微生物發(fā)酵飼料的技術(shù)調(diào)研及關(guān)鍵技術(shù)分析

寧艷春，陳希海，杜寶軍，屈海峰，岳 軍，李 平

（1.中國石油吉林石化公司研究院，吉林 吉林 132021；2.吉林燃料乙醇有限公司，吉林 吉林 132101；3.中國石油吉林石化公司物資采購公司，吉林 吉林 132022；4.廣東省農(nóng)業(yè)科學院動物科學研究所，廣州 510640）

發(fā)酵飼料是以有益微生物為發(fā)酵菌種，將飼料原料轉(zhuǎn)化為微生物菌體蛋白、生物活性小肽類氨基酸、微生物活性益生菌為一體的生物發(fā)酵飼料。其優(yōu)點在于通過微生物的發(fā)酵作用，降低抗營養(yǎng)因子，提高飼料的營養(yǎng)價值，使飼料原料的理化性狀得到改善，從而提高動物的消化利用率和適口性[1]。微生物發(fā)酵飼料中的益生菌一般處于高活性水平，進入腸道后不存在復蘇萌發(fā)過程，又含有豐富的益生代謝產(chǎn)物，使腸道調(diào)節(jié)和免疫保健功能體現(xiàn)得更充分，并且不需要大比例添加，對于緩解目前飼料原料價格高漲、人畜爭糧局面具有重要意義。

1 國內(nèi)外發(fā)酵飼料的現(xiàn)狀

微生物發(fā)酵飼料是在人為控制條件下，應用酵母、霉菌或細菌對一種或多種常規(guī)或非常規(guī)飼料原料進行好氧或厭氧發(fā)酵，消除抗營養(yǎng)因子，提高營養(yǎng)物質(zhì)的利用效率，同時富集大量活性益生菌和功能性初級/次級代謝產(chǎn)物，而獲得的一種新型生物飼料。

目前，歐美國家和地區(qū)生物飼料的使用技術(shù)已經(jīng)較為成熟，德國和法國使用液體生物飼料的比例達到15%以上，荷蘭、芬蘭、丹麥等國規(guī)?；i場的生物飼料飼喂比例已經(jīng)達到60%～80%。中國目前液體生物飼料的生產(chǎn)和飼喂技術(shù)尚不成熟，但是固體發(fā)酵飼料從早期的有益微生物群（EM）發(fā)酵飼料、飼用酵母、發(fā)酵粕類（豆粕、棉粕、菜粕等）等，到近年出現(xiàn)的發(fā)酵全價料、發(fā)酵濃縮料、飼料伴侶等產(chǎn)品形式，獲得了飼料企業(yè)和養(yǎng)殖者的高度關(guān)注。

2 技術(shù)調(diào)研情況

2.1 中國農(nóng)業(yè)大學（農(nóng)業(yè)部飼料工業(yè)中心）技術(shù)調(diào)研

2.1.1 發(fā)酵飼料生產(chǎn)工藝

為了解決原料消毒和成品干燥等困難，課題組成功開發(fā)了呼吸膜技術(shù)[2]。該技術(shù)的核心在于開發(fā)出帶有一個平衡膜的包裝袋，平衡膜可以調(diào)節(jié)氣壓。原料接種后就可以直接裝入包裝袋中，封口后在常溫條件下，進行儲存發(fā)酵[1,3-6]。

微生物在發(fā)酵過程中，會產(chǎn)生二氧化碳等氣體，使得包裝袋內(nèi)的氣壓大于外界常壓，氣壓平衡膜可以解決發(fā)酵這個氣體控制問題，當袋內(nèi)氣壓達到某一臨界值時，氣體會通過這個平衡膜排到外界。另外，外界的氣體始終沒有機會進入包裝袋，即杜絕了外界雜菌的進入，從而解決了染菌這一技術(shù)難題。該工藝既省略了消毒及干燥這兩個高耗能環(huán)節(jié)，又減少了發(fā)酵過程中的翻拌及散熱等煩瑣操作。這種新型工藝，發(fā)酵過程不受環(huán)境溫度影響，也不需要調(diào)節(jié)溫度，發(fā)酵成熟所需時間與物料組成和環(huán)境溫度相關(guān)，如果包裝袋不破損，保質(zhì)期可達3年。

2.1.2 發(fā)酵飼料菌種篩選

課題組研制出特定的微生物菌種組合，包括釀酒酵母、乳酸菌（以腸球菌為主）以及枯草芽孢桿菌MAl39等。MAl39能產(chǎn)生一種以脂肽類物質(zhì)為主要成分的細菌素，該細菌素對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌以及沙門氏菌具有強烈的殺滅作用，但是對乳酸菌、酵母菌、以及腸球菌的生長代謝沒有影響。該組合可以使乳酸菌迅速繁殖，占據(jù)數(shù)量優(yōu)勢，且綜合了好氧菌和厭氧菌發(fā)酵的優(yōu)點，原料不需要消毒，可以直接用于接種培養(yǎng)[4-5]。

2.1.3 技術(shù)成果

“高活菌無抗生素飼養(yǎng)用飼料呼吸膜固態(tài)發(fā)酵技術(shù)”大幅度降低了微生物發(fā)酵飼料的生產(chǎn)成本。與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)相比，該技術(shù)成品不需要干燥，保質(zhì)期長，適合在中國廣大農(nóng)村推廣使用?？梢砸粤畠r的豆渣、玉米漿和果渣等高水分含量的農(nóng)業(yè)或輕工副產(chǎn)物為原料，最大可以達到30%的使用比例。采用大比例添加高活菌含量的微生物發(fā)酵飼料，在未增加生豬飼養(yǎng)成本的條件下，實現(xiàn)了生豬（20 kg～出欄）無抗生素飼養(yǎng)，其豬肉品質(zhì)經(jīng)檢驗符合歐盟有關(guān)安全肉的相關(guān)要求[3-5]。

2.2 大北農(nóng)集團飼用微生物工程國家重點實驗室技術(shù)調(diào)研

飼用微生物工程國家重點實驗室成立于2010年12月，是由中華人民共和國科學技術(shù)部批準，依托于北京大北農(nóng)科技集團股份有限公司籌建的企業(yè)國家重點實驗室，2013年9月通過科技部驗收。實驗室主要研究方向涵蓋飼用微生物菌種資源創(chuàng)新、微生物發(fā)酵工藝與制劑工程、飼用微生物產(chǎn)品標準與技術(shù)規(guī)范、飼用微生物產(chǎn)品應用基礎(chǔ)研究、微生物發(fā)酵新產(chǎn)品創(chuàng)制等多個領(lǐng)域。實驗室搭建了微生物培養(yǎng)、細胞培養(yǎng)、分子生物學、蛋白質(zhì)組學、免疫學及各類分析檢測、發(fā)酵小試、中試及后處理工藝與制劑等多個現(xiàn)代化專業(yè)化實驗檢測平臺。

乳酸菌（益生菌制劑）包埋技術(shù)：乳酸菌在應用過程中遇到的最大困難是不容易保存，一般情況下，烘干后就會導致沒有活菌。乳酸菌包埋技術(shù)可以實現(xiàn)1 g中含乳酸菌107個，烘干后可以保留80%的活菌。包埋的關(guān)鍵技術(shù)在于包埋材質(zhì)是否可以在腸道中釋放，活菌的擴繁方面也不存在問題。包埋的菌劑都是液態(tài)發(fā)酵的出料。包埋的乳酸菌保質(zhì)期可以達到6個月。

2.3 中國農(nóng)業(yè)科學院飼料研究所技術(shù)調(diào)研

該研究室主要開展抗菌肽及抗生素替代品創(chuàng)新，飼用抗菌肽/蛋白研發(fā)；飼用益生菌研制；蛋白飼料原料的生物發(fā)酵處理等方面的研究。研究方向與成果：緊扣食物安全，應用生物技術(shù)研制功能飼料、食品、藥品等新產(chǎn)品——抗菌蛋白、葡聚糖酶、菊粉酶基因工程菌，微生態(tài)制劑和新飼料蛋白產(chǎn)品。

3 發(fā)酵飼料研究的關(guān)鍵技術(shù)

開發(fā)發(fā)酵飼料，主要涉及發(fā)酵基質(zhì)的選擇、發(fā)酵菌種的選擇以及發(fā)酵過程的控制3個方面的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 發(fā)酵基質(zhì)的選擇

發(fā)酵飼料在選擇發(fā)酵基料時，既要考慮動物日常所需營養(yǎng)物質(zhì)的種類及含量，如能量、氨基酸、維生素、微量元素等，又要考慮微生物生長所需的碳氮比、pH、水分、可發(fā)酵碳水化合物、滲透壓等，同時還要在劑型上兼顧后期混合使用相關(guān)的顆粒度、流散性等因素。常見可發(fā)酵基料分析見附表。

附表 常見可發(fā)酵基料分析

3.2 發(fā)酵菌種選擇

生產(chǎn)菌種是發(fā)酵過程的核心。發(fā)酵飼料的生產(chǎn)菌種很多，主要有乳酸菌、芽孢菌、酵母菌和霉菌等4類。中國農(nóng)業(yè)部2003年12月發(fā)布的第318號公告“飼料添加劑品種目錄”中包括：地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、兩歧雙歧桿菌、糞腸球菌、屎腸球菌、乳酸腸球菌、嗜酸乳桿菌、干酪乳桿菌、乳酸乳桿菌、植物乳桿菌、乳酸片球菌、戊糖片球菌、產(chǎn)朊假絲酵母、釀酒酵母、沼澤紅假單胞菌等15種可直接飼喂動物、允許使用的飼料級微生物飼料添加劑菌種。在目前應用的主要菌種中，乳酸桿菌屬和糞鏈球菌屬為腸道正常存在的微生物，而芽孢桿菌屬和酵母菌僅零星存在于腸道中。所有菌屬中芽孢桿菌是最理想的微生物添加劑，具有較高的蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶活性，對植物性碳水化合物具有較強的降解能力[7-11]。

鑒于生產(chǎn)成本和菌種穩(wěn)定性所限，傳統(tǒng)飼料加工中能夠廣泛使用的只有枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、糞腸球菌、屎腸球菌、釀酒酵母等少數(shù)幾種。益生功能更顯著的乳酸桿菌和雙歧桿菌，因其抗逆性和穩(wěn)定性較差，并不能在生產(chǎn)實踐中廣泛應用。

然而，發(fā)酵飼料中的游離水和可溶性營養(yǎng)成分可使乳酸菌濃度提高2～3個數(shù)量級，并維持數(shù)月甚至1年以上。在發(fā)酵飼料中既可以選擇芽孢桿菌和酵母菌，亦可使用抗逆性較差但益生功能更為顯著的乳酸菌類發(fā)酵菌株。

不同菌種因各自性質(zhì)不同，作用效果不一。如乳酸桿菌耐高溫、耐高壓的性能差，在粉料中使用效果較好，而在顆粒料中使用效果較差。芽孢桿菌能耐受較高溫度、高壓及酸性環(huán)境，在顆粒料中多應用以芽孢桿菌為主制成的微生態(tài)制劑，或選用經(jīng)過特殊材料包被的其他菌劑。因此，發(fā)酵飼料完全解除了高活性乳酸桿菌和雙歧桿菌的使用限制，在腸道健康調(diào)節(jié)、畜舍環(huán)境改善方面的效果也體現(xiàn)得更為顯著，這也是發(fā)酵飼料獲得認可并快速推廣的主要原因。

3.3 發(fā)酵過程控制

發(fā)酵飼料通常是好氧或厭氧固態(tài)淺層發(fā)酵工藝，影響發(fā)酵過程的主要因素有碳氮比、含水量、溫度、物料粒度等，其微生物的生長規(guī)律、代謝調(diào)節(jié)和控制非常重要。

3.3.1 碳氮比

最適碳氮比因微生物種類差異，在10～100的范圍內(nèi)變化，其中可發(fā)酵的碳源和氮源的質(zhì)量比更為重要，更多情況下，氮源的種類決定了發(fā)酵過程。

3.3.2 含水量

含水量是決定發(fā)酵成功與否的關(guān)鍵因素。含水量過低，會造成物料膨脹程度降低、水張力增高、空氣殘留過多，從而導致前期好氧階段過長，乳酸菌發(fā)酵階段延后，發(fā)酵結(jié)束時間不易控制。含水量過高，會造成氧氣擴散受限制，酵母等好氧菌的代謝產(chǎn)物積累不夠，并且會導致物料黏性增加、流散性差，后期飼喂時不易混勻。

3.3.3 溫度

發(fā)酵過程會產(chǎn)生大量的熱，固體發(fā)酵的溫度控制比液體發(fā)酵要困難得多，實際生產(chǎn)中一般通過降低發(fā)酵單元的體積和料層厚度控制料溫。

3.3.4 物料粒度

固定相基質(zhì)的有限擴散，導致發(fā)酵過程中物料交換不充分，因此物料的粒度決定了發(fā)酵程度的高低。微生物是附著在物料顆粒表面重疊地生長繁殖，直接和物料接觸的細胞，與在此細胞上再生長的細胞會有所不同。從攝取營養(yǎng)的角度看，在外層生長的細胞是通過貼近細胞之間的孔隙來獲得營養(yǎng)的，這也有利于某些微生物的自組織行為，分泌特殊的功能性次級代謝產(chǎn)物。

4 發(fā)酵飼料的研究開發(fā)思路

開發(fā)發(fā)酵飼料，應先確定原料中有哪些動物和有益菌可利用營養(yǎng)成分（粗蛋白質(zhì)、粗纖維、粗脂肪等）。根據(jù)主要可以利用的成分，再考慮需要外加哪些基質(zhì)，進一步分析和研究，最后確定產(chǎn)品定位。需要討論和確定適宜的菌種，如何獲得或篩選發(fā)酵菌種（菌種來源必須清楚和安全），發(fā)酵的菌種如何組合。在研發(fā)過程中還需要考慮如何降低微生物發(fā)酵飼料的生產(chǎn)成本，如何符合國家的相關(guān)要求和標準。在選擇液態(tài)發(fā)酵還是固態(tài)發(fā)酵工藝時還需要考慮工程放大、設(shè)備和運行成本等問題。

5 展 望

微生物發(fā)酵飼料是未來飼料產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。技術(shù)調(diào)研更加明確了發(fā)酵飼料是實施無抗生素動物養(yǎng)殖的重要部分。大劑量使用高活菌含量的微生物發(fā)酵飼料可以明顯地改善動物的生產(chǎn)性能，提高動物的健康水平。

“回歸自然，倡導綠色”，是未來畜牧業(yè)發(fā)展的必然趨勢，微生物發(fā)酵飼料新技術(shù)已經(jīng)成為支撐中國特色生態(tài)循環(huán)養(yǎng)殖的關(guān)鍵技術(shù)。發(fā)酵飼料作為國家“十三五”期間戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點產(chǎn)品，將成為飼料產(chǎn)業(yè)供給側(cè)改革的重要突破口。