马铃薯渣饲料化利用研究进展

刘 琳，赵宇慈，苏德花，曾凡逵*

（1.中国科学院兰州化学物理研究所，甘肃 兰州 730030；2.西吉县万里淀粉有限公司，宁夏 固原 756200）

2015 年，农业部宣布中国启动马铃薯主食化战略[1,2]，目前马铃薯已成为中国第四大粮食作物[3]，2020 年全国马铃薯鲜薯产量达到1 亿t，全国马铃薯种植面积稳定在533.33 万hm2以上。在中国，马铃薯占粮食产量和农作物总播种面积比例常年保持在3%左右[4]。随着马铃薯繁育技术的不断发展，中国马铃薯产量不断增加，产业链不断延伸，供应链不断完善，价值链不断提升，马铃薯的增值空间不断拓宽，马铃薯淀粉加工业中伴生的废渣因是一种可利用的宝贵再生资源且数量庞大而引起了广泛关注。

目前，对马铃薯渣资源的利用主要有直接饲喂或经脱水干燥处理后出售的处理方式，但是这些方式存在很大弊端：（1）不经处理的马铃薯渣作为饲料营养价值差，蛋白含量低，粗纤维含量高，饲用生物效价低；（2）未经干燥处理的马铃薯渣水分高，不易去除，贮存和运输困难，将其干燥脱水能耗大，成本高；（3）新鲜薯渣微生物种群丰富，易腐败变质，将其丢弃，浪费资源的同时污染环境。因此，为了更好的利用薯渣，从成本、效益、技术、质量、环保等方面综合考虑，采用微生物发酵处理是最佳解决弊端的方式。

目前，马铃薯淀粉加工厂对马铃薯废渣利用的方式主要有2 种，其中一种是通过初步脱水后出售给农民当饲料，初步脱水后的薯渣，再次通过晾晒或烘干处理后，作饲料添加剂，开发膳食纤维食品、发酵产品；另外一种是国内外有不少研究利用生物技术，用马铃薯渣发酵生产单细胞蛋白，合理利用薯渣资源的同时增加淀粉加工企业的盈利[5]。比较2 种利用方式，第2 种方式更加合理、有效，饲用效价和经济效益更加明显。

利用微生物发酵将薯渣转化为具有特殊香味、营养丰富、适口性好、附加值高的高蛋白饲料。微生物发酵使微生物利用或者酶解纤维素，提高吸收利用率。微生物刚好能够利用新鲜薯渣中的水分，利用发酵减少薯渣对环境的污染，并通过代谢转化产生更多营养物质。该方法适用范围广、效率高、生产效益好，是一种值得广泛应用且能解决当下畜牧业和农业较为先进的生产废弃物再利用和饲料短缺的方法。

1 马铃薯渣饲用价值

从物理组成来看，薯渣由马铃薯的细胞碎片、细胞壁残留物、残留淀粉颗粒以及薯皮细胞等构成[6]；从化学组成来看，新鲜马铃薯渣中含有作为饲料的基本营养物质和生长因子，具体成分和含量见表1[7]。

表1 新鲜薯渣的营养成分Table 1 Nutritional content of fresh potato residue

未经处理的马铃薯渣中淀粉含量是最高的，是动物能够利用的优质碳水来源，经过酶解或发酵的淀粉能分解成小分子糖，更易被动物吸收利用，也是很好的生长因子。纤维素、半纤维素和果胶含量也较高，纤维可以帮助动物肠胃蠕动，促进消化；果胶能为动物提供能量，在动物体内被吸收后，可转化成体脂肪或乳脂肪。薯渣中含有部分钾、钙、镁等矿物元素，这些矿物元素是维持机体正常生理功能必不可少的，有的对提高机体的免疫力和促进动物发育至关重要。薯渣中含有蛋白质，蛋白质是动物体必不可少的营养物质，是合成机体某些功能性物质的重要成分，如酶、抗体和激素等，也能作为发酵基质在发酵饲料过程中为微生物提供重要的营养物质。因此，马铃薯渣具备饲料化的基础营养条件，是具备开发前景的一种饲料原料。

相关研究显示[8]，马铃薯渣中自带菌种数量多达15类33种，其中细菌多达28种，还有4种霉菌和1 种酵母菌[9]，这些菌种都含有较为丰富的营养物质和功能，其中，霉菌能够分解纤维素和淀粉，酵母菌菌体中含有非常丰富的蛋白质、B 族维生素、糖、酶等多种营养成分，并且能提高动物免疫力、生产性能，减少应激反应。同样也带有大肠杆菌等多种致病菌，加速薯渣腐败，威胁薯渣作为饲料的安全性。因此，马铃薯渣实现饲料化应当趋利避害，利用好有益菌，抑制有害菌，通过发酵菌种的筛选和条件优化，使马铃薯渣成为具有更高营养价值、更安全的饲料资源。

2 马铃薯渣饲用方式

2.1 直接使用

马铃薯渣最简单直接的使用方式是经初步脱水就近进行饲喂。但是在实际生产中很少有直接将马铃薯渣作为主要饲料进行饲喂。原因主要是马铃薯渣杂菌含量高、糖苷生物碱含量高，直接饲喂造成动物拉稀和肠道中毒。西北部分地区有农户将新鲜薯渣蒸煮或直接少量参入其他发酵饲料中饲喂牛羊。国内大部分马铃薯加工企业收购的原料薯都是露天堆放，露天堆放时间越长，原料薯中的有毒性糖苷生物碱含量越高，有时薯渣中残留生物碱含量超过国际规定20 mg/100 g 的10倍以上。糖苷生物碱具有耐高温的特性，120℃也难以将糖苷生物碱分解。因此，一般不建议直接将薯渣作为饲料饲用。

2.2 酶 解

酶的作用是通过降解功能使不易消化吸收的大分子物质转化成容易消化吸收的小分子物质，薯渣中主要包括淀粉、纤维、果胶等大分子物质。因此，目前使用较多的是淀粉酶、纤维素酶和果胶酶，这些酶根据想要达成的效果可以单独使用，也可以组合使用。酶解马铃薯渣的效果见表2。

表2 酶解马铃薯渣Table 2 Enzymatic hydrolysis of potato residue

纤维素酶的主要作用是降解大分子的纤维，使可溶性膳食纤维的含量提升，通过纤维素酶的作用一方面利于动物的消化吸收，另一方面改善饲料的适口性。耐高温型α-淀粉酶促进马铃薯渣中淀粉的分解，提高了原料利用率。在处理马铃薯渣的过程中，2 种酶可以单独使用，也可以组合使用，组合使用时探索到最佳酶解条件能够得到更好品质的饲料。

2.3 发 酵

在马铃薯渣中接种发酵饲料的专用菌剂，经过发酵，薯渣中纤维、淀粉被微生物菌群代谢转化成小分子糖，并代谢产生蛋白质或者含氮物质，不仅可以提高发酵后薯渣的粗蛋白质含量，发酵后薯渣中的氨基酸、微生物和各种生物酶都会相应提高，并且微生物经过生长繁殖，最终发酵产物含有大量的菌体蛋白。

发酵根据形态可分为液态发酵和固态发酵2种方式。根据马铃薯渣的形态，其发酵形式更适合固态发酵，即利用微生物在固态湿培养基上进行发酵。固态发酵根据是否对原料进行糖化处理分为生料发酵和熟料发酵。将马铃薯渣初步脱水后进行发酵即生料发酵，因薯渣中含有多种菌群，此方法杂菌污染几率大，生产工艺的参数难以确定；而将马铃薯渣糖化后再发酵，此方法使用专门的菌种糖化发酵，染菌率小、发酵条件可控、发酵质量较高[13]。常用的饲料发酵菌种包括酵母菌、霉菌、芽孢杆菌、乳酸菌等，他们能够产生多种活性水解酶、淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶、果胶酶等，能够消除饲料中的抗营养因子，同时优势菌种的大量繁殖对病原菌和腐败菌有抑制作用，菌体蛋白含量高、氨基酸充足，可提高发酵产品的营养价值，同时也提高了发酵饲料的适口性。

不同菌种发酵效果不同，因此，优化菌种是发酵的关键。目前国内外的研究更趋向于利用多菌种混合生产发酵马铃薯渣，并注重菌种间的协同性和互补性，使其发挥更大的效用。多菌种混合发酵可以通过不同代谢能力的组合，完成单个菌种难以完成的复杂代谢反应，从而提高发酵产品质量、提高转化率。同时，也在探索最优的发酵条件，包括发酵时间、温度、料层厚度、接种量、尿素或其他氮源添加量等。目前，关于马铃薯发酵的研究见表3。

表3 马铃薯渣发酵菌种、发酵条件及效果Table 3 Potato residue fermentation strain,fermentation condition and result

续表3

另外，在马铃薯淀粉生产过程中，会产生大量的工艺水（分离汁水），其中含有大量的蛋白质、氨基酸、小颗粒淀粉、低聚糖、有机酸等有机营养物，也含有植物所需的氮、磷、钾等[24]，将马铃薯淀粉工艺水中蛋白等营养物质提取回收，添加在马铃薯渣中一并发酵，增加其蛋白含量，也是马铃薯副产物资源化和高值化利用的有效途径之一。

3 马铃薯渣饲用效果

马铃薯渣发酵饲料适合牛、羊、兔、猪、鱼等农家畜禽等动物的养殖，在家禽饲料中可根据需求适量添加。利用接种薯渣专用菌剂的方式发酵，淀粉企业生产级别在万t级以上时，可产生的薯渣发酵饲料年产量可达3万~8万t。

3.1 反刍动物

发酵马铃薯渣由于含有大量的纤维，用于反刍动物饲料的研究较多。发酵薯渣对反刍动物最明显的改善是增重和提升产奶量。薯渣发酵饲料在反刍动物的应用见表4。

表4 薯渣发酵饲料在反刍动物的应用Table 4 Application of potato residue fermented feed in ruminants

3.2 非反刍动物

应用于禽类的马铃薯发酵饲料研究表明，发酵马铃薯渣对禽类生长无不良影响，适当的添加可以改善肉质、提高蛋白质利用率[9]。薯渣发酵饲料在非反刍动物的应用见表5。

表5 薯渣发酵饲料在非反刍动物的应用Table 5 Application of potato residue fermented feed in non-ruminant animals

4 马铃薯渣发酵饲料存在的问题

目前，马铃薯渣饲用利用率很低，马铃薯渣发酵饲料的应用范围很小，主要限制因素是马铃薯中含有有毒物质糖苷生物碱，Friedman[2]研究了一种商品马铃薯浓缩蛋白中的糖苷生物碱，结果显示糖苷生物碱含量高达200 mg/100 g，严重超出了食品安全上限20 mg/100 g。近年对中国多地马铃薯淀粉加工分离汁水提取回收的蛋白和薯渣中糖苷生物碱含量的监测研究发现，北方马铃薯一季作收获高峰期，淀粉企业集中收购马铃薯原

料露天堆放超过一周以上的回收蛋白和薯渣中基本都出现了糖苷生物碱超过20 mg/100 g 的食品安全上限。糖苷生物碱不易分解，达到一定量时会损害动物的消化系统，引发动物疾病，或者导致减重。因此，马铃薯渣高值化利用首要解决的问题是研究如何有效降低糖苷生物碱含量。

5 结 语

随着中国马铃薯加工产业特别是淀粉加工业的不断发展，马铃薯渣的资源化和高值化利用研究成为了越来越重要和迫切的内容。目前中国大部分马铃薯淀粉加工产生的大量薯渣，因含水量高、易腐败变质，成为企业最严重的固体污染物，是环保部门的重要监管对象之一。多数企业需要雇佣专门车辆拉到田间地头，洒在农田中作为有机肥施入地中用土覆盖；部分企业堆在厂区附近，自然晒干后做燃料用。处理不当就会造成环境污染。因此，解决马铃薯渣的资源化利用特别是饲料化利用是较科学便捷的固废处理方式。薯渣因果胶含量高，脱水困难，通过机械和填料适当脱水，达到固体发酵要求，可以大幅度节约常规干燥脱水能耗高的问题。未来应对马铃薯渣发酵的具体生产工艺和参数进行定量化研究，薯渣脱除糖苷生物碱毒性和抑制杂菌滋生，并对不同菌种混合发酵的作用机制、在动物体内的作用渠道进行深层次研究，开发符合经济效益和工业化生产的制备方式，使发酵马铃薯渣能够更好地应用于饲料生产，解决饲用蛋白质资源短缺的问题。同时当地政府设立引导资金，对延伸马铃薯渣饲料产业链条中添补当地空白的产品和技术给予一定的资金补助或贷款贴息[34]，以推进产业链发展。