飼料之貯藏性及水分活性(上)

陳厚基

新功藥品工業有限公司顧問

前　　言

　　縱令富含任何營養價，嗜好性良好之飼料，若易發黴，易產生過氧化物，貯藏性不良的話，常見其飼料價值降低，實用性不良。像這樣，飼料之貯藏性 ( 保存性 )，可以說是評價、查定營養價、嗜好性以及飼料價值之際，主要變數之一。

　　同於飼料給與法之吸收營養學或生化學的見識等作改善，飼料貯藏法亦積標吸收微生物學、食品學等有關分野的情報或新題材，導致技術或情報的體系化、高度化、低成本化，同時必須寄與越發上質、完全飼料之給餌及畜產物生產。

　　貯藏飼料時之成分變化或品質劣化現象，依其發生原因，可分成生物性原因及非生物性原因。

　　前者有，因黴菌或細菌增殖引起之營養素消費，分解、黴菌毒素之生長，因穀象蟲等貯藏害蟲引起之食害，及代謝水生成引起之增殖誘發。關於後者，有褐變反應 ( Amino  carbonyl ) 引起之胺基酸、醣類之消失，不飽和脂肪酸之空氣氧化，引起之過氧化物的生成等。

　　現今亦有有效之 Labuza 之安定性圖，如圖 1 所示。自此圖可以推測前述之飼料貯藏時，品質劣化現象多半與「飼料之水分活性」有密切關係。

　　所謂「水分活性 ( water  activity ) 以下略稱 Aw」之概念，在食品學、食品微生物學之分野，確認其有效性，現今成為代替「水分」之品質保全上的尺度。併用於蛋糕等之包裝時的脫氧化劑，實際上是與一起包裝之食品的 Aw 配合，選擇最適型式。像這樣，Aw 業已定著於日常的生活，連糕點舖老闆亦知道此廣泛普及之語言。

　　在畜產分野，限活用於生大腿之臘腸桿菌 ( botulinus ) 菌對策，寵愛動物飼料之品質保全。

　　以改善飼料之貯藏性為目的，利用 Aw 作變數之研究，世界上可以說意外的少。在日本，據原慎一郎所知，有全農飼料畜產研究所、穀物檢定協會，部份之配合飼料製造廠商及該研究室，近年才開始研究。但筆者等之研究內容是以阻止飼料貯藏中之有害微生物增殖為主要目的。還沒有如食品分野樣，擴張利用 Aw 至非生物性變質之實態。關於飼料，連其基本之收著等溫線，都幾乎不明。

　　亦即，關於飼料貯藏性之改善，利用 Aw 作研究，現今可以說是尚在黎明期。有隱藏今後發展性之分野，其成果對飼料貯藏技術的高度化、流通時之困擾解消，會產生相當波及之效果。

　　據以上之背景，在本文將就最近所集積之飼料貯藏時之微生物學的品質改善上之資料，以利用 Aw 之有效性為中心，介紹如下供作參考。

一、關連水分活性之基本事項

　1.飼料中之水存在狀態及水分活性

　　所有的生物，為要生存、增殖，必須要有水。特別是對不能飲水行動之微生物，利用含於食品或飼料等基質之水的程度，亦會影響增殖、生命保存，進而影響各種代謝產物之產生量等，飼料貯藏上亦具有重要意義。且非生物性化學反應，亦多半以水為溶媒進行。亦即，所含水之中，有多少成溶媒之水，就多少限制成分變化量。

　　Aw 異於水分，如以上所述之實際微生物能利用之水，能成為反應溶媒之水，若考慮是表示物體中含有多少之變數，就抓住了重點所在。

　　至於含於飼料中之水的存在狀態，今稍詳述如下。即使不知道 Aw，多半亦聽說過自由水、結合水之詞語。

　　如蒸餾水樣，能以不受束縛之狀態存在之水，稱呼自由水 ( Free  water )，此種性格之水，因易結冰，以前亦稱凍結水 ( free zable  water )。通常含於飼料或食器等之水，以自由水之狀態含有時，極罕有。含於這些物質之糖質、蛋白質、礦物質、纖維等之多樣成分，受化學、物理的結合、吸著，以結晶水、氫結合水、溶媒水 ( 水和水 )、毛管水等之形態存在。結晶水、氫結合水，於粉體表面、單分子層受較強力束縛之水，稱為結合水 ( bound  water )，因在很低之溫度亦不凍結，所以又可不凍水 ( unfreezable  water )。關連低分子化合物之溶解，水和受弱力束縛之水稱為半結合水 ( semibound  water )。依溫度、增強自由水之性格，或增強結合水之性格。最近，賴磁氣共鳴分光法 ( NMR  法 ) 等。確認存在狀態之不同水分子的實際存在。

　　在以上所述之各種形態之水中，通常關連飼料之 Aw，為自由水及半結合水，因此，在熱力學上，Aw 為所含有之水的自由度，束縛之弱度 ( ≒易蒸散度 )。

　2.水分活性之定義及關係式

　　以水蒸氣壓，平衡相對濕度，可導出如下之 Aw 的關係式　

　　　　　Aw＝P／Po   …………… (1)

　　　　　∴ 0. 0 ≦ Aw ≦ 1. 0　

　　式 (1) 為 Aw 之定義式。此地 P 為在某溫度下，物體所含水之蒸氣壓，Po 為在同溫度之純水的蒸氣壓。

　　　　　Aw＝ERH (%)／100 …… (2)

　　Aw 亦可以平衡相對濕度 ( ERH ) 之 (2) 式表示關係。此式不僅是飼料之 Aw 測定，對現場之飼料調整、加工、貯藏之場面，亦特別重要。

　　另外，附註 Aw 介氣體定數，絕對溫度等，亦關係浸透壓、水勢 ( water  potential )。

　3.水分收著等溫線

　　以含有水分之牧草或穀類等物體，經乾燥後，在高濕環境下，使吸濕，以水分及 Aw 值點於曲線用紙，可得如圖 2 所示之曲線。此曲線就稱為水分收著等溫線 ( Moisture  sorption   isotherm )。乾燥時所得之曲線，稱為脫濕等溫線 ( desorption   isotherm )，同樣吸濕時所得之曲線，稱為吸濕等溫線 ( adsorption   isotherm )，加於區別處理。

　　利用此等溫線，對飼料可知對應希望的 Aw 域或不希望之 Aw 域之水分範圍，又有可能知道，水分之變化，對 Aw 具有某種意義。像這樣，要想實施安全又確實之貯藏，獲得對象飼料之改善等溫線，能有助益。但很多情形，不明飼料或原料之等溫線，今後必須蒐集資料。

　4.履歷現象 ( hysteresis )

　　除廢糖蜜樣之溶液狀飼料，幾乎所有之飼料，其脫濕等溫線及吸濕等溫線，如圖 2 所示，一般不會重疊，此現象就叫履歷現象。其主要原因，在於吸濕時毛細管凝縮，但其他亦受粉體表面之水的多分子層形成，溶質成分組成或組織構造之影響，履歷現象發生之原因複雜。

　　此地重要的是，縱令同一水分，依飼料之乾燥過程或吸濕過程，Aw 值迴異，即使水分同值，若 Aw 不同，飼料之貯藏性，自然有異，必須注意。

　5.溫度之影響

　　溫度會影響溶質之溶解度、解離度、蒸氣壓。因此，Aw 亦強受溫度之影響。此故，一般以在 25℃之測定值，使用作資料之相互比較等。

　　貯藏飼料發生溫度差時，會形成水蒸氣壓之傾度，此結果，發生水分移動及 Aw 之變化，在成高 Aw 之部份，易發生因微生物引起之加害。

二、飼料貯藏及水分活性

　1.飼料貯藏及障礙賽 ( Hurdle ) 理論

　　在貯藏之際，所發生之大部份障礙，為伴有有害菌增殖發生之變質、品質劣化。建立有效果且低成本又安全之飼料貯藏技術很重要。

　　要達成此目的，利用 Leistner 一派所提之障礙賽效果有益。此理論之想法如圖 3 所示。

　　此理論之概要是，於會影響微生物增殖之 Aw、pH、溫度、氧化還原電位 ( 氧氣分壓 )、保存劑 ( 抗菌劑 ) 等各種因子的 hurdle 競賽或障礙物競賽之障礙 ( barrier ) 上，有害菌譬喻作競賽者，各個飼料所具有之障礙高度，自微生物增殖阻止力面評價查定，再賴補強低障礙，阻止競賽者進入最終點，亦即防止加害菌之增殖 ( 詳細請參照圖 3 之說明 )。

　　Hurdle 理論產生自肉製品之品質保全研究，對咱們與貯藏微生物有關係者，平素漠然認為之事體，巧妙整理成有體系之點很重要，且亦可應用於飼料貯藏之研究、技術開發。

　　又，Leistner 氏以用於食品保存之乾燥、醱酵、砂糖渣等之調理，貯藏過程，各別分割成前述之障礙行評價。遵循此方法，筆者依據現階段之見識，整理飼料之調製、加工、貯藏過程如表 1 所示。

表 1    主要飼料之調製、加工、貯藏及障礙欄因子

註：障礙已相對強度卅：主要障礙欄；廿：副障礙欄；十：弱或依條件機能之障礙欄；一：沒有障礙 機能。

　　概觀此表得知，在一般之飼料的多半處理過程，Aw 為主要或次要之障礙機能，顯然在飼料貯藏，Aw 之控制多麼重要。

　2.微生物之增殖及水分活性

　　微生物是依種類、利用含於飼料之不同存在狀態之水的方式迴異。附著於生草之主要微生物，以自然界為主要棲息所之多半菌，只不過能利用近自由水狀態之水。另外繁殖於貯藏穀類或乾草之黴菌，亦能利用半結合水。亦即，微生物能增殖之 Aw 範圍，是依菌種而異。各個微生物增殖下限之 Aw 值，據 Troller 及 Crristlan 整理如表 2 所示。

表 2    微生物生存之最低水分活性值 ( 在生育適溫附近測定 )( Troller 及 Christion  1978 )

又 Aw 之範圍是在此範圍內能阻止增殖之微生物群，彙總如表 3。

表 3     可阻止微生物增殖之水分活性值及對應之飼料

註：右欄之飼料等依據筆者之 Aw 測定值配置的當然各別有上下幅度。

　3.至發黴之期間及水分活性

　　Scott 整理過去所報告之乾燥食品，至發黴所需日數，與 Aw 對應時，發現即使不同種類之食品，常顯著一致。至發黴所需日數與 Aw 之關係，示於圖 4。得知要品質保持期間 ( Shelf  life ) 約 1 個月以上，必須使 Aw 在 0.75以下。又 Scott 之此資料，成為開端，此後之貯藏研究，都在採用 Aw，剛好是 1975 年之 30 年前事。

　4.有害代謝物之產生及水分活性

　　微生物於飼料中繁殖，所產生之最大問題是產生毒素。事實上，筆者接受相談，依賴檢體調查之多半試料，與這有關。

　　在微生物毒素，有黴菌產生之低分子量的毒素 ( Mycotoxin ) 及細菌產生之蛋白質性毒素二種型。任一種毒素在安全性面均很重要，但在飼料貯藏上，成主要問題的是，在低 Aw 產生之黴菌毒素 ( Mycotoxin )。

　　野生麴菌 Aspergillus  flavus，Asp .  parasitieus 之代謝產物黃黴毒素 ( aflatoxin ) 類。自 1960 年之火雞病事件以來，其強的急性毒性及致癌性，至今常為黴菌毒素著色者之大興趣對象。生成黃黴毒素之下限為 Aw 0.83。在日本此黴菌之主要分佈域為九州以南，與所謂燒酒文化圈重疊，自生合成   polyketide 中間體之事，明顯在堅果 ( nut ) 類等，油糧種子，有易高濃度生成之特徵。在殘渣之飼料利用上應注意。

　　Stericu  gumateystine 類，為合成黃黴菌毒素 ( aflatoxin ) 類上之前驅體。依 Asp.  versicolor 群或 Emericella 屬 ( 無性時代 Asp . nidulans 群 ) 等黴菌可生成。此毒素之毒性與黃黴毒素相較，有約 1／50 之強度，但據筆者之經驗，在每單位風乾菌體，有約數百分比的多量生成之點，並具有產生能之黴菌，可自日本國內各地之土壤或飼料分離，現場認為是黃黴毒素類以上重要之黴菌毒素。生成下限之 Aw 為 0.95 左右。

　　Ochratoxin 類是最初知之 Asp . Ochraceus 之代謝產物，此後確知依多數之 Aspergillus 屬於 Penicillum 屬菌類可生成。在養雞用飼料之 Ochratoxin  A 的生成下限，Aw 為 0.85。

　　Penicillin 酸亦依 Penicillum 屬，Aspergillus 屬菌類可生成。在養雞用飼料，下限之 Aw 為 0.80，依 Pen.  Patulum 等，相當數之 Penicillin 屬及部份之 Aspergillus 屬，Byssochlamys 屬黴菌，所生產之 Patulin 的生成下限 Aw 為 0.81 ~ 0.84。

　　第二次世界大戰後之復興期，日本自東南亞各國，輸入大量之米，此際，不得不吃劣質米之大眾中，不幸發生食中毒患者，就是黃變米中毒事件。據此後之研究，黃變米毒素分成三群。

　　toxicarum 黃變米毒素、citreoviridin，為依 pen .  citreonigrum ( 異名 pen .  toxicarium，pen .  citreoviride ) 等所生成。生成下限之 Aw 為 0.86。泰國黃變米毒素、citrin，為因 pen . citrinum 等引起生成。在 Aw 0.90 以上可生產。第三群之 islandia 黃變米毒素是自 Rudeoscairin 等之 antraxin 類緣體，及分子中含有氯之環狀縮胺酸 ( peptide ) 的 islanditoxin、cyclochlrotin 所構成，由 pen . islandicum 所生產。至於 islandia 毒素之生產條件、Aw 值不明。

　　黃變米事件成為轉機，該國開始黴菌毒素之研究。但最初之原因，在於魯莽之戰爭，令人難忘。

　　其他，在青黴菌毒素，為 pen .  crustosum 產生之 peniflem，生產下限之 Aw 值為 0.94。同樣，pen .  roquefortii 產生之 roquefartin 為 0.87，PR 毒素為 0.90，pen .  aurantiogriseum ( 異名，pen .  cyclopium ) 之 cycloplason 酸為 0.87，及 pen . griseofulvum 之  griseofulvin 為 0.85。

　　以上述及配合飼料、乾草等之 Aw 值較低之貯藏飼料，所檢出之黴菌的黴菌毒素。

　　由於施行飼料安全法，最近檢查體制亦相當齊備，且飼料業界亦加深認識，在流通飼料、超過污染黴菌毒素基準量者，大致消失。此理由不是說必定可放心流通飼料，即使檢不出毒素，自飼料現今亦可檢出具有生產能之黴菌。這是由於品質管理技術之提高，結果，降低飼料之 Aw，僅置黴菌於不能活動之狀態。倉庫、圓倉內之濕度，抑制於 75%以下等，貯藏中常要有適切之管理。

　　栽培中之作物，亦會被黴菌毒素污染。攝食這些作物之家畜或人類，自古就知道有中毒或死亡事故，為中世紀歐洲多發之麥的麥角毒素引起之事件。麥角為因麥角菌 ( clariceps  purpureea ) 感染，引起形成一種菌核。毒素成分是一群 endolalkaloid，除對子宮或血管有強的收縮作用外，還有幻覺作用等，依物質有多種之生理活性，主要蓄積於麥角。

　　著者於 1986 年 11 月之南九州及南關東之青苗貯藏高梁，確認麥角形成。且在减木縣發現麥角菌感染初期症狀的蜜狀甘露分泌，可見青苗貯藏高梁之麥角菌污染廣域性，必須注意。

　　現今受世界注目之黴菌毒素有 Fusarium 毒素。含有 Fusarium 屬、Trechothecium 屬、Myrothecium 屬等產生之 Trechothecem 類外，還有 Zearoleno 等。此毒素污染引起之事故，以麥類多發。在代表性之本事故例有 19 ~ 20 世紀初期，在亞伯利亞之 Amool 地方，人畜大發生 ATA ( 食中毒性無白血球症、alimentarytoxic  aleukia )。是因遲割，放置於冬季圃場之麥，寄生 Fusarium 屬菌，產生之毒素引起。連日本於 1963 年亦大發生，被害波及麥、水稻、牧草、青刈玉米等，於人畜之多數中毒者，曾出現紅黴菌中毒。多半之情形，事故是因在低溫多濕之氣溫環境下，所栽培、收割之作物為其原因，麥之青苗貯藏有充分產生黴菌毒素污染之可能性。

　　青苗貯藏法最近在檢討與水田間作等之關連，不僅有飼料安全性面之問題，且伴有相當之養分溶脫、枯葉或野鳥之子實食害引起之乾物損失。間作或低成本之粗飼料生產，應可以推進，但必須多方面且慎重顧慮新技術之導入，在適期收穫之前提下，賴併用青貯調製，NH₃ 處理等之補償技術，應可迴避青苗貯藏之弱點。

　　此外，圃場常在性之黴菌引起之中毒有很多，例如在美國，因 Rhizoctonia  leguminicola 感染紅苜蓿 ( clover )，所生成之 Slaframin、發生流涎症，同樣，Tolfesk，因感染 Fusarium  tricinctum，生成之 putenoride，因 T-2 毒素發生 tolfesk 中毒。在紐西蘭，牧草因感染 pithomyces  chartarum ( 異名 sporidesmium   bakeri )，產生 sporideswin 類，發生中毒性光過敏症，死亡數千頭馬，其原因毒素不明。

　　多犯性植物病原菌 Alternaria  alternata，產生之 altenuen，altenariol，altenariol，monomethylether 之生成下限，任一種均為 Aw 0.90。

　　以上就飼料用之穀類，配合飼料或乾草等之貯藏飼料，有分離例之黴菌毒素生產黴菌，及有檢出例之毒素，以生成下限之Aw 值為中心報告，並述及圃場常在性黴菌之毒素及安全性面之青苗貯藏方式之問題點。

　　又，亦報告很多其他生成下限之 Aw 值不明之黴菌毒素及其生產黴菌。

　　在細胞性毒素，Botulinum 菌 ( clostridium  botulinum ) 之毒素生成下限的 Aw 值，按 A 型、B 型、C 型、E 型之順序，各別為 0.95、0.94、0.98 及 0.97。

　　病原性葡萄球菌 ( staphylococcus  aureus )，所產生之三種毒素 entertoxin  A、B 及 C 之生成下限的 Aw 值，各別為 0.87、0.90 及 0.94。微生物之毒素產生下限 Aw 值及最適 Aw 值，會受 pH 值，溫度，基質養分組成等之影響而變化。

飼料營養雜誌第七冊合訂本

1990年第1期至1990年第6期

九○年．第二期 ( 55 ~ 67 )

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