食醋是我国传统的调味品,具有促消化、抗疲劳、抗氧化、加强肝脏机能等多种功能[1]。根据2018年中国调味品协会数据显示,目前我国食醋年产量接近500万t,会产生300万t左右醋糟,而山西食醋年产量约80万t,醋糟产量约50万t[2-3]。山西老陈醋是以高粱、麸皮、稻壳等为主要原料,选用大曲为生物发酵剂,采用传统的固态发酵工艺酿造而成[4-5]。在食醋酿造过程会产生大量的副产物醋糟,经固态发酵、固液分离后得到的醋糟主要成分由粗纤维素(15%~35%)、粗蛋白(6%~14%)、粗脂肪(2%~10%)、粗灰分(4%~10%)以及多种矿物元素和维生素成分组成,具有可资源化利用的价值[6-7]。
我国常规饲料原料(如玉米、豆粕等)的供给不足以及价格的升高己经成为制约我国养殖业生产和发展的重要因素,从2017年开始我国玉米资源就供不应求,依赖进口[8]。据中国饲料工业协会统计,2021年全国豆粕用量比上年增长5.7%,进口量9 652万t。同时,国际市场豆粕价格上涨较快且不稳定。因此,开发利用非常规饲料资源对于缓解常规饲料资源不足的现状具有重要意义。醋糟是重要的非常规饲料原料之一,在日常饲料中直接添加适量的醋糟,其有利于动物生长,促进消化,减少肠道疾病,降低饲料成本。但是,醋糟中较高的纤维素含量和较低的蛋白含量影响了其适口性和饲养效果[9]。当前已有研究通过现代生物发酵技术改变了醋糟的营养物质组成,改善了醋糟的饲用效果[10],有望解决醋糟资源浪费、环境污染等问题[11]。近年来,已有较多关于微生物发酵醋糟的报道,例如微生物发酵醋糟制备饲料、生产活菌、生产酶制剂,拓宽了醋糟高值化利用的新途径。本文对醋糟的营养成分、微生物发酵醋糟制备蛋白饲料及饲料添加剂的研究进展和现状进行了综述,旨在为食醋酿造行业绿色循环生产和醋糟高值化利用技术开发提供理论参考。
近几年我国养殖业发展迅速,对饲料原料的需求也逐年增加,特别是优质低成本饲料尚存在较大缺口,利用新型饲料资源开发绿色饲料迫在眉睫[12]。目前,醋糟作为一种非传统饲料原料,通常是直接利用,即干燥后的醋糟直接作为饲料辅料或代替部分基础饲料,因其高纤维和灰分含量不易被动物消化利用[13]。现阶段科研人员已实现了利用微生物发酵醋糟生产蛋白饲料以及饲料添加剂(微生态制剂和酶制剂)等产品,且相关研究工作呈现出不断增多的趋势[14-15]。
醋糟经微生物发酵后可以产生特殊的香味,有助于改善饲料的适口性、提高动物的食欲[16]。同时,还能产生酶、氨基酸等多种生物活性物质,提高饲料的营养物质、改善体色等[17]。醋糟通过微生物发酵后应用,不仅可以拓宽其在养殖业中的适用范围,还能降低养殖业成本,变废为宝,产生经济效益。
醋糟采用微生物发酵后可以有效地降低其粗纤维含量,促进动物消化,同时利用微生物将部分非蛋白氮转化为真蛋白,提高饲料蛋白含量[18]。崔耀明[19]探究单菌和混菌发酵对醋糟的降解作用,研究发现单菌发酵对醋糟的降解作用有限,经黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)ACCC 30414、康氏木霉(Trichoderma koningii)CGMCC 3.2878、黑曲霉(Aspergillus niger)ACCC 30557和无花果曲霉(Aspergillus ficuum)NTG-23组成的混菌组合对醋糟的降解作用最优,其中半纤维素比发酵前降低了68.61%。乔君毅等[20]利用黑曲霉(Aspergill usniger)、产朊假丝酵母(Cadi dautilis)和酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)等比例混合发酵醋糟饲料,可获得粗蛋白含量为39.24%的蛋白饲料且蛋白酶活也有所提高。杨立杰等[21]以醋糟为发酵原料,利用布拉式酵母菌(Saccharomyces boulardji)、植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)及地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)发酵饲料。结果表明,日粮中添加发酵醋糟饲料可提高育肥猪的肠道健康和免疫性能。综上所述,菌株对发酵蛋白饲料的品质提升具有重要作用。
将醋糟与其他配料按一定比例混合添加菌种发酵后能提高饲料中的蛋白质含量及综合营养价值。刘军[22]将醋糟和麸皮按8∶2的质量比混合,加入酵母菌As2.617于36 ℃下固态发酵40 h干燥得成品蛋白饲料。结果表明,醋糟经发酵后,其粗蛋白由7.9%提高到22.6%,而醋渣中粗纤维含量下降了约10%。利用酵母菌发酵醋糟后得到的蛋白饲料比未经发酵的醋糟在色泽、香味和适口性等方面均有显著提高。梁静波等[23]采用平菇(Pleurotus ostreams)、酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、产朊假丝酵母(Candida utilis)和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)对餐厨垃圾和醋糟混合物料进行固态发酵生产蛋白饲料,当餐厨垃圾与醋糟质量比为67∶33,混合菌种添加量为10.46%时,在32 ℃发酵72 h时饲料中真蛋白含量高达24.04%,较初始条件提高了28.97%。徐秀梅[24]以醋糟为主料,麸皮、玉米浆为辅料,利用产朊假丝酵母(Candida utilis)LQ-2-12、酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)LQ-2-18和长柄木霉(Trichoderma)LQ-3-15混合发酵生产微生物发酵饲料。结果表明,发酵后的饲料中含有多种维生素、生物酶、氨基酸等,真蛋白含量提高了15.6%,纤维素降解率为27%。综上所述,原料基质的配比对发酵蛋白饲料的品质提升具有重要的作用。
一般采用固态发酵的方式发酵饲料,影响饲料发酵质量和产品成本的关键是反应器[25]。林克龙等[26]在发酵反应器方面进行了大量的研究,研制出了一种新型的转轴式固态发酵反应器。分别采用转轴式和转鼓式两种不同的反应器进行醋糟固态发酵试验,实验结果显示,当干醋糟与麸皮质量比为8∶2,含水率为65%,添加10%热带假丝酵母(Candida tropicalis)与绿色木霉(Trichoderma viride)配比为3∶1的混合菌液时,在30 ℃通气(65 L/min),每4 h搅拌一次的实验条件下,采用两种反应器进行发酵饲料,结果表明,利用转鼓式反应器发酵饲料中真蛋白质含量约为25%高于转轴式反应器发酵饲料中的真蛋白含量。
肉类产品是人们日常生活中不可或缺的一部分,其安全问题日益受到人们的重视[27]。自20世纪50年代起,抗生素在动物饲料中得到了广泛的应用,其在提高动物机体生长发育的同时也产生了明显的副作用如:导致动物产生抗药性、药物在动物体内残留影响产品品质和周围环境污染等[28]。当前已进入替抗时代,绿色安全的饲料添加剂研发和生产也成为养殖业关注的热点方向之一。
在畜禽养殖业中普遍应用的饲料添加剂可分为两类:第一类是营养性饲料添加剂,是直接对动物发挥营养作用的微量物质,主要用来均衡或强化饲料的营养成分,进一步提高饲料的利用率,改善动物产品质量;第二类是非营养性饲料添加剂,不是饲料中固有的营养成分,而是以少量的方式添加到饲料中,通常用来满足动物的特殊需求,如预防疾病、促进生长、增强食欲等[29]。
营养性饲料添加剂按照分类主要包括:维生素类、矿物质类、氨基酸类等[30],其中利用醋糟制备维生素类饲料添加剂在畜禽养殖中应用较多。
类胡萝卜素有上百种,是自然界最普遍稳定的天然色素。β-胡萝卜素是其中的一种,在植物中广泛存在,可在哺乳动物体内转化为维生素A,具有抗氧化、抗癌、调节机体免疫力等功能。β-胡萝卜素作为饲料添加剂和营养强化剂,早已被联合国粮农组织和世界卫生组织批准为无毒、无害、有营养的添加剂。类胡萝卜素不能在动物体内合成,主要通过外界采食获取[31-32]。目前,已有文献报道的类胡萝卜素合成途径有:化学合成法、天然提取法、微生物发酵法。微生物发酵法因具有能耗低、易于培养、安全、无毒等优点受到越来越多的关注[33]。由于醋糟含有大量粗纤维,因此可以作为生产类胡萝卜素饲料添加剂的新原料。
张林[34]通过单因素试验与响应面优化试验,探究了好食脉孢菌(Neurospora sitophila)发酵醋糟的最佳工艺条件。确定当醋糟与麸皮质量比为7∶3,好食脉孢菌接种量为8%时,在29℃发酵85h时,类胡萝卜素产量最高,为68.05 mg/kg。在1 kg醋糟培养基中添加4.2 mg桔子皮作用最显著,类胡萝卜素产量高达119.85 mg/kg,是对照组(67.01 mg/kg)的1.79倍。郑洛昀等[35]探讨了酶解法和酸解法水解醋糟对培养红酵母(Rhodotorula sp.)AS2.2241生产类胡萝卜素的影响。结果表明,与酸解醋糟产类胡萝卜素的产量17.61 mg/g相比,酶解醋糟产类胡萝卜素的产量较高,为19.94 mg/g,而且酶解反应较温和,操作简单。红酵母降解纤维素、半纤维素能力较弱,单独发酵醋糟生产类胡萝卜素含量较低。高佳等[36]以醋糟为原料,利用好食脉孢菌(Neurospora sitophila)和红酵母(Rhodotorula sp.)协同发酵生产类胡萝卜素,结果发现,两种菌共同发酵醋糟生产的类胡萝卜素含量(94.1 mg/kg)高于好食脉孢菌单独发酵醋糟生产的类胡萝卜素含量(80.1 mg/kg),而且真蛋白含量、纤维素酶活力和木聚糖酶活力均显著提高。综上所述,好食脉孢菌和红酵母混合发酵醋糟可产生大量的类胡萝卜素及其他有益物质,为微生物发酵醋糟生产营养性饲料添加剂提供理论基础。
非营养性饲料添加剂主要包括微生态制剂、饲用酶制剂[37],其中利用醋糟发酵的非营养性饲料添加剂主要为微生态制剂和饲用酶制剂。微生态制剂是一类活菌制剂,一般是由微生物或促进微生物生长的物质制成的。其具有调节、补充或维持动物肠道内微生态平衡的功能,可以达到防病治病、促进宿主机体生长的目的[38]。饲用酶制剂是一种由细菌、真菌等微生物发酵而成的具有催化活性的蛋白类物质。添加饲用酶制剂可以消除饲料中抗营养因子,促进饲粮养分消化和吸收,提高畜禽的生长速度、饲料转化效率[39-40]。
2.2.1 微生态制剂
目前,常用于各类畜禽产品生产中的微生态制剂主要包括芽孢杆菌类、乳酸菌类、酵母菌类等,利用醋糟发酵制备的微生态制剂主要为芽孢杆菌类[41]。地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)是微生态制剂常用的两种生产菌株,地衣芽孢杆菌在促进消化、增强免疫力、防止腹泻等方面具有明显的效果;枯草芽孢杆菌具有调节动物肠道菌群、促进动物对营养的消化和吸收功能,进而促进动物生长发育[42-43]。当前,在工业化生产中,以玉米粉、豆粕、麸皮等为主要原材料。醋糟酶解液代替传统发酵培养基生产芽孢杆菌,在资源循环再利用方面具有十分重要的意义[44]。
李小连[45]利用水热处理法,经机械粉碎和纤维素酶酶解技术预处理醋糟制得醋糟酶解液,利用醋糟酶解液代替传统发酵培养基作为碳源发酵生产枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌两种不同的菌种。研究结果表明,在醋糟酶解液培养基、葡萄糖培养基中葡萄糖含量相同的情况下,发酵28 h,地衣芽孢杆菌达到最高活菌数2.03×109 CFU/mL,与葡萄糖培养基活菌数(8.07×108 CFU/mL)相比,提高了151.55%。发酵40 h,枯草芽孢杆菌达到最高活菌数4.64×1010 CFU/mL,与葡萄糖培养基活菌数(3.56×1010 CFU/mL)相比,提高了30.34%。当醋糟酶解液初始糖质量浓度为50 g/L时,枯草芽孢杆菌TS-02达到最高活菌数5.76×1010 CFU/mL,芽孢生成率在85%以上。
2.2.2 饲用酶制剂
饲用酶制剂按照功能可分为两大类:第一类主要包括对多糖和生物大分子物质起关键降解作用的糖化酶、蛋白酶、甘露聚糖酶、纤维素酶、木聚糖酶,它们的主要功能是破坏植物细胞壁,使细胞内容物充分释放出来。第二类主要包括植酸酶、β-葡聚糖酶、果胶酶,它们主要降解植酸、β-葡聚糖、果胶等抗营养因子,促进饲料的吸收利用,提高饲料的利用率[46]。
部分动物饲料中含有较高的粗纤维,难以被高效地分解,导致动物对饲料中其他营养物质的吸收严重降低[47]。已有研究人员尝试将可降解生物大分子物质的酶类添加到饲料中提高饲料的利用率,使用醋糟为主要原料发酵生产绿色、安全、廉价的饲用酶制剂也有报道。段睿等[48]研究了采用好食脉孢菌(Neurospora sitophila)固态发酵醋糟和豆渣生产木聚糖酶的最佳工艺条件,当醋糟和豆渣添加质量比为25∶2,在料水比1∶3(g∶mL),接种量106个孢子/瓶、pH 5.5,温度28 ℃的条件下培养3 d时,发酵生产的木聚糖酶活力为412.34 U/g,较优化前的114.95 U/g提高了约3.59倍。CUI Y等[49]利用多菌种固态发酵醋糟降解木质素制备复合酶制剂,利用黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)ACCC 30414、康氏木霉(Trichoderma koningii)CGMCC 3.2878、黑曲霉(Aspergillus niger)ACCC 30557和无花果曲霉(Aspergillus ficuum)NTG-23等量混合发酵醋糟,在温度25 ℃的条件下培养5 d时,发酵产生的木聚糖酶活力为439.07 U/g干基、纤维素酶活力为8.15 U/g干基,均比单菌发酵的最高值高。
植酸酶是一种可以逐步催化植酸及植酸盐水解成肌醇和无机磷酸盐的新型绿色添加剂[50]。醋糟具有疏松的物质结构,是发酵生产植酸酶的重要廉价原料。邓永平等[51]以干醋糟为主料,麸皮为辅料,利用好食脉孢菌(Neurospora sitophila)发酵生产植酸酶,发现在料水比为1∶3(g∶mL),pH值为5.5,培养温度为28 ℃,培养时间为72 h的条件下,植酸酶活性达到127.1 U/g,较优化前(47.59 U/g)提高了约2倍。王志红等[52]研究发现,无花果曲霉(A.ficuum)NTG-23可以在醋糟培养基中生长并产生植酸酶,在10 g醋糟培养基中发酵271 h后植酸酶的酶活最高可达98.37 U/g。将产生的植酸酶饲喂蛋鸡,通过试验发现,蛋鸡排泄物中磷含量减少了22.14%,并且降低了饲喂成本。
综上,采用微生物发酵醋糟生产饲用酶制剂具有较低的成本和较高的附加值,同时为饲用酶制剂的生产提供新途径、为醋糟资源饲料化利用提供科学依据。
我国养殖业迅速发展,常规饲料原料供应紧张,利用醋糟代替常规饲料原料发酵蛋白饲料是缓解常规饲料资源不足的一种有效途径。发酵醋糟生产蛋白饲料不仅营养物质丰富而且具有独特香味,提高动物采食量。人们食品安全意识提高,选择绿色安全饲料添加剂饲喂畜禽受到大家关注,发酵醋糟生产类胡萝卜素和植酸酶,为醋糟资源高效利用提供新方法,新思路。随着微生物发酵工艺的不断完善,以醋糟为原料的发酵饲料和饲料添加剂的开发应用具有广阔的发展前景。
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