稻壳粉固态发酵生产蛋白饲料的工艺研究

张 沛，杨国辉，魏丽娟，李卓伟，王德功，刘 冬

（河北远征药业有限公司，河北石家庄 050041）

稻壳是一种产量大、价格廉的可再生资源，据统计，我国稻壳年产量在4000万t左右 （余君，2008）。然而稻壳除被田间焚烧或堆积外只有很少一部分被合理利用。目前部分企业将稻壳粉碎烘干，作为干饲料直接出售，然而未经处理的稻壳干饲料蛋白含量低，纤维含量多，不能得到合理使用，造成资源的浪费。

稻壳中主要含有纤维素、半纤维素、木质素、灰分等，其中纤维素类物质约占63.67%（邢廷铣，2000），木质素和半纤维素将结晶化纤维素包裹住，阻止了微生物的利用（刘雅琴等，2010），而且这些粗纤维、木质素被畜禽食后也很难吸收。目前处理纤维类含量高的物质主要采用的方法有物理法、化学法和生物法。然而单纯的一种方法处理，很难从根本上解决其难吸收、营养价值低等问题。本试验预先用一定浓度的碱液处理稻壳粉，破坏其纤维素和半纤维素之间的糖苷键，降低聚合度，然后通过选用酵母菌和乳酸菌混合菌种进行固态发酵，研究发酵工艺参数对产物蛋白含量的影响，以期生产出营养价值高的单细胞蛋白饲料。

1 材料与方法

1.1 材料 酵母菌和乳酸菌，由河北远征药业有限公司提供。

1.2 试验方法

1.2.1 稻壳粉的预处理 凯氏定氮法测定初始稻壳粉中真蛋白质含量为5.89%。称取一定量的稻壳粉，按照 1∶15（m/V）加入 1%NaOH 溶解，微波处理20 min后滤干，蒸馏水洗涤至中性，烘干，待用。

1.2.2 菌种活化试验 按照菌种配比称取酵母菌粉和乳酸菌粉后加入一定量的红糖水，适宜条件下活化后待用。

1.2.3 单因素试验 分别考查菌种配比、接种量、尿素添加量、水分含量、发酵温度和发酵时间等因素对固态发酵生产蛋白饲料的影响。

1.2.4 正交试验 本试验在酵母菌粉与乳酸菌粉混合配比2∶1，尿素添加量1.0%（m/m）的条件下，选取了接种量、水分含量、发酵温度、发酵时间进行四因素三水平L9（34）正交试验，对混合菌种固态发酵稻壳粉的工艺条件进一步优化。

本次研究中，每组试验在不同条件下重复三次，取三次平行试验的平均值作为最终结果，通过IBM SPSS Statistics 19.0软件对试验结果进行分析。

1.2.5 测定指标及方法 将发酵好的稻壳粉低温烘干，测定真蛋白含量（司翔宇和葛蕾，2005）。

2 试验结果与分析

2.1 酵母菌和乳酸菌菌种配比对稻壳粉中真蛋白含量的影响 由图1可知，当接种比例由3∶1调整为2∶1后，真蛋白含量有明显的提高，之后随着接种比例的变化真蛋白含量开始下降，试验接种配比为2∶1时，真蛋白含量最大，为22.08%。统计分析结果表明，菌种配比对发酵结果影响显著（P＜0.05），菌种配比的变化可能影响发酵过程氧气含量的变化进而影响菌体的生长与代谢，因此酵母菌和乳酸菌混合比例选择2∶1。

图1 菌种配比对真蛋白含量的影响

2.2 尿素添加量对稻壳粉中真蛋白含量的影响由图2可以看出，当尿素添加量由0%提高至1.0%时，真蛋白增长率较大，由9.32%增加为20.63%，而尿素添加量提高至2%时，真蛋白含量为21.76%，增加幅度不大。统计分析结果表明，尿素添加量对发酵结果影响显著（P＜0.05）。尿素添加量为1.0%、1.5%、2.0%时，三者比较差异不显著（P＞0.05），但尿素添加量为1.0%与0%、0.5%添加量比较，差异显著。因此尿素添加量选择1.0%。

2.3 接种量对稻壳粉中真蛋白含量的影响 由图3可知，当接种量为0.25%时，真蛋白含量达到最大，为21.78%，增加接种量，真蛋白含量不增加反而下降，接种量为0.45%时，真蛋白含量为21.70%。统计分析结果表明，接种量对发酵影响极显著（P＜0.01）。接种量的多少影响菌种的发酵周期，当接种量偏大，菌种生长迅速造成代谢产物积累，进而产生反馈抑制，同时部分代谢产物会影响传质和水分分布；接种量偏小，菌种达到对数期时间延长，增加菌种变异风险，不利于菌体生长。因此接种量选0.25%。

图2 尿素添加量对真蛋白含量的影响

图3 接种量对真蛋白含量的影响

2.4 水分含量对稻壳粉中真蛋白含量的影响由图4数据可以看出，水分含量由30%增加至50%时，真蛋白含量相应由18.71%增加至24.46%，随着水分含量继续升高至60%，真蛋白含量下降至22.21%。统计分析结果表明，水分含量对发酵结果影响极显著（P＜0.01）。试验发现，发酵过程中水分含量过少，会延缓或阻碍菌体生长代谢；水分含量过多，物料粘结容易引起菌体酸败腐坏，因此培养基水分要选择适当，根据试验结果水分含量选择50%。

图4 水分含量对真蛋白含量的影响

2.5 发酵温度对稻壳粉中真蛋白含量的影响由图5可以看出，发酵温度由28℃上升至36℃中，真蛋白含量变化不大，含量从21.36%增加至21.91%。由36℃增加到40℃后，真蛋白含量明显下降，含量为16.75%，因此选择28℃作为发酵温度。统计分析结果表明，发酵温度对发酵结果影响显著（P＜0.05）。温度对微生物的生长起着非常重要的作用，发酵结果的好坏也受温度的控制。温度过低时，菌种生长缓慢，真蛋白含量增加较少；温度过高时，不仅会抑制菌种生长还会增加杂菌感染的几率。

图5 发酵温度对真蛋白含量的影响

2.6 发酵时间对稻壳粉中真蛋白含量的影响由图6可以看出，发酵时间从3 d增加到4 d时，真蛋白含量增加幅度最大，由19.09%增加至22.56%，发酵时间为5 d效果最好。统计分析结果表明，发酵时间对发酵结果的影响显著 （P＜0.05）。发酵时间为5 d时真蛋白含量达到最大值22.84%，继续延长发酵时间，真蛋白含量出现明显下降的趋势，可能是菌种由平稳期进入衰亡期，开始出现自溶现象，同时，营养物质和水分的消耗及物料酸碱性的变化也会抑制细胞蛋白的形成。试验结果表明，发酵时间为4 d和5 d时真蛋白含量差异不显著，综合考虑经济成本及真蛋白含量变化不大的情况下，发酵时间适当延长各种消化酶和维生素等产物会随之增加，因此发酵天数选择5 d。

图6 发酵时间对真蛋白含量的影响

2.7 正交试验 在上述试验的基础上，以酵母菌∶乳酸菌为2∶1的组合菌种，进一步对该混合菌种的发酵工艺条件进行优化。选择接种量、水分含量、发酵温度、发酵时间4个影响因素进行L9（34）四因素三水平正交试验（表1）。

表1 正交试验因素和水平

通过表2可以看出4个因素的最优水平分别为0.25%、40%、32℃和5 d，即发酵工艺的优化组合为A1B1C2D2。由表3可以看出接种量、水分含量对试验结果影响极显著（P＜0.01），对发酵产物中蛋白含量影响最大的因素是水分含量，发酵时间对试验结果影响显著（P＜0.05），而发酵温度对其影响不显著（P＞0.05），影响程度大小顺序为B＞A＞D＞C，即水分含量＞接种量＞发酵时间＞发酵温度。因此发酵条件最终确定为：接种量0.25%（m/m），水分含量 40%（m/m），发酵温度 32℃，发酵时间5 d。在该工艺条件下进行发酵试验，测得真蛋白含量为26.19%。

表2 正交试验结果

3 讨论与结论

以碱液处理过的稻壳粉为原料，按照1.0%（m/m）添加尿素后，接种酵母菌与乳酸菌固态发酵。通过本试验优化研究，统计结果分析表明，真蛋白含量与水分含量和接种量有着极显著相关性，正交试验中4个因素对发酵结果的影响顺序为：水分含量＞接种量＞发酵时间＞发酵温度，确定发酵工艺条件为：尿素添加量1.0%（m/m），接种量 0.25%（m/m），水分含量 40%（m/m），发酵温度32℃，发酵时间5 d，在此试验基础上，蛋白含量由最初的5.89%上升到26.19%。试验通过优化发酵工艺条件，使菌体蛋白含量最大化，增加稻壳粉中真蛋白含量，提高了稻壳粉饲料的营养价值。

表3 正交试验结果分析

目前利用玉米秸秆、马铃薯渣等纤维含量高的物质作为原料进行生物发酵生产蛋白饲料的研究较多 （姜心，2010；祝英等，2009；王兴华等，2008），而有关稻壳粉接种混合菌发酵生产单细胞蛋白的研究较少。本试验利用物化方法先将稻壳粉粉碎后进行碱处理，初步分解稻壳粉中难吸收的纤维素类物质，用NaOH处理稻壳粉能破坏其木质素结构，促进木质纤维原料的膨胀，增加内部表面积，降低其聚合度，从而有利于酵母菌和乳酸菌的生长发酵。混合菌种发酵稻壳粉既可以利用酵母菌兼性厌氧发酵的特性，为乳酸菌的发酵制造无氧环境，又可以结合乳酸菌生长产酸的特性降低原料pH值，抑制杂菌的生长，充分利用稻壳粉中的营养物质转化为细胞蛋白。

[1]姜心.苹果渣固态混菌发酵产复合酶的研究：[硕士学位论文][D].泰安：山东农业大学，2010.

[2]刘雅琴，刘天霞，夏青柱.混合菌发酵稻壳粉生产饲料蛋白的研究[J].畜牧与饲料科学，2010，31（9）：19 ～ 21.

[3]司翔宇，葛蕾.苹果渣固态发酵生产饲料蛋白的研究 [J].饲料研究，2005，3：35 ～ 37.

[4]王兴华，邢会霞，任丽萍.玉米秸粉微生物固体发酵饲料的研究[J].安徽农业科学，2008，36（8）：3327 ～ 3328.

[5]邢廷铣.农作物秸秆饲料加工与应用[M].北京：金盾出版社，2000.

[6]余君.不同预处理工艺对稻壳纤维素酶酶解效果的影响：[博士学位论文][D].武汉：华中农业大学，2008.

[7]祝英，王治业，孙智敏，等.多菌发酵马铃薯渣生产蛋白质饲料的研究[J].中国饲料，2009，9：40 ～ 43.