最佳化孵化場廢棄物熱處理為飼料原料之過程與產蛋雞與年輕豬隻對其之生物利用效率

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國立臺灣大學生物資源暨農學院動物科學技術學系博士論文

Department of Animal Science and Technology College of Bioresources and Agriculture

National Taiwan University Doctoral Dissertation

最佳化孵化場廢棄物熱處理為飼料原料之過程與產蛋雞與年輕豬隻對其之生物利用效率

Optimization of the thermal condition for processing hatchery waste eggs as meal for feed and measurement

of its bioavailability for laying hens and young pigs

邱雯政 Wen-Zan Chiu

指導教授﹕魏恆巍博士 Advisor:Dr. Hen-Wei Wei

中華民國 106 年 2 月

February, 2017

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致謝

凡是過去，皆為序章

-莎士比亞

2016 年牛津字典選出的年度單字為”Post-turth”，這個單字的意思並不是說真相不重要，而是在情緒影響的當下，大多數人是不在乎真相的。

就如同我一樣。

一直到最後一刻，我才終於明白，我所堅持的真相，其實根本不重要。更重要的是我的目的與我的初衷。我應該追求的是一個真實達到標準的博士論文，與此之前所有的紛擾與錯誤的引導，是我自己，走錯了方向。

遠離了正確的道路。

一直到了上次奕雯學姊寫給我的一封信，我不知道這封信是學姊寫的還是轉述丁老師的話，在哪一刻我才領悟，我的博士論文並不是三篇 paper 所聚集起來的筆記，也不是教授升等的工具，而是我這段學習過程的痕跡與紀錄。所有構思、許多困難、解決問題時的喜悅應該都在裡面，是一個學習過程的證實，也是一個成長的時光筆記。

感謝魏老師提醒我"莫忘初衷"

面對眼前的這個時刻，遙望過去的一年，真真切切的學習到許多，感謝眾多老師的提醒與堅持，才能讓我真切的認知自己的問題，在時間的長河裡，眼前的阻礙也許在未來微不足道，但此刻的我感受到自己認知的改變，凡事以自我為本，不去責怪他人的阻礙，終究能為自己負責的還是自己。

歲末，也是 2017 的開始，是一個結束，也是開始的好時機。

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摘要

本研究之主旨為建立孵化場廢棄物之最佳化處理方法與條件，並建立評估指標反應模式。多方面的評估決定孵化場廢棄物最佳化的處理條件，並以此條件生產廢棄蛋蛋粉。接續評估廢棄蛋蛋粉作為蛋白質補充原料於產蛋雞與年輕豬隻飼料之應用參數與價值，最後添加於產蛋雞與保育豬飼料中，了解其應用價值。

孵化場廢棄物由無精蛋、中止蛋、破殼失敗之雛雞與蛋殼組成，含有豐富的粗蛋白質與鈣。現行的掩埋與加熱煮沸等方法未能充分利用其豐富營養價值的特性。

本研究以熱處理作為方法。試驗設計使用中心複合設計。以加熱時間與溫度建構蛋白質體外消化率、乾物質、電能、粗蛋白質、真蛋白質、沙門氏菌與大腸桿菌之反應模式。以最高的蛋白質體外消化率作為主要訴求，乾物質 87%與較低的電能消耗作為限制條件。當加熱溫度為 65℃，加熱時間為 23 h 時為此需求之最佳化處理條件。

本研究共製作 16 批次廢棄蛋蛋粉，其組成為乾物質 88.3%、粗蛋白質 38.0%、

灰分 27.8%、脂肪 21.5%、鈣與磷分別是 14.5 與 1.6%。使用性成熟雄蛋雞檢測廢棄蛋蛋粉之氮矯正表面代謝能為 3378.4 kcal/kg。廢棄蛋蛋粉於蛋雞之能量、粗蛋白質、

脂質、乾物質、鈣與磷之消化率，雌蛋雞之數據分別為為 87.9、88.6、77.8、85.7、

90.2 與 62.5%；雄蛋雞分別為 82.1、78.5、60.1、74.5、40.3 與 37.2%。雌蛋雞之各 項營養成份之消化率皆顯著高於雄蛋雞（P ＜ 0.05）；而廢棄蛋蛋粉於保育豬與生 長豬之表面消化能分別為 2629.1 與 3637.4 kcal/kg。藉由外科手術將矽膠瘻管裝置於保育豬與生長豬迴腸末端，收集迴腸內容物計算迴腸可消化率。結果顯示，廢棄蛋蛋粉於保育豬之乾物質、粗蛋白質、脂質、鈣與磷之迴腸可消化率分別為 55.3、

36.3、58.0、55.1 與 60.3%；而生長豬各項營養成份之迴腸可消化率皆顯著高於保育 豬者(P < 0.05)，分別為 90.5、87.5、86.8、77.2 與 75.3%。

廢棄蛋蛋粉之產蛋雞試驗由 100 隻、23 週齡海蘭品系來亨蛋雞逢機平均分入五組。對照組為含魚粉 2%，其餘四組分別為添加廢棄蛋蛋粉 0、4、8 或 12%。試驗結果廢棄蛋蛋粉對產蛋雞之產蛋性能與蛋品質並未有負面的影響。凡添加廢棄蛋蛋粉之組別，蛋殼強度顯著高於 2%魚粉組與未添加組別。品評試驗之結果顯示，添加廢棄蛋蛋粉之組別平均有 3%的人查覺異味，但認為該味道不影響風味，對照組查覺異味的比例為 3.3%。

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另一方面保育豬試驗添加 4%廢棄蛋蛋粉配製飼糧。與對照組、2%血漿蛋白添 加組進行比較。試驗結果顯示各組之間生長性能並沒有顯著差異(P

>

0.05)。免疫表 現方面，廢棄蛋蛋粉添加組之血漿與腸道黏膜 IgA 之濃度顯著高於對照組(P <

0.05)。小腸絨毛性狀在各處理間並無顯著差異。

總而言之，本研究建立孵化場廢棄物處理為廢棄蛋蛋粉之反應模式，可依不同之需求產生最佳化之處理條件組合。以最高的蛋白質體外消化率、87%乾物質與較低的電能消耗作為最佳化之參數。經過產品品質最佳化後生產之廢棄蛋蛋粉添加 12%於產蛋雞飼糧，對其本身、產蛋性能與蛋的品質皆無負面影響，而在蛋殼強度有正面的增進。應用於豬隻，生長豬較保育豬能充分利用廢棄蛋蛋粉之營養成份。

於保育豬添加 4%廢棄蛋蛋粉對其生長並未有負面的影響，血漿與腸道黏膜 IgA 濃度提升可降低大腸桿菌可能之影響，且不影響腸道絨毛之性狀。此結果可作為未來處理孵化場廢棄物與應用廢棄蛋蛋粉之參考。

關鍵字：孵化場廢棄物、反應曲面法、廢棄蛋蛋粉、蛋雞氮矯正真代謝能、豬隻表面消化能

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Abstract

The purpose of this study is to establish the optimal treatment methods and conditions of hatchery waste eggs and to build a response model with the evaluation factors. Hatchery waste egg meal can be produced by determining the optimal processing conditions of hatchery waste eggs according to the evaluation muti-factors. The application value of hatchery waste egg meal as a protein supplement feedstuff is evaluated.

And finally feed to laying hens and weanling pigs for their effects on production or growth performance and the quality of their products.

Hatchery waste eggs contain the infertile eggs, dead embryos in shell, dead or low grade chicks, and contains high amounts of protein and calcium. Composted and boiled for current disposal methods, failed to achieve the hatchery waste eggs properties of high nutritional value. Heat treatment, as in this study, experiment design using central composite design, constructing the model of heating time and temperature in vitro digestibility of protein and dry matter, energy, crude protein and true protein, amount of Salmonella and Escherichia coli. The optimize processing conditions with the highest in vitro protein digestibility whose main appeal, Dry matter 87% and low energy consumption as a limiting condition. When the heating temperature is 65℃, heating time at 23 h meet the optimize processing conditions.

This study has produced 16 batches hatchery waste egg meal, dry matter, content 88.3%; crude protein content of 38.0%; ash 27.8%; fat 21.5%; calcium and phosphorus are 14.5 and 1.6%. The cockerel was used to detect hatchery waste egg meal apparent metabolizable energy corrected to nitrogen equilibrium of laying hens to 3378.4 kcal/kg.

Detecting digestibility of hatchery waste egg meal of energy, crude protein, lipid, dry matter, calcium and phosphorus, respectively, of the laying hen to 87.9, 88.6, 77.8, 85.7, 90.2 and 62.5%, while the cockerel was 82.1, 78.5, 60.1, 74.5, 40.3 and 37.2%. The digestibility of nutrients of the laying hen is significantly higher than the cockerel (P <

0.05); Apparent digestible energy of hatchery waste egg meal in weanling pig and growing pig were 2629.1 and 3637.4 kcal/kg. Silicone post-valve T-ileum through surgical devices in weanling pig and growing pig the end of the ileum, collected digests to detect the nutrient of ileal digestibility. Results showed that hatchery waste egg meal in weanling pig of dry matter, crude protein, lipids, calcium and phosphorus ileal digestibility was 55.3,

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36.3, 58.0, 55.1 and 60.3%; The growing pig of dry matter, crude protein, lipid, calcium and phosphorus ileal digestibility is significantly higher than that of weanling pig (P < 0.05), respectively 90.5, 87.5, 86.8, 77.2 and 75.3%.

A total of 100 Single Comb Leghorn Hy-line strain laying hens, 23 weeks of age, were randomly divided into five groups. The control group was fed 2% fishmeal and the feed of the other four groups was supplemented with 0, 4, 8, and 12% hatchery waste egg meal. The nitrogen content, apparent metabolizable energy corrected to nitrogen equilibrium, and calcium content were equal for each group. The duration of the trial was 18 weeks. The results showed no significant differences in body weight, egg production rate, egg weight, feed intake, feed efficiency, and egg quality among the various test groups (P > 0.05). However, supplementation with hatchery waste egg meal resulted in significantly greater eggshell strength (P < 0.05). Moreover, the results of sensory analysis revealed that only 3% of the subjects might have aware the taste of peculiar smell, although this did not seem to affect acceptance.

Finally, diets containing spray-dried porcine plasma 2%, hatchery waste egg meal 4%

or non-animal protein (control) were given to weanling pigs weighing at 10 kg. When body weights reached 20 kg the pigs were sacrificed to determine the concentration of immunoglobulins in plasma or intestine and the villus structure of small intestine. Their growth performance was recorded as well. Results showed that no significant differences existed in growth performances between groups. Pig fed the diet containing spray-dried porcine plasma exhibited higher concenttation in plasma IgG and IgM compared with the control and HWEM groups. IgA concentration in plasma and intestine was raised significantly in the spray-dried porcine plasma and hatchery waste egg meal group. As for villus height, villus area and depth of crypt, no significant differences were observed between those groups.

All in all, this study to establish response patterns hatchery waste eggs for the hatchery waste egg meal depending on demand to optimize processing conditions. With the highest protein in vitro digestibility, dry matter87% and lower power consumption as a parameter optimization. After product quality optimized production hatchery waste egg meal add 12% in laying hen diet, on its own, no negative impact on laying performance and the quality of eggs, eggshell strength had positive promotion. the growing pig had

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better digestibility of nutrition than weanling pig. Add 4% hatchery waste egg meal in weanling pig diet not have a negative impact on its growth performance and can improve intestinal mucosal and plasma IgA concentration, without affecting the character of the intestinal villus structure. The results can be used as a reference for future treatment and application of hatchery waste egg meal.

Keywords: Hatchery waste eggs, Hatchery waste egg meals, Response surface methodology, Apparent metabolizable energy corrected to nitrogen equilibrium of laying hen, Apparent digestible energy of young pig.

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Graph abstract

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楔子

家禽孵化場孵化過程中所產生的廢棄物主要為孵化場廢棄物，其組成為未受精的無精蛋、發育中止的胚胎稱為中止蛋，未順利完成破殼的雛雞以及順利破殼雛雞所留下的蛋殼，這些廢棄物統稱為孵化場廢棄物（Hamm and Whitehead, 1982）。現行的處理方法除了文獻中敘述的掩埋、堆肥、加熱煮沸、發酵與化製外，實際到現場發現，多半的孵化場並沒有固定的處理方式，其原因主要是孵化場廢棄物的數量沒有大到足以投資化製場處理，同時也沒有少到可以置之不理或丟棄。以本次試驗提供孵化場廢棄物之種雞場為例。種雞場與附近幾家養餿水豬之養豬戶達成協議，

種雞場會將孵化場廢棄物裝桶推出，而養豬戶會在時間內將廢棄物移出場區。養豬戶使用方法會與餿水或添加玉米粉一起煮沸，放涼後，以液體飼料的方式餵飼生長豬。因此孵化場廢棄物並沒有妥善的被處理。

然而，孵化場廢棄物含有一部分雞蛋的成份，雞蛋的蛋白質具有高利用率，但高溫煮沸後反而會降低其利用效率。但若不進行熱處理則可能具有安全性的問題。

另外一個問題是處理設備，較低的投資門檻，一個小作坊，甚至一台機器在場區內就可以直接處理。除了便於操作也可以降低儲存或運送所產生的汙染或可能的疾病傳播的問題。因此找到一個妥善處理的條件與合適的處理設備，同時兼顧產品利用效率以及安全性是本研究想要處理的第一個問題。

第二個問題是在評估處理方法對某一項指標最佳的處理條件是容易的，但眾多指標時，指標之間不一定是正相關性。最佳化過程中若有兩個以上的指標，指標通常會是互相矛盾的，一個指標達到最大值，另一個指標可能會是遠低於期待值。甚至在某需求下某指標的重要性是最高的，狀況轉換後他的重要性則可能發生變化。

而理想的最佳化的處理條件也會是因應不同狀態所產生的一種組合。舉例來說，電費的計算並非恆定的，白天的電價較高，到了離峰時間也就是凌晨左右電費較低，

若我可以縮短處理時間在離峰時間完成處理，雖然溫度較高，功率較高，消耗電量較高，但會不會其實比起長時間在尖峰時期的電費來的低?在探討時間與成本之關係的同時，是否我還可以要求較高的利用效率，也就是說要盡量保留孵化場廢棄物的可利用性，而每縮短 1 h，每節省一度電，其他參數相對應的反應為何?為了完成這樣複雜的分析，需要建立模式化的系統，一起評估多項的需求。

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完成了孵化場廢棄物之處理的產品，稱為廢棄蛋蛋粉，以其特性應可作為蛋白質補充原料。高含量粗蛋白質與鈣的營養特性，依營養需求的角度，產蛋雞是最適合的物種，依其較高的蛋白質可利用率的角度保育豬可作為目標動物進行飼料原料的評估。本研究以這兩個物種為目標，進行基礎營養資訊的量測，更進一步的進行動物飼養試驗，了解廢棄蛋蛋粉作為蛋白質補充原料於產蛋雞與保育豬應用。以上為本研究之目的。

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圖目錄

圖 1-1、中心複合設計...16

圖 1-2、Box-Behnken 設計...17

圖 1-3、陡升、陡降法...18

圖 1-4、家禽能量利用示意圖...23

圖 1-5、豬隻能量利用示意圖...27

圖 1-6、Ileo-rectal anastomosis 之手術過程。（a）將盲腸移除（b）切開結腸（c）將迴腸與結腸連接至直腸...32

圖 1-7、Post-valve T - ileum 收集法示意圖...33

圖 2-1、容積 3 L 之直立式攪拌機...48

圖 2-2、橫臥式孵化場廢棄物處理器 v1.0...49

圖 2-5、孵化場廢棄物...54

圖 2-6、廢棄蛋蛋粉...55

圖 3-1、（a）加熱溫度，（b）添加水量，或（c）加熱時間對廢棄蛋蛋粉之蛋白質體外消化率與乾物質含量之影響...69

圖 3-2、加熱溫度與時間對於廢棄蛋蛋粉之蛋白質體外消化率之影響...75

圖 3-3、加熱溫度與時間對於廢棄蛋蛋粉之乾物質含量之影響...75

圖 3-4、加熱溫度與時間對於廢棄蛋蛋粉之化製過程電能消耗之影響...76

圖 3-5、加熱溫度與時間對於廢棄蛋蛋粉之大腸桿菌數（cfu/g）之影響...76

圖 3-6、23 - 41 週蛋雞體重變化圖...88

圖 3-7、蛋之官能品評結果（問卷為 180 份）...89

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表目錄

表 1-1、孵化場廢棄物處理方式與廢棄蛋蛋粉組成份之文獻整理...7

表 1-2、廢棄蛋蛋粉於動物試驗之文獻整理...8

表 2-1、產蛋雞試驗飼料之組成份...63

表 2-2、保育豬飼養試驗各處理組之飼料成分配方...66

表 3-1、中心複合設計各因子之組合以及各項反應值，包括蛋白質體外消化率、乾物質、粗蛋白質、真蛋白質、消耗電能、大腸桿菌與沙門氏菌數...73

表 3-2、迴歸模式之變方分析...74

表 3-3、三批次孵化場廢棄物近似分析...80

表 3-4、三批次廢棄蛋蛋粉近似分析結果...80

表 3-5、廢棄蛋蛋粉之化學組成與各營養成份於蛋雞之消化率...81

表 3-6、廢棄蛋蛋粉於雌產蛋雞之胺基酸消化率...82

表 3-7、廢棄蛋蛋粉之化學組成與保育豬與生長豬之消化率與可消化能...83

表 3-8、廢棄蛋蛋粉於保育豬之胺基酸表面迴腸消化率...84

表 3-9、儲存時間對廢棄蛋蛋粉過氧化價與酸價之影響...85

表 3-10、各處理組之產蛋性能與蛋品質...90

表 3-11、保育豬之生長性能...91

表 3-12. 保育豬血漿與小腸黏膜免疫球蛋白濃度...92

表 3-13. 保育豬小腸絨毛性狀...93

表 4-1、孵化場廢棄物、廢棄蛋蛋粉、大豆粕、魚粉與肉骨粉之化學組成分析與廢棄蛋蛋粉之化製過程消耗之電能、過氧化價與微生物分析...103

表 4-2、廢棄蛋蛋粉、大豆粕、魚粉與肉骨粉之胺基酸組成...104

表 4-3、不同處理條件以及其對應之評估指標...105

表 4-4、廢棄蛋蛋粉、全脂大豆、大豆粕、魚粉、肉骨粉與菜籽粕之氮矯正表面代謝能與近似分析...110

表 4-5、廢棄蛋蛋粉、全脂大豆、大豆粕、魚粉、肉骨粉與菜籽粕之消化能與近似分析...114

表 4-6、廢棄蛋蛋粉於蛋雞飼料的經濟效益評估...116

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表 4-7、廢棄蛋蛋粉於保育豬飼料的經濟效益評估...117

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並探討過往與現行處理方式之優缺點。接著建立一個可用之模式，同時兼顧品質、成本以及安全性等多項評估指標。例如，高溫會降低蛋白質的可利用率（Wang and Parsons, 1998），溫度過低可能會有安全性的問題（Shirley and Parsons, 2000），若能建立反應模式，則可以依照需求而取得最佳反應點。這都是這個研究企圖深入探討的議題。

最佳化處理條件製成的廢棄蛋蛋粉要成為畜禽可利用的蛋白質補充原料，

必須先建立基礎資訊。例如家禽的代謝能、家畜的消化能、各種胺基酸的含量以及其消化率等資訊，才能在配製飼料時作為參考。獲得足夠資訊後進行動物試驗的相關評估工作。以上是整個研究的大致架構，文獻檢討也依此脈絡進行介紹，以下為孵化場廢棄物之簡介。

(一)、孵化場廢棄物

孵化場廢棄物為來自於家禽產業之廢棄物，由於蛋是非常好的蛋白質來源，其胺基酸組成良好，消化率高(Schaafsma, 2000)，若能妥善處理將有望成為優良的蛋白質補充原料。以下為孵化場廢棄物的簡介與現行與過去的處理方法。

1、孵化場廢棄物簡介

(1)、孵化場廢棄物之定義與產量

孵化場廢棄物之來源為家禽產業中種雞場或孵化場孵化過程中未受精的無精蛋、胚胎發育中止的中止蛋、未順利破殼的雛雞與順利破殼雛雞所脫下的蛋殼，統稱為孵化場廢棄物（Hamm and Whitehead, 1982）。

未成功孵化的蛋，約佔整體入孵的 15%。以台灣為例，2014 年根據行政院農委會統計年報資料（Council of Agriculture, 2014）。家禽在養隻數為 10556.1 萬隻（包含蛋種雞、蛋雞、肉種雞、白肉雞、有色肉雞、蛋鴨、

肉種鴨、肉鴨、鵝與火雞）。年度屠宰家禽為 37039.1 萬隻（包含蛋雞、

白肉雞、有色肉雞、蛋鴨、肉鴨、鵝與火雞）。因此，2014 一整年需要 47595 萬隻家禽。以孵化率為 85%作為保守估計，必須要入孵 55994 萬

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顆蛋，才能提供 47595 萬隻家禽，供 2014 年飼養所需。而這 15%未孵化的蛋，以一顆約 55 g 作為計算基數。2014 年台灣地區之孵化場所產生的孵化場廢棄物約 4620 噸。如此龐大的廢棄物數量，依照農委會發布之農業新聞表示過去主要處理方式為委外掩埋處理，又或者以堆肥做為另一種處理方式(農委會，2000)。而本研究採集孵化場廢棄物之種雞場，

其處理方式為與附近之養豬業者達成協議，種雞場無償提供孵化場廢棄物，而養豬業者則是將孵化場廢棄物與餿水混合煮沸以液體飼料的形式餵食豬隻。然而，孵化場廢棄物其營養成份含量豐富(Ilian and Salman, 1986)，具有再資源化為飼料原料之潛力。在台灣，這些孵化場廢棄物並沒有被妥善的處理或再資源化。

(2)、孵化場廢棄物之營養組成

孵化場廢棄物之組成主要為水分、粗蛋白質、脂肪、鈣跟磷(如表 1-1)，

表中 Tacon (1982)將孵化過程中沒有順利孵化的雛雞，烘乾後粉碎。其粗蛋白質含量高達 55.4%，脂肪達 22.0%，但研究未進一步了解營養成份之可利用率與動物試驗，造成應用上的困難。Miller (1984)將孵化場廢棄物與玉米混合(1：3)，利用擠出機擠出。由於添加了玉米，粗蛋白質僅 13.6%。Tadtiyanant et al., (1993)則是使用液態的孵化場廢棄物，也就是 不含蛋殼以及未順利破殼的雛雞，其粗蛋白質含量達 51.3%，脂肪含量達 32%。此做法與 Abiola and Onunkwor (2004)相同，利用未孵化的蛋所製成的廢棄蛋蛋粉其粗蛋白質含量達到 56.0%，脂肪含量達 18.1%。由以上文獻可以了解，若所收集之孵化場廢棄物組成不同，其營養組成也會發生變化。

上述的文獻所處理的是部分的孵化場廢棄物，與 Hamm and Whitehead (1982）所定義之孵化場廢棄物(無精蛋、中止蛋、未順利破殼的雛雞與蛋殼)不同。以作者在現場所看到的狀況，所有孵化場廢棄物是被丟棄在一起，若僅想要無精蛋或未成功孵化的雛雞，都會增加操作上的難度。因此近年來較多的文獻是將所有孵化場廢棄物一起處理的案例。

Ilian and Salman (1986); Handa et al., (1996); Deshmukh et al.,

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(1997b); Rasool et al., (1999); Adeniji and Adesiyan (2007); Mehdipour et al., (2009); Al-Harthi et al., （2010）; Chiu and Wei (2011); Abiola et al., (2012)所生產廢棄蛋蛋粉的原料皆是包含所有部分的孵化場廢棄物。但即使是大家的基礎原料相同，其處理後產物營養組成分仍存在差異，以粗蛋白質為例，參考文獻中最低的為 22.1%，最高為 44.3%(表 1-1)，差異達到二倍。因此不同孵化場之孵化場廢棄物組成存在著一定程度的差異。

廢棄蛋蛋粉作為蛋白質補充原料，胺基酸含量為評估飼料原料營養價值的重要參考資料。以玉米-大豆粕為基礎的飼料中，主要限制胺基酸為離胺酸與甲硫胺酸。以孵化場廢棄物作為原料之文獻，離胺酸約為 1.4-2%，甲硫胺酸約為 0.7-0.9%(表 1-1)。此組成與大豆粕之離胺酸含量 約為 2.7%，甲硫胺酸 0.6%(Sauvant et al., 2004)含量類似。另一個孵化場 廢棄物富含的營養成份為鈣，由於雛雞成功孵化後的蛋殼也歸入孵化場廢棄物(Hamm and Whitehead, 1982）。故廢棄蛋蛋粉之鈣含量高(表 1-1)，

最高達到 25.6% (Mehdipour et al., 2009)，由於蛋殼之多寡會影響到鈣與 磷之含量，此數值受到該孵化場孵化率影響。

以營養成份的角度，孵化場廢棄物具有成為蛋白質補充原料的潛力。

隨著不同的處理方式與不同原料來源其營養組成份之比例或可利用率有差異，因此了解孵化場廢棄物之營養組成後，必須進一步探討其處理方式。

2、孵化場廢棄物之處理方式與應用狀況 (1)、文獻紀錄之處理方式

孵化場廢棄物於文獻中之處理方式，多為直接掩埋或作為堆肥（Carr et al., 1992; Das et al., 2002），或交由家禽副產物處理場與死雞屍體、羽毛等混合進行高溫化製為家禽副產物粉。但由於其水分含量很高（約 70%），許多化製廠不願意處理（El Boushy and van der Poel, 1994）。然而台灣處理孵化場廢棄物之作法，除了隨著垃圾掩埋外，也會將孵化場廢棄物交由地區性之養豬戶，將其與廚餘混合、烹煮之後餵予豬隻。孵化場廢棄物含有豐富的蛋白質、脂質與鈣，且其胺基酸組成相當良好（Ilian

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and Salman, 1986）。如不妥善利用而以掩埋處理，除十分可惜外，更容易滋生蚊蠅與病菌，並產生臭氣造成環境污染。

孵化場廢棄物處理作為飼料原料為目的之處理方式列於表 1-1，由文獻中可得知主要的處理方式為擠出、加熱煮沸、烘烤、定溫加熱與發酵。

其中以擠出機擠出與加熱煮沸最為常見。

Miller （1984）嘗試著將孵化場廢棄物與玉米粉以 1：3 混合，利用擠出機擠出成品。粗蛋白質約為 13.6%，在擠出過程中，溫度會上升至 140℃，致使成品中未檢測出任何沙門氏菌（Salmonella spp.）。另一方面 Lilburn et al., （1997）將來自於火雞之孵化場廢棄物與大豆粕混合，比 較擠出與高壓烹煮兩種處理方式。結果顯示此兩種方式皆能有效殺滅沙門氏菌，前者有較後者高的蛋白質利用效率。

Rasool et al., (1999); Abiola and Onunkwor (2004); Adeniji and Adesiyan (2007); Abiola et al., (2012)皆是使用煮沸降低病原菌濃度。沸 騰時間由 15 min-2 h 不等，再經由烘箱乾燥，形成廢棄蛋蛋粉。另一種是直接加熱，但溫度並未達到沸騰，而是以比較低的溫度尋求較高的蛋白質可利用率(Chiu and Wei, 2011)，也是本次研究所採用之方法。

以上文獻皆有孵化場廢棄物之處理方法，但未檢視化製條件是否影響產品之品質，也未建立處理條件與產品品質之反應模式(除了 Chiu and Wei, 2011 以外)。Deshmukh and Patterson （1997a, b）希望利用微生物發 酵之方法解決孵化場廢棄物之問題。添加乳酸菌（Lactobacillus）於孵化 場廢棄物中，並探討發酵條件對產品品質之影響。但是利用微生物發酵將改變孵化場廢棄物之胺基酸組成，其胺基酸組成將由雞蛋或死雞之胺基酸組成轉換為細菌體組成之胺基酸。菌體之胺基酸組成中，離胺酸與甲硫胺酸偏低（Cheeke and Dierenfeld, 2010）。如果飼料以玉米與大豆粕為基礎，配製家禽或豬隻飼料，離胺酸與甲硫胺酸常為主要之限制胺基酸。所以蛋白質補充原料中離胺酸與甲硫胺酸之含量為飼料原料價值之參考依據。因此尋找較佳之處理方式與處理條件，同時維持產品有較佳之營養價值，為處理孵化場廢棄物之核心目標，同時也是本研究之重點。

(2)、廢棄蛋蛋粉做為動物飼料之應用

(25)

廢棄蛋蛋粉於文獻中主要使用的對象以白肉雞與蛋雞為主。 Vandepopuliere et al., (1977）直接將孵化場廢棄物煮沸至水分降至 5%，

再將成品與白肉雞或蛋雞完全飼料以 4：21 比例混合，試驗結果發現對白肉雞之生長性能與蛋雞之產蛋性能皆無負面影響。類似的實驗還有 Ilian and Salman (1986)，分別添加 2.5 與 5%的廢棄蛋蛋粉於白肉雞飼料中與添加 4、8 與 12%的廢棄蛋蛋粉於蛋雞飼料中。試驗結果顯示添加 2.5%廢棄蛋蛋粉並不影響白肉雞生長性能；添加 4、8 與 12%的廢棄蛋蛋粉也未對蛋雞產蛋性能產生影響。其他研究添加 5、8 與 10%的廢棄蛋蛋 粉於蛋雞飼料中，也未對其產蛋性能造成影響(Tadtiyanant et al., 1993;

Al-Harthi et al., 2010)。類似的結果也在 Abiola et al., (2012)發現取代 10%

魚粉(魚粉添加量為 4%)對白肉雞生長與屠體性狀皆未產生影響。

以上動物實驗以廢棄蛋蛋粉取代部分蛋白質補充原料，對白肉雞或 蛋雞之生長性能或生產性能皆未造成影響。而 Rasool et al., (1999)添加 12%廢棄蛋蛋粉於白肉雞飼料中，試驗結果有較好的增重與飼料利用效 率。同樣是白肉雞飼料，Mehdipour et al., (2009)添加 1.5、3.0 與 4.5%的 廢棄蛋蛋粉，添加 4.5%之組別有較高的採食量，同時添加 3.0 與 4.5%的組別有較高的脛骨灰分。類似的狀況也發生在蛋雞，Abiola and Onunkwor

（2004）將孵化場廢棄物加熱至沸騰後，利用陽光以及自然風乾，其產物與添加 2%魚粉之蛋雞飼料做替代性試驗，分別取代 0、33、66 與 100%

之魚粉添加量。結果顯示添加廢棄蛋蛋粉對蛋雞產蛋性能沒有負面之影響，僅蛋殼重與蛋殼厚度有較重與較厚之趨勢，同時 100%取代的魚粉組有較重之蛋黃重。

而豬隻的試驗發現與家禽的文獻較為不同。添加 7、15、22.5 與 30%

的廢棄蛋蛋粉於保育豬飼料中，試驗結果顯示增重、總氮採食量與氮消化率隨著添加濃度上升而遞減，並且所有添加濃度之組別皆顯著低於對照組(Adeniji and Adesiyan, 2007)，其原因可能為試驗所有組別飼料並非為等氮等能量所造成。

雖然廢棄蛋蛋粉之組成分具有一定的差異，但在動物試驗結果顯示在適當的添加量下，適度調整配方組成，對生長或生產性能並未造成不

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利的影響，甚至有部分好處。這提供廢棄蛋蛋粉可再資源化為蛋白質補充原料有利的參考。

(27)

表 1-1、孵化場廢棄物處理方式與廢棄蛋蛋粉組成份之文獻整理

Table 1-1. Literature review on the treatment of hatchery waste eggs and the composition of hatchery waste egg meal

Literature Raw material Treatment HWEM composition (%)

CP EE DM Ca P Lys Met

Tacon, 1982 Culled chick Air-dried at 60

℃

55.4 32.0 95.0 4.0 1.2 Miller, 1984 Turkey hatchert

waste(infertiles, dead embryos, dead chick)

Extrude, 140℃, 5 min,

Mixed 75% corn meal

13.6 2.2 89.6 1.6

Ilian and Salman, 1986

Hatchery waste eggs

Cooking 100℃ 22.8 14.4 96.1 22.6 0.4 1.1 0.7 Tadtiyanant et

al., 1993

Liquid hatchery waste

Extrude,160℃ 51.3 32.4 79.5 3.4 1.8 Deshmukh et

al., 1997a, b

Hatchery waste eggs

Fermentation 33.1 24.3 1.4 0.7

Rasool et al., 1999

Hatchery waste eggs

Cooking 100℃, 15 min

44.25 30.0 7.3 0.8 1.9 0.7 Abiola and

Onunkwor, 2004

Unhatched egg Cooking 100℃, 30 min

56.0 18.1 10.4 0.1

Adeniji and Adesiyan, 2007

Hatchery waste eggs

Cooking 100℃, 2 h

22.1 6.2 91

Mehdipour, et al., 2009

Hatchery waste eggs

Toast at 100℃, 5-8 h

24.3 12.2 83.2 25.6 1.5 Handa, et al.,

1996

Hatchery waste eggs

Hot dry 80℃ 35.5 11.4 94.7 1.5 0.7 Al-Harthi et

al., 2010

Hatchery waste eggs

Boiled, 100℃, 30min

36.5 28.5 18 0.8 Chiu and Wei,

2011

Hatchery waste eggs

65℃, 23 h 38.3 21.5 88.5 14.3 1.5 2.0 0.9 Abiola, et al.,

2012

Hatchery waste eggs

Boiled, 100℃, 20min

42.3 23.9 95.2 11.0 0.7

Hatchery waste eggs: infertile eggs, dead embryos in shell, dead or low grade chicks HWEM: Hatchery waste egg meal; CP: crude protein; EE: ether extract; DM: dry matter;

Ca: Calcium; P: phosphorus; Lys: lysine; Met: methionine

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表 1-2、廢棄蛋蛋粉於動物試驗之文獻整理

Table1-2. Literature review on hatchery waste egg meal in animal trial

Literature Species HWEM

amount Performance

Vandepopuliere et al., 1977

Broiler, laying hen

16% No negatively affect in broiler growth performance and laying hen egg production

Ilian and Salman, 1986

Broiler, laying hen

2.5, 5.0% for broiler；4.0, 8.0, 12.0% for laying hen

No negatively affect in broiler growth performance in 2.5% and laying hen egg production all level diet

Tadtiyanant et al., 1993

Laying hen 7.95% No significantly different in egg production, egg weight, feed conversion and egg specific gravity

7.95% No significantly different in egg production, egg

weight, feed conversion and egg specific gravity Rasool et al.,

1999

Broiler 12% Better in weight gain and feed efficiency Abiola and

Onunkwor, 2004

Laying hen 0.9, 1.7, 2.6% Highest hen-day production in 1.7% HWEM Highest yolk weight and albumen in 2.6% HWEM Adeniji and

Adesiyan, 2007

Early-weaned piglets

7.5, 15.0, 22.5, 30.0%

Gradual decrease in weight gain, nitrogen intake and nitrogen digestibility as the level on HWEM in the diet increase.(control diet was significantly higher) Mehdipour et

al., 2009

Broiler 1.5, 3.0, 4.5% Higher intake in 4.5% HWEM

Higher tibia ash in 3.0 and 4.5%HWEM No significantly different in carcass analysis Handa, et al.,

1996

Rabbit 6.7% 6.7% HWEM can replace 6% FM with better FCR Al-Harthi et

al., 2010

Laying hen 5.0, 10% not negatively affect productive performance and egg quality, inner organs and lipid metabolism Abiola, et al.,

2012

Broiler Replacement FM 10, 20, 30% (FM 4%)

FM can be replace 10% without adverse effects on growth and carcass traits.

HWEM: hatchery waste egg meal; FM: fishmeal

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(二)、常用畜產廢棄物處理方法

畜牧生產過程會產生許多廢棄物，若妥善處理則有機會成為再資源化的產物。在處理畜產廢棄物須考量處理成本、成品之價值與生物安全性問題，

因此常用的處理方式有焚燒處理、加熱處理與微生物處理。

1、焚燒處理

畜牧生產所產生的廢棄物多數為有機化合物，只要有足夠的溫度，可以炭化所有有機物質並燃燒，剩餘為礦物質等無法完全燃燒的物質。此法有效致使廢棄物無害化，但無法將廢棄物中殘存且有應用價值的營養成份進行再資源化的應用。此法適用於已無太多可利用物質的廢棄物。

2、加熱處理

加熱處理與焚燒法不同，以適當的溫度進行加熱或化製，企圖保留部分營養價值（Wang and Parsons, 1998），並且使廢棄物無害化。多數畜產廢棄物其水分含量高，且有機物質含量豐富，容易滋生細菌等微生物，造成環境汙染。而加熱處理法可同時解決這兩個問題。例如肉骨粉的製作，將飼養中死亡的豬隻或牛隻屍體與屠宰後下雜等廢棄物混合，高溫高壓處理，使其無害化（Shirley and Parsons, 2000），同時降低水分含量，也降低微生物含量。

在適當的溫度與壓力下，甚至可以將難以消化吸收的營養成份進行分解（例如：家禽羽毛或家畜毛髮所含之角蛋白），可促進該產物之生物可利用性

（Lundbald, 2009）。另外飼料原料或廢棄物中含部分營養物質無法完全為畜禽完整應用，或含有其他不利因素影響畜禽之利用效率等等。此類問題常藉 由熱處理改變其結構與破壞抑制有害物質，提升消化率（Svihus et al., 2005;

Sun et al., 2006; Vicente et al., 2009）。加熱處理還可以提高蛋白質可利用率，

蛋白質在加熱處理前具有完整的化學結構，不易被消化酵素分解。熱處理可以造成蛋白質變性或分解，使之易於消化利用（沈添富，1993）。但相反的，

該廢棄物本身含有許多對熱敏感的物質，如離胺酸或部份維生素，過度的加 熱處理將降低熱敏感營養物質的含量（Fastinger et al., 2006），同時也可能降低蛋白質的可利用率，甚至還提升了整體製造成本。熱處理雖然經常被使用於畜產廢棄物的處理，但不同的處理條件將會產生不同營養價值的產物，因此適當的加熱溫度與時間會影響到產品之營養價值。

(30)

3、微生物處理

利用微生物將原本無法為生物所利用之物質轉換為可利用的狀態，可根據不同需求，利用不同微生物轉換不同物質，例如利用堆肥發酵將糞便中的 有機物質轉換分解為植物可利用的形態（Carr et al., 1992; Das et al., 2002），

又或者利用可分解角蛋白的特殊菌種，將角蛋白分解提供給畜禽或其他生物使用（Lundbald, 2009）。利用發酵處理廢棄物可利用微生物競爭性排除的能力將有害菌降低，同時部份菌種會產生如乳酸等有益於畜禽等營養成份，有效無害化也增進其營養價值。但在原本營養價值較高的廢棄物，如孵化場廢棄物，其粗蛋白質含量高，胺基酸含量豐富，若利用微生物發酵將降低離胺酸與甲硫胺酸的含量（Cheeke and Dierenfeld, 2010）。目前常用的玉米-豆粕型的飼料，這兩個胺基酸經常為主要的限制胺基酸，因此這胺基酸含量的改變將降低使用發酵處理產物之應用價值。

(31)

(三)、處理條件最佳化之方法論

處理方法可視為影響產品品質的自變數，處理條件為其變級，而最終產品評估指標可視為依變數。例如加熱處理的溫度與時間為處理方法可視為自變數，不同溫度或不同時間為處理變級，處理後評估的指標，如蛋白質體外消化率可視為依變數。加熱處理可能有許多自變數會影響產品品質，不同的變級也會交互影響，甚至對依變數要求的改變時也會對應不同的自變數與變級的組合以符合最佳化的需求。當自變數與變級數量不多，常以經驗或文獻資料作為基礎推敲可能之最佳化處理條件組合。當自變數與變級數量較多時就難以經驗法推敲出適當的處理組合，甚至當依變數不同時，所對應的處理條件最佳解也會不同。更不用說自變數之間交互作用與互相結抗等複雜的關係，因此需要求助方法論，並建立模式以因應不同之需求。

廢棄物處理的目的與飼料或飼料原料加工一樣，是為了改善產品營養價值（McEllhiney, 1985），若能建立處理方法與產品品質之間模式，應可了解最佳化產品品質時之處理條件。處理條件經由適當的試驗設計與模式建立可以減少摸索處理條件的時間。欲建立處理條件與反應值之最佳化處理模式，

可分為兩個步驟，第一個步驟是了解有哪些自變數影響目標的依變數，第二步則是建立自變數與依變數之間的反應模式，並使用模式於在部分限制與要求的條件下求得最佳處理條件。第一步常用的方法有單因子或複因子試驗設計，而第二步驟則是以迴歸分析為主，此外近年來研究以試驗設計與複迴歸 分析為基礎之反應曲面法在許多研究顯示可更有效率之評估處理條件(Chen, et al., 2005; Hung, et al., 2008; Fang et al., 2010)，故獨立探討反應曲面法對廢 棄物處理最佳化模式建立可能之方法。

1、處理條件之篩選

建立模式的方法有很多種方式，最常見的為線性迴歸分析、複迴歸分析或反應曲面法等。無論那一個方式，自變數必須能至使依變數產生變化，簡單的說，加入分析的自變數必須確切能影響反應結果，若有自變數對整體反應結果沒有影響，此自變數的加入將造成模式化的困難，降低反應模式對預測數值的解析程度（R²）。因此在建立完整模式之前必須先對所有可能影響依變數的自變數進行篩選，若影響依變數的自變數不多，可利用單因子分析，

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取至少三個變級（變級越多越能瞭解依變數與自變數之間的關係，但也需要更多的資源與時間），設定變級的較大的範圍，必須要涵蓋可能出現最大值的變級範圍。此處自變數的選擇或變級範圍的設定可以參考過往的文獻資料或現實狀態下處理條件的限制，例如加熱溫度的最低值無法低於室溫。

當自變數衆多時，因建立太多維度的反應模式反而造成最佳化選擇的因難，同時也會降低方程式的決定係數，降低方程式對於數值預測的能力，因此將較重要的部份自變數篩選出來，其餘影響較低之變數則以固定數值進行試驗。

2、模式化之方法論

線性迴歸是研究單一依變數與一個或以上自變數之間的關係。當自變數僅有一個時稱為簡單線性迴歸，在兩個或兩個以上時需要使用的是複迴歸方程式。簡單線性迴歸方程式的試驗設計事實上就是單因子試驗設計，而複迴歸方程式就是複因子的試驗設計。在設計變級時，變級越多其方程式對於母群體之解釋程度（R²）就越高。利用線性迴歸方程式可評估最佳依變數的處理條件，但若是處理條件不只一個，以兩個自變數為例，5 個變級，就需要 5 × 5=25 個試驗組合才能有效評估自變數之間的交互作用。交互作用在評估廢棄物處理扮演一個重要的角色，處理的方法對產物之營養價值並不是全面性的提升，在某些條件下，一部分的增進，另一部分反而是降低其價值，甚至在某些條件下，其營養價值很高，卻需要付出相對大的經濟成本，在將本求利的畜牧業也不適用。因此多面向的探討處理方式將有助於將研究成果推廣於實際應用上。

3、反應曲面法(Response surface methodology, RSM)

本研究法源於 1951 年，Box 和 Wilson 共同進行迴歸與數學模式的建立與推導方程式，進而完成了反應曲面法之原始架構（Box and Wilson, 1951）。

而後普遍應用於電子、機械、農業、化學工業、生物科技、材料科學、食品科學及工業製程改善等各項研究領域中（Khuri, 2006）。因此反應曲面法為一種結合數學、試驗設計與迴歸統計的方法論。其主要目的為多變數試驗建立反應模式，從模式推估最適化的自變數組合。試驗之初決定自變數與其變級，搭配試驗設計進行試驗。根據試驗之實際數據，建立由自變數與依變數

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相互構成之數學模式，利用適當方法求其最適反應模式，根據試驗需求得知最佳之反應結果。由於該方法論可由兩個自變數與一個依變數，繪出三度空間之立體曲面而被稱為反應曲面法（Myers and Montgomery, 2002）。

一般來說，執行 RSM 大致分為三個階段，第一階段為預實驗，第二階段稱為試驗設計階段，同時也是模式建立的階段，第三階段稱為反應曲面最佳化階段。第一階段之預實驗可以實際去設計簡單之試驗，瞭解影響反應之自變數與其影響程度，用以擬定自變數其適當變級範圍。另外也可利用文獻記錄擬定可能之自變數與其變級範圍（Myers and Montgomery, 2002）。

第二階段中，RSM 探討自變數與依變數之間的數學模式關係。經由試驗設計在合理或欲得知之自變數的變級範圍內，以有系統之試驗設計進行實驗，取得所需的依變數反應值，並建立自變數與依變數之間之數學模式。常用之試驗設計方法為中心複合設計（Central composite design, CCD）或是 Box-Behnken 設計（Box-Behnken design, BBD）。CCD 利用部分自變數或全自變數設計，加上軸點（Axial point）及中心點（Central points）合成為一個中心複合設計實驗（如圖 1-1）。增加軸點之目的為使模式中之二次項能夠有足夠自由度來估計自變數之參數。增加中心點是為了檢測反應曲面之曲率並提供模式估計機差，用於執行迴歸分析中模式檢定之用（ Myers and Montgomery, 2002）。

另一個常用於 RSM 之試驗設計為 BBD，1960 年 Box 與 Behnken 根據均衡的不完全集區設計（Balanced incomplete block design）原理，提出一些適合反應曲面法的三變級設計（Box and Behnken, 1960）。BBD 即為其中一種。BBD 結合了 2 倍數因子設計與不完全集區設計（如圖 1-2）。適用於三因子或三因子以上，在因子數目為 3-5 時，試驗組數較 CCD 為少，對減少實驗組數而言是非常有效率的。

模式建立階段，利用適當之試驗設計執行試驗得到所需之反應值，利用最小平方和法進行迴歸分析，並建立一階之數學模式，並利用迴歸分析之模式顯著性測定（General linear model test）了解因子與反應值關係之程度與建立之模式是否適當。接著使用模式不契合度分析檢定（Lack of fit test）模式曲率之顯著性。若模式存在最佳反應值（最低或最高），反應曲面之曲率將

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會改變（變大或變小）。模式不契合度分析檢定，其檢定一階迴歸式之曲率 顯著性與其適合度，當模式不契合度分析檢定為顯著時(P < 0.05)，代表一 階模式為適合之迴歸方程式。換句話說則是沒有二階或二階以上之模式為反應適合之模式，因此沒有存在最佳反應值。一旦分析結果迴歸分析之顯著性 分析結果為顯著(P < 0.05)，模式不契合度分析檢定為不顯著(P > 0.05)，代 表著模式具有最佳反應值，進而建立二階或二階以上之模式，模式完成之後，

就進行反應曲面最佳化之分析。

第三階段可稱為反應曲面最佳化分析。首先選定一個起始點，利用陡升、

陡降法（Steepest descent / ascent method）決定反應曲面最佳搜尋方向，直到依變數無法再改善為止（如圖 1-3）。由於如果是二階以上之模式則可能出現區域性之最佳反應值，而非全域之最佳解，因此建議能利用多個起始點，並比較其最佳依變數之值，了解全域性之最佳解。RSM 之研究問題，一般假設問題為具有限制性之最佳化結果，也就是說，此最佳化結果限制於自變數的變級範圍內，目標函數的確切模式是未知的。而在應用上主要存在下列限制（Myers and Montgomery, 2002）：

 RSM 只適用於連續性的系統，必須假設所有依變數與自變數之量值為連續性的。

 各獨立自變數必須有確切的影響，如果將沒有影響的自變數放入方程式中，將會對模式契合度造成很大的影響，對其真實反應模式造成誤判。

 在最佳化之過程中，由於自變數範圍設定之因素，最佳解可能出現在因子變級之極大值或極小值。也就是最佳反應值出現在反應曲面之邊緣。此反應模式並非一個好的反應曲面模式，因為反應曲面模式在預測因子範圍外之準確度較低。因此在試驗之初必須謹慎評估自變數之變級範圍。

只要能符合以上的限制，RSM 擁有許多優點如下（Dziezak, 1990）:

 試驗組數減少，降低實驗成本與時間。

 深入探討自變數間交互作用影響。反應曲面法可以經由分析與建立模式來研究自變數間的交互作用，並且進而討論多自變數對依變數共同

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影響的程度。

 可獲得最適化的條件：根據數學理論求得最適的實驗情況（其條件可為自變數之變級中之任一點）。同時考慮多個依變數，得出協調後之理想解：許多依變數極大時，伴隨著另一個依變數極小，例如加熱時間與電能消耗。但時間太長或電能消耗太大都不是一個理想之反應結果，

因此反應曲面法在同樣的獨立自變數反應下，同時產生多個依變數，

多個反應方程式，可利用限制依變數之範圍或求其最大值或最小值，

求得同時符合多個條件之方程式共同解，得知獨立自變數之變級理想解。

4、最佳化的定義

以數學的角度最佳化意味著尋找一個函數的最大值與最小值，在沒有限制的狀況下，所求出的數值就是全域最佳值，若有範圍的限制，所得到的值就是區域的最佳值。在實際應用方面通常變級有極限存在，又或者是品質與成本互相矛盾，最佳的結果並不會是品質最佳或成本最低的處理方法，而是一個妥協的結果。因此若要在廢棄物處理應用最佳化的觀念，最佳化的定義應為在特定的依變數要求下，自變數與變級的組合。也就是雖然在數學上的定義依變數是根據自變數與變級的組合而產生，但在形成了模式後，可以依據所選擇的依變數反推造成此結果的自變數與變級組合。並且在真實的應用中，不同的自變數與變級組合可能會產生相同的依變數。更進一步了解，假設加熱時間與處理成本有關，在夏季電費較高時是否可以調整加熱時間降低整體消耗電能，若要同時獲得差不多的產物品質時可能需要適當調高加熱溫度以維持產物品質。因此將最佳化的概念應用於畜牧廢棄物處理，其定義為在建立依變數與自變數、變級之間的反應模式後，根據對依變數的需求而找到對應的最佳自變數與變級組合。

(36)

圖 1-1、中心複合設計

Figure 1-1. Central composite design

http://qualityinvention.com/QIlibraryArticle.php?id=9

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圖 1-2、Box-Behnken 設計 Figure 1-2. Box-Behnken design

http://qualityinvention.com/QIlibraryArticle.php?id=1

%20title%20=Box-Behnken%20Desig

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圖 1-3、陡升、陡降法

Figure. 1-3 Steepest descent / ascent method http://zh.wikipedia.org/wiki/反應曲面法

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(四)、廢棄蛋蛋粉作為蛋白質補充原料之評估與應用

廢棄蛋蛋粉之粗蛋白質含量豐富，符合蛋白質補充原料之基礎定義，作為一個使用於飼料配方中的蛋白質補充原料，使用之前必須了解該原料之基本營養組成以及可利用的能量，甚至各種營養物質的消化率做為計算飼料配方之基本資訊。以下將由簡介蛋白質補充原料之定義開始，接續了解關於蛋白質補先原料之評估指標，最後各別簡介家禽與家畜之評估蛋白質補充原料之方法。

1、蛋白質補充原料之定義

Al-Harthi et al., （2010）所製成之廢棄蛋蛋粉，其粗蛋白質含量約為 36.5%，粗纖維約為 1.2%，可符合蛋白質補充原料之基礎原則。以乾物質為基礎，粗纖維 18%以下，粗蛋白質在 20%以上，為蛋白質補充原料(Harris, 1963)。進一步了解蛋白質補充原料之營養價值，可利用評估其胺基酸組成與胺基酸之消化率，將可更進一步了解蛋白質補充原料對畜禽的營養價值。

2、評估飼料原料之方法與各項指標

評估蛋白質補充原料首先必須了解其化學組成，包括能量含量、氮含量、

胺基酸含量以及其他營養成份之組成，接續了解各營養成份之消化率，除此之外是否含有抗營養的因子？飼料中可添加之最高比例？以及與其他飼料間是否有交互作用皆為評估飼料原料之原則（Wiseman and Cole, 1990）。在營養成份組成之分析通常利用近似分析（Proximate analysis）檢測乾物質、

粗蛋白質（氮含量）、粗脂肪（乙醚萃取物）、灰分、粗纖維與無氮抽出物

（Nitrogen free extract）加上檢測胺基酸含量就構成了評估蛋白質補充原料的基礎數值。

蛋白質補充原料在完全飼料中之添加量通常會在 10-30%之間，除了提供動物所需胺基酸之外，也提供了一部分之能量，因此了解蛋白質補充原料可利用之能量是使用蛋白質補充原料時必要的資訊。檢測能量濃度可利用燃燒法配合彈卡計(Adiabatic oxygen bomb calorimeter)檢測。使樣品完全燃燒偵測其所釋放出來的能量，測得樣品所含之總能量。在基礎的能量系統，首先必須檢測飼料原料之總能（Gross energy, GE），此能量無法完全被利用，

因此必須扣除畜禽攝入後無法消化利用的物質，也就是糞便之能量（Feces

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energy, FE）。以 GE 扣除 FE 是畜禽可以消化之能量，稱為可消化能（Digestible erergy, DE）。若能檢測尿液的能量（Urine energy, UE），可以將消化吸收且代謝後剩餘無法利用之能量扣除，也就是 DE 扣除 UE 為代謝能

（Metabolizable energy, ME）。被代謝的能量並不完全投入生產或生長，有一部分會以熱的形式維持體溫或逸散，稱為熱增殖（Heat increment, HI）。ME 扣除 HI 之後即為淨能（Net energy, NE），而 NE 還能分為用於維持基礎生理現象的維持淨能（Maintenance energy, NEm）與用於生產、生長或生殖方面的生產淨能（Productive energy, NEp）。此為單胃動物基礎的能量系統。在家禽與家畜中，由於消化道的差異，家禽常用來評估飼料原料能量價值的指標是 ME，而家畜常用的是 DE 或 ME（沈, 2008; Lewis and Southern, 2001; Pond et al., 2005）。

飼料原料之消化率或生物可利用率常用的評估方法可以分為三大類，分別是組成份估算法、體外試驗法與體內試驗法。這三種方法主要之差異在於花費的時間、檢驗的成本與準確程度。組成份估算法利用檢測其組成份，例如粗蛋白質、脂肪、粗纖維與灰分等蛋白質補充原料之組成份，推估代謝能、

營養成份的消化率與可利用率。優點是快速，缺點是容易錯估蛋白質補充原料之營養價值，並且對於在完全飼料中與其他飼料原料的交互作用無法得知，

同時對於消化率與可利用率有較差的評估能力。第二種方法，體外試驗法利用模擬單胃動物腸胃道消化系統，了解可消化率，然而缺乏了吸收這個因素，

致使無法完整評估生物可利用率，但其優點是較組成份估算法準確，較體內試驗法快速，也不需要動物試驗，缺點仍是無法了解蛋白質補充原料真正之可利用率。體內試驗法雖然耗時較長，同時也需要動物配合試驗，但其可真正了解蛋白質補充原料真實的可利用率，通常在首次使用的飼料原料會以體內試驗法進行飼料原料評估之主要依據。而上述抗營養物質、最高之使用量以及飼料原料間之交互作用必須透過實際餵飼試驗才能了解在與其他飼料原料合併使用時，是否有不利於畜禽生長、生產或生殖之因素，又或者是添加過量是否反而降低經濟效益，此部份必須透過實際的餵飼試驗的結果得知。

飼料中胺基酸的含量與平衡是影響畜禽是否能正常生長、生產與繁殖重

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要的因素。同時評估胺基酸之平衡與含量的方法，在 Mitchell and Block（1946）

利用樣品與標準品之間必需胺基酸差異之總和作為指標，稱為化學分數法

（Chemical scroce）此數據與生物價呈現高度的相關（r=0.95），Oser（1951）

更進一步的修飾，改稱為必需胺基酸指數（Essential amino acid index, EAAI）。 EAAI 之運算方法就是將樣品與標準品之間必需胺基酸的比值取幾何平均，

稱為 EAAI，其算式如下：

𝐸𝐴𝐴𝐼 = √𝐿𝑦𝑠_𝑝× 𝑀𝑒𝑡_𝑝… 𝐻𝑖𝑠_𝑝 𝐿𝑦𝑠_𝑠× 𝑀𝑒𝑡_𝑠… 𝐻𝑖𝑠_𝑠

𝑛

Lysp, Metp, ……Hisp：表示樣品必須胺基酸之含量 Lys_s, Met_s, ……His_s：表示標準品必須胺基酸之含量

作為標準品的蛋白質，最初利用蛋作為標準品，當 EAAI 數值接近於 1 時就代表其必需胺基酸組成與蛋之必需胺基酸組成相近。因此標準品可以為任何一個你想要比較的基礎。例如想要比較孵化場廢棄物之處理產物是否可以取代大豆粕，就可以以大豆粕作為標準品進行比較。更進一步的說，也可以利用畜禽各自之理想蛋白質作為標準，比較各種蛋白質補充原料之差異。

EAAI 之數值沒有絕對之意義，僅表示樣品與標準品之間之含量與平衡是否接近，因此不同之標準品有著不同之意義，可依據欲討論之項目，用不同之標準品評估之。

3、做為家禽飼料應用所需之資訊 (1)、家禽的能量系統

家禽排泄與排遺都經過泄殖腔，UE 檢測較困難，因此 GE 扣除 FE 與 UE 之後代表的是關於飼料原料的 ME（如圖 1-4）。ME 為飼料原料中能為家禽所代謝利用之能量，不論是 HI 用於維持體溫或淨能用於生長生產或維持，皆為家禽所利用。因此以 ME 作為家禽評估飼料原料能量之指標有其應用價值。在測定 ME 方面，ME 可在細分為表面代謝能

（Apparent metabolizable energy, AME）、氮矯正表面代謝能（Apparent metabolizable energy corrected to nitrogen equilibrium, AMEn）、真代謝能

（Ture metabolizable energy, TME）和氮矯正真代謝能（Ture metabolizable energy corrected to nitrogen equilibrium, TMEn）來表示。TME 與 AME 的

(42)

差異在於內源性能量的損失（Endogenous energy loss, EEL），而 EEL 被重視的原因在於檢測 AME 的過程中 EEL 的值約略固定，但 EEL 並非待測物所含之能量，若在採食量低時 EEL 占整體糞尿能量比例大，將造成低估 AME（Guillaume and Summer, 1970）。因此 Sibbald（1976）提出了 TME 的概念，將 AME 扣除 EEL 可得到 TME。而氮矯正則是在 AME 或 TME 的檢測過程，使用之動物仍可能會有生長，將飼料原料中的一部分氮蓄積在體內（Nitrogen retained, NR），沒有作為能量被應用，因而高估了 AME 或 TME。相反地若動物體內呈現負氮平衡，則低估了 AME 或 TME。因此 AME, TME, AMEn 或 TMEn 為評估蛋白質補充原料於家禽之能量應用的價值所需要了解的數值。

(43)

總能 Gross energy, GE

代謝能

Matabolizable energy, ME

熱增殖 Heat increment, HI

淨能 Net energy, NE

維持淨能

Maintenance energy, NEm

生產淨能 Productive energy, NEp

圖 1-4、家禽能量利用示意圖（沈, 2008; Pond et al., 2005）

Figure 1-4. Schematic diagram of energy utilization by poultry

（沈, 2008; Pond et al., 2005）

排泄物能 Excreta energy, EE

(44)

(2)、家禽代謝能與各項營養物質之檢測方法

了解常用蛋白質補充原料之特性後，需進一步評估其營養價值與使用效率。常見之評估方法有近似分析組成分估算法、近紅外線分析法、體外模擬試驗法與體內試驗法。

A、組成份分析法

近似分析利用化學分析其組成份，包括 GE、粗蛋白質(Crude protein, CP，檢測氮含量)、乙醚萃取物(Ether extract, EE，代表脂質)、灰分(Ash)、

粗纖維(Crude fiber, CF)、中洗纖維(Neutral detergent fiber, NDF)等飼料原料之化學組成份，利用以往文獻研究之迴歸方程式估算其代謝能 (Wan et al., 2009)。

評估家禽之 AMEn 的研究資料相當多，因此有著許多的迴歸方程 式可以估算家禽之 AMEn(Meloche et al., 2013 ; Rochell et al., 2011)，為 了增加估算準確性，可以參考與欲估算飼料原料相同的文獻資料作為參考，如此一來僅需要對飼料做近似分析，就可以快速的得到家禽的 AMEn，進而應用在家禽飼料中(Rochell et al., 2011)。

雖然近似分析法建立多年，但如果需要精準的資料以應用蛋白質補充原料，其他的評估方法與模式建立方法仍是必要的。然而利用組成份分析家禽的蛋白質與胺基酸的消化率與可利用率部分，其預測性都不足以提供現場使用(van Kempen and Bodin, 1998)。

B、體外模擬分析法

家禽簡易評估蛋白質補充原料之蛋白質之體外試驗是利用 AOAC(1980)之方法，將 0.5 g 樣品直接加入 150 mL 胃蛋白酶溶液 (0.002%，pH 2)，於 45°C 水浴震盪 16 h，再以過濾法檢測無法消化之殘留物(Han and Parsons, 1991)，此法與實測時呈現相當好之相關性。

更進一步的在 Valdes and Leeson (1992)的研究中，使用兩步驟法，首先也是將樣品(0.5 g)加入 10 mL 胃蛋白酶溶液(20 mg 胃蛋白酶 + 10 mL 0.075 N HCl，pH 4)中，於 37°C 水浴槽震盪 4 h，接著利用 0.1 N NaOH 將 pH 值調整至 7，再加入 10 mL 的綜合酵素液(40 g 胰液萃取物 + 15 膽鹽 + 2.5 g 腸激酶(Enterokinase))，繼續震盪於 37°C 水浴槽，時間為6 h。

作用完成利用離心去除上清液，將未消化之殘留物進行各項物質之檢測。

最佳化孵化場廢棄物熱處理為飼料原料之過程與產蛋雞與年輕豬隻對其之生物利用效率

國立臺灣大學生物資源暨農學院動物科學技術學系博士論文

Department of Animal Science and Technology College of Bioresources and Agriculture

National Taiwan University Doctoral Dissertation

最佳化孵化場廢棄物熱處理為飼料原料之過程與產蛋雞與年輕豬隻對其之生物利用效率

Optimization of the thermal condition for processing hatchery waste eggs as meal for feed and measurement

of its bioavailability for laying hens and young pigs

邱雯政 Wen-Zan Chiu

指導教授﹕魏恆巍博士 Advisor:Dr. Hen-Wei Wei

中華民國 106 年 2 月

February, 2017

致謝

摘要

>

Graph abstract

楔子

圖目錄

表目錄

目次

、

、

一、文獻檢討

(一)、孵化場廢棄物

(二)、常用畜產廢棄物處理方法

(三)、處理條件最佳化之方法論

(四)、廢棄蛋蛋粉作為蛋白質補充原料之評估與應用

最佳化孵化場廢棄物熱處理為飼料原料之過程與產蛋雞與年輕豬隻對其之生物利用效率

國立臺灣大學生物資源暨農學院動物科學技術學系 博士論文

Department of Animal Science and Technology College of Bioresources and Agriculture

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最佳化孵化場廢棄物熱處理為飼料原料之過程 與產蛋雞與年輕豬隻對其之生物利用效率

Optimization of the thermal condition for processing hatchery waste eggs as meal for feed and measurement

of its bioavailability for laying hens and young pigs

邱雯政 Wen-Zan Chiu

指導教授﹕魏恆巍 博士 Advisor:Dr. Hen-Wei Wei

中華民國 106 年 2 月

February, 2017

致謝

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楔子

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目次

、

、

一、文獻檢討

(一)、孵化場廢棄物

(二)、常用畜產廢棄物處理方法

(三)、處理條件最佳化之方法論

(四)、廢棄蛋蛋粉作為蛋白質補充原料之評估與應用

國立臺灣大學生物資源暨農學院動物科學技術學系博士論文

最佳化孵化場廢棄物熱處理為飼料原料之過程與產蛋雞與年輕豬隻對其之生物利用效率

指導教授﹕魏恆巍博士 Advisor:Dr. Hen-Wei Wei