發(fā)酵玉米蛋白粉飼料及其在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

徐超，張昕禹，鄭喜群，姜寧，李沐陽(yáng)，張愛(ài)忠

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院/黑龍江省寒區(qū)飼料資源高效利用與營(yíng)養(yǎng)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163319）

玉米是我國(guó)的主要糧食作物之一，具有適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、產(chǎn)量高、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高等特點(diǎn)，是食品加工、飼料生產(chǎn)的主要原料來(lái)源。在2019年我國(guó)玉米產(chǎn)量約為2.57億t，其中用于飼料及工業(yè)消費(fèi)的比例高達(dá)90%。玉米蛋白粉是玉米籽粒經(jīng)食品加工后產(chǎn)生的主要副產(chǎn)物，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量多，且含有少量的淀粉和纖維。玉米蛋白粉直接作為飼料飼喂動(dòng)物的效果不明顯。主要是因?yàn)槠涞鞍踪|(zhì)中含有大量不可溶性蛋白、抗?fàn)I養(yǎng)因子和氨基酸不平衡，同時(shí)動(dòng)物對(duì)不溶性的蛋白質(zhì)吸收利用效果不佳，且不利于瘤胃菌群的生長(zhǎng)，造成極大的浪費(fèi)[1]。

發(fā)酵玉米蛋白粉是將玉米蛋白粉通過(guò)微生物發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行處理，發(fā)酵可使其中部分蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和質(zhì)量發(fā)生改變，提高玉米蛋白粉的營(yíng)養(yǎng)成分并改善氨基酸的平衡性，有利于動(dòng)物的吸收，減少玉米蛋白粉營(yíng)養(yǎng)的浪費(fèi)。而酵母菌、芽孢桿菌等是發(fā)酵飼料的最常見(jiàn)菌種。此外，發(fā)酵玉米蛋白粉中含有豐富的益生菌，對(duì)于改善反芻動(dòng)物瘤胃的酶活性和畜禽腸道微生物環(huán)境等均有積極意義。本文對(duì)近年來(lái)玉米蛋白粉發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵菌種的選擇、發(fā)酵工藝、發(fā)酵后的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和功效以及發(fā)酵玉米蛋白粉在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行概述，以期對(duì)玉米蛋白粉發(fā)酵在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。

1 玉米蛋白粉發(fā)酵技術(shù)

1.1 玉米蛋白粉發(fā)酵菌種的選用

目前，蛋白質(zhì)飼料發(fā)酵選用的發(fā)酵菌種主要是細(xì)菌和真菌，細(xì)菌類菌種主要以乳酸菌、芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌為主，真菌類菌種主要選用酵母菌和曲霉菌等。Shi C.等[2]等研究發(fā)現(xiàn)，在使用枯草芽孢桿菌對(duì)玉米-豆粕型混合飼料進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵后，飼料原料外部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，形狀為孔狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)發(fā)酵飼料的粗蛋白和總磷含量顯著提高，淀粉粒數(shù)量和植酸含量下降。發(fā)酵后小肽和游離氨基酸的含量顯著增加。史路路等[3]研究發(fā)現(xiàn)，用淀粉酶、糖化酶和酵母菌按一定比例優(yōu)化發(fā)酵可以提高玉米蛋白粉中氨基酸和粗蛋白的含量。以酵母菌為發(fā)酵菌種的研究發(fā)現(xiàn)，玉米蛋白粉在蛋白酶的作用下能產(chǎn)生可溶性小肽，動(dòng)物體內(nèi)的自由基可在小肽的抗氧化作用下被消除，能有效地預(yù)防疾病的發(fā)生，對(duì)反芻動(dòng)物的健康有促進(jìn)作用[4]。細(xì)菌發(fā)酵蛋白飼料產(chǎn)生的粗蛋白含量、可溶性蛋白含量、小肽、抗氧化活性等指標(biāo)要高于真菌發(fā)酵的蛋白飼料。感官指標(biāo)方面，玉米蛋白粉在酵母菌發(fā)酵后具有適宜的酵母香味，而豆粕在枯草芽孢桿菌和乳酸菌的發(fā)酵作用下呈現(xiàn)為酸香味[5]。不同菌種發(fā)酵后的香味可以提高反芻動(dòng)物的食欲，對(duì)飼料的消化吸收有促進(jìn)作用。

根據(jù)發(fā)酵菌種的不同，在玉米蛋白粉發(fā)酵中，主要有單菌種發(fā)酵和混菌發(fā)酵兩種。玉米蛋白粉發(fā)酵屬于動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)酵過(guò)程，不同菌種的發(fā)酵條件存在著差異，同菌種在不同發(fā)酵階段的溫度和pH也存在動(dòng)態(tài)變化。選用單菌種發(fā)酵時(shí)，操作簡(jiǎn)單，需要控制的因素較少，同時(shí)飼料的發(fā)酵速度慢，營(yíng)養(yǎng)功能單一。在混菌發(fā)酵過(guò)程中，各種有益菌的功能和性質(zhì)不同，在發(fā)酵實(shí)踐中需要嚴(yán)格把控操作流程。同時(shí)由于菌種的多樣性，混菌發(fā)酵后的飼料品質(zhì)更優(yōu)于單菌種發(fā)酵，且更適合動(dòng)物的生長(zhǎng)需要。因此，選擇混菌發(fā)酵更適合玉米蛋白粉大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)的需要。

1.2 玉米蛋白粉的發(fā)酵工藝

關(guān)于玉米蛋白粉的發(fā)酵工藝，目前以固態(tài)微生物發(fā)酵最為常見(jiàn)，且技術(shù)比較成熟。固態(tài)發(fā)酵方法是利于微生物的作用，使蛋白質(zhì)原料在水分含量相對(duì)較少的環(huán)境中進(jìn)行發(fā)酵處理，操作技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，注意的主要條件有發(fā)酵物的pH、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間及接種菌種濃度等。王雨婷[6]和江成英等[7]研究發(fā)現(xiàn)，使用芽孢桿菌固態(tài)發(fā)酵玉米蛋白粉，在適宜的條件下，能夠有效地提高玉米蛋白粉中的可溶性蛋白含量，玉米肽的抗氧化活性增強(qiáng)，同時(shí)能夠有效地降低原料中的自由基含量。Wang C.等[8]證實(shí)了兩階段固態(tài)發(fā)酵中的菌種變化和參數(shù)的控制。發(fā)酵過(guò)程中可產(chǎn)生一些抗菌物質(zhì)，能夠有效提高對(duì)動(dòng)物的抗病性，降低養(yǎng)殖用藥，還可改善圈舍環(huán)境。在我國(guó)，液體發(fā)酵技術(shù)得到了很好的完善和應(yīng)用，在液態(tài)發(fā)酵玉米蛋白粉飼料中，應(yīng)注意原料的顆粒大小、料水比等。液體發(fā)酵具有發(fā)酵速度快、便于調(diào)控、菌種選擇局限性小和周期短等優(yōu)點(diǎn)[9]，但成本較高。

1.3 發(fā)酵玉米蛋白粉中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的變化

玉米蛋白粉經(jīng)微生物發(fā)酵后，其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和分子質(zhì)量都發(fā)生了明顯的改變。在掃描電鏡下觀察，可以發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)被打開(kāi)，表面積變大，孔洞比較明顯，且發(fā)酵后氨基酸親水性增強(qiáng)[10]。同時(shí)蛋白酶類能夠?qū)⒉糠值鞍踪|(zhì)和淀粉等大分子等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)降解為分子質(zhì)量較小的活性肽、小肽及游離氨基酸，游離氨基酸可以改善飼料的適口性，從而提高玉米蛋白粉營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

2 發(fā)酵玉米蛋白粉的飼喂功效

玉米蛋白飼料在微生物的發(fā)酵作用下，可以改善玉米蛋白飼料對(duì)反芻動(dòng)物的適口性，增加反芻動(dòng)物對(duì)飼料的采食量。徐力等[11]研究發(fā)現(xiàn)，飼料在發(fā)酵過(guò)程醇溶蛋白分子的α-螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，水解為大分子蛋白質(zhì)，改善了營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，提高了反芻動(dòng)物對(duì)玉米蛋白粉的消化利用率，有效地提高了飼料的利用率。

2.1 改善胃腸道微生態(tài)環(huán)境

發(fā)酵玉米蛋白粉飼料含較多的乳酸菌等有益菌，可增加反芻動(dòng)物瘤胃需要的各種揮發(fā)性脂肪酸、氨態(tài)氮和菌體蛋白含量，同時(shí)有益菌可以在瘤胃內(nèi)降解蛋白質(zhì)，產(chǎn)生一定量的有機(jī)酸，改善胃腸道pH，抑制有害菌群的生長(zhǎng)繁殖和改善瘤胃菌群結(jié)構(gòu)，促進(jìn)瘤胃發(fā)酵[12]。魏炳棟等[13]研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加發(fā)酵玉米蛋白粉能夠提高肉仔雞血清中抗氧化酶活性和抑制自由基能力，并且降低血清中丙二醛含量。有益菌群產(chǎn)生的溶菌酶、細(xì)菌素等多肽類物質(zhì)不僅可以有效抑制沙門(mén)氏菌、大腸桿菌的生長(zhǎng)，而且可以抑制其他病原微生物的滋生，改善動(dòng)物腸道的微生態(tài)環(huán)境。

2.2 提高動(dòng)物的抗病力

發(fā)酵飼料中含有各種對(duì)反芻動(dòng)物有益的的菌種，益生菌進(jìn)入機(jī)體后，在反芻動(dòng)物機(jī)體血液中產(chǎn)生更多的白蛋白及總蛋白，促進(jìn)免疫物質(zhì)的生成，同時(shí)動(dòng)物機(jī)體抗氧化能力得到顯著提升。刺激動(dòng)物機(jī)體發(fā)生免疫應(yīng)答反應(yīng)的化學(xué)信號(hào)，可以有效地激活免疫系統(tǒng)，能夠較好地殺滅入侵機(jī)體的致病菌，達(dá)到抗病的目的[14]。Lu J.F.等[15]研究發(fā)現(xiàn)，玉米和豆粕混合發(fā)酵飼料用于豬生產(chǎn)中，豬血清中的免疫球蛋白G（IgG）和免疫球蛋白M（IgM）含量顯著升高，同時(shí)顯著降低十二指腸和盲腸中類桿菌和馬魯氏桿菌的數(shù)量。姜鑫等[16]在研究發(fā)酵玉米蛋白粉對(duì)斷奶前荷斯坦公犢血漿代謝物的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，飼喂發(fā)酵玉米蛋白粉飼料后，犢牛血液中的血漿白蛋白、總抗氧化能力和免疫球蛋白A（IgA）含量均顯著高于對(duì)照組。綜上所述，發(fā)酵后的玉米蛋白粉飼料能夠提高反芻動(dòng)物的免疫調(diào)節(jié)能力，減少疾病的發(fā)生，有利于反芻動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育。

2.3 提高玉米蛋白粉飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值

蛋白質(zhì)飼料經(jīng)微生物發(fā)酵后，產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)活性物質(zhì)如各種脂肪酸和芳香酸類物質(zhì)可以提高飼糧的適口性，改善飼料味道，有助于提高動(dòng)物采食量。經(jīng)過(guò)微生物發(fā)酵后的蛋白質(zhì)飼料會(huì)產(chǎn)生大量的氨基酸、肽類物質(zhì)，這些營(yíng)養(yǎng)活性物質(zhì)可以更好地被動(dòng)物吸收利用，促進(jìn)動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育，提高營(yíng)養(yǎng)水平。飼料中的有益菌群還可以通過(guò)代謝產(chǎn)生多種活性肽。這些活性肽可以參與腸道的一些功能，提高機(jī)體免疫功能。微生物發(fā)酵技術(shù)可以分解飼料中的抗?fàn)I養(yǎng)因子，得到大量的酶、氨基酸和多肽類物質(zhì)。這些物質(zhì)可以降解一些動(dòng)物腸道不容易吸收的纖維、蛋白質(zhì)等，使動(dòng)物更好地吸收飼料中的營(yíng)養(yǎng)成分[17]。

3 發(fā)酵玉米蛋白粉在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

利用微生物發(fā)酵方式處理蛋白質(zhì)飼料，在畜禽生產(chǎn)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用。相關(guān)研究表明，微生物發(fā)酵玉米蛋白粉飼料有以下作用優(yōu)點(diǎn)：有利于調(diào)節(jié)畜禽胃腸道內(nèi)微生態(tài)平衡；提高動(dòng)物日采食量和飼料消化率；促進(jìn)畜禽生長(zhǎng)；激活宿主免疫系統(tǒng)，提高機(jī)體免疫調(diào)劑功能；降低畜禽等動(dòng)物的疾病發(fā)生機(jī)率，有利于畜禽的生長(zhǎng)發(fā)育。

3.1 在家畜生產(chǎn)中的應(yīng)用

目前，發(fā)酵玉米蛋白粉飼料主要應(yīng)用于奶牛的生產(chǎn)中，在羊生產(chǎn)中的應(yīng)用還待進(jìn)一步研究。姜鑫等[18]利用納豆芽孢桿菌和乳酸菌發(fā)酵玉米蛋白粉飼料，飼喂荷斯坦公犢牛，結(jié)果表明試驗(yàn)組犢牛體內(nèi)的血漿中總蛋白和免疫球蛋白含量明顯增加，膽固醇和尿素氮含量降低，同時(shí)提高了犢牛瘤胃內(nèi)各種有益菌和原蟲(chóng)的相對(duì)豐富度，能有效地調(diào)節(jié)瘤胃內(nèi)的菌群結(jié)構(gòu)，促進(jìn)犢牛的生長(zhǎng)發(fā)育。在奶牛瘤胃微生物體外發(fā)酵中發(fā)現(xiàn)，日糧中添加發(fā)酵玉米蛋白粉可以提高瘤胃產(chǎn)氣量，同時(shí)提高瘤胃中揮發(fā)性脂肪酸及菌體蛋白的含量。梅寧安等[19]利用酵母菌發(fā)酵蛋白質(zhì)飼料，應(yīng)用于泌乳奶牛生產(chǎn)中，奶牛的產(chǎn)奶量和日糧報(bào)酬明顯高于對(duì)照組。以上研究表明，飼喂含有發(fā)酵玉米蛋白粉的飼料可改善奶牛瘤胃菌群結(jié)構(gòu)，提高奶牛產(chǎn)奶量，是奶牛養(yǎng)殖較為理想的蛋白質(zhì)飼料。

3.2 在禽類生產(chǎn)中的應(yīng)用

在家禽生產(chǎn)中，益生菌發(fā)酵玉米蛋白粉飼料可以提高禽類的抗氧化性能、機(jī)體屠宰率，改善腸道微生物平衡，促進(jìn)禽類的生長(zhǎng)代謝作用。魏炳棟等[13]研究發(fā)現(xiàn)，用復(fù)合菌發(fā)酵的玉米蛋白粉飼料可以顯著提高仔雞的平均采食量和日增重，促進(jìn)內(nèi)臟器官發(fā)育，改善腸道微生物環(huán)境，有利于仔雞的生長(zhǎng)發(fā)育和免疫調(diào)節(jié)。苗國(guó)偉[20]利用微生物固態(tài)發(fā)酵玉米蛋白粉應(yīng)用于蛋雞，結(jié)果證明飼喂發(fā)酵玉米蛋白粉可以降低肉雞的料重比，同時(shí)還能提高機(jī)體的抗病力和機(jī)體抗氧化力。

4 展望

玉米蛋白粉通過(guò)微生物發(fā)酵技術(shù)可以提高營(yíng)養(yǎng)水平，還可以通過(guò)有益菌的新陳代謝降解玉米蛋白粉中的不可溶性蛋白質(zhì)，產(chǎn)生大量的活性肽，能降低動(dòng)物疾病發(fā)生的概率，提高機(jī)體免疫力。我國(guó)玉米蛋白粉原料豐富，發(fā)酵玉米蛋白質(zhì)飼料等有著良好的市場(chǎng)，且發(fā)酵玉米蛋白粉在動(dòng)物的生產(chǎn)中已得到較好的應(yīng)用效果，但其在不同種類和年齡階段的動(dòng)物中的適宜添加量還需要進(jìn)一步的研究確定。目前，玉米蛋白粉發(fā)酵使用的菌群復(fù)雜，組合繁多，且菌種的篩選、培養(yǎng)以及制備技術(shù)還需優(yōu)化。只有提高發(fā)酵玉米蛋白粉的品質(zhì)，保證發(fā)酵質(zhì)量，才能更好地推廣使用。