基于色差技术的微生物发酵床垫料发酵等级研究

潘志针; 刘波; 朱育菁; 陈峥; 许炼; 史怀

doi:10.19303/j.issn.1008-0384.2016.11.020

基于色差技术的微生物发酵床垫料发酵等级研究

潘志针¹,
刘波^1, ,,
朱育菁¹,
陈峥¹,
许炼²,
史怀¹

1.
福建省农业科学院农业生物资源研究所, 福建福州 350003
2.
厦门大学生命科学院, 福建厦门 361005

基金项目:

福建省科技计划项目——省属公益类科研院所基本科研专项 2015R1018-10

福建省科技重大专项 2015NZ0003

详细信息

作者简介:
潘志针(1985-),男,硕士,主要从事生物化学和生物活性物质分析研究

通讯作者:
刘波(1957-),男,博士,研究员,主要从事微生物生物技术及农业生物药物研究(E-mail:Fzliubo@163.com)

中图分类号: S828
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2016-04-05
- 修回日期: 2016-05-25
- 刊出日期: 2016-10-31

Chromatic Determination of Fermentation Stages for Microbial Fermentation Bed in Pig Pan

1.
Institute of Agricultural Biological Resources, Fujian Academy of Agriculture Sciences, Fuzhou, Fujian 350003, China
2.
School of Life Science, Xiamen University, Xiamen, Fujian 361005, China

摘要

摘要: 采用TES-135色差仪对微生物发酵床大栏养猪场的160份垫料样本进行色度分析，采用亨特（Hunter）色差公式：△E=[（△L）²+（△a）²+（△b）²]^1/2对样本间的色差进行统计分析，结合STDEV算法，根据样本的色差相对于平均值（μ）的离散程度（σ），将垫料的发酵等级分为4级：0 ＜△E≤μ-2σ为发酵1级；μ-2σ＜△E≤μ为发酵2级；μ＜△E≤μ+2σ为发酵3级；△E>μ+2σ为发酵4级。通过表观颜色、干湿度、味道、腐烂程度等对不同发酵等级的垫料样本进行表观描述，结果显示垫料的色度分析能准确反应垫料的发酵等级。这为垫料发酵等级的快速鉴定奠定理论基础。
- 微生物发酵床垫料 /
- 色度分析 /
- 垫料分级
Abstract: Using a TES-135A color meter, 160 samples of bedding material from the microbial fermentation beds in pig pans were measured. The chromaticity data were fed to the Hunter's color difference formula, △E=[(△L)²+(△a)²+(△b)²]1/2, to obtain the △E value. Based on the average value (μ) and dispersion degree (σ) of △E, the stages of fermentation of the bedding material were classified. The 1^st stage ranged from 0 to μ-2σ, the 2^nd stage from μ-2σ to μ, the 3^rd stage from μ to μ+2σ, and the 4^th stage beyond μ+2σ. Subsequently, the apparent color, humidity, odor, and degree of decomposition were determined for samples from each fermentation stage. A regression analysis showed a high correlation between the colorimetric measurements and the observations suggesting the color meter might be used as a means to rapidly determine the fermentation stages of a microbial fermentation bed in a pig pan.
- microbial fermentation bed /
- chromaticity analysis /
- bedding material classification

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微生物发酵床大栏养猪，是一种区别于传统养猪模式、具有无污染、零排放的新型有机农业技术，其优势在于能有效地解决养猪生产过程中粪污处理问题，改善猪的生长环境，减少养殖污染对环境的压力^[1-4]。微生物发酵床养殖技术在20世纪60年代起源于日本，近几年在中国得到广泛推广和应用，产生了巨大的经济效益^[5-6]。

发酵床垫料是由谷壳、秸秆、锯末等按照一定的比例混合泥土后铺设起来有机介质，其作用是对猪排泄物进行吸附、通过微生物对排泄物进行降解，达到无污染、零排放的目的^[7]。随着发酵时间的增加，发酵床垫料的发酵程度逐渐加深，垫料也从新鲜原料开始慢慢发生一系列变化，并最终成为可以用于花卉栽培的基质^[8]。垫料是微生物发酵床养殖技术的核心，发酵床垫料管理得当不仅能够保持猪舍内部的微环境平衡，而且能促进微生物对猪排泄物进行发酵分解；因此，了解并调控发酵床垫料的发酵情况对于整个猪舍的环境的保持具有重大意义^[9-10]。目前对于发酵程度的判断主要根据垫料存在于发酵床的时间对其进行简单分级，但是由于猪在猪舍内的排泄区具有特异性，因此简单地通过垫料的存在时间垫料发酵程度进行分级很难全面反映垫料的真实发酵情况^[11]。另一种方法是根据垫料物理特征(即垫料的颜色、气味、腐烂度、湿度、成分完整性等特点)对垫料的发酵程度进行分级，这种方法总的来说具有直观、检测快速的优点，不需要大量的仪器和复杂的测定，常用于描述垫料发酵过程所处的状态，可以定性描述垫料的发酵程度的情况，适合有经验的技术人员现场应用。但是这种方法由于缺乏量化的测定指标，容易造成人为引起的主观误差，只能与其他指标结合使用^[12]。宋泽琼等^[13]根据垫料在不同NaCl溶液中的悬浮率不同，将猪发酵床垫料分成4个等级，较好地反映了猪发酵床垫料的发酵程度，但同时也存在操作繁琐、工作量大等问题。探寻一种快速鉴定发酵床垫料的发酵等级的方法对研究微生物发酵床具有重要的意义，目前尚未有该方面研究的报道。

发酵床垫料随着发酵时间的延长，垫料颜色逐渐从黄色往灰色变化，最终变成黑色，垫料色泽能较准确地反映出垫料的真实发酵程度。笔者根据这一思路，从福建渔溪猪场中采集160份猪发酵床垫料样本。利用CIE Lab色差法得到采集样本与未发酵垫料之间的色差值△E，利用统计学分析将垫料分成4个等级，得到一个根据色差值△E对猪发酵垫料分级的标准，以期快速鉴定猪发酵床垫料的发酵等级，为后续的研究奠定理论基础。

1. 材料与方法

1.1 供试材料

发酵床垫料采集： 2015年5月份采集于福建渔溪现代微生物发酵床大栏养猪福清示范基地。将养猪场发酵床(长60 m，宽35 m)的长轴和短轴分别进行8等分和4等分，将发酵床分成32个区域(图 1)。

图 1 发酵床采样区域划分

Figure 1. Sampling areas on a microbial fermentation bed

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采用五点采样法(图 2)，以对角线中点为中心取样点，再在对角线上选择4个与中心样点距离相等的点作为取样点，1个区域取5点，32个区域共计160份样本。每份样本均匀的四等分，取2份样本混匀再四等分，再取2份样本混匀再四等分，直至所需的采样量，进行色差数据的分析。

图 2 五点采样法

Figure 2. Five-point sampling method

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1.2 色差分析研究

色差仪选用台湾泰仕TES135色差仪测定。测定前将160份已混匀的垫料在白纸上铺平，将色差计正对垫料成90度，保证其不露光，对垫料样本进行色差测定。测定模式采用L^*、a^*、b^*，△E，以未发酵的空白垫料作为色差测定参比样。采用亨特(Hunter)色差公式对色差数据进行分析：

△E=[(△L)²+(△a)²+(△b)²]^1/2

式中： $\left\{ \begin{array}{*{35}{l}} \vartriangle L={{L}_{1}}-{{L}_{2}} \\ \vartriangle a={{a}_{1}}-{{a}_{2}} \\ \vartriangle b={{b}_{1}}-{{b}_{2}} \\ \end{array} \right.$

其中 L=10Y^1/2

$a=\frac{1.75\left( \frac{X}{{{f}_{XB}}+{{f}_{XA}}}-Y \right)}{{{Y}^{1/2}}}$

$b=\frac{7.0\left( Y-\frac{Z}{{{f}_{ZB}}} \right)}{{{Y}^{1/2}}}$

X，Y，Z为样品的刺激值，f_XA、f_XB、f_ZB为所选用的CIE标准色度观察者和标准照明体决定的常数。计算已发酵垫料的总色差值(△E)。每份垫料重复3次，取平均值作为该份垫料的最终色差值。

1.3 垫料发酵等级研究

根据垫料的色差划分垫料的发酵等级，引入STDEV算法，根据样本的色差相对于平均值(μ)的离散程度(σ)，将垫料的发酵等级分为4级(表 1)。

表 1 不同发酵等级垫料色差值△E范围

Table 1. Ranges of △E for 4 fermentation stages

垫料发酵等级	公式
发酵1级	0＜△E≤μ-2σ
发酵2级	μ-2σ＜△E≤μ
发酵3级	μ＜△E≤μ+2σ
发酵4级	△E>μ+2σ

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1.4 不同发酵等级垫料表观特征分析

分析不同发酵等级的垫料的表观特性，从表观颜色、干湿度、味道和腐烂度4个角度进行阐述，并拍照记录。

其中 $\mu =\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathop{\sum }}}\,{{X}_{i}}}{n},\sigma =\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathop{\sum }}}\,{{({{X}_{i}}-\mu )}^{2}}}{n}}$ ，n=160

2. 结果与分析

2.1 垫料样本色差统计

采用TES135色差仪对160份垫料样本的色差进行测定，选用L^*、a^*、b^*，△E模式，通过亨特色差公式对数据进行分析，测定△E。如表 2所示，160份垫料样本的平均色差(μ)=39.06，标准偏差(σ)=15.72。

表 2 垫料样本色差统计

Table 2. Chromaticity of sampled bedding material

垫料编号	△E
1	18.51
2	11.26
3	31
4	11.56
5	35.49
6	31.08
7	32.51
8	38.29
9	34.23
10	42.76
11	30.4
12	21.17
13	32.78
14	21.16
15	25.29
16	15.03
17	37.41
18	20.45
19	6.8
20	26.94
21	34.35
22	38.81
23	32.16
24	39.57
25	28.55
26	32.32
27	44.54
28	29.67
29	40.89
30	35.72
31	41.34
32	42.13
33	33.46
34	44.95
35	40.37
36	35.56
37	23.01
38	35.46
39	41.43
40	45.28
41	23.82
42	27.47
43	21.39
44	37.18
45	29.28
46	19.63
47	16.91
48	26.28
49	28.34
50	20.35
51	16.86
52	68.25
53	63.99
54	61.91
55	67.5
56	46.96
57	70.86
58	36.59
59	68.21
60	64.41
61	58.87
62	69.91
63	62.5
64	51.33
65	75.88
66	75.69
67	62.22
68	13.48
69	48.16
70	55.07
71	42.39
72	64.98
73	56.83
74	64.81
75	44.56
76	64.79
77	77.9
78	64.52
79	71.33
80	67.39
81	64.02
82	75.45
83	64.33
84	67.57
85	25.01
86	75.28
87	50.79
88	51.82
89	48.64
90	79.66
91	66.45
92	57.29
93	30.47
94	29.55
95	30.77
96	35.76
97	32
98	22.4
99	27.15
100	38.83
101	35.58
102	25.1
103	38.56
104	39.02
105	39.41
106	23.8
107	30.46
108	30.53
109	30.23
110	20.76
111	33.7
112	33.6
113	33.65
114	28.85
115	27.66
116	27.9
117	27.95
118	24.4
119	24.8
120	33.01
121	20.36
122	20.56
123	31.38
124	34.19
125	32.6
126	36.86
127	34.47
128	38.26
129	33.73
130	38.24
131	45.71
132	39.02
133	34.63
134	34.25
135	38.07
136	40.14
137	31.02
138	34.92
139	28.92
140	35.52
141	41.13
142	27.1
143	33.6
144	36.27
145	38.02
146	33.6
147	36.02
148	28.7
149	37.23
150	40.04
151	38.81
152	41.22
153	33.86
154	32.76
155	29.84
156	40.56
157	33.39
158	40.35
159	34.16
160	35.06

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2.2 垫料发酵等级测定

如表 3所示为垫料发酵的4个等级。160份垫料样本大多为发酵2级和发酵3级，其中发酵2级的样本数最多，有102份样本为发酵2级，发酵3级的样本数为47个。发酵4级的样本数较少，只有8个样本。发酵1级的样本数最少，只有1个样本为发酵1级。

表 3 垫料发酵等级测定

Table 3. Determination of fermentation stages for bedding material

垫料发酵等级	公式	范围
发酵1级	0＜△E≤μ-2σ	0＜△E≤7.63
发酵2级	μ-2σ＜△E≤μ	7.63＜△E≤39.06
发酵3级	μ＜△E≤μ+2σ	39.06＜△E≤70.49
发酵4级	△E>μ+2σ	△E>70.49

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2.3 不同等级垫料表观特征研究

将4个等级的表观特征统计如表 4所示，随着发酵时间的增加，垫料的颜色逐渐由黄向黑转变，垫料的腐烂程度和湿度也越来越大；4级垫料带有明显的氨臭味，表明猪粪等排泄物已经被发酵降解。

表 4 不同发酵等级垫料表观特征

Table 4. Characteristics of bedding material at various fermentation stages

发酵等级	表观颜色	干湿度	味道	发酵程度
发酵前	明黄	干	无	无
发酵1级	暗黄	干	无	无
发酵2级	灰黄	湿度小	轻微泥土味道	发酵程度低
发酵3级	棕灰	中等湿度	猪粪便味道	发酵程度中等
发酵4级	黑灰	湿度很大	氨臭味	发酵程度高

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采用平板摄像仪，固定焦距，固定光圈对4个等级的垫料样本拍摄，如图 3所示。

图 3 4个发酵等级垫料样品

注：A为发酵1级(0＜△E≤7.63)；B为发酵2级(μ-2σ＜△E≤39.06)；C为发酵3级(μ＜△E≤70.49)；D为发酵4级(△E>70.49)。

Figure 3. Photos of bedding material at 4 fermentation stages

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3. 讨论与结论

CIE LAB色空间是基于一种颜色不能同时既是绿又是红、也不能同时既是蓝又是黄这个理论而建立。当一种颜色用CIE L^*a^*b时，L^*表示明度值；a^*表示红/绿值及b^*表示黄/蓝值。随着发酵程度的增加，L、a和b的值逐渐下降；表明随着发酵程度的增加，垫料的明度值下降，颜色逐渐往黑色转变；a和b的值总体上也随着发酵程度的增加而变少，但是相比L值，没有呈现出规律性递减，表明发酵过程中垫料的颜色会朝着不同的颜色转变，这可能跟猪排泄区域分布有关，后续作者将进行深入研究。不同发酵等级垫料与空白垫料的色差值△E综合了L、a和b等3个指标，结果更科学合理。

STDEV(б)是基于样本估算的标准偏差，反映数值相对于平均值的离散程度。根据样本的色差离平均值的离散程度，我们初步得到一个根据色差值△E对猪发酵垫料分级的标准。根据这一标准，能快速地通过色差计测色值对垫料的发酵等级进行初步的分级。由不同发酵等级垫料的表观特征的测定的结果显示：垫料的色度分析能准确地反应垫料的发酵等级，为垫料发酵等级的快速确定奠定理论基础。

图 1 发酵床采样区域划分

Figure 1. Sampling areas on a microbial fermentation bed

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图 2 五点采样法

Figure 2. Five-point sampling method

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图 3 4个发酵等级垫料样品

注：A为发酵1级(0＜△E≤7.63)；B为发酵2级(μ-2σ＜△E≤39.06)；C为发酵3级(μ＜△E≤70.49)；D为发酵4级(△E>70.49)。

Figure 3. Photos of bedding material at 4 fermentation stages

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表 1 不同发酵等级垫料色差值△E范围

Table 1 Ranges of △E for 4 fermentation stages

垫料发酵等级	公式
发酵1级	0＜△E≤μ-2σ
发酵2级	μ-2σ＜△E≤μ
发酵3级	μ＜△E≤μ+2σ
发酵4级	△E>μ+2σ

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表 2 垫料样本色差统计

Table 2 Chromaticity of sampled bedding material

垫料编号	△E
1	18.51
2	11.26
3	31
4	11.56
5	35.49
6	31.08
7	32.51
8	38.29
9	34.23
10	42.76
11	30.4
12	21.17
13	32.78
14	21.16
15	25.29
16	15.03
17	37.41
18	20.45
19	6.8
20	26.94
21	34.35
22	38.81
23	32.16
24	39.57
25	28.55
26	32.32
27	44.54
28	29.67
29	40.89
30	35.72
31	41.34
32	42.13
33	33.46
34	44.95
35	40.37
36	35.56
37	23.01
38	35.46
39	41.43
40	45.28
41	23.82
42	27.47
43	21.39
44	37.18
45	29.28
46	19.63
47	16.91
48	26.28
49	28.34
50	20.35
51	16.86
52	68.25
53	63.99
54	61.91
55	67.5
56	46.96
57	70.86
58	36.59
59	68.21
60	64.41
61	58.87
62	69.91
63	62.5
64	51.33
65	75.88
66	75.69
67	62.22
68	13.48
69	48.16
70	55.07
71	42.39
72	64.98
73	56.83
74	64.81
75	44.56
76	64.79
77	77.9
78	64.52
79	71.33
80	67.39
81	64.02
82	75.45
83	64.33
84	67.57
85	25.01
86	75.28
87	50.79
88	51.82
89	48.64
90	79.66
91	66.45
92	57.29
93	30.47
94	29.55
95	30.77
96	35.76
97	32
98	22.4
99	27.15
100	38.83
101	35.58
102	25.1
103	38.56
104	39.02
105	39.41
106	23.8
107	30.46
108	30.53
109	30.23
110	20.76
111	33.7
112	33.6
113	33.65
114	28.85
115	27.66
116	27.9
117	27.95
118	24.4
119	24.8
120	33.01
121	20.36
122	20.56
123	31.38
124	34.19
125	32.6
126	36.86
127	34.47
128	38.26
129	33.73
130	38.24
131	45.71
132	39.02
133	34.63
134	34.25
135	38.07
136	40.14
137	31.02
138	34.92
139	28.92
140	35.52
141	41.13
142	27.1
143	33.6
144	36.27
145	38.02
146	33.6
147	36.02
148	28.7
149	37.23
150	40.04
151	38.81
152	41.22
153	33.86
154	32.76
155	29.84
156	40.56
157	33.39
158	40.35
159	34.16
160	35.06

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表 3 垫料发酵等级测定

Table 3 Determination of fermentation stages for bedding material

垫料发酵等级	公式	范围
发酵1级	0＜△E≤μ-2σ	0＜△E≤7.63
发酵2级	μ-2σ＜△E≤μ	7.63＜△E≤39.06
发酵3级	μ＜△E≤μ+2σ	39.06＜△E≤70.49
发酵4级	△E>μ+2σ	△E>70.49

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表 4 不同发酵等级垫料表观特征

Table 4 Characteristics of bedding material at various fermentation stages

发酵等级	表观颜色	干湿度	味道	发酵程度
发酵前	明黄	干	无	无
发酵1级	暗黄	干	无	无
发酵2级	灰黄	湿度小	轻微泥土味道	发酵程度低
发酵3级	棕灰	中等湿度	猪粪便味道	发酵程度中等
发酵4级	黑灰	湿度很大	氨臭味	发酵程度高

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参考文献(13)

[1]	刘波, 朱昌雄. 微生物发酵床零污染养猪技术的研究与应用[M].北京:中国农业科学技术出版社,2009.
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施引文献(2)

期刊类型引用(2)

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2.	陈倩倩, 刘波, 王阶平, 车建美, 朱育菁, 张海峰. 养猪微生物发酵床垫料细菌多样性分析. 环境科学学报. 2018(12): 4751-4759 . 百度学术

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1. 材料与方法
1.1 供试材料
1.2 色差分析研究
1.3 垫料发酵等级研究
1.4 不同发酵等级垫料表观特征分析
2. 结果与分析
2.1 垫料样本色差统计
2.2 垫料发酵等级测定
2.3 不同等级垫料表观特征研究
3. 讨论与结论

基于色差技术的微生物发酵床垫料发酵等级研究

作者简介: 潘志针(1985-),男,硕士,主要从事生物化学和生物活性物质分析研究

通讯作者: 刘波(1957-),男,博士,研究员,主要从事微生物生物技术及农业生物药物研究(E-mail:Fzliubo@163.com)

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