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发酵麸皮的功能及在动物饲料中的应用
来源:国际畜牧网- 中国畜牧杂志    2017年12月28日    点击:950

近年来,随着人们对食品营养及高质量食品的关注,小麦麸皮逐渐进入食品保健品领域。但由于其粗纤维及不溶性膳食纤维含量高,影响口感,同时容易被呕吐毒素污染等原因,限制了其在食品及饲料领域的产业化应用。

我国小麦麸皮资源丰富, 每年大约有两千多万吨的麸皮副产品,可通过物理方式改变其特性,也可通过生物方法进行发酵处理后提高其附加价值以充分合理利用这些资源。同时随着饲料中促生长类抗生素的逐渐禁用,开发营养平衡、绿色保健饲料成为一种趋势。生物发酵方式的价值及理念逐渐被认可,如发酵豆粕作为优质蛋白原料,已经得到广泛的应用,而发酵麸皮目前在动物饲料中应用较少,其应有的价值被低估。本文主要综述了麸皮发酵常用菌种及发酵麸皮的功能特点,为其在动物饲料中的应用提供参考。

1 麸皮的理化特点

将小麦提取胚和胚乳后的残留物统归为麸皮,主要由皮层和糊粉层组成,约占小麦籽粒的22%~25%。麸皮中蛋白质、矿物质等含量较胚乳丰富,可以开发为麦麸膳食纤维乳酸饮料,提取谷氨酸、多糖、丙酮、丁醇等。同时小麦麸皮中也富含膳食纤维、叶酸、维生素B、多酚类物质。酚类化合物和活性多糖为麸皮的两大类生理活性物质,活性多糖主要为小麦膳食纤维等,可以调节断奶仔猪肠道菌群结构;而酚类物质主要包括酚酸、类黄酮及木酚素等,具有抗氧化的功能。此外,麸皮中氨基酸平衡,但有较高含量的粗纤维及抗营养因子,容易受呕吐毒素等污染。麸皮成分也因小麦品种、品质、制粉工艺条件、面粉出率的不同而有所差异。麸皮及发酵麸皮的主要营养成分见表1。

2 麸皮发酵

麸皮通过微生物的发酵可以改变纤维的结构, 降低抗营养因子含量,提高蛋白质含量及消化率,可部分替代蛋白饲料,是一种优质的蛋白饲料原料。

2.1 发酵菌种

常用于麸皮发酵的微生物主要有乳酸菌、枯草芽孢杆菌、酵母菌、霉菌等。乳酸菌是一类能利用碳水化合物产生乳酸的革兰氏阳性厌氧菌。根据乳酸菌的代谢方式可将其分为同型发酵乳酸菌和异型发酵乳酸菌。同型发酵乳酸菌的代谢产物是乳酸;异型发酵乳酸菌的代谢产物是乳酸、乙酸及二氧化碳。枯草芽孢杆菌是好氧型、能产芽孢的革兰氏阳性菌,广泛分布于自然界中,对人畜无毒无害, 并具有广谱的抗菌作用。而酵母菌是一类以芽殖为主的兼性厌氧型单细胞真菌,在无氧时,酵母菌可以利用底物糖类产生酒精等代谢产物;在有氧时,其可以进行有氧发酵代谢,将有机物彻底氧化成二氧化碳和水。霉菌是丝状真菌的统称,常用于发酵的霉菌包括黑曲霉、米根霉等,以孢子的形式进行无性或有性繁殖,是发酵工业和食品加工工业的重要菌种。

2.2 发酵方式

在发酵过程中,根据选择的菌种数量, 可以分为单菌发酵和混菌发酵2 种方式。单菌发酵主要是指纯的单一菌种进行发酵,混菌发酵是指采用2 种或多种微生物的协同作用共同完成某发酵过程的一种新型发酵技术。目前由于单一菌种的微生态制剂作用效果的限制,越来越多人将目光转向了多菌种复合发酵的研究。这是因为混菌发酵可以产生复杂的酶系,从而弥补单一菌种产酶系不丰富的缺点。

2.3 发酵影响因素

麸皮发酵过程中主要受到培养温度、外源氮的水平、培养发酵液的初始pH、发酵的时间、发酵液中菌种的接种数量等因素的影响。因为不同微生物生长所需的适宜温度、pH 不尽相同, 且对菌的接种数量有要求,在一定的接种量范围内, 增大接种量可使菌体数快速增长,增加发酵中的活菌数,缩短发酵周期;但如果接种量太大,培养基中营养物质不能满足菌体生长需要,进而会限制菌体的生长,使发酵后的活菌数减少。

2.4 发酵效果

乳酸菌应用于发酵麸皮可以产生乳酸等有机酸,从而降低发酵体系的pH,抑制杂菌的生长,同时也可以产生呈味氨基酸,使得发酵麸皮具有特殊的酸香味,刺激动物食欲,促进动物采食, 提高增重。此外,使用乳酸菌发酵也可以降低麸皮中抗营养因子植酸等的含量,而增加阿拉伯木聚糖(Arabinoxylans,AX)和酚酸的含量,提高小麦麸皮的抗氧化活性。

枯草芽孢杆菌在生长代谢过程中能产生蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶、脂肪酶等多种酶,这些酶可以将麸皮中的大分子蛋白质、碳水化合物、脂肪等降解为容易被动物消化吸收的小肽、氨基酸、低聚糖及游离脂肪酸等,既可以增加饲料的可消化性及营养性,也可以消除麸皮中植酸等抗营养因子。同时枯草芽孢杆菌可以产生耐热抗逆性强的芽孢,在高温制粒及动物的胃肠道中能够存活,从而竞争性地抑制肠道有害菌的生长,维护动物肠道健康。

酵母菌也可以分泌多种酶,且其代谢产物富含B 族维生素,不仅对动物的健康生长具有重要意义,也可以增加麸皮可溶性阿拉伯木聚糖(SAX)、多酚含量及降低植酸含量。此外,小麦麸皮经酵母菌发酵后, 发酵酸度和成分也有显著变化,并可以提高其营养价值。Moore 等研究表明,用酵母菌固态发酵麸皮可以提高11%~12% 的蛋白含量,但对麸皮纤维组成没有显著改变。王立克等研究表明,酵母菌发酵后,麸皮粗蛋白较发酵前提高了119.59%,乙醇浸提物含量提高了73.68%,赖氨酸含量高,维生素和酶含量丰富。

在发酵体系中添加霉菌类,主要是利用霉菌(如里氏木霉)具有高产蛋白酶、淀粉酶及纤维素酶等特点,从而降解发酵底物中的蛋白质及纤维素等成分, 提高发酵麸皮的营养特性及适口性。同时发酵麸皮中丰富的酶系也解决了动物内源酶分泌不足的问题,并且提高了动物肠道对营养物质的利用率。陈洪伟等利用酵母菌与高产纤维素酶活菌株黑曲霉之间的协同效应,以麸皮为底物,混菌固态发酵生产蛋白饲料,结果表明发酵产物中粗蛋白含量为25.26%,比麸皮发酵前提高了33.93%。

3 发酵麸皮的功能及特点

麸皮在经过微生物发酵后,不仅降低了抗营养因子含量,而且增加了低聚木糖及一些生物活性物质,同时小麦麸皮的发酵能够产生重要的风味化合物,从而使其风味及理化性质得到显著改善。此外,发酵麸皮具有很多功能及特点,例如抗氧化功能、富含可溶性膳食纤维及低聚木糖、有机酸、有益菌及未知生长因子等。

3.1 发酵麸皮的抗氧化功能

由于麸皮本身含有阿魏酸,但正常情况下主要与纤维素结合形成酯键,不能发挥作用,通过微生物发酵能使麦麸结构由密质的交联结构变得疏松,使酚酸得以游离,提高了发酵麦麸中总酚和阿魏酸的含量,进而能很好地清除氧自由基并促进抗氧化能力的提高。孙盈乾采用固态发酵法对紫麦麸皮中酚酸释放和抗氧化活性的研究结果表明,固态发酵麸皮的总酚含量达到463 mg GAE/g 麸皮,酚酸含量达到2 084.56 μg/g 麸皮。而用高活性的干酵母发酵大麦麸皮,发酵液中多酚的含量随着发酵时间的增加呈明显的上升趋势,发酵6 d 时其含量达到420.4 μg GAE/mL,表现出良好的抗氧化性能。此外,纳豆芽孢杆菌发酵麸皮的体外试验结果表明,麸皮发酵液较未发酵麸皮水提液表现出更强的抗氧化活性,其抑制猪油氧化效果与维生素E 接近。

3.2 发酵麸皮富含可溶性膳食纤维与低聚木糖

膳食纤维(Dietary Fiber,DF)具有润便、治疗肥胖、调节血糖、降低血胆固醇水平、预防高血压等作用, 主要由可溶性膳食纤维(Soluble Dietary Fiber, SDF) 和不可溶性膳食纤维(Insoluble Dietary Fiber,IDF)构成。IDF 在体内主要起到机械蠕动的作用,并且可以增加猪肠道食糜的黏度,降低动物对营养物质的消化吸收;SDF 可以促进后肠有益菌的增殖,在微生物的作用下产生短链脂肪酸(SCFA), 促进机体能量的代谢吸收,降血脂、降血压,提高机体免疫力及抗炎等作用。而麸皮中SDF 含量比较低,通过物理或者生物的方式加工可以提高其含量,能更好地应用于食品及饲料中。在菌种选择上,有以单菌进行的发酵,也有混菌发酵的研究。例如以普通麸皮为原料,选取黑曲霉、纳豆芽孢杆菌、酿酒酵母和粪链球菌进行混菌固态发酵后,麸皮中粗纤维含量由10.5% 降低为5.32%。也有以米根霉为发酵菌种,通过优化培养条件,液态和固态发酵SDF 得率分别为9.71% 和8.48%,且可溶性蛋白及总蛋白含量在发酵过程中总体呈现的增加趋势。吴学凤等研究了小麦麸皮膳食纤维的发酵制备方法,在筛选的混菌发酵条件下,SDF 含量达11.74%,提高了86.94%,符合高品质膳食纤维的指标要求。

3.3 发酵麸皮具有丰富的有机酸

麸皮在经过微生物的发酵后可以产生对机体有益的有机酸,对于调节机体肠道pH、促进有益菌增殖等作用明显。同时发酵处理也提高了小麦麸皮的经济附加价值。在食品加工领域,以麸皮为原料,通过根霉菌发酵, 实现其高效生物转化制备富马酸;以干酪乳杆菌ET-8 为发酵菌株,小麦麸皮为发酵原料生产乳酸,并且通过预处理与培养发酵条件优化等可以提高产酸量;通过在黑麦麸皮中添加α - 淀粉酶、糖化酶、酸性蛋白酶和纤维素酶等,可提高产L- 乳酸的水平。这主要是利用α - 淀粉酶、酸性蛋白酶、纤维素酶将麸皮水解成能被乳杆菌利用的单糖,然后由乳杆菌发酵可以获取L- 乳酸。因此,选用合适的菌种及酶,以麸皮为底物发酵产生各种有机酸是可行的。

3.4 发酵麸皮富含有益菌

发酵麸皮中含有大量的有益菌,如乳酸菌、枯草芽孢杆菌、酵母菌等,可以在机体肠道内与大肠杆菌及沙门氏菌等有害菌竞争肠道的结合位点,阻止有害菌的定植,形成肠道的微生物屏障,维持机体健康。以普通麸皮为原料, 选取黑曲霉、纳豆芽孢杆菌、酿酒酵母和粪链球菌进行混菌固态发酵,结果表明发酵麸皮中有益菌总数达109 个/g 干物料。任科润等采用麸皮等为主要原料,采用乳酸菌和酵母菌进行固态发酵,植物乳杆菌L.casei Zhang p8 菌数可达39.8×108CFU/g, 酵母菌S1 菌数可达17.1×108CFU/g。同时大量有益菌的存在使得麸皮发酵过程中会产生丰富细菌代谢产物,如矿物质、维生素、小肽、酶、核苷酸、未知生长因子(UGF)等。

4 发酵麸皮在动物饲料中的应用

发酵麸皮在动物饲料中的应用研究报道较少, 但已有的研究均表明发酵麸皮应用于动物饲料具有良好的效果。

?刘春雪等研究表明,用发酵麸皮等量替代基础日粮中5% 的麸皮可以有效提高育肥猪生长性能,改善肉品质。

?利用麸皮发酵饲料代替麸皮饲喂的育肥猪日采食量增加了3.7%,耗料增重比下降了4.3%,同时日增重提高了8.2%。

?曹香林等进行草鱼的离体消化试验研究,即通过对不同比例枯草芽孢杆菌、酵母菌及乳酸菌固态发酵组合的研究,筛选出麸皮发酵的最优条件,结果显示最优组发酵麸皮的粗蛋白质提高了56.56%,且发酵麸皮的干物质、粗蛋白质消化率和氨基酸生成量较发酵前也有明显的提高。

?此外,Eang 等使用10% 的发酵麸皮替代玉米饲喂肉鸡,结果表明,由真菌发酵的麦麸可以增加木质纤维素分解酶活性和提高肉鸡表达抗氧化的能力。麸皮发酵后作为酵母菌饲料, 可以提高畜禽蛋白质含量,在家禽上的应用表明, 产蛋率可以提高20% 左右。

5 发酵麸皮应用于动物饲料存在的问题

发酵麸皮作为生物发酵饲料原料,首先要保证所用发酵菌种的安全性,菌种的安全是保证动物健康及食品安全的基础。其次,要进行发酵麸皮在动物上的营养价值评估。例如猪鸡的消化代谢能、氨基酸的生物利用率等基础研究,拥有这些基础参数, 发酵麸皮在饲料配方中的应用才具有意义。最后, 要建立发酵麸皮的标准。统一的标准可以客观地评估与应用,为其在动物饲料中的应用奠定基础。解决了以上问题,通过选择合适的微生物菌种及组合, 发酵降解和转化小麦麸皮中的粗纤维素、蛋白质及抗营养因子及霉菌毒素等,制备具有抗氧化功能、富含高品质膳食纤维及低聚木糖、有机酸、益生菌的生物保健饲料,对促进动物健康生长及提高麸皮附加价值具有重要的意义。


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关键词: 饲料 饲料加工

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