導讀：玉米皮是玉米淀粉加工業(yè)的主要副產物，資源豐富，富含多種營養(yǎng)成分，常作為飼料原料使用。但是玉米皮中粗纖維含量高，且存在亞硫酸根離子殘留和霉菌毒素污染等問題，影響了其適口性和安全性，限制了在飼料中的應用。微生物固態(tài)發(fā)酵是降低玉米皮中抗營養(yǎng)因子、改善適口性、提高飼用價值的有效途徑。文章對玉米皮的營養(yǎng)特性、固態(tài)發(fā)酵工藝改善其利用價值進行綜述，以期為玉米皮的高效開發(fā)應用提供參考。
玉米是我國三大糧食作物之一，2021年產量達2.7億噸（國家統(tǒng)計局）。我國工業(yè)用玉米加工量達到了5 350萬噸，玉米皮的年產量約700萬噸[1]，玉米皮可以作為來源豐富的飼料原料用于飼料生產。然而，玉米濕法加工工藝需經過亞硫酸溶液浸泡，造成玉米皮亞硫酸根離子殘留，伴有刺激性味道，降低了其適口性。此外，玉米皮等副產品存在霉菌毒素殘留等問題，有的甚至因超過飼料衛(wèi)生標準而無法在飼料中合法使用，造成了大量資源浪費。2020年有研究分析表明，玉米皮和噴漿玉米皮中黃曲霉毒素的檢出率分別為100%、50%，伏馬毒素（B1+B2）檢出率均為100%[2]；玉米副產物中玉米赤霉烯酮的檢出率為89.29%[3]。微生物發(fā)酵技術因其低成本、高效益的特點，成為改善玉米皮營養(yǎng)特性的主要途徑。文章綜述了玉米皮的營養(yǎng)特性和發(fā)酵工藝對其飼用價值的改善效果。
1玉米皮的營養(yǎng)特性
1.1 玉米皮的營養(yǎng)組成
玉米濕法加工過程可以獲得玉米淀粉、玉米蛋白粉、玉米胚芽粕、玉米皮、噴漿玉米皮、玉米油等產品（見圖1）。玉米皮是玉米加工過程中分離出來的皮層，主要是玉米淀粉或乙醇生產過程中去除淀粉、胚芽及玉米醇溶蛋白后的產物，約占玉米干重的14%[4]，其淀粉含量為10%~20%，粗蛋白含量為11.8%，粗脂肪含量為6%[5]，纖維含量為11%，半纖維素為35%，葡萄糖為32%，其水解產物中含有還原糖5.0%~7.5%，粗灰分1.2%[6]。玉米皮富含膳食纖維（80%）、玉米纖維油（3.5%）、阿魏酰低聚糖等多種活性物質，營養(yǎng)價值較高，具有很大開發(fā)潛力。此外，將玉米浸泡液噴到玉米皮上，經干燥獲得的噴漿玉米皮在飼料中也有廣泛應用。
玉米皮的組成成分和利用率隨玉米品種和加工工藝而異。有研究顯示，吉林省、黑龍江省4個批次不同來源玉米皮的營養(yǎng)價值有較大差異，吉林省所產玉米皮中酸性洗滌纖維含量較低，且含有較高的粗蛋白，適合做飼料；而黑龍江省所產玉米皮中性洗滌纖維的降解率高，且含有較高的可利用糖類，可以作為優(yōu)質的纖維飼料來源。舒維成[7]分析比較了來源于陜西省、河北省、山東省和東北地區(qū)12個產地、不同批次噴漿玉米皮的常規(guī)成分，結果發(fā)現粗脂肪的變異系數最大達到24.9%，其次是粗纖維達到21.5%，其他依次為：粗灰分19.3%>中性洗滌纖維15.5%>酸性洗滌纖維14.5%。王紅玉[8]通過分析10種噴漿玉米皮的營養(yǎng)成分，發(fā)現粗脂肪的變異系數達37.78%，粗纖維變異系數為15.18%。由于噴漿玉米皮中除玉米種皮之外，還含有少部分的玉米胚芽、玉米蛋白粉和玉米漿，所以玉米淀粉生產工藝條件和淀粉生產批次對噴漿玉米皮的組成成分也有重要影響。
1.2 玉米皮中的抗營養(yǎng)因子
玉米皮中的抗營養(yǎng)成分主要有：非淀粉多糖、植酸磷、抗性淀粉、亞硫酸根離子等。玉米皮含有10.5%非淀粉多糖，會延遲胃的排空速度，增加食糜黏度，阻礙營養(yǎng)物質與消化酶接觸，降低飼料消化率和畜禽的生長性能[9-10]。玉米皮中的磷主要以植酸磷的形式存在（65%~80%），其抗營養(yǎng)作用不僅體現為磷的利用率低，而且會降低蛋白質和必需礦物元素等營養(yǎng)素的消化率，并抑制胃腸中胰蛋白酶等消化酶活性，增加糞中干物質、磷和氮的排出量[11]。玉米皮作為玉米濕法加工的副產物，雖經過洗滌過濾，但仍然含有較多的抗性淀粉無法被小腸消化，但是在大腸部位會被微生物發(fā)酵[12]，產生短鏈脂肪酸、二氧化碳（CO2）、氫氣（H2）和少量甲烷（CH4），增加糞便體積[13]，容易導致幼畜發(fā)生腹瀉等疾病[14]。玉米皮亞硫酸根離子殘留，尤其是噴漿玉米皮中含量較高。有專利（CN 111869797A）采用雙氧水氧化玉米皮中的亞硫酸鹽，以此來消除對動物的不利影響。
1.3 玉米皮中的霉菌毒素
霉菌毒素是由真菌（主要為曲霉菌、鐮刀菌和青霉菌）產生的一組有毒次生代謝產物，高溫和潮濕的環(huán)境條件促進了霉菌的生長和毒素的產生，對畜禽的危害極大。玉米皮中殘留霉菌毒素含量高，尤其是濕基玉米皮中水分含量高（50%~65%），在儲存運輸環(huán)節(jié)會增加霉菌毒素污染風險。玉米皮中最常見的霉菌毒素包括黃曲霉毒素B1（AFB1）、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（DON）和玉米赤霉烯酮（ZEN）[15]。有研究對市場上63種原料和飼料中真菌毒素含量進行檢測，發(fā)現在玉米加工副產物中，3種霉菌毒素含量均超過飼料衛(wèi)生標準中的允許量，DON和ZEN污染嚴重。動物采食霉菌毒素污染的玉米皮會引起急性和慢性中毒，造成致畸致癌，增加細菌和寄生蟲感染的發(fā)病率，同時造成毒素殘留在動物體內和畜產品里，從而影響到人類健康和食品安全[16-17]。
2微生物發(fā)酵玉米皮
微生物發(fā)酵飼料是在滿足微生物營養(yǎng)水平前提下，通過創(chuàng)造適合的濕度、溫度及酸堿環(huán)境，利用微生物發(fā)酵作用將飼料原料中的相關成分進行降解和物質轉化，制成適口性好、消化率高、可提高動物免疫力的優(yōu)質飼料產品[18-19]。玉米皮中含有豐富的碳源，是一種潛在的營養(yǎng)物質，通過微生物發(fā)酵，能將玉米皮中的粗纖維等大分子物質分解成動物容易利用和吸收的小分子物質，同時能有效降低玉米皮中的霉菌毒素含量，提高玉米皮的飼用價值。
2.1 機械加工工藝對發(fā)酵效果的影響
為了提高發(fā)酵效果，通常會對原料進行預處理，包括物理、化學和生物方法[20]，物理法中的機械預處理使用最為廣泛。機械預處理主要是將原料進行剪切或研磨，可減小原料的粒徑，增加原料的接觸面積，易于提升發(fā)酵效果[21]。魏媛等[20]研究比較了刀片粉碎和球磨兩種預處理方式對玉米皮酶解效果的影響，結果發(fā)現，兩種機械預處理方法均能有效提高玉米皮的營養(yǎng)價值和酶解效率，但刀片粉碎的加工效果明顯優(yōu)于球磨方法，水溶性總糖含量提高了2.0倍，還原糖含量提高了2.6倍，阿魏酰聚糖含量提高了1.6倍。玉米皮刀片機械預處理后進行酶解處理，其水溶性總糖含量較未處理組提高了3.0倍，還原糖含量提高了3.7倍，阿魏酰聚糖含量提高了2.0倍。將原料加工處理減小粒度能有效提高發(fā)酵效率，但仍需要控制粉碎粒度，原料過細容易造成底物成團，不利于微生物生長和發(fā)酵效果[22]。
2.2 菌種對發(fā)酵效果的影響
菌種是發(fā)酵的基礎，菌種的種類和特性是成功生產微生物發(fā)酵飼料的關鍵因素。玉米皮發(fā)酵所需的菌種需要能夠降低和分解抗營養(yǎng)因子和各種毒素，合成有機酸和小肽等小分子物質（如乳酸桿菌、酵母菌、芽孢桿菌[23]、曲霉[24]）。有研究發(fā)現，用乳酸菌作為發(fā)酵菌種，可以抑制霉菌生長，并且在一定程度上抑制黃曲霉毒素的毒性作用[15]。根據玉米皮的特點篩選的特定菌種需要具備安全性，不能產生有毒有害物質[25]。如芽孢桿菌屬，雖然其自身與發(fā)酵產物無毒性，但其在發(fā)酵過程中氮代謝產生的氨氣味會影響發(fā)酵飼料的適口性[26]，而乳酸菌發(fā)酵之后會產生芳香味，可以提高用芽孢桿菌屬發(fā)酵過的飼料的適口性[27]。同時，因單一菌種具有專一性，發(fā)酵過程中有很多重要的生化反應過程不能完成，需要多種菌共同作用完成[28]，因此多菌種協(xié)同發(fā)酵技術的研究成為趨勢。表1是近5年發(fā)酵玉米皮和噴漿玉米皮研究中所用的發(fā)酵底物、菌種、發(fā)酵方式和發(fā)酵效果情況。
2.3 固態(tài)發(fā)酵工藝參數對發(fā)酵效果的影響
固態(tài)發(fā)酵工藝參數可直接影響玉米皮的發(fā)酵速率和發(fā)酵質量，主要有發(fā)酵溫度、時間、pH、含水量等[37]。含水量的變化直接影響發(fā)酵效率。通常在微生物培養(yǎng)基中水含量為30%~85%，含水量過低會減少營養(yǎng)物質的擴散，抑制微生物的生長，含水量過高則會增加細菌污染的風險，增加烘干成本[38-39]。所以，為了提高玉米皮發(fā)酵的速率和質量，往往需要對玉米皮的發(fā)酵工藝參數進行優(yōu)化，以期達到最佳的發(fā)酵水平。任中帥等[30]對玉米皮進行單菌固態(tài)發(fā)酵，并優(yōu)化了其發(fā)酵工藝。結果發(fā)現優(yōu)化后的參數條件為：初始含水量為62.5%、發(fā)酵溫度為30 ℃、黑曲霉接種量為15%、發(fā)酵時間為72 h，玉米皮中纖維素含量由發(fā)酵前的15.75%下降到10.81%，半纖維素含量由發(fā)酵前的42.89%下降到26.05%。李愛科等[29]以多種益生菌混合進行玉米皮和玉米漿的固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)，發(fā)酵后總活菌數為9.6×109 CFU/g，是發(fā)酵前的100倍，粗蛋白含量達21.2%，比發(fā)酵前增長14.3%。Verheecke等[40]用植物乳桿菌PTCC1058發(fā)酵AFB1污染玉米，37 ℃發(fā)酵7 d，可以使AFB1降低77%。有研究以噴漿玉米皮為原料，在發(fā)酵條件為初始水分75%、接種量15%、溫度32 ℃、pH 6.0、發(fā)酵時間72 h時，發(fā)酵產品中粗蛋白含量為23.79%，提高了8.29%。
3發(fā)酵玉米皮在飼料行業(yè)的應用
玉米皮經過微生物發(fā)酵后，某些抗營養(yǎng)因子及霉菌毒素在一定程度上得到降解，此外大分子蛋白質也會降解為小肽，提高畜禽對飼料營養(yǎng)的利用率[9]。有研究表明，在畜禽飼料中添加4%的發(fā)酵玉米皮，應用效果與基礎日糧組相比無顯著差異，對動物免疫器官指數有一定促進作用[41]，還可改善生長性能，降低飼料轉化率。在豬飼料中添加適量的發(fā)酵玉米皮能提高飼料利用率，改善肉品質，提高經濟效益。Liu等[42]在豬日糧中加入10%的發(fā)酵玉米皮，發(fā)現飼喂玉米皮的豬腸道中與纖維素降解相關的細菌相對豐度較高，而飼喂發(fā)酵玉米皮的豬腸道中有更大比例的淀粉發(fā)酵菌。明雷等[43]在豬日糧中添加20%玉米皮發(fā)酵飼料，結果發(fā)現，20%玉米皮發(fā)酵飼料組的豬平均日增重比對照組提高了8.97%，料重比降低了3%；并改善了豬肉品質，降低了豬飼養(yǎng)成本，同時未添加任何抗生素，提高了肉質的安全性。發(fā)酵濕玉米纖維飼料還是一種安全性高、營養(yǎng)價值高、耐貯存的奶牛飼料。王馨影[33]對比了發(fā)酵和未發(fā)酵玉米纖維飼料在奶牛瘤胃中的降解變化。結果表明發(fā)酵提高了飼料的干物質降解率。發(fā)酵濕玉米纖維飼料的粗蛋白降解率在36 h后超過了80%，顯著高于濕玉米纖維原料；在4 h和8 h，發(fā)酵濕玉米纖維飼料的中性洗滌纖維瘤胃降解率和總可消化蛋白質含量均顯著高于濕玉米纖維原料。
發(fā)酵玉米皮還可以用于生產益生菌、酶制劑、膳食纖維等飼用添加劑產品。有研究將玉米皮進行了混菌固態(tài)發(fā)酵，并優(yōu)化了其發(fā)酵工藝，發(fā)酵產物的酶活性大大提高，其有益菌總數超過百億。Singh等[37]采用中心組合設計響應曲面法優(yōu)化草酸青霉以玉米皮為底物，添加菊粉（1%）、NaNO3（0.2%）、NH4H2PO4（0.2%）、KH2PO4（0.2%）、MgSO4·7H2O（0.05%）和FeSO4·7H2O（0.001%）發(fā)酵生產菊粉酶，優(yōu)化后菊粉酶產量可以達到77.95 IU/gds。張梅娟等[44]研究哈茨木霉ZJ-01固態(tài)發(fā)酵玉米皮和玉米酒糟產木聚糖酶，最適發(fā)酵時間為72 h。在此優(yōu)化條件下，木聚糖酶活力可達3 574 U/g。玉米皮中含有豐富的膳食纖維，主要是纖維素、半纖維素和殘余淀粉[45]。李華麗等[46]通過微生物發(fā)酵將玉米皮中的不可溶膳食纖維轉化為可溶性膳食纖維，并優(yōu)化其發(fā)酵工藝，在優(yōu)化后的工藝參數條件下，可溶性膳食纖維含量達到了4.45%，提高了60%。Almeida等[24]優(yōu)化發(fā)酵參數確定了產色素的最佳發(fā)酵工藝：在玉米皮中接種紫紅曲霉孢子105個/mL，32 ℃條件下固態(tài)發(fā)酵16 d。
4小結
玉米皮通過微生物發(fā)酵，粗纖維等大分子物質分解成動物易利用和吸收的小分子物質，同時能有效降低或消除玉米皮中的霉菌毒素和抗營養(yǎng)因子含量，改善了適口性，提高了玉米皮的飼用價值，具有良好的經濟效益和發(fā)展前景，但是固態(tài)發(fā)酵技術對亞硫酸離子和霉菌毒素的去除效果以及在畜禽上的應用價值評價仍有待進一步研究。
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