、有效提高甘蔗尾梢飼料中粗蛋白含量，同時降解粗纖維，改善飼料適口性，可應用于甘蔗尾梢飼料的制備。

關鍵詞：甘蔗尾梢;分級固態發酵;飼料品質

中圖分類號：S816.5 ? ? ?文獻標識碼：A

Technology of Sugarcane Caudate Lobe Feed Production by Sectional Soli-State Fermentation

HUANG Zhenyong1， LIAO Caixue2， WANG Dongmei3， LIANG Xiaojun1， WEI Xinping1， DAN Ming1， ZHANG Ezhen1*

1. Institute of Agro-products Processing Science and Technology， Guangxi Academy of Agricultural Sciences， Nanning， Guangxi 530007， China; 2. Guangxi Institute of Metrology and Testing， Nanning， Guangxi 530007， China; 3. Nanning Institute of Agricultural Sciences， Nanning， Guangxi 530007， China

Abstract： The aim of the experiment was to study the technological conditions of producing sugarcane caudate lobe feed production by the sectional solid-state fermentation technology. The raw material was sugarcane caudate lobe， five factors including inoculum quantity， moisture content， first stage fermentation time， concentrated-roughage and second stage fermentation time were optimized through single factor and orthogonal experiments. The results showed that when inoculated 0.15% fermenting microbe in the first stage fermentation substrate， adjusted the moisture content to 50%，

sealed and fermented at normal atmospheric temperature， mixed with fresh sugarcane caudate lobe in the concen-

trated-roughage ratios of 3∶7 and compacted and sealed after 5 days， the quality of sugarcane caudate lobe feed would be the best after 21 days. According to the technological conditions， the crude protein and crude fiber content of sugarcane caudate lobe feed was respectively 15.24% and 24.03%. The technology of sectional solid-state fermentation could rapidly and effectively improve the crude protein content， degrade crude fiber and improve sugarcane caudate feed palatability. It could be applied to the preparation of sugarcane caudate lobe feed.

Keywords： sugarcane caudate lobe; sectional solid-state fermentation; feed quality

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.03.035

廣西是全國種植甘蔗面積最大的省份，全區種植面積達8×105 hm2，約占全國甘蔗總種植面積的63%[1]。甘蔗收割榨糖之后產生的大量副產物如甘蔗尾梢、蔗渣、糖蜜等均可用于養殖飼料加工[2]。甘蔗尾梢中粗蛋白含量達5%～8%、粗纖維含量達35%～45%、粗脂肪含量達3%～4%，營養豐富，是牛羊等反芻動物優良的飼料原料來源[3]。

甘蔗尾梢飼料化利用技術已日趨成熟，目前常見發酵技術主要以青貯、微貯和氨化等形式[4-5]，發酵后甘蔗尾梢營養價值有一定改善，可提高適口性，對牛羊增重也有一定效果。廣西每年有大量的甘蔗尾梢產出，目前的發酵方式存在發酵時間長、發酵均勻度不足、發酵后產品品質差等缺陷，尚未能將甘蔗尾梢在飼料化利用上的優點發揮到極致，仍需進一步加大研發力度。常見的甘蔗尾梢飼料發酵方式以固態發酵為主，利用酵母菌、芽孢桿菌、乳酸菌和霉菌等益生菌種處理原料，通過微生物的生長繁殖，降解原料中難以利用的物質，提高粗蛋白，從而改善飼料品質[6]。

為推進廣西大宗作物甘蔗尾梢飼料化利用發展進程，本實驗采用精粗分級固態發酵技術對甘蔗尾梢進行處理，探索甘蔗尾梢發酵飼料新工藝。通過精粗分級發酵方式提高甘蔗尾梢飼料整體營養水平，在提高甘蔗尾梢發酵飼料粗蛋白含量的同時降解部分粗纖維，改善甘蔗尾梢飼料適口性，生產出可直接飼用的高品質甘蔗尾梢發酵飼料。本研究與常規發酵模式有所區別，為廣西甘蔗尾梢飼料品種多樣化提供新思路，同時為高品質甘蔗尾梢飼料快速制備和長期貯存以解決越冬期牛羊草料短缺問題提供技術支撐。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

1.1.1 ?材料與試劑 ?甘蔗尾梢來自廣西農業科學院甘蔗試驗基地。發酵菌劑，即甘蔗副產物飼料化專用復合微生態制劑，由廣西農業科學院農產品加工研究所農產品增值利用研究室自主研發，主要組成為產朊假絲酵母、植物乳桿菌、枯草芽孢桿菌、黑曲霉、米曲霉等。其他輔料如豆粕、玉米粉、麥麩、米糠、礦物質元素等均為市售飼料原料。試劑氫氧化鈉、濃硫酸、濃鹽酸、硫酸銅、硫酸鉀、硼酸、甲基紅、溴甲酚綠、蔗糖均為化學純。

1.1.2 ?儀器與設備 ?KDN型凱氏定氮儀（浙江托普儀器有限公司）、F800型纖維測定儀（山東海能科學儀器有限公司）、SX2-8-10A型箱式電阻爐（上海捷呈實驗儀器有限公司）、WGLL-230BE型電熱鼓風干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）、VM-220高頻水分測定儀（泰州市維科特儀器儀表有限公司）、SOX406全自動粗脂肪測定儀（浙江托普儀器有限公司）。

1.2 ?方法

1.2.1 ?發酵底物 ?一級發酵底物由玉米粉、麥麩、米糠、豆粕組成，粗蛋白含量為16.20%。二級發酵底物由一級發酵底物與甘蔗尾梢按一定比例混合均勻。

1.2.2 ?精粗分級固態發酵 ?用清水將糖蜜濃度調整為28 Bx[7]，接種發酵菌劑，活化30 min，隨后接種于一級發酵底物中，調整水分，裝入單向透氣發酵袋，常溫固態發酵一定時間，得到一級發酵料，將發酵好的一級發酵底物與新鮮甘蔗尾梢混合均勻，壓實密封進行二級固態發酵，一定時間后即成甘蔗尾梢發酵飼料。

1.2.3 ?一級發酵單因素實驗 ?以粗蛋白含量為評價指標，采用單因素變量法對一級發酵工藝進行初步優化。在前期預實驗基礎上，設置發酵菌劑接種量分別為0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%;水分含量[8]分別為35%、40%、45%、50%、55%;發酵時間[9]分別為2、3、4、5、6、7 d;

1.2.4 ?一級發酵工藝正交優化 ?根據一級發酵單因素結果，設置L9（33）正交實驗進一步優化一級發酵工藝，正交因素和水平如表1所示。

1.2.5 ?二級發酵工藝 ?采用較優工藝生產一級發酵料，將其與新鮮甘蔗尾梢混合進行二級發酵，分別考察在精粗比[10]1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5和發酵時間[11]為7、14、21、28、35 d情況下二級發酵底物中粗蛋白和粗纖維含量變化情況。

1.2.6 ?分析指標測定 ?粗蛋白含量按《飼料中粗蛋白的測定 凱氏定氮法》（GB/T6432—2018）[12]測定;粗纖維含量按《飼料中粗纖維的含量測定過濾法》（GB/T6434—2006）[13]測定;粗灰分含量測定參照《飼料中粗灰分的測定》（GB/T6438— 2007）[14];粗脂肪測定參照《飼料中粗脂肪的測定》（GB/T6433—2006）[15]。

1.3 ?數據處理

正交設計采用正交設計助手Ⅱv3.1軟件設計和分析，實驗數據用Excel表格整理，用Origin pro 2017軟件進行顯著性分析并繪圖。

2 ?結果分析

2.1 ?發酵方式選擇

通過常規全混合發酵與精粗分級發酵兩種固態發酵方式進行對比可知，相同環境下，甘蔗尾梢分級發酵后粗蛋白含量達到了15.11%，較全混合發酵提高了15.04%，提高效果顯著（P<0.05）;采用精粗分級發酵方式發酵后甘蔗尾梢飼料中粗纖維含量為22.08%，與全混合發酵方式相比（24.42%），粗纖維含量降低了9.56%，效果顯著（P<0.05）;精粗分級發酵方式粗脂肪含量比全混合發酵方式略高，粗灰分含量比全混合發酵模式較低，但二者差異均不顯著（P>0.05）（圖1）。粗蛋白和粗纖維含量的差異性體現了2種發酵方式的優劣，由結果可知，精粗分級固態發酵對提高甘蔗尾梢發酵飼料營養品質更有效。

2.2 ?接種量對一級發酵料的影響

不同接種量對一級發酵料的影響如圖2所示。相同時間內，隨著接種量增加，一級發酵料粗蛋白含量有顯著性提高（P<0.05），在接種量為0.15%時，發酵料中粗蛋白含量達19.03%，比發酵前提高17.48%，提高效果顯著（P<0.05）;隨著接種量的增加，粗蛋白含量有明顯下降（P<0.05），繼續增加接種量，粗蛋白含量增加效果不顯著（P>0.05）。相同時間內，合適的接種量可以使發酵料中益生菌生長繁殖處于一個快速增長狀態，菌體蛋白積累較快;接種量小，發酵速度較慢，菌體蛋白積累較慢;接種量過大，益生菌生長密度過大，提前進入衰亡期，不利于菌體蛋白積累，同時也增加了成本。因此，接種量在0.15%較為合適，其次是0.20%和0.25%。

2.3 ?水分含量對一級發酵料的影響

從圖3可知，水分含量對發酵效果有較大影響，低水分含量（35%和40%）不利于發酵，粗蛋白含量提高較為緩慢，差異性不顯著（P>0.05）;水分含量達45%時，一級發酵料中粗蛋白含量達19.15%，比發酵前提高18.2%，與低水分相比，提高效果顯著（P<0.05）;在水分含量為55%時，粗蛋白含量顯著降低（P<0.05），說明高水分含量亦不利于發酵。水分含量在45%時較適合一級發酵料發酵。

2.4 ?發酵時間對一級發酵料的影響

一級發酵時間對一級發酵料影響如圖4所示。隨著發酵時間的進行，一級發酵料中粗蛋白含量持續升高，在發酵4 d時，粗蛋白含量達19.38%，提高效果顯著（P<0.05），其中原因可能是一級發酵料在發酵3～4 d后進入微生物生長的對數期，此時微生物生長最為旺盛，菌體蛋白含量增加快;發酵第5天，粗蛋白含量有顯著降低（P<0.05），隨后保持動態平衡，沒有顯著性差異（P>0.05），第5天進入平穩后期或衰亡期，同時菌體的增值對發酵底物的粗蛋白含量有一定的消耗，因此發酵啟動4 d后轉入二級發酵較為合適，其次是3 d和5 d。

2.5 ?一級發酵工藝正交優化結果

根據單因素實驗結果，選擇接種量、水分含量、一級發酵時間為因素進行3因素3水平正交優化。結果表明，在3個因素中，水分含量對一級發酵料中粗蛋白含量影響最大，其次為發酵時間，接種量影響較小;正交實驗得到最優組合為A1B3C3，即接種量為0.15%，底物水分含量為50%，發酵時間為5 d，發酵料粗蛋白含量達19.74%，比發酵前（CK）粗蛋白含量（16.2%）提高21.85%（表2）。

2.6 ?精粗比對二級發酵料的影響

由圖5可知，精飼料的用量對二級發酵飼料的粗蛋白含量的提高有較大影響，在精粗比從1∶9提高到2∶8時，粗蛋白含量從10.31%提高到12.54%，提高了21.60%，效果顯著（P <0.05），但是粗纖維含量僅從32.49%降到31.96%，效果不顯著（P>0.05）;精粗比增加到3∶7時，粗蛋白含量有顯著性提高（P <0.05），粗纖維含量有顯著性降低（P<0.05）;精粗比提高到4∶6時，粗纖維含量有顯著性降低（P <0.05），但粗蛋白含量增加不明顯（P>0.05）。在一定范圍內，加大精料添加量可以提高發酵飼料的能量，有利于益生菌生長繁殖，提高對甘蔗尾梢粗纖維的降解能力，但是所需飼料成本也相應較高，綜合考慮以精粗比3∶7較為合適。

2.7 ?二級發酵時間對二級發酵料的影響

二級發酵時間對二級發酵料品質影響如圖6所示。按精粗比3∶7混合進行二級發酵，發酵底物粗蛋白含量為13.22%，粗纖維含量為32.18%。發酵啟動后，粗蛋白含量有顯著性提高（P<0.05%），在發酵至21 d時，粗蛋白含量達15.24%，比發酵前提高15.31%，提高效果明顯（P<0.05），粗纖維含量為24.03%，比發酵前降低了25.34%，降低效果顯著（P<0.05）;

隨著發酵時間延長，粗蛋白和粗纖維含量均變化不大（P>0.05%）。實驗結果說明甘蔗尾梢發酵飼料發酵21 d后品質趨于穩定，可用于飼喂或長期貯存。

3 ?討論

甘蔗尾梢營養豐富且產量大，可作為牛羊等反芻動物飼料，對牛羊具有良好的育肥效果[16-17]。甘蔗尾梢中添加輔料或者采用微生物制劑進行青貯可改善甘蔗尾梢青貯飼料的品質，提高營養價值[18]。利用益生菌發酵甘蔗尾梢可改善甘蔗尾梢飼料的營養成分，降解發酵飼料中的部分粗纖維，同時可以改善牛羊等反芻動物腸道環境，提高飼料轉化率。

發酵飼料粗蛋白提高主要依賴于微生物菌體蛋白，微生物生長情況直接影響到發酵體系中粗蛋白含量的變化，從而影響到整體粗蛋白含量的變化[19]。常用的菌種主要為酵母菌[20]、乳酸菌[21]和霉菌[22]等，一般采用多菌種混合進行發酵效果較好[23]。

水分含量是影響發酵飼料品質的重要因素，水分高低影響菌體的繁殖和飼料營養的維持[24-25]，在制作發酵飼料的時候，水分調整極為重要[26]。其次通過添加精飼料的方式在提高發酵飼料整體營養水平的同時促進發酵，益生菌可利用精料中的豆粕、玉米等營養物質進行繁殖，同時降解抗營養成分，改善飼料品質[27-28]。當精料比例過小，有益微生物繁殖緩慢，如果不能快速形成優勢菌群就會導致飼料品質下降;當精料比例過大，有益微生物繁殖過快，溫度過高，會造成菌體死亡[29]，不利于發酵的進行。

精粗混合發酵可提發酵飼料品質[30-31]，是畜禽發酵飼料的發展方向。粗飼料粗蛋白含量較低、粗纖維含量高，動物不易消化吸收，采用精粗結合發酵可提高飼糧蛋白質水平，有助于提高動物瘤胃對飼糧干物質的消化率，提高飼料轉化率[32]，同時精粗結合發酵可顯著提高動物的日增重和肉質品質，具有較好的經濟效益[33]。精粗結合發酵方式可分為全混合發酵和分級發酵2種方式。全混合發酵方式是將精飼料、甘蔗尾梢、益生菌等投入TMR日糧攪拌機混合均勻、裝袋后進行發酵。全混合發酵是目前常見的精粗混合發酵方式，10 m?的TMR攪拌機處理量可達3000～5000 kg/h，單次充分混合均勻需要20～30 min，在秸稈使用比例較大的情況下，混合時間較長，易產生熱量，影響益生菌活力，同時菌種的接種均勻度難以保證，影響發酵質量。本研究采用的精粗分級發酵方式是將玉米、豆粕等精飼料預先接種益生菌進行一級發酵，提高精飼料營養水平的同時對益生菌進行擴大繁殖，在與甘蔗尾梢混合進入二級發酵時，菌種更易于與秸稈混合均勻，保證接種的均勻度，攪拌時間可以相對縮短。發酵過程中，相同時間內，精粗分級發酵飼料中益生菌繁殖達到一定生物量比全混合發酵方式需要的時間短，精粗分級發酵方式可在短時間內營造厭氧環境，更有利于秸稈飼料的保存。國內外相關報道中，類似的發酵方式稱為兩步發酵法，但采用的是分階段接種不同菌種進行發酵[34-35]，與本研究所述分級發酵方式有所區別。豆粕、玉米等精飼料原料在發酵中提供了大量能量，益生菌經一級發酵得到大量擴繁，在加入新底物進行二級發酵時能利用底物營養進行快速增殖，在相同時間內菌體蛋白的增加速率比全混合發酵快速，所以飼料整體粗蛋白提高較快;菌體繁殖分泌的纖維素酶、淀粉酶等代謝產物快速累積，相同時間內對粗纖維的降解比全混合發酵高效迅速，因此相同時間內分級發酵在粗纖維降解能力上較全混合發酵有優勢。

甘蔗尾梢含糖量較高，水分含量較大，收割后刀口位置接觸空氣極易發生霉變[36]，霉變的甘蔗尾梢用于牛羊飼喂存在極大的安全隱患，容易引發牛羊中毒導致死亡，因此如何快速進行發酵處理，提高飼料品質是甘蔗尾梢飼料化利用的重中之重。與傳統發酵模式相比，精粗分級固態發酵技術具有短時高效的特點，非常適合用于甘蔗尾梢的飼料化生產[37-38] 。本研究以甘蔗副產物甘蔗尾梢為原料，通過發酵方式的對比以及單因素和正交實驗，得出了最佳的發酵工藝，即接種0.15%復合微生物菌劑于一級發酵底物，調整水分含量為50%，密封常溫發酵5 d，隨后按3∶7的精粗比將一級發酵料與新鮮甘蔗尾梢混合均勻，壓實密封進行第二級發酵21 d得到的發酵飼料品質較優，所得甘蔗尾梢發酵飼料粗蛋白含量為15.24%，粗纖維含量為24.03%。采用精粗分級固態發酵技術可快速、有效地提高甘蔗尾梢飼料中粗蛋白含量同時降解粗纖維，改善甘蔗尾梢飼料的適口性。

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責任編輯：崔麗虹

收稿日期 ?2020-07-29;修回日期 ?2020-10-19

基金項目 ?廣西創新驅動發展專項資金項目（桂科AA17204035）;廣西重點研發計劃項目（桂科AB16380174）;廣西農業科學院團隊項目（No. 2015YT88）。

作者簡介 ?黃振勇（1989—），男，碩士，助理研究員，研究方向：農產品貯藏與加工。*通信作者（Corresponding author）：張娥珍（ZHANG Ezhen），E-mail：zhang281@126.com。