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玉米皮及发酵玉米皮的营养特性及研究进展
来源: | 作者:xapulong | 发布时间: 2023-03-06 | 1517 次浏览 | 分享到:

  导读:玉米皮是玉米淀粉加工业的主要副产物,资源丰富,富含多种营养成分,常作为饲料原料使用。但是玉米皮中粗纤维含量高,且存在亚硫酸根离子残留和霉菌毒素污染等问题,影响了其适口性和安全性,限制了在饲料中的应用。微生物固态发酵是降低玉米皮中抗营养因子、改善适口性、提高饲用价值的有效途径。文章对玉米皮的营养特性、固态发酵工艺改善其利用价值进行综述,以期为玉米皮的高效开发应用提供参考。


  玉米是我国三大粮食作物之一,2021年产量达2.7亿吨(国家统计局)。我国工业用玉米加工量达到了5 350万吨,玉米皮的年产量约700万吨[1],玉米皮可以作为来源丰富的饲料原料用于饲料生产。然而,玉米湿法加工工艺需经过亚硫酸溶液浸泡,造成玉米皮亚硫酸根离子残留,伴有刺激性味道,降低了其适口性。此外,玉米皮等副产品存在霉菌毒素残留等问题,有的甚至因超过饲料卫生标准而无法在饲料中合法使用,造成了大量资源浪费。2020年有研究分析表明,玉米皮和喷浆玉米皮中黄曲霉毒素的检出率分别为100%、50%,伏马毒素(B1+B2)检出率均为100%[2];玉米副产物中玉米赤霉烯酮的检出率为89.29%[3]。微生物发酵技术因其低成本、高效益的特点,成为改善玉米皮营养特性的主要途径。文章综述了玉米皮的营养特性和发酵工艺对其饲用价值的改善效果。


  1玉米皮的营养特性


  1.1 玉米皮的营养组成


  玉米湿法加工过程可以获得玉米淀粉、玉米蛋白粉、玉米胚芽粕、玉米皮、喷浆玉米皮、玉米油等产品(见图1)。玉米皮是玉米加工过程中分离出来的皮层,主要是玉米淀粉或乙醇生产过程中去除淀粉、胚芽及玉米醇溶蛋白后的产物,约占玉米干重的14%[4],其淀粉含量为10%~20%,粗蛋白含量为11.8%,粗脂肪含量为6%[5],纤维含量为11%,半纤维素为35%,葡萄糖为32%,其水解产物中含有还原糖5.0%~7.5%,粗灰分1.2%[6]。玉米皮富含膳食纤维(80%)、玉米纤维油(3.5%)、阿魏酰低聚糖等多种活性物质,营养价值较高,具有很大开发潜力。此外,将玉米浸泡液喷到玉米皮上,经干燥获得的喷浆玉米皮在饲料中也有广泛应用。


  玉米皮的组成成分和利用率随玉米品种和加工工艺而异。有研究显示,吉林省、黑龙江省4个批次不同来源玉米皮的营养价值有较大差异,吉林省所产玉米皮中酸性洗涤纤维含量较低,且含有较高的粗蛋白,适合做饲料;而黑龙江省所产玉米皮中性洗涤纤维的降解率高,且含有较高的可利用糖类,可以作为优质的纤维饲料来源。舒维成[7]分析比较了来源于陕西省、河北省、山东省和东北地区12个产地、不同批次喷浆玉米皮的常规成分,结果发现粗脂肪的变异系数最大达到24.9%,其次是粗纤维达到21.5%,其他依次为:粗灰分19.3%>中性洗涤纤维15.5%>酸性洗涤纤维14.5%。王红玉[8]通过分析10种喷浆玉米皮的营养成分,发现粗脂肪的变异系数达37.78%,粗纤维变异系数为15.18%。由于喷浆玉米皮中除玉米种皮之外,还含有少部分的玉米胚芽、玉米蛋白粉和玉米浆,所以玉米淀粉生产工艺条件和淀粉生产批次对喷浆玉米皮的组成成分也有重要影响。


  1.2 玉米皮中的抗营养因子


  玉米皮中的抗营养成分主要有:非淀粉多糖、植酸磷、抗性淀粉、亚硫酸根离子等。玉米皮含有10.5%非淀粉多糖,会延迟胃的排空速度,增加食糜黏度,阻碍营养物质与消化酶接触,降低饲料消化率和畜禽的生长性能[9-10]。玉米皮中的磷主要以植酸磷的形式存在(65%~80%),其抗营养作用不仅体现为磷的利用率低,而且会降低蛋白质和必需矿物元素等营养素的消化率,并抑制胃肠中胰蛋白酶等消化酶活性,增加粪中干物质、磷和氮的排出量[11]。玉米皮作为玉米湿法加工的副产物,虽经过洗涤过滤,但仍然含有较多的抗性淀粉无法被小肠消化,但是在大肠部位会被微生物发酵[12],产生短链脂肪酸、二氧化碳(CO2)、氢气(H2)和少量甲烷(CH4),增加粪便体积[13],容易导致幼畜发生腹泻等疾病[14]。玉米皮亚硫酸根离子残留,尤其是喷浆玉米皮中含量较高。有专利(CN 111869797A)采用双氧水氧化玉米皮中的亚硫酸盐,以此来消除对动物的不利影响。


  1.3 玉米皮中的霉菌毒素


  霉菌毒素是由真菌(主要为曲霉菌、镰刀菌和青霉菌)产生的一组有毒次生代谢产物,高温和潮湿的环境条件促进了霉菌的生长和毒素的产生,对畜禽的危害极大。玉米皮中残留霉菌毒素含量高,尤其是湿基玉米皮中水分含量高(50%~65%),在储存运输环节会增加霉菌毒素污染风险。玉米皮中最常见的霉菌毒素包括黄曲霉毒素B1(AFB1)、脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DON)和玉米赤霉烯酮(ZEN)[15]。有研究对市场上63种原料和饲料中真菌毒素含量进行检测,发现在玉米加工副产物中,3种霉菌毒素含量均超过饲料卫生标准中的允许量,DON和ZEN污染严重。动物采食霉菌毒素污染的玉米皮会引起急性和慢性中毒,造成致畸致癌,增加细菌和寄生虫感染的发病率,同时造成毒素残留在动物体内和畜产品里,从而影响到人类健康和食品安全[16-17]。


  2微生物发酵玉米皮


  微生物发酵饲料是在满足微生物营养水平前提下,通过创造适合的湿度、温度及酸碱环境,利用微生物发酵作用将饲料原料中的相关成分进行降解和物质转化,制成适口性好、消化率高、可提高动物免疫力的优质饲料产品[18-19]。玉米皮中含有丰富的碳源,是一种潜在的营养物质,通过微生物发酵,能将玉米皮中的粗纤维等大分子物质分解成动物容易利用和吸收的小分子物质,同时能有效降低玉米皮中的霉菌毒素含量,提高玉米皮的饲用价值。


  2.1 机械加工工艺对发酵效果的影响


  为了提高发酵效果,通常会对原料进行预处理,包括物理、化学和生物方法[20],物理法中的机械预处理使用最为广泛。机械预处理主要是将原料进行剪切或研磨,可减小原料的粒径,增加原料的接触面积,易于提升发酵效果[21]。魏媛等[20]研究比较了刀片粉碎和球磨两种预处理方式对玉米皮酶解效果的影响,结果发现,两种机械预处理方法均能有效提高玉米皮的营养价值和酶解效率,但刀片粉碎的加工效果明显优于球磨方法,水溶性总糖含量提高了2.0倍,还原糖含量提高了2.6倍,阿魏酰聚糖含量提高了1.6倍。玉米皮刀片机械预处理后进行酶解处理,其水溶性总糖含量较未处理组提高了3.0倍,还原糖含量提高了3.7倍,阿魏酰聚糖含量提高了2.0倍。将原料加工处理减小粒度能有效提高发酵效率,但仍需要控制粉碎粒度,原料过细容易造成底物成团,不利于微生物生长和发酵效果[22]。


  2.2 菌种对发酵效果的影响


  菌种是发酵的基础,菌种的种类和特性是成功生产微生物发酵饲料的关键因素。玉米皮发酵所需的菌种需要能够降低和分解抗营养因子和各种毒素,合成有机酸和小肽等小分子物质(如乳酸杆菌、酵母菌、芽孢杆菌[23]、曲霉[24])。有研究发现,用乳酸菌作为发酵菌种,可以抑制霉菌生长,并且在一定程度上抑制黄曲霉毒素的毒性作用[15]。根据玉米皮的特点筛选的特定菌种需要具备安全性,不能产生有毒有害物质[25]。如芽孢杆菌属,虽然其自身与发酵产物无毒性,但其在发酵过程中氮代谢产生的氨气味会影响发酵饲料的适口性[26],而乳酸菌发酵之后会产生芳香味,可以提高用芽孢杆菌属发酵过的饲料的适口性[27]。同时,因单一菌种具有专一性,发酵过程中有很多重要的生化反应过程不能完成,需要多种菌共同作用完成[28],因此多菌种协同发酵技术的研究成为趋势。表1是近5年发酵玉米皮和喷浆玉米皮研究中所用的发酵底物、菌种、发酵方式和发酵效果情况。


  2.3 固态发酵工艺参数对发酵效果的影响


  固态发酵工艺参数可直接影响玉米皮的发酵速率和发酵质量,主要有发酵温度、时间、pH、含水量等[37]。含水量的变化直接影响发酵效率。通常在微生物培养基中水含量为30%~85%,含水量过低会减少营养物质的扩散,抑制微生物的生长,含水量过高则会增加细菌污染的风险,增加烘干成本[38-39]。所以,为了提高玉米皮发酵的速率和质量,往往需要对玉米皮的发酵工艺参数进行优化,以期达到最佳的发酵水平。任中帅等[30]对玉米皮进行单菌固态发酵,并优化了其发酵工艺。结果发现优化后的参数条件为:初始含水量为62.5%、发酵温度为30 ℃、黑曲霉接种量为15%、发酵时间为72 h,玉米皮中纤维素含量由发酵前的15.75%下降到10.81%,半纤维素含量由发酵前的42.89%下降到26.05%。李爱科等[29]以多种益生菌混合进行玉米皮和玉米浆的固态发酵培养,发酵后总活菌数为9.6×109 CFU/g,是发酵前的100倍,粗蛋白含量达21.2%,比发酵前增长14.3%。Verheecke等[40]用植物乳杆菌PTCC1058发酵AFB1污染玉米,37 ℃发酵7 d,可以使AFB1降低77%。有研究以喷浆玉米皮为原料,在发酵条件为初始水分75%、接种量15%、温度32 ℃、pH 6.0、发酵时间72 h时,发酵产品中粗蛋白含量为23.79%,提高了8.29%。


  3发酵玉米皮在饲料行业的应用


  玉米皮经过微生物发酵后,某些抗营养因子及霉菌毒素在一定程度上得到降解,此外大分子蛋白质也会降解为小肽,提高畜禽对饲料营养的利用率[9]。有研究表明,在畜禽饲料中添加4%的发酵玉米皮,应用效果与基础日粮组相比无显着差异,对动物免疫器官指数有一定促进作用[41],还可改善生长性能,降低饲料转化率。在猪饲料中添加适量的发酵玉米皮能提高饲料利用率,改善肉品质,提高经济效益。Liu等[42]在猪日粮中加入10%的发酵玉米皮,发现饲喂玉米皮的猪肠道中与纤维素降解相关的细菌相对丰度较高,而饲喂发酵玉米皮的猪肠道中有更大比例的淀粉发酵菌。明雷等[43]在猪日粮中添加20%玉米皮发酵饲料,结果发现,20%玉米皮发酵饲料组的猪平均日增重比对照组提高了8.97%,料重比降低了3%;并改善了猪肉品质,降低了猪饲养成本,同时未添加任何抗生素,提高了肉质的安全性。发酵湿玉米纤维饲料还是一种安全性高、营养价值高、耐贮存的奶牛饲料。王馨影[33]对比了发酵和未发酵玉米纤维饲料在奶牛瘤胃中的降解变化。结果表明发酵提高了饲料的干物质降解率。发酵湿玉米纤维饲料的粗蛋白降解率在36 h后超过了80%,显着高于湿玉米纤维原料;在4 h和8 h,发酵湿玉米纤维饲料的中性洗涤纤维瘤胃降解率和总可消化蛋白质含量均显着高于湿玉米纤维原料。


  发酵玉米皮还可以用于生产益生菌、酶制剂、膳食纤维等饲用添加剂产品。有研究将玉米皮进行了混菌固态发酵,并优化了其发酵工艺,发酵产物的酶活性大大提高,其有益菌总数超过百亿。Singh等[37]采用中心组合设计响应曲面法优化草酸青霉以玉米皮为底物,添加菊粉(1%)、NaNO3(0.2%)、NH4H2PO4(0.2%)、KH2PO4(0.2%)、MgSO4·7H2O(0.05%)和FeSO4·7H2O(0.001%)发酵生产菊粉酶,优化后菊粉酶产量可以达到77.95 IU/gds。张梅娟等[44]研究哈茨木霉ZJ-01固态发酵玉米皮和玉米酒糟产木聚糖酶,最适发酵时间为72 h。在此优化条件下,木聚糖酶活力可达3 574 U/g。玉米皮中含有丰富的膳食纤维,主要是纤维素、半纤维素和残余淀粉[45]。李华丽等[46]通过微生物发酵将玉米皮中的不可溶膳食纤维转化为可溶性膳食纤维,并优化其发酵工艺,在优化后的工艺参数条件下,可溶性膳食纤维含量达到了4.45%,提高了60%。Almeida等[24]优化发酵参数确定了产色素的最佳发酵工艺:在玉米皮中接种紫红曲霉孢子105个/mL,32 ℃条件下固态发酵16 d。


  4小结


  玉米皮通过微生物发酵,粗纤维等大分子物质分解成动物易利用和吸收的小分子物质,同时能有效降低或消除玉米皮中的霉菌毒素和抗营养因子含量,改善了适口性,提高了玉米皮的饲用价值,具有良好的经济效益和发展前景,但是固态发酵技术对亚硫酸离子和霉菌毒素的去除效果以及在畜禽上的应用价值评价仍有待进一步研究。