利用糖蜜和甜菜粕开发固态发酵饲料的初步探索

王健，张栋，赵抒娜，，吴子毅，赵金力，陈凌超，张思聪，武运，王宝，

（1.中粮营养健康研究院有限公司/老年营养食品研究北京市工程实验室/营养健康与食品安全北京市重点实验室，北京 102209；2.中粮糖业辽宁有限公司，辽宁营口 115212；3.中粮屯河糖业股份有限公司/农业农村部糖料与番茄质量安全控制重点实验室，新疆昌吉 831100；4.新疆农业大学食品科学与药学学院，乌鲁木齐 830052）

0 引言

甜菜粕是甜菜在制糖过程中，经切丝、渗出、提糖后得到的含糖率很低的甜菜丝[1]，其主要成分为纤维素、半纤维素和果胶，还含有少量蛋白质、糖分、矿物质、甜菜碱、烟酸等营养物质。甜菜粕颗粒能够为动物提供能量，维持动物瘤胃pH 值正常，是一种优良的饲料资源[2-3]。新鲜甜菜粕的含水量较高，存在运输不便、销售半径有限等问题，而且高含水量的甜菜粕在储存过程中不可避免地会发生变质腐烂，不仅造成大量浪费，更能污染生态环境，亟待找到可行的解决方案。糖蜜作为甜菜制糖工业的另一大主要副产物，是一种粘稠、黑褐色、呈半流动状态的液体，其主要成分为蔗糖、葡萄糖、果糖、粗蛋白、可溶性胶体和矿物质等。糖蜜具有消化吸收快、提高适口性、降低粉尘、提高颗粒质量等优点，是一种物美价廉的饲料能量原料[4-5]。目前，大部分糖蜜是以液态形式进行出售，液体状态使得其存储、运输过程存在较多的不便，这也严重限制了糖蜜的运输半径和使用范围。

围绕甜菜粕和糖蜜的资源化利用，国内外学者开展了广泛的研究。从甜菜粕可以提取多种高附加值的工业及民用产品，如果胶、聚乳酸、阿魏酸、阿拉伯糖、半乳糖醛酸等，并可制作聚酰胺或增塑剂、螯合剂和吸附剂、酶类及蛋白质等高附加值产品[6]。张睿[7]的研究表明，通过优化发酵条件，可以利用甜菜糖蜜制取低聚果糖，使低聚果糖的产率大幅提高，增加糖蜜的附加值。李秀永[8]采用串联树脂吸附处理甜菜糖蜜酒精废液,可以从中提取甜菜碱等活性物质，提取物具有一定的抗氧化能力。上述研究均以制糖工业的副产物进行二次开发，需要额外投资生产线及工艺，对产业而言存在投资风险和难度，且将甜菜糖蜜和甜菜粕进行分开应用，没有实现副产物的协同利用。

本文将甜菜糖厂副产物甜菜粕和糖蜜进行协同利用，采用挤压脱水方式控制甜菜粕含水量，并添加固形物含量相对较高的糖蜜，在厌氧密封状态进行固态发酵。通过添加乳酸菌来降解可溶性糖类产生乳酸，降低饲料的pH值，以抑制霉菌和其他细菌的生产繁殖，不仅可以实现青绿多汁饲料长期保存，还可以提升饲料的营养价值[9]。本文通过检测固态发酵后的营养指标、有机酸、菌群数量、真菌毒素等，结合感官评价以综合评价固态发酵的质量，以探讨糖蜜和甜菜粕固态发酵的可能性。有望解决高含水甜菜粕的难以长期保存问题，同时可以提升甜菜糖两大副产物的饲用价值。

1 材料与方法

1.1 试验材料

甜菜粕（含水量75%）和糖蜜（锤度85oBx、含水量15%）：由中粮屯河新源糖业股份有限公司提供。乳酸菌：采购自台湾亚芯公司，菌1：秸秆青贮发酵剂，活性乳酸菌含量≥100 亿/g，适用于糖分含量较低物料的青贮发酵；菌2：全株玉米青贮发酵剂，活性乳酸菌含量≥100 亿/g，适用于水分和糖分含量较高物料的青贮发酵。使用时，将菌种加水溶解，按照一定的比例添加到原料中。

1.2 试验方案

试验分为不添加菌种与添加菌种两个部分，菌种类别、糖蜜含量和含水量如表1 所示，菌种的添加量为每吨发酵饲料添加20 g 菌种。由于糖蜜固形物含量高，因此试验时可以通过调控糖蜜的添加量来控制终产品的含水量，根据终产品的含水量计算所需甜菜粕和糖蜜的比例。将菌种溶液和糖蜜加入到甜菜粕中，添加时充分混合均匀并压实、封口，模拟实际生产中的窖贮或真空裹包，在常温、真空状态下厌氧发酵。

表1 甜菜粕固态发酵条件Table 1 Conditions for solid state fermentation of beet pulp

1.3 检测指标与评定方法

检测产品的营养指标、有机酸、菌群数量、真菌毒素，具体检测项目和检测依据如表2所示。

表2 检测项目和检测依据Table 2 Test items and test standards

此外，根据奶牛营养需求标准NRC（2001）[10]计算甜菜粕饲料的代谢能、泌乳净能、维持净能、增重净能，根据样品质量和消化后残渣质量来计算干物质消化率。

1.4 感官评定

我国现行的青贮饲料质量评定依据是1996年农业部下发的《青贮饲料质量评定标准》，包括了感官评定和化学评定。青贮完成启用时，从青贮饲料的气味、颜色、质地等方面进行感官评定[11]。固态发酵后的色泽为绿色或黄色为最佳；固态发酵后若具有轻微酸味或果香味则代表品质较高，有腐臭、霉变等异味则说明固态发酵质量不佳。

2 结果与分析

2.1 固态发酵对粗蛋白含量的影响

固态发酵完成后，测定粗蛋白的含量，分析不同试验方案对固态发酵饲料粗蛋白的影响，结果如表1所示。由图1A 分析，不添加糖蜜和乳酸菌的甜菜粕原料粗蛋白的含量仅为11.46%，而添加乳酸菌发酵产品Y1和Y2 粗蛋白的含量均值为12.39%，6 组添加糖蜜的乳酸菌发酵产品中粗蛋白含量更高，最高可达14.49%，Y3～Y8粗蛋白含量均值为13.08%，表明在甜菜粕中添加乳酸菌可以强化甜菜粕原料的营养价值，而添加糖蜜，经乳酸菌发酵后可以进一步增加粗蛋白的含量。

图1 固态发酵对粗蛋白含量（A）和洗涤纤维含量（B）的影响Fig. 1 Effect of solid state fermentation on crude protein(A)and detergent fiber content(B)

2.2 固态发酵对酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维的影响

饲料中的酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维可以影响动物的瘤胃消化率和采食率[12]。相较甜菜粕原料，经固态发酵后的酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量变化不一（见图1B）。试验组Y3、Y5、Y7 的含水量均为70%，菌种的添加不同，相较未添加菌种的Y3，添加菌种1，Y5 的酸性洗涤纤维含量下降，中性洗涤纤维稍微升高；而添加菌种2，Y7 的酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维均有所下降。当含水量降低至65%时，如Y4、Y6、Y8 数据所示，添加菌种1，Y6 酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量均上升；而添加菌种2，Y8 酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量均下降。存在上述差异的原因可能是本研究所采用菌种由乳酸菌与酶制剂构成，两种菌种适用范围存在一定的区别，在不同的含水量下，其活性和代谢产物也存在一定差异。

2.3 固态发酵对粗纤维含量与干物质消化率的影响

粗纤维是植物细胞壁的主要组成成分，包括纤维素、半纤维素、木质素及角质等成分。如图2A 所示，在发酵试验中，不同试验处理下固态发酵产品的粗纤维含量可达12.30%，均值为14.71%，显著低于甜菜粕的粗纤维含量（22.72%），说明发酵过程存在强烈的微生物活动，粗纤维降解速率快，粗纤维含量显著下降。干物质消化率是指饲料中动物可消化吸收的营养物质占总营养物质的百分比，干物质消化率越高，表明饲料中可被动物有效利用的营养物质占比越高。试验处理后，干物质消化率可达82.14%，Y3～Y8的干物质消化率均值为78.87%，显著高于甜菜粕原料70.05%。经过发酵，粗纤维降解为更易吸收的小分子单糖多糖，有利于动物对饲料的消化利用。

在乳酸菌发酵过程中添加糖蜜，Y1 的干物质消化率则由74.81%增加至Y5 的75.42%，Y2 的干物质消化率则由80.13%增加至Y7的82.08%，表明添加糖蜜对乳酸菌发酵有促进作用。糖蜜富含蔗糖，可为乳酸菌生长繁殖提供能量，从而加剧乳酸菌活动，促进粗纤维降解，提高动物对饲料中总干物质的消化利用效率。

2.4 固态发酵对能量指标的影响

固态发酵对甜菜粕饲料代谢能的影响如图2B所示，可以看出添加糖蜜乳酸菌发酵的能量指标出现不规则变化。糖蜜含糖率可达到50%以上，能量指标高于甜菜粕原料，因此，添加糖蜜后，Y5 的代谢能、泌乳净能、维持净能和增重净能均高于Y1，Y7的代谢能、泌乳净能、维持净能和增重净能也均高于Y2。当甜菜粕含水量不同时，不添加菌种的Y4 的代谢能、泌乳净能、维持净能和增重净能均高于Y3。而通过糖蜜来调节甜菜粕含水量时，添加菌种1时，低含水量的Y6的代谢能、泌乳净能、维持净能和增重净能均低于Y5；添加菌种2 时，低含水量的Y8 的代谢能、泌乳净能、维持净能和增重净能均高于Y7，可能是由于添加糖蜜后促进了菌种1繁殖速度，消耗养分量增加，导致最终发酵产品能量指标出现下降。

图2 固态发酵对粗纤维含量与干物质消化率（A）及代谢能（B）的影响Fig. 2 Effect of solid state fermentation on crude fiber content,dry matter digestibility(A)and metabolic energy(B)

2.5 固态发酵对有机酸和pH值的影响

在固态发酵饲料的质量评定中，有机酸含量及构成也是重要组成部分。有机酸包括乳酸、乙酸、丙酸和丁酸，其存在总量与乳酸含量可以反映固态发酵过程的好坏。

如表3 所示，可以发现乳酸菌处理的8组乳酸含量均高于甜菜粕原料，表明了加入乳酸菌种可以提升乳酸菌含量。对比Y1 和Y5、Y2 和Y7，发现相同条件下，在固态发酵甜菜粕的体系中添加一定量糖蜜，乳酸的含量大幅提升，如Y7 乳酸含量达到2.14%，高于不添加糖蜜Y2 的0.50%，添加糖蜜后乳酸含量约增加4 倍。此外，糖蜜添加量越高，乳酸含量越高，如Y6 乳酸含量达到2.58%，Y4 达2.65%，高于糖蜜更低的Y5 的1.92%，表明糖蜜对发酵过程有明显促进作用。

表3 甜菜粕原料及固态发酵产品有机酸含量Table 3 Organic acid content of beet pulp and solid fermentation products

pH 值是评价固态发酵饲料品质最简单且最直观的指标之一，pH 值越低，酸度越大，固态发酵饲料越容易保存。试验时，跟踪甜菜粕固态发酵过程的pH 值变化，随着发酵时间的延长，pH 值在发酵初期下降迅速，在发酵10 d 以后，添加糖蜜的试验样品pH 值下降到3.0 以下，不添加糖蜜的试验样品pH 值要偏高，为4.0左右，表明添加糖蜜可以促进乳酸菌的发酵，提高乳酸产量，降低pH值。

2.6 固态发酵对菌群数量的影响

甜菜粕固态发酵中所含主要微生物为乳酸菌、酵母菌、霉菌，在成功的固态发酵中乳酸菌含量最多，是固态发酵中的有益微生物，后两种微生物在固态发酵初期较活跃，很快进入稳定的休眠状态。试验中检测了甜菜粕原料、甜菜粕加菌发酵样品中的菌群数量。在甜菜粕原料中，霉菌小于10 CFU/g，酵母菌约40 CFU/g，乳酸菌数量仅为1.0×104CFU/g，低水平的菌落数量有利于甜菜粕的保存。糖蜜和甜菜粕加菌固态发酵后样品中霉菌小于10 CFU/g，酵母菌约3.7×104CFU/g，乳酸菌数量高达8.0×108CFU/g。由数据可知，乳酸菌菌群数量始终占主导地位，对比发酵前后的数据，说明了添加乳酸菌可有效抑制霉菌的生长，酵母菌数量的增长可能是因为甜菜粕加糖蜜后酵母菌被活化，进行了生长繁殖。

2.7 真菌毒素检测

饲料中常见真菌毒素包括黄曲霉素、玉米赤霉烯酮、脱氧雪腐镰刀菌烯醇。对甜菜粕发酵产品中的3种真菌毒素进行检测，均未检出，即固态发酵的产品能够满足饲料的相关要求，不会对动物的健康产生不利影响。

2.8 感官评价

现场指标评定结果是由固态发酵料的气味、结构、色泽等相关感官指标综合评定而来，是最直观也是最简单的评价固态饲料质量好坏的方法之一。结合pH 值和水分含量，对各试验进行感官评价综合打分，数据见表4。通常来讲，优等的固态饲料气味无丁酸臭味，有芳香果味或明显的面包香味，质构保持良好，无霉变，色泽与原料相似，烘干后呈淡褐色，另外在手感上，要感觉松软不粘手。

表4 甜菜粕原料及发酵产品感官评定得分表Table 4 Results of sensory evaluation of solid fermentation products

甜菜粕原料的结构较差，主要是由于其含水量较高，导致饲料表面带有粘性，若作为商品直接出售，也不会具有太大价值，而其余样品含水量均在75%及以下，结构松散软弱不粘手。加菌发酵后，由于乳酸菌产生大量乳酸，可使甜菜粕中的异味成分得到抑制，使得产品的气味水平提升，尤其是添加糖蜜的样品气味得分较高，可以达到酸香味，酸味强烈；对于饲料色泽，由于糖蜜颜色呈深褐色，所以加糖蜜处理的样品颜色较深，得分偏低，不加糖蜜的样品可达到褐黄色和亮黄色。综合评估，甜菜粕原料经固态发酵后可达到良好级，添加糖蜜进行固态发酵，感官评价为优等。说明添加乳酸菌和糖蜜可有效改善饲料风味，增加饲料适口性。

3 结论

本文以甜菜粕和糖蜜为原料，通过添加乳酸菌种开展固态发酵试验，通过检测固态发酵后的营养指标、有机酸、菌群数量、真菌毒素等，结合感官评价以综合评价固态发酵的质量。研究发现，在甜菜粕发酵中同时添加乳酸菌种和一定量糖蜜，发酵终产物的粗蛋白含量可达14.49%，粗纤维含量可达12.30%，干物质消化率可达82.14%，表明发酵进程可以强化甜菜粕原料的营养价值，提高动物对饲料的消化利用。此外，乳酸含量有所提高，可达到2.65%，有利于降低发酵体系pH 值，抑制杂菌生长，并且添加糖蜜的发酵甜菜粕感官品质也得到提升，具有酸香气味，整体感官评价达到了优等级。

本文的研究从产业的实际生产角度出发，提出含水量较高的甜菜粕应用方案，不仅对于含水量较低的甜菜粕颗粒相关研究做补充，相关结果也有助于解决甜菜粕贮藏期短和糖蜜储存运输不便的问题，有助于提升甜菜粕的附加价值，弥补饲料供应淡季的市场需求，助力甜菜产业的发展和产品升级。