導(dǎo)讀：玉米皮是玉米淀粉加工業(yè)的主要副產(chǎn)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(yīng)用。微生物固態(tài)發(fā)酵是降低玉米皮中抗?fàn)I養(yǎng)因子、改善適口性、提高飼用價(jià)值的有效途徑。文章對(duì)玉米皮的營養(yǎng)特性、固態(tài)發(fā)酵工藝改善其利用價(jià)值進(jìn)行綜述，以期為玉米皮的高效開發(fā)應(yīng)用提供參考。
玉米是我國三大糧食作物之一，2021年產(chǎn)量達(dá)2.7億噸（國家統(tǒng)計(jì)局）。我國工業(yè)用玉米加工量達(dá)到了5 350萬噸，玉米皮的年產(chǎn)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(chǎn)。然而，玉米濕法加工工藝需經(jīng)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(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)而無法在飼料中合法使用，造成了大量資源浪費(fèi)。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(chǎn)物中玉米赤霉烯酮的檢出率為89.29%[3]。微生物發(fā)酵技術(shù)因其低成本、高效益的特點(diǎn)，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(duì)其飼用價(jià)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(chǎn)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(chǎn)過程中去除淀粉、胚芽及玉米醇溶蛋白后的產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)，營養(yǎng)價(jià)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(jīng)干燥獲得的噴漿玉米皮在飼料中也有廣泛應(yīng)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(gè)批次不同來源玉米皮的營養(yǎng)價(jià)值有較大差異，吉林省所產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)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(gè)產(chǎn)地、不同批次噴漿玉米皮的常規(guī)成分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)粗脂肪的變異系數(shù)最大達(dá)到24.9%，其次是粗纖維達(dá)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(xiàn)粗脂肪的變異系數(shù)達(dá)37.78%，粗纖維變異系數(shù)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(chǎn)工藝條件和淀粉生產(chǎn)批次對(duì)噴漿玉米皮的組成成分也有重要影響。
1.2 玉米皮中的抗?fàn)I養(yǎng)因子
玉米皮中的抗?fàn)I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(huì)延遲胃的排空速度，增加食糜黏度，阻礙營養(yǎng)物質(zhì)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?fàn)I養(yǎng)作用不僅體現(xiàn)為磷的利用率低，而且會(huì)降低蛋白質(zhì)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(zhì)、磷和氮的排出量[11]。玉米皮作為玉米濕法加工的副產(chǎn)物，雖經(jīng)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(huì)被微生物發(fā)酵[12]，產(chǎn)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(dǎo)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(duì)動(dòng)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(chǎn)生的一組有毒次生代謝產(chǎn)物，高溫和潮濕的環(huán)境條件促進(jìn)了霉菌的生長和毒素的產(chǎn)生，對(duì)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(chǔ)存運(yùn)輸環(huán)節(jié)會(huì)增加霉菌毒素污染風(fēng)險(xiǎn)。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(duì)市場上63種原料和飼料中真菌毒素含量進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在玉米加工副產(chǎn)物中，3種霉菌毒素含量均超過飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中的允許量，DON和ZEN污染嚴(yán)重。動(dòng)物采食霉菌毒素污染的玉米皮會(huì)引起急性和慢性中毒，造成致畸致癌，增加細(xì)菌和寄生蟲感染的發(fā)病率，同時(shí)造成毒素殘留在動(dòng)物體內(nèi)和畜產(chǎn)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(guān)成分進(jìn)行降解和物質(zhì)轉(zhuǎn)化，制成適口性好、消化率高、可提高動(dòng)物免疫力的優(yōu)質(zhì)飼料產(chǎn)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(zhì)，通過微生物發(fā)酵，能將玉米皮中的粗纖維等大分子物質(zhì)分解成動(dòng)物容易利用和吸收的小分子物質(zhì)，同時(shí)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(jià)值。
2.1 機(jī)械加工工藝對(duì)發(fā)酵效果的影響
為了提高發(fā)酵效果，通常會(huì)對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理，包括物理、化學(xué)和生物方法[20]，物理法中的機(jī)械預(yù)處理使用最為廣泛。機(jī)械預(yù)處理主要是將原料進(jìn)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(yù)處理方式對(duì)玉米皮酶解效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種機(jī)械預(yù)處理方法均能有效提高玉米皮的營養(yǎng)價(jià)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(jī)械預(yù)處理后進(jìn)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(xì)容易造成底物成團(tuán)，不利于微生物生長和發(fā)酵效果[22]。
2.2 菌種對(duì)發(fā)酵效果的影響
菌種是發(fā)酵的基礎(chǔ)，菌種的種類和特性是成功生產(chǎn)微生物發(fā)酵飼料的關(guān)鍵因素。玉米皮發(fā)酵所需的菌種需要能夠降低和分解抗?fàn)I養(yǎng)因子和各種毒素，合成有機(jī)酸和小肽等小分子物質(zhì)（如乳酸桿菌、酵母菌、芽孢桿菌[23]、曲霉[24]）。有研究發(fā)現(xiàn)，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(jù)玉米皮的特點(diǎn)篩選的特定菌種需要具備安全性，不能產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)[25]。如芽孢桿菌屬，雖然其自身與發(fā)酵產(chǎn)物無毒性，但其在發(fā)酵過程中氮代謝產(chǎn)生的氨氣味會(huì)影響發(fā)酵飼料的適口性[26]，而乳酸菌發(fā)酵之后會(huì)產(chǎn)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(shí)，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(yīng)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(shù)的研究成為趨勢(shì)。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(shù)對(duì)發(fā)酵效果的影響
固態(tài)發(fā)酵工藝參數(shù)可直接影響玉米皮的發(fā)酵速率和發(fā)酵質(zhì)量，主要有發(fā)酵溫度、時(shí)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(huì)減少營養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散，抑制微生物的生長，含水量過高則會(huì)增加細(xì)菌污染的風(fēng)險(xiǎn)，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(zhì)量，往往需要對(duì)玉米皮的發(fā)酵工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期達(dá)到最佳的發(fā)酵水平。任中帥等[30]對(duì)玉米皮進(jìn)行單菌固態(tài)發(fā)酵，并優(yōu)化了其發(fā)酵工藝。結(jié)果發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的參數(shù)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(shí)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(jìn)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(shù)為9.6×109 CFU/g，是發(fā)酵前的100倍，粗蛋白含量達(dá)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(shí)間72 h時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)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(yīng)用
玉米皮經(jīng)過微生物發(fā)酵后，某些抗?fàn)I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(zhì)也會(huì)降解為小肽，提高畜禽對(duì)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(yīng)用效果與基礎(chǔ)日糧組相比無顯著差異，對(duì)動(dòng)物免疫器官指數(shù)有一定促進(jìn)作用[41]，還可改善生長性能，降低飼料轉(zhuǎn)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(zhì)，提高經(jīng)濟(jì)效益。Liu等[42]在豬日糧中加入10%的發(fā)酵玉米皮，發(fā)現(xiàn)飼喂玉米皮的豬腸道中與纖維素降解相關(guān)的細(xì)菌相對(duì)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，20%玉米皮發(fā)酵飼料組的豬平均日增重比對(duì)照組提高了8.97%，料重比降低了3%；并改善了豬肉品質(zhì)，降低了豬飼養(yǎng)成本，同時(shí)未添加任何抗生素，提高了肉質(zhì)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(jià)值高、耐貯存的奶牛飼料。王馨影[33]對(duì)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(jié)果表明發(fā)酵提高了飼料的干物質(zhì)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(zhì)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(chǎn)益生菌、酶制劑、膳食纖維等飼用添加劑產(chǎn)品。有研究將玉米皮進(jìn)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(chǎn)物的酶活性大大提高，其有益菌總數(shù)超過百億。Singh等[37]采用中心組合設(shè)計(jì)響應(yīng)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(chǎn)菊粉酶，優(yōu)化后菊粉酶產(chǎn)量可以達(dá)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(chǎn)木聚糖酶，最適發(fā)酵時(shí)間為72 h。在此優(yōu)化條件下，木聚糖酶活力可達(dá)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(zhuǎn)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(shù)條件下，可溶性膳食纖維含量達(dá)到了4.45%，提高了60%。Almeida等[24]優(yōu)化發(fā)酵參數(shù)確定了產(chǎn)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(gè)/mL，32 ℃條件下固態(tài)發(fā)酵16 d。
4小結(jié)
玉米皮通過微生物發(fā)酵，粗纖維等大分子物質(zhì)分解成動(dòng)物易利用和吸收的小分子物質(zhì)，同時(shí)能有效降低或消除玉米皮中的霉菌毒素和抗?fàn)I養(yǎng)因子含量，改善了適口性，提高了玉米皮的飼用價(jià)值，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展前景，但是固態(tài)發(fā)酵技術(shù)對(duì)亞硫酸離子和霉菌毒素的去除效果以及在畜禽上的應(yīng)用價(jià)值評(píng)價(jià)仍有待進(jìn)一步研究。
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