微生物與酶制劑在秸稈發(fā)酵飼料生產(chǎn)中的應(yīng)用

趙 萍，夏文旭，趙 瑛，王 聰，芮文君，邱 悅，王 雅，舒宗美，莊 巖，宋 佳

（1.蘭州理工大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 生物技術(shù)研究所，甘肅 蘭州 730070）

人們一直探索如何解決動物生產(chǎn)產(chǎn)量偏低這一難題，直至20世紀(jì)50年代，人們發(fā)現(xiàn)在動物飼料中添加抗生素（antibiotics）可以顯著提高動物的生產(chǎn)率，這一發(fā)現(xiàn)對推進(jìn)畜牧業(yè)的集約化發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)[1]。近年來，飼喂含有抗生素飼料的危害受到社會各界的日益關(guān)注。2004年，世界貿(mào)易組織（world trade organization，WTO）、聯(lián)合國糧農(nóng)組織（food and agriculture organization，F(xiàn)AO）和世界動物衛(wèi)生組織（world organisation for animal health，OIE）聯(lián)合召開非人用抗生素使用問題的專題討論會。自2006年1月起，歐盟已全面禁止在畜禽飼料中添加抗生素，我國也在逐漸減少抗生素的使用，人們開始尋求其他方法來保證畜牧業(yè)生產(chǎn)的效率與效益[1]。

我國畜牧業(yè)受耕地資源的制約，其發(fā)展使人畜共糧的矛盾日益突出，因此研究與開發(fā)新型飼料資源已成為畜牧業(yè)能否可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，其中利用微生物與酶制劑發(fā)酵飼料這一途徑日益受到重視[2]。21世紀(jì)，我國糧食問題本質(zhì)上就是解決畜牧業(yè)飼料資源的短缺問題[3]，而發(fā)酵飼料不僅能夠提高原料中的淀粉、蛋白質(zhì)等成分的消化利用率，改善適口性，提高營養(yǎng)價(jià)值，調(diào)節(jié)動物腸道的微生態(tài)平衡，減少抗生素的添加，提高畜產(chǎn)品的食品安全性[4]，還能降解非常規(guī)原料中的抗?fàn)I養(yǎng)因子和有害成分，改善動物的機(jī)體健康，擴(kuò)大飼料原料的適用范圍[5]。發(fā)酵飼料不但具有質(zhì)量好、安全性高和效果穩(wěn)定的特點(diǎn)，而且具有原料來源廣泛和生產(chǎn)成本較低的優(yōu)勢引起世界飼料行業(yè)的重視，并已開始產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)[6]。因此，開發(fā)新型飼料資源，對推動畜牧養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 發(fā)酵飼料的概況

1.1 發(fā)酵飼料

發(fā)酵飼料是指在人工控制條件下，微生物通過自身代謝活動或者添加酶制劑將植物性、動物性和礦物性飼料原料中的抗?fàn)I養(yǎng)因子分解轉(zhuǎn)化為易被牲畜消化、吸收且無毒害的飼料[7-8]。經(jīng)過微生物與酶制劑發(fā)酵處理的飼料，品質(zhì)得到提高，對動物不僅無毒害、易吸收，同時(shí)能起到促生長、維持體內(nèi)微生態(tài)的平衡、增強(qiáng)免疫力和防病治病的作用[9]。

1.2 發(fā)酵飼料生產(chǎn)中的有益微生物

近年來，微生物和酶制劑在畜牧養(yǎng)殖業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，用于發(fā)酵飼料生產(chǎn)的微生物主要包括細(xì)菌、酵母菌及部分單細(xì)胞藻類等。美國已批準(zhǔn)40多種微生物添加劑的生產(chǎn)，1999年我國農(nóng)業(yè)部公布了12種飼料級微生物添加劑的微生物菌種名單[10]。2013年農(nóng)業(yè)部再次發(fā)布《飼料添加劑品種目錄（2013）》（公告第2045號），允許可用于飼料生產(chǎn)的微生物增加到了34種，包括芽孢桿菌屬（Bacillussp.）6種（地衣芽孢桿菌B.licheniformis、枯草芽孢桿菌B.subtilis、遲緩芽孢桿菌B.lentus、側(cè)孢短芽孢桿菌Brevibacillus laterosporu、短小芽孢桿菌B.pumilus、凝結(jié)芽孢桿菌B.coagulans），雙歧桿菌屬（Bifidobacteriumsp.）6種（長雙歧桿菌B.longum、短雙歧桿菌B.breve、動物雙歧桿菌B.animalis、嬰兒雙歧桿菌B.infantis、青春雙歧桿菌B.adolescentis、兩歧雙歧桿菌B.bifidum），乳桿菌屬（Lactobacillussp.）10種（羅伊氏乳桿菌L.reuterii、嗜酸乳桿菌L.acidophilu、干酪乳桿菌L.casei、乳酸乳桿菌L.delbruckii、植物乳桿菌L.plantarum、纖維二糖乳桿菌L.cellobisus、發(fā)酵乳桿菌L.fermentium、保加利亞乳桿菌L.bulgaricus、布氏乳桿菌L.buchneri、副干酪乳桿菌L.paracasei），腸球菌屬（Enterococcussp.）2種（糞腸球菌E.faecalis、屎腸球菌E.faecium），片球菌屬（Pediococcussp.）2種（乳酸片球菌P.acidilactici、戊糖片球菌P.pentosaceus），酵母屬（Saccharomycessp.）1種（釀酒酵母S.cerevisiae），假絲酵母屬（Candidasp.）1種（產(chǎn)朊假絲酵母C.utilis），紅假單胞菌屬（Rhodopseudomonassp.）1種（沼澤紅假單胞菌R.palustris），丙酸桿菌屬（Propionibacteriumsp.）1種（產(chǎn)丙酸丙酸桿菌P.acidipropionici），鏈球菌屬（Streptococcussp.）2種（乳酸腸球菌S.faecalis、嗜熱鏈球菌S.thermophilus），曲霉屬（Aspergillussp.）2種（黑曲霉A.niger、米曲霉A.oryzae），其中芽孢桿菌科梭菌屬（Clostridiumsp.）的丁酸梭菌（C.butyricum）為監(jiān)測期內(nèi)的新飼料添加劑[11]。目前，市場上用于飼料發(fā)酵的益生菌主要包括乳酸菌（lactic acid bacteria，LAB）、芽孢桿菌（Bacillus）、鏈球菌（Streptococcus）和霉菌（mold）等。

1.2.1 乳酸菌

乳酸菌作為微生物飼料添加劑中研究報(bào)道得最多的一類微生物，是可以轉(zhuǎn)化碳水化合物產(chǎn)生乳酸的一類細(xì)菌的總稱。乳酸菌（LAB）在腸道內(nèi)通過代謝可產(chǎn)生多種抑菌物質(zhì)，如細(xì)菌素（bacteriocin）、類細(xì)菌素（bacteriocin-like）、有機(jī)酸（organic acid）和過氧化氫（H2O2）等。乳酸菌產(chǎn)生的細(xì)菌素對許多革蘭氏陽性菌（G+）具有抑制作用[12]，產(chǎn)生的H2O2能夠抑制革蘭氏陰性（G-）病原菌的生長。

1.2.2 芽孢桿菌

芽孢桿菌作為零星存在于動物腸道微生物菌群中的一類好氧性生長菌，具有抗逆性強(qiáng)、耐高溫、耐高壓、易貯存，且能夠維持厭氧環(huán)境等特性，促進(jìn)乳酸菌（LAB）、雙歧桿菌（Bifidobacteriumsp.）等厭氧益生菌的生長，抑制需氧致病菌的生長，維持腸道菌群平衡。目前主要應(yīng)用在飼料添加劑生產(chǎn)中，且作為發(fā)酵飼料生產(chǎn)的芽孢桿菌屬中的微生物包括枯草芽孢桿菌（B.subtilis）和地衣芽孢桿菌（B.licheniformis）等[13]。蠟狀芽孢桿菌（B.cereus）在飼料生產(chǎn)中應(yīng)用研究有相關(guān)報(bào)道[13-14]，但在《飼料添加劑品種目錄（2013）》中未列出，而據(jù)報(bào)道B.cereus能產(chǎn)生一種嘔吐毒素和多種腸毒素（enterotoxin），主要引發(fā)嘔吐和腹瀉型食物中毒[15]，因此其在飼料中應(yīng)用的安全性有待考證。

1.2.3 鏈球菌

鏈球菌主要包括乳酸腸球菌（S.faecalis）和屎腸球菌（S.lactis），可產(chǎn)生多種抗菌物質(zhì)和H2O2而起到抑制病原菌、消除代謝過程中的有毒、有害物質(zhì)，從而起到整腸的效果[16]。

1.2.4 霉菌

常用的霉菌有曲霉屬（Aspergillussp.）的黑曲霉（A.niger）和米曲霉（A.oryzae）等[17]，主要用于分解飼料原料中一些動物難以消化的的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和淀粉等大分子物質(zhì)。根霉屬（Rhizopussp.）霉菌在《飼料添加劑品種目錄（2013）》中未列出，但實(shí)際生產(chǎn)中根霉屬（Rhizopussp.）的黑根霉（R.nigrican）和米根霉（R.oryzae）廣泛應(yīng)用于食品加工和飼料生產(chǎn)。

1.3 發(fā)酵飼料生產(chǎn)中的有益酶制劑

我國對飼料酶制劑的應(yīng)用有嚴(yán)格的規(guī)定，1999年，我國農(nóng)業(yè)部公布允許使用飼料級酶制劑12類[10]；2013年，農(nóng)業(yè)部發(fā)布《飼料添加劑品種目錄（2013）》可用于飼料生產(chǎn)的酶制劑歸并增加為13類，包括淀粉酶（amylase）、α-半乳糖苷酶（α-galactosidase）、纖維素酶（cellulase）、β-葡聚糖酶（β-glucanase）、葡萄糖氧化酶（glucose oxidase）、脂肪酶（lipase）、麥芽糖酶（maltase）、β-甘露聚糖酶（β-mannanase）、果膠酶（pectinase）、植酸酶（phytase）、蛋白酶（protease）、角蛋白酶（keratinase）和木聚糖酶（xylanase）。溶菌酶（lysozyme）和黃曲霉毒素B1分解酶（aflatoxin B1decomposition enzyme）為監(jiān)測期內(nèi)的新飼料添加劑[11]。

2 微生物與酶制劑在發(fā)酵飼料中的應(yīng)用

2.1 微生物類飼料

微生物飼料就是對微生物在自身生長繁殖和新陳代謝過程中利用原料產(chǎn)生的對動物有用的菌體、酶、維生素和抗菌素等代謝產(chǎn)物，并進(jìn)一步加工和調(diào)制的飼料。根據(jù)其來源和性質(zhì)大致可分為4類：

東湖開發(fā)區(qū)緊鄰中心城區(qū)，依山傍水。區(qū)內(nèi)地勢北高南低，湖泊密布，山巒起伏，再加上外圍風(fēng)景區(qū)、森林公園等綠化和水面多達(dá)200km2。由于武漢市已經(jīng)進(jìn)入2015年“海綿城市”建設(shè)試點(diǎn)城市，東湖開發(fā)區(qū)作為武漢市未來建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域，應(yīng)積極響應(yīng)住建部的號召，開展“海綿城市”的建設(shè)工作。

（1）固態(tài)發(fā)酵飼料

微生物在固體狀態(tài)下發(fā)酵，使原料原有的理化性能發(fā)生改變，如將秸稈、秕殼等殘?jiān)D(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)酵飼料，或?qū)⒂卸镜娘炂擅摱?、解毒為無毒、低毒的優(yōu)質(zhì)飼料等，這樣不僅能夠提高動物對飼料的消化吸收率，還能延長飼料的貯存期限。這一類型的飼料主要包括：微貯飼料、發(fā)酵粗飼料、擔(dān)子菌發(fā)酵飼料、下腳料發(fā)酵飼料、餅粕脫毒飼料、發(fā)酵菌體飼料（如酵母飼料等），固態(tài)發(fā)酵酶制劑、微生態(tài)制劑等[2]。

（2）菌體蛋白飼料

微生物在液態(tài)培養(yǎng)基質(zhì)中大量繁殖生長出的菌體單細(xì)胞蛋白（single cell protein，SCP），如酵母、菌體培養(yǎng)液、食用菌菌絲、藻類等[5]。

（3）代謝產(chǎn)物飼料

利用生物技術(shù)積累微生物發(fā)酵過程中的有益代謝產(chǎn)物或特殊代謝物質(zhì)，如氨基酸、酶、抗生素、維生素等[6]。

（4）活菌制劑飼料

生產(chǎn)可直接用來飼喂的微生物，又叫微生態(tài)制劑、益生素等[3]。

2.2 酶制劑類

消化性酶主要包括α-淀粉酶（α-amylase）、糖化酶（amyloglucosidase）、酸性和中性蛋白酶（acidic and neutral protease），能夠輔助動物消化，降解淀粉和蛋白質(zhì)，使之成為易被消化吸收的小分子物質(zhì)。

非消化性酶主要包括木聚糖酶（xylanase）、果膠酶（pectinase）、甘露聚糖酶（mannanase）、β-葡聚糖酶（β-glucanase）、纖維素酶（cellulase）等非淀粉多糖酶和植酸酶（phytase）[19]，添加外來酶系的手段促進(jìn)動物特別是單胃動物對這類大分子營養(yǎng)物質(zhì)的消化。植酸酶具有解除植酸抗?fàn)I養(yǎng)作用的能力，在肉食仔雞、產(chǎn)蛋鴨、鵝和豬的飼料中補(bǔ)充植酸酶，具有良好的增值效果[20]。

3 微生物與酶制劑發(fā)酵飼料存在的問題

微生物與酶制劑作為飼料添加劑的價(jià)值已被眾多的飼料生產(chǎn)和養(yǎng)殖企業(yè)認(rèn)可，但與抗生素（antibiotics）的生產(chǎn)和應(yīng)用相比仍存在許多局限性[21]。

3.1 發(fā)酵飼料的菌種保存問題

微生物和酶制劑在培養(yǎng)、分離、純化、干燥、分裝、保存等工藝中，由于高溫、機(jī)械、制粒工序都有可能導(dǎo)致其活力的下降。因此，選擇一種經(jīng)濟(jì)、高效地制備菌種的方法對于推廣發(fā)酵飼料使用有著重要意義。

3.2 發(fā)酵飼料的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)問題

微生物和酶制劑在發(fā)酵代謝中會產(chǎn)生各種代謝產(chǎn)物，由于缺乏對其有效成分的研究，導(dǎo)致發(fā)酵飼料品質(zhì)難以統(tǒng)一。因此，建立健全的行業(yè)檢測標(biāo)準(zhǔn)和方法顯得十分必要。

3.3 發(fā)酵飼料的效果穩(wěn)定問題

由于各種發(fā)酵飼料的菌種和酶制劑組合、篩選、培育的方法不同以及動物種類和生產(chǎn)水平、飼喂條件等因素的差異，導(dǎo)致發(fā)酵飼料的實(shí)際應(yīng)用效果差異較大，難以保持穩(wěn)定的效果。因此，篩選出適宜的微生物與酶制劑，進(jìn)一步研究發(fā)酵飼料中的有效成分，深入探索其適用的動物種類及劑量十分必要[22]。

3.4 發(fā)酵飼料的安全問題

微生物區(qū)系平衡被打破后，益生菌在特定情況下有可能會轉(zhuǎn)變?yōu)椴≡鶾23]，如乳酸桿菌引起的臨床感染[24]；耐藥菌攜帶并轉(zhuǎn)移抗生素抗性基因，在宿主體內(nèi)產(chǎn)生抗性因子，如MORELLI L等[25]在不同屬種的乳酸桿菌中發(fā)現(xiàn)了腸球菌的pAMβ1質(zhì)粒。因此，發(fā)酵飼料的使用應(yīng)充分考慮到動物、消費(fèi)者以及環(huán)境等安全方面的問題，必須經(jīng)嚴(yán)格的科學(xué)試驗(yàn)證明其無害后才能推廣應(yīng)用。

3.5 發(fā)酵飼料的監(jiān)督檢驗(yàn)問題

我國關(guān)于微生物飼料添加劑的標(biāo)準(zhǔn)有國標(biāo)GB/T 23181—2008《微生物飼料添加劑通用要求》[26]、農(nóng)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1444—2007《微生物飼料添加劑技術(shù)通則》[27]，在一定程度上規(guī)范了微生物發(fā)酵飼料的生產(chǎn)，但發(fā)酵飼料的生產(chǎn)目前仍缺乏健全的監(jiān)督體制，這也是制約微生物添加劑發(fā)展的重要因素[28]。

3.6 發(fā)酵飼料的生產(chǎn)問題

我國大多數(shù)發(fā)酵飼料廠是小型飼料廠，基礎(chǔ)條件差，發(fā)酵設(shè)備和專業(yè)人員有限，對微生物、酶制劑和發(fā)酵工藝了解甚少，飼料廠缺乏相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)施和生產(chǎn)管理監(jiān)督檢驗(yàn)制度，是得產(chǎn)品存在一定的安全隱患[29]。因此，培育大量的專業(yè)人員和增加相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)施在保障發(fā)酵飼料的安全生產(chǎn)中起著重要作用。

3.7 發(fā)酵飼料的使用問題

發(fā)酵飼料在這幾年已經(jīng)被大多數(shù)企業(yè)所認(rèn)可，正在朝著好的方向發(fā)展，但養(yǎng)殖場人員對于發(fā)酵飼料的用法還比較模糊，還需更多的宣傳工作[30]。因此，如何正確的將微生物及酶制劑發(fā)酵飼料引入到養(yǎng)殖場內(nèi)，讓養(yǎng)殖戶能夠正確、有效的使用是比較關(guān)鍵的事情。

4 微生物與酶制劑發(fā)酵飼料展望

微生物和酶制劑種類眾多，資源豐富且開發(fā)潛力巨大。為了生產(chǎn)質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的發(fā)酵飼料，需要規(guī)模較大、自動化程度較高的固體發(fā)酵設(shè)備，提高微生物與酶制劑發(fā)酵飼料產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，同時(shí)還需要各研究人員不斷發(fā)掘新的微生物飼料菌株或改良現(xiàn)有菌種，特別是能大量分泌纖維素酶、淀粉酶、蛋白酶等酶類的優(yōu)良菌種[31]。

能將飼料原料中的抗?fàn)I養(yǎng)因子分解成為更能被動物消化吸收的菌種比比皆是，但我國允許使用的微生物尚不能滿足發(fā)酵飼料的發(fā)展需求，這就需要研究人員不斷地開展發(fā)酵飼料中的微生物和酶制劑的選育工作，獲得性能優(yōu)良且無毒害作用的菌株和酶制劑，從而提高發(fā)酵飼料的產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

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