浅谈苹果渣发酵蛋白饲料的研究进展

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　　浅谈苹果渣发酵蛋白饲料的研究进展
　　山西农业大学动物科技学院 乔君毅 张福元
　　摘要：苹果渣作为鲜苹果加工后的下脚料，其营养价值非常丰富，经过微生物发酵可以成为一种蛋白饲料。本文论述了苹果渣的成分，影响苹果渣发酵蛋白饲料的因素以及苹果渣蛋白饲料的应用。
　　关键词：苹果渣;蛋白饲料;影响因素;应用
　　我国是世界上水果的生产大国，总产量位居世界首位。2002年生产量达
　　到5452.9万吨，其中苹果2000万吨以上，位居世界第一位，约占世界总产的40 % 以上,但是加工能力只有5%左右。苹果产业的迅速发展，加工产品种类繁多，加工能力不断提高，与此同时，随着苹果渣的排出量也日趋增加。苹果渣是鲜苹果加工后的下脚料，每加工1000kg苹果，可产400-500kg鲜苹果渣，烘干后可得到120-165kg干苹果渣，全国每年产生苹果渣几百万吨。苹果渣是高含水量物质，含有部分可溶性糖、维生素、矿物质及纤维素，具有丰富的营养物质。如果不及时处理，苹果渣很快变酸变臭，给周围环境造成了极大污染，同时造成资源的巨大浪费。但是,随着畜牧业生产的发展，保证家畜必需的蛋白饲料越来越缺乏。据联合国粮农组织(FAO)统计，到21世纪初期，全球的蛋白质短缺量约为2500万吨以上。就我国而言，据有关资料报道，按国内现有精饲料中蛋白质含量水平计算，我国蛋白质饲料的缺口每年至少达1200万,因此，开发苹果渣蛋白饲料具有重要意义.
　　1 苹果渣的成分分析
　　用于生产浓缩果汁的苹果原料多为秦冠苹果，混杂有少量的富士、红星、元帅等品种。其生产工艺为：原料的浸泡→清洗→拣选→破碎→压榨→一次渣皮→二次压榨→二次渣皮
　　根据生产工艺的不同，设备挤压强度的不同，其渣皮的质量也有所不同。经过专家分析与测定，苹果渣中微量元素、氨基酸及总糖含量比果干和鲜果干物质中的含量降低。这表明在压榨过程中，营养成分中的可溶部分随汁液流走。一次压榨的苹果渣的营养成分如表1 所示，若为二次压榨，其粗纤维、粗脂肪含量明显提高。
　　表1 苹果渣成分含量 单位:%

水分	干物质
	粗蛋白	粗脂肪	粗纤维	粗灰分	钙	总磷
77	6.13	6.64	16.31	2.19	0.064	0.062

　　2 影响苹果渣发酵蛋白饲料的因素
　　2.1菌种
　　2.1.1菌种的选择
　　利用苹果渣发酵蛋白饲料,菌株的选择是非常关键的.目前常用的生产菌株主要有酵母菌、细菌、真菌和藻类等,常用的酵母菌是啤酒酵母、热带假丝酵母和产朊假丝酵母,细菌乳酸菌、肠道杆菌、腐败菌等;藻类有蓝藻和绿藻，霉菌有毛霉、青霉、曲霉白地霉。除以上常用的菌种外，利用激光选育新菌种是今后的发展方向。
　　目前，在苹果渣发酵蛋白饲料中，菌种应由单一菌株向多菌混合培养方向发展。混菌发酵主要是利用菌种之间协调互作关系, 扩大对苹果渣的适应性和防杂菌能力。在实践中人们使用最多的是酵母菌和真菌同步糖化发酵法, 真菌类可产生纤维素酶, 从而利用苹果渣中的纤维素、淀粉等生成糖, 而酵母类则可利用糖进行生长代谢, 这样既减轻了产物抑制效应, 又促进了酵母的生长, 提高了发酵率。徐抗震等(2003)利用产朊假丝酵母、果酒酵母、绿色木霉发酵苹果渣,结果使发酵产物中的粗蛋白含量提高到28.43%，真蛋白含量提高到26.59%，而粗纤维则降低到10.84%。陈五岭等(2003)经过土壤的分离纯化筛选出产朊假丝酵母和黑曲霉两株菌株，然后汇合发酵苹果渣，结果表明，发酵产物中果胶、高酸高糖被转化, 蛋白质含量大大提高。从研究中证实, 丝状真菌作为蛋白生产菌,适应性强, 生长快, 产量高, 且能产生丰富的酶类,可广泛应用于苹果渣中。
　　2.1.2接入菌种之间的比例
　　目前发酵苹果渣常用汇合菌种, 虽然所用的菌种不同,接种比例也不同,但是菌种之间的接种比例对发酵产物的品质是至关重要的,这已得到证实.黄杰等(2003) 采用接种混合比为：产朊假丝酵母:绿色木霉:果酒酵母=4.5:3:1时,发酵苹果渣,最后测定发酵产物中的蛋白质含量明显高于其它比例的,这可能是因为原料中的还原糖含量比较高,酵母起了主要作用.罗雯等(2004)将白地霉与绿色木霉分别按照1:1、1:2、1:4、1:10、1:20的比例发酵苹果渣, 结果发现当比例为1∶10 时,不仅发酵产品粗蛋白增幅最高,而且不再产生绿丝孢子,发酵产品品质明显改善。因此，菌种之间的比例对发酵产物品质的影响是十分巨大的，应该引起重视。
　　2.1.3接种量
　　接种量的多少对培养周期和菌株产酶均有较大的影响。接种量太小，菌体生长缓慢，培养时间长，使发酵周期延长，接种量过大，会使菌体繁殖过快而产生过多的代谢废物。接种量适宜，既能有效地缩短培养周期，又能得到较高的菌体生物量，可获得较多的酶,从而提高发酵产物的品质和蛋白质含量，所以，发酵过程中，应该确定适当的接种量。但是，由于选择的菌种不同，所以接种量也不相同，这需要在实际生产过程中来确定。宋纪蓉等(2002)用果酒酵母与康宁木霉的激光选育种对苹果渣进行发酵，结果表明当接种量在3 %-10 %之间时,粗蛋白含量随接种量的增加,显著提高,但超过10 %时,变化趋于平缓。秦蓉等(2004)将白地霉 、热带假丝酵母和康氏木霉按2:2 :1 的比例分别按2%,5%,10%,15%和20%的接种量接入苹果渣固体发酵培养基来进行固体发酵实验，结果表明，当接种量为5%-10%时，发酵产物的蛋白含量最高。同时，在生产过程中，我们也要从生产化的角度进行考虑，因为接种量的减少意味着生产方便和成本降低。所以，应该在允许的范围内尽可能降低接种量。
　　2.2无机氮
　　氮素是微生物不可缺少的营养元素。它是构成微生物细胞蛋白质和核酸的主要物质，所以提供适当的氮源物质往往使微生物旺盛发育。在苹果渣中存在一定数量的有机氮，往往提供适量的无机氮可以提高发酵产物中的纯蛋白含量，这是因为加入无机氮源可调节发酵原料C/N，给微生物提供充足氮源。目前，常用的无机氮是硫酸铵和硝酸盐等。常显波等(2004)研究了加氮对苹果渣发酵产物纯蛋白含量的影响，结果表明无论是单菌还是混合菌，加氮处理比无加氮的处理，发酵产物中的纯蛋白含量显著增加。薛泉宏等(2004)研究了氮素对苹果渣中发酵饲料纯蛋白含量及氨基酸组成的影响，结果证明了无论是哪一种氮素处理组，与无氮处理组相比，发酵产物的纯蛋白含量显著提高。
　　2.3碳源
　　碳素是构成微生物细胞的主要元素,也是产生发酵产物的必要成分。不同微生物需要不同的碳素营养。目前，在苹果渣发酵过程中，为了从开始阶段就提高发酵速率，适当添加一些易被菌体吸收利用的碳源和提供能量的物质是必要的。一般而论，各种糖类是最好的碳素营养。徐抗震(2006)在用产朊假丝酵母、果酒酵母、绿色木霉的突变株发酵苹果渣的过程中加入4%的蔗糖，结果表明发酵产物的粗蛋白质含量比没加入的提高了2%。在广大农村，为了节省成本，可以使用玉米秸秆、木薯茎等作为碳素营养。
　　2.4发酵温度
　　发酵温度是影响产物蛋白质含量的一个很重要的因素。温度通过影响蛋白质、核酸等大分子的结构与功能以及细胞结构,如细胞膜的流动性及完整性来影响微生物的生长、繁殖和代谢。过高的环境温度会导致蛋白质或核酸的变性失活,从而影响了菌体孢子的发芽、生长、产品的形成和孢子的形成;而过低的温度会导致菌体分裂生长过于缓慢,而且酶作用效果很差。此外，在固体发酵苹果渣过程中还应注意温度梯度，传热困难使发酵体系很难维持在最佳温度，在微生物生长周期内可，固体物料层温度可超过3℃/㎝。
　　2.5发酵时间
　　发酵时间是影响粗蛋白含量的一个重要参数，特别是在实际生产中，太短，达不到理想的蛋白含量;太长，则生产周期变长，生产成本变大，而且容易滋生杂菌。司翔宇等(2005)采用黑曲霉为菌种发酵苹果渣，取了几个不同的发酵时间，当发酵时间为5天时，真蛋白和粗蛋白含量都达到最高，分别为15%和33%,但是随着发酵时间的延长,蛋白含量没有增加,反而有点降低。高再兴等(2003)采用产朊假丝酵母和黑曲霉发酵苹果渣,当发酵时间在48h内,随着时间的延长,产物的蛋白含量逐渐增加,当超过48h,产物的蛋白含量几乎不增加,甚者还有点降低，这主要是因为微生物进入到了衰老期，产品的粗蛋白含量会由于微生物的自溶而逐渐降低。此外，在实际生产中，确定发酵时间，还要考虑到生产成本及设备的利用率。
　　2.6水分
　　水是发酵的主要媒质,基质含水量是决定固态发酵成功与否的关键因素之一。如果含水量过高，则会导致基质多孔性降低，发酵物黏度过大，减少基质内气体的体积和气体交换，难以通风、降温，发酵时温度上升过高则影响菌体生长，产品粗蛋白含量明显降低，而且增加了杂菌污染的危险;而如果含水量过低，造成基质膨胀程度低，微生物生长受抑制，后期由于微生物生长及蒸发造成物料较干，微生物难以生长，产量降低。在发酵过程中，水分由于蒸发、菌体代谢活动和通风等因素而减少，但是由于苹果渣的含水量一般在72%-87%，比较大，一般只需要在开始发酵时确定含水量，在发酵过程中无需重新加水。
　　2.7pH值
　　各种微生物在适宜的酸碱度环境中才能正常地进行生长繁殖。通常用pH来表示酸碱度。pH值对微生物繁殖的影响主要体现在引起细胞膜的电荷性质的变化，从而影响微生物对营养物质的吸收，进一步影响了细胞组织正常物质代谢的进行。一般情况下，酵母菌和霉菌在适宜的偏酸性环境(pH3-6)下生长。薛泉宏等(2004)利用黑曲霉和酵母菌分别在pH值为4和6的情况下发酵苹果渣，结果表明，当pH为4时的发酵产物中的纯蛋白含量比pH为6的纯蛋白含量高，而且差异比较显著。王艳华等用酵母菌、粪链球菌和纤维素酶菌发酵苹果渣的过程中，测定了原料的起始pH值对培养结果的影响，结果表明了当pH 值4.5-5.0 时,物料活菌数较高,当pH 值5.0 时活菌数达32 亿/ g 以上,其中粪链球菌菌数约10 亿/ g ,酵母菌数约20-25 亿/ g。而当pH 值超过5.5时,污染了杂菌。另外，在发酵过程中，我们还应该考虑微生物和环境的pH值之间的互动影响。一方面发酵基质的pH值影响细胞膜上的电荷分布状况，另一方面微生物在发酵基质中繁殖生长时，由于其代谢作用改变环境中的pH值。
　　2.8 料层厚度
　　在苹果渣发酵过程中,我们采用的大多数是好氧型菌株,氧气是微生物发酵成功与否的一个重要因素。而料层厚度间接影响着氧气的供给，所以，在生产中，要根据条件控制发酵料的厚度，以提供畅通的透气，保证发酵的顺利进行。此外，料层厚度还影响着发酵过程中热量的散失，进而影响着发酵的温度。
　　除以上因素外，苹果渣原料的处理也影响着发酵产物。陈懿等(2006)把四种菌种根霉、啤酒酵母、白地霉和产朊假丝酵母分别接种到灭菌的未灭菌的苹果渣原料中做单菌种固体发酵试验,结果表明,未经灭菌发酵的产物其粗蛋白含量普遍要高于相对应菌种发酵的灭菌后产物的粗蛋白含量,而且未经灭菌发酵的产物的味道和颜色均优于相对应菌种发酵的灭菌后的产物。
　　3 苹果渣发酵饲料的应用
　　目前, 苹果渣发酵饲料的饲喂试验主要集中于反刍动物, 这是因为经发酵处理的苹果渣不仅含有动物可利用的粗蛋白质、脂肪等, 并且含有微生态调节剂, 这些活性因子进入到反刍动物瘤胃后和瘤胃固有微生物发生协同作用, 调整整个瘤胃微生物的区系达到和谐, 从而提高微生物对饲料的利用, 同时提高了瘤胃微生物蛋白质的产量。秦蓉等(2004)用康氏木霉、白地霉和热带假丝酵母发酵的苹果渣作为试验产品。选择30头泌乳中期的健康奶牛进行饲喂试验。对照组用常规饲料饲喂，试验组用试验饲料替代原日粮中的全部精料。其它条件一致。结果表明，试验组的日产奶量比对照组平均高3.0kg以上，乳脂率提高0.61%，而且差异显著。刁其玉等(2002) 用苹果渣发酵物代替等量的甜菜粕或苹果渣发酵物和甜菜粕同时使用,奶牛分别增奶1.89 kg 和1.90 kg/ 天·头。张乃锋等(2004)选择了品种、年龄、体重相近的断奶生长羊80只,分为对照组和试验组两组,对照组用常规饲料饲喂,试验组用发酵的苹果渣代替部分的玉米和麸皮,经过45天饲养,试验组比对照组平均日增重多增重0.13kg(2.08%)，而且差异比较显著。
　　总之，发酵苹果渣作为一种新型的蛋白饲料资源，它含有丰富的营养素，可以替代一部分传统意义上的蛋白饲料。在保证生产效果的前提下可以在很大程度上解决养殖业面临的蛋白饲料资源不足的压力，同时可以降低生产成本获得更好的经济效益和社会效益。所以，开发和利用苹果渣作为蛋白饲料资源，有着广阔的市场前景和发展空间。
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