多指标综合加权分析法优化固态发酵豆粕工艺

　　摘要：运用正交设计L9（34）与多指标综合加权分析方法优化3种益生复合菌发酵豆粕的工艺，采用接种量（A）、环境温度（B）、料水比（C）、发酵菌种（D）为处理因素，以还原糖、乳酸、氨基酸含量等作为综合评价指标，利用Minitab17软件以及多指标试验公式法进行加权数据处理，优化豆粕的固体发酵工艺参数。结果显示，1）经过加权分析，中性蛋白酶权重系数最高，其次为还原糖（1.719）和乳酸（1.590），粗脂肪权重系数最低。说明本试验中性蛋白酶、还原糖以及乳酸对发酵豆粕的品质影响较大。2）通过综合评分公式对9个处理组数据分析得到：T9组综合评分最高（0.9863），T1组（0.9654）和T8组（0.9626）次之，表明在T9组合（A3B3C2D1）条件下发酵豆粕，所选8项考察指标综合水平达到最高。因此拟选T9组合为最佳发酵工艺组合；3）均值回应表显示影响豆粕发酵工艺的因素依次为：发酵菌种>料水比>环境温度>接种量，其中发酵菌种和料水比为显著影响因素（P<0.05），而接种量和环境温度对试验结果影响不显著。从资源节约以及生产实际角度考虑，将T9组发酵工艺A3B3C2D1优化为A1B2C2D1，即接种质量分数1%，环境温度30℃，料水比质量为2∶1，发酵菌种配比为1∶1∶1。4）Minitab17软件对优选工艺A1B2C2D1进行预测，结果显示优选工艺综合评分高于拟选工艺A3B3C2D1综合评分（0.9863）。验证试验得出各指标产出与预期结果相符，表明该优化工艺合理、可行，各指标产出率较高，为豆粕发酵工艺的确定提供了参考依据。

　　关键词：饲料；农产品加工；发酵；综合加权分析法；正交试验；发酵豆粕

　　0引言

　　水产养殖业发展对鱼粉需求量逐年增大，加之饵料渔业资源捕捞过度，导致鱼粉价格不断升高，因此，用植物蛋白代替鱼粉等动物蛋白颇受关注[1-4]。豆粕是大豆加工后得到的一种副产品，含有丰富的蛋白质，是水产饲料行业应用最广泛的植物蛋白源[5-8]，但由于豆粕中的抗营养因子、氨基酸不平衡、结构致密造成的适口性差和消化率偏低等限制了其应用价值。许多研究表明，有益微生物发酵豆粕可以降低抗营养因子含量，提高动物生长速度，改善养殖动物肠道菌群，增强免疫功能[9]；大分子蛋白质也可以在微生物作用下降解为容易被养殖动物吸收的多肽、小肽及游离氨基酸[10]；微生物发酵也可以降解部分碳水化合物，使豆粕致密结构变得疏松，减少苦味的产生[11]，从而增加豆粕适口性，提高水产动物的饲料利用率[12-13]。毛银等[14]采用一株植物乳杆菌（Lactobacillusplantarum）进行豆粕发酵研究，产物中含有6种有机酸，改善了豆粕的气味性和适口性，还可以防止豆粕变质。Li等[15-16]采用正交试验设计开展了枯草芽孢杆菌ZC1发酵豆粕的培养基以及培养条件优化研究，研究发现在搅拌速率150r/min、通气量5L/min、环境温度37℃时，中性蛋白酶酶活力和大豆肽转化率分别达到了852.5U/mL和76.73%。

　　1材料与方法

　　1.1材料

　　1.1.1发酵菌种枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）NHS1，1.5×109cfu/mL；乳酸菌NHS03（Lacticacidbacteria），2×109cfu/mL；海洋红酵母菌NHS05（Marineredyeast），8×108cfu/mL，3种菌种均由中国水产科学研究院南海水产研究所分离，鉴定并保藏。

　　1.1.2发酵底物豆粕（东莞市富之源饲料蛋白开发有限公司）1.2方法1.2.1正交试验设计以接种量（A）、环境温度（B）、料水比（C）、发酵菌种（D）为考察因素，其中接种量以质量分数计算，料水比和发酵菌种比例均以质量比值计算。参考以往研究者研究[18,20]以及实际生产条件设计各因素水平，发酵菌种水平选择枯草芽孢杆菌NHS1（Bacillussubtilis）、乳酸菌NHS03（Lacticacidbacteria）、海洋红酵母菌NHS05（Marineredyeast）三者不同比例（表1）。以发酵后豆粕的粗脂肪、还原糖、乳酸、中性蛋白酶、总氨基酸、干物质回收率、不饱和脂肪酸、粗蛋白为综合指标。每个因素3个水平（见表1），按照L9（34）正交试验表（见表2）制作总量为3kg的发酵豆粕，平均分成3份，分别装入发酵袋中，密封培养，发酵时间为48h。各处理组以T1、T2、T3，…，T9表示。发酵完成后样品进行低温干燥（含水率为8.5%），进行指标测定。

　　2结果与分析

　　2.1正交试验权重系数及综合评分的确定

　　选择L9(34）表，试验方案及结果见表3，表4。由于本次正交设计采用了多个指标成分进行分析，所以采用多指标试验公式法[28]进行数据处理。以Xij表示第i次试验第j个指标的测定值（即Xij表示正交试验的第i次试验的第j个指标的测定含量），首先以各指标的最大值作为参照，对同一指标各数据进行标准化处理，Dij表示第j个指标下的第i个测定值的标准化数据。Dij=Xij/(Xj)max，其中i=1，2，...，9；j=1,2，...，8。再按各指标的重要程度和各组数据的相对标准偏差确定权重系数，Fj=Ej×RSD/RSDj（见表3），其中RSD为粗脂肪的相对标准偏差，RSDj为第j个指标的相对标准差，由于各营养指标的作用都比较重要，故重要程度Ej定为1。Pi=Σ(Fj×Dij）/ΣFj，计算所得的兼顾各项指标综合评分公式Pi越大越好，数据处理结果见表5，表6。

　　2.2豆粕发酵工艺综合评分结果与分析

　　本试验选择8种生产指标作为考察发酵豆粕综合品质指标，通过多指标试验公式法科学计算得出各指标的权重系数（见表3）。其中中性蛋白酶权重系数最高（1.773），说明中性蛋白酶对发酵豆粕品质影响较大，因此分配权重较大；而粗脂肪权重系数最低，说明粗脂肪对发酵豆粕品质影响较小，分配权重系数相对较小。再通过公式计算出各试验组的综合评分并对评分进行排序（见表4）。结果显示：T9组综合评分最高（0.9863），T1组综合评分次之（0.9654），T7组综合评分最低（0.8260）；T9组直观排序为第1，因此在本试验中T9组（A3B3C2D1）在各试验组中发酵工艺最佳。综合评分Pi的均值回应表（表5）显示，正交试验中各因素水平的均值以及极差，通过极差排秩可以直观得出各因素对发酵豆粕综合品质影响程度各不相同，D因素影响最大，C因素影响次之，A因素影响最小，因此各因素的影响程度依次为D>C>B>A，即发酵菌种>料水比>环境温度>接种量。综合评分Pi方差分析结果（表6）表明：各因素对发酵豆粕综合品质影响显著程度不同，D因素（发酵菌种）和C因素（料水比）P值分别为0.021和0.046，P值均小于0.05，为显著影响因素；A、B因素的P值大于0.05，说明A、B因素对试验结果没有显著影响，即接种量和环境温度对发酵豆粕综合品质的影响不大。因此，考虑节约试验资源，T9组合（A3B3C2D1）中A因素选择较低水平，B因素选择与外界环境相符温度。将发酵工艺A3B3C2D1最终优化为A1B2C2D1，即本试验最终发酵工艺为：接种量1%，环境温度30℃，料水比2∶1，发酵菌种枯草芽孢杆菌NHS1∶乳酸菌NHS03∶海洋红酵母菌NHS05=1∶1∶1。

　　3讨论

　　3.1发酵豆粕对抗营养因子以及氨基酸平衡等豆粕品质的影响

　　豆粕虽然在植物蛋白含量高、原料充足中等多方面存在优势，但抗营养因子、氨基酸不平衡、适口性差和消化率偏低等因素限制了其应用。豆粕经过微生物发酵后，一方面能产生大量乳酸和芳香族化合物，改善饲料风味，适口性好，可增加动物食欲[41]。同时产生大量蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、糖化酶等消化酶，有助于提高豆粕的消化利用率[42]。何玉华等[43]研究发现乳酸菌发酵豆粕能够显著改善豆粕的风味和适口性，并在水貂日粮中添加23%发酵豆粕可有效提高有机物和粗脂肪的采食量。另一方面微生物发酵豆粕可去除多种抗营养因子[44]。刘媛媛[45]发现豆粕经发酵后胰蛋白酶抑制因子、大豆凝聚素、脂肪氧化酶、致甲状腺肿素等均被完全降解。脲酶虽然是一种热不稳定性的酶，但在某种特定条件下可以被激活，从而影响动物体内蛋白质的利用，甚至会危及动物生命[46]。豆粕中的胰蛋白酶抑制因子含量与其中的脲酶含量呈正相关关系，因此通过测定脲酶活性可间接评估豆粕中胰蛋白酶抑制因子含量[47]。本试验中经过最佳发酵工艺发酵豆粕，脲酶基本消除，从侧面说明胰蛋白酶抑制因子降解达到较高水平。另外，豆粕经微生物发酵后，使大分子蛋白分解为易吸收的小分子蛋白、小肽分子以及氨基酸分子。有学者利用枯草芽孢杆菌发酵豆粕后发现游离氨基酸差异显著，大部分必需氨基酸有所增加，其中异亮氨酸、赖氨酸、亮氨酸较发酵前增加2～7倍[48]。本试验中各氨基酸含量在发酵后均有不同程度增加，其中赖氨酸、精氨酸、苏氨酸增幅相对较大，与Dai研究结果不同，可能与发酵菌种以及发酵工艺不同有关。

　　3.2多指标综合加权评分分析法

　　多指标综合评价是指人们根据不同的评价目的，选择相应的评价形式，据此选择多个因素或指标，并通过一定的评价形式，据此选择多个因素或指标，并通过一定的评价方法，将多个评价因素或指标转化为能反映评价对象总体特征的信息[49]。其中评价指标与权重系数的确定将直接影响综合评价的结果[50]。在以往进行微生物发酵豆粕的工艺优化研究中，研究者一般只采取一个参考指标[42]，这样就造成了试验结果具有一定的片面性。本研究在指标的选取以及数据的处理等方面，引入了综合分析指标的概念，将具有不同考察范围的指标转化为一个可以量化的数值。因此这种多指标综合加权评分法可以较好的避免单一指标评价的片面性，从而使指标分析更加公正、全面，同时对关键性影响因素也给予了相应的侧重，使结果分析更为科学、客观。多指标综合加权评分法在中药提取研究中应用较广[51-52]，而在微生物发酵方面的应用鲜有报导。目前在豆粕发酵工艺研究方面多利用正交设计以及响应面分析[53]，并多采用单一指标评价分析结果，最终得到最佳发酵工艺。按照权数产生方法的不同，多指标综合评价方法可分为主观赋权评价法和客观赋权评价法两大类。刘晓明[24]在研究乳酸菌、枯草芽孢杆菌、酵母菌发酵不同饲料原料时采用了主观赋权评价法，依据各指标对发酵饲料质量影响的大小给予不同的权重系数，这种方法主观性比较强，易受人为因素的影响。而本研究中采用的是客观赋权评价法，该方法能够综合考虑各指标之间的相互关系，依据各指标所提供的初始数据信息来确定权重，从而使评价结果更加精确，客观性比较强，更具有说服力。

　　4结论

　　本试验通过正交设计进行试验，并检测各项指标，利用多指标试验公式法以及Minitab17软件进行数据分析，得出最高综合评分为0.9863，正交试验第9组A3B3C2D1为拟选发酵工艺。由于A、B因素对试验结果没有显著性影响，考虑节约试验资源，因此选择A1B2C2D1为最佳发酵工艺条件，即接种量为1%，环境温度30℃，料水比为2∶1，发酵菌种为枯草芽孢杆菌NHS1∶乳酸菌NHS03∶海洋红酵母菌NHS05=1∶1∶1。本研究得出的最佳发酵工艺是在实验室条件下进行的，后续在产业化应用中进一步优化和微调，进一步改善发酵豆粕蛋白质品质，显著降低抗营养因子含量，提高发酵豆粕的利用率。

　　[参考文献]

　　[1]CarterCG,HaulerRC.FishmealreplacementbyplantmealsinextrudedfeedsforAtlanticsalmon,SalmosalarL[J].Aquaculture,2000,185:299－311.

　　[2]王亚军，林文辉，杨智慧，等.发酵豆粕部分替代鱼粉对日本鳗鲡生长性能和体内矿物元素的影响[J].南方水产科学，2013，9(3)：39－43.WangYajun,LinWenhui,YangZhihui,etal.EffectsofreplacementoffishmealbyfermentedsoybeanmealinthedietforJapaneseeel(Anguilljaponica)ongrowthperformanceandcontentofmineralelementsinmuscleandskin[J].SouthChinaFisheriesScience,2013,9(3):39－43.(inChinesewithEnglishabstract)

《多指标综合加权分析法优化固态发酵豆粕工艺》

上一篇：法荷日韩农产品加工财政支持政策的启示

下一篇：对新时期机械化农产品加工工程发展的建议