微生物發(fā)酵飼料的特性及其在動物生產中的應用研究進展

■ 張關鋒 曾文林 鄭夢莉 陳清華*

（1.湖南農業(yè)大學動物科學技術學院，湖南長沙 410125；2.冷水江市畜牧水產和農機事務中心，湖南婁底 417500）

近年來，隨著我國畜禽養(yǎng)殖規(guī)模的擴大，飼料資源短缺的問題日益嚴重。玉米豆粕價格的飆升迫使飼料企業(yè)和養(yǎng)殖企業(yè)尋求能量飼料和蛋白飼料的替代品，但棉籽粕、菜籽粕等非常規(guī)飼料具有存在抗營養(yǎng)因子和有毒、有害物質較多的缺點，嚴重制約畜禽對其的消化利用。新興的微生物發(fā)酵飼料技術不僅可以消除或降解大部分抗營養(yǎng)因子和有毒有害物質，還可以提高可消化養(yǎng)分的含量，這對于提高常規(guī)飼料的利用率和開發(fā)非常規(guī)飼料原料及促進畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實意義。因此，文章綜述近年來國內外關于微生物發(fā)酵飼料應用的研究，總結其種類、對飼料營養(yǎng)價值的影響、在動物生產中的應用效果及應用替代方案，以期為發(fā)酵飼料的開發(fā)和利用提供理論參考。

1 微生物發(fā)酵飼料的定義和發(fā)酵方式

1.1 微生物發(fā)酵飼料的定義

微生物發(fā)酵飼料是指在人為控制條件下，將一些抗營養(yǎng)因子含量高、利用率低、適口性較差的植物性農副產品為主要原料（底物），通過微生物發(fā)酵將部分纖維素、蛋白質和脂肪等大分子營養(yǎng)物質降解成易被動物吸收的糖類和可溶性小肽及有機酸等小分子物質，從而制成營養(yǎng)豐富、適口性好及有益微生物含量較高的一類生物飼料[1]。

1.2 微生物發(fā)酵飼料的方式

微生物發(fā)酵飼料按照發(fā)酵工藝分為固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵，固態(tài)發(fā)酵是指在微生物生長的培養(yǎng)基中無可以流動的游離水且發(fā)酵物質來源廣泛，具有發(fā)酵終產物濃度較高、易于保存、發(fā)酵過程產生的廢水較少等特點；液態(tài)發(fā)酵是指在生化反應器中，通過人工方式將菌株生長所需要的糖、氮鹽以及無機鹽等營養(yǎng)物質全部溶于水中作為培養(yǎng)基，滅菌后進行接種，液體發(fā)酵具有原料來源廣泛、菌體生長快速、生產周期短等特點[2]。

目前在飼料行業(yè)生產中固、液態(tài)發(fā)酵均可用于有機酸、酶制劑、維生素、肽類和其他生長因子等飼料添加劑的工業(yè)化生產，但根據(jù)兩種發(fā)酵方式的特點，液態(tài)發(fā)酵更利于規(guī)?；a，固態(tài)發(fā)酵則在改變常規(guī)、非常規(guī)飼料原料的特性和利用工業(yè)殘渣或副產物生產單細胞蛋白質飼料方面應用更為廣泛。兩種發(fā)酵模式在受限因素方面，液態(tài)發(fā)酵存在發(fā)酵設備龐大、耗能高和費用大等弊端，固態(tài)發(fā)酵存在生產機械化程度低、發(fā)酵產品穩(wěn)定性差和發(fā)酵過程難以控制工藝參數(shù)（如溫度、pH、營養(yǎng)成分等）等劣勢[3]。

1.3 微生物發(fā)酵的菌種

目前，發(fā)酵常用菌劑多為復合菌，包括芽孢桿菌（枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、凝結芽孢桿菌等）；乳酸菌（植物乳桿菌、嗜酸乳桿菌、干酪乳桿菌等）；酵母菌（產朊假絲酵母、釀酒酵母）和霉菌（米曲霉、毛霉、根霉等）[4]，以及這些菌種之間按照不同比例的組合。

1.4 微生物發(fā)酵飼料的原料

微生物發(fā)酵飼料的原料可以分為常規(guī)飼料原料和非常規(guī)飼料原料，常規(guī)飼料原料是指一些常見的、利用價值高、易于消化和吸收的一類飼料原料（如玉米、大豆、小麥等）；而非常規(guī)飼料原料是指一些存在營養(yǎng)價值較低、抗營養(yǎng)因子含量高、成分復雜或不穩(wěn)定而又缺乏營養(yǎng)價值評定標準等問題的飼料原料，大致可分為餅粕類、糟渣類、秸稈秕殼3類[5]。

2 微生物發(fā)酵飼料的特性

2.1 提高飼料營養(yǎng)物質含量、降低抗營養(yǎng)因子含量

在微生物發(fā)酵過程中，針對不同類型的飼料原料可以使用不同的菌種進行發(fā)酵。發(fā)酵常規(guī)飼料方面，Zhang 等[6]研究表明，利用枯草芽孢桿菌固態(tài)發(fā)酵豆粕，發(fā)酵后豆粕中的大分子糖和蛋白質被降解為有機酸、小肽、游離氨基酸等，其中必需氨基酸總量增加了12.2%，非必需氨基酸總量增加了10.8%，游離氨基酸總量是未發(fā)酵組的12.76 倍。Zheng 等[7]研究表明，通過芽孢桿菌固態(tài)發(fā)酵豆粕可以顯著降低豆粕中抗營養(yǎng)因子的含量。Jiang 等[8]利用枯草芽孢桿菌（CICC 10262）和嗜酸乳桿菌（ACCC 10637）混合固態(tài)發(fā)酵玉米蛋白粉，結果顯示發(fā)酵后中性洗滌纖維含量顯著降低，粗蛋白、氨基酸和小肽含量顯著升高。發(fā)酵非常規(guī)飼料方面，Wang 等[9]使用由地衣芽孢桿菌(1.0813)、酵母菌(ACCC20060)和乳酸菌(ACCC10637)組合成的復合益生菌固態(tài)發(fā)酵菜籽粕，發(fā)酵后可溶性蛋白含量、乳酸含量和總氨基酸含量顯著增加，硫苷和中性洗滌纖維含量顯著降低。Wang 等[10]利用乳酸菌菌株固態(tài)發(fā)酵棉籽粕，結果顯示，發(fā)酵后棉粕中粗蛋白和必需氨基酸的含量極顯著增加，棉酚降解率達83%。有研究報道，淀粉芽孢桿菌NX-2S 固態(tài)發(fā)酵豆渣，使豆渣中胰蛋白酶抑制劑、植酸和單寧等抗營養(yǎng)因子分別降低了98.7%、97.8%和63.2%[11]。此外，有研究表明，通過樺褐孔菌固態(tài)發(fā)酵麥秸，發(fā)酵后顯著提高了麥秸中粗蛋白含量和必需氨基酸中蛋氨酸、賴氨酸的含量[12]。Wang 等[13]使用4 種白色腐真菌（紅腐霉CGMCC 5.600、杏鮑菇CGMCC 5.732、鳳尾菇CGMCC 5.592 和金頂側耳CGMCC 5.244）固態(tài)發(fā)酵玉米秸稈，結果顯示，發(fā)酵后4 種白色腐真菌均顯著提高了玉米秸稈中粗蛋白含量，同時降低了中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、半纖維素和纖維素的含量。

由此可見，針對飼料的特性以及改善效果，選擇相應的微生物發(fā)酵處理可提高飼料營養(yǎng)成分的含量，降低抗營養(yǎng)因子及有毒、有害物質的含量，從而提高飼料中可消化營養(yǎng)物質的含量[14]。在微生物發(fā)酵飼料的過程中，還需考慮不同菌種之間的協(xié)同和拮抗作用。一般情況下，混合菌種的發(fā)酵效果要優(yōu)于單一菌種，不同菌種分步發(fā)酵效果優(yōu)于混合發(fā)酵，且混菌分步發(fā)酵效果優(yōu)于單菌發(fā)酵和混菌同步發(fā)酵[15-16]。

2.2 降低飼料毒性和抑制有害菌產生

微生物通過固態(tài)發(fā)酵的方式發(fā)酵飼料還可以降低飼料中毒素的含量、抑制有害菌的生長，尤其在餅粕類等非常規(guī)飼料中效果顯著（見表1）。

表1 微生物發(fā)酵降低飼料毒性和抑制有害菌相關研究報道

2.3 提高飼料中抗氧化成分含量

經微生物發(fā)酵后的飼料原料會產生植物肽類[22]、酚類和黃酮[23]等抗炎、抗氧化物質。研究表明，利用枯草芽孢桿菌和米曲霉固態(tài)分步發(fā)酵豆粕，顯著提高了豆粕總酚化合物濃度和體外抗氧化活性[24]。Jiang等[25]通過枯草芽孢桿菌MTCC5480固態(tài)發(fā)酵玉米蛋白粉，結果顯示，36 ℃時發(fā)酵后玉米肽的濃度達到最大值，此外，還通過D-半乳糖誘導衰老大鼠試驗驗證了發(fā)酵所產生玉米肽具有良好的抗氧化能力，可作為天然抗氧化劑，這也表明了發(fā)酵所產生的玉米肽具有安全性和可靠性。凌阿靜等[26]使用真菌發(fā)酵麥麩，結果顯示，黑曲霉菌、米曲霉菌和里氏木霉菌3 種菌均能顯著增加麥麩中總游離酚含量、阿魏酸含量及抗氧化活性；其中，米曲霉菌發(fā)酵麥麩效果最好，可以得出結論：米曲霉菌是降解麥麩生產阿魏酸、提高麥麩抗氧化活性的優(yōu)良菌種。阿魏酸是一種自由基清除劑，具有抗炎、抗氧化、抗菌活性等生理功能[27]。Wang 等[28]通過枯草芽孢桿菌YY-4 和植物乳桿菌CICC6026 混合固態(tài)發(fā)酵菜籽粕，發(fā)酵后小分子肽濃度極顯著增加，表現(xiàn)出高可用性、抗氧化活性和免疫調節(jié)活性。Karakurt等[29]利用枯草芽孢桿菌ATCC 6633固態(tài)發(fā)酵葵花籽粕，發(fā)酵后總酚含量和抗氧化活性顯著增加。此外，Xu等[30]研究表明可以通過樺褐孔菌發(fā)酵小麥、水稻秸稈和甘蔗渣生產抗氧化活性胞外多糖，從而提高發(fā)酵產物的抗氧化能力。由此可見，不同的飼料原料經微生物發(fā)酵后可以產生不同的抗氧化物質，從而提高飼料中抗氧化成分的含量。

2.4 改善飼料風味、提高飼料適口性

有研究表明飼料的風味[31]和適口性[32]可直接促進動物進行采食行為，是影響動物的采食量的主要因素。在發(fā)酵的過程中，會產生芳香族化合物等，改善飼料風味，提高適口性[33]。韓翠萍等[34]研究表明，經植物乳桿菌和釀酒酵母菌復配發(fā)酵的玉米粉可明顯提高芳烴化合物、氮氧化合物和醇類物質的揮發(fā)；同時，由于兩種菌種之間產生的協(xié)同作用，發(fā)酵過程中會產生更多有機酸、多糖和酶等物質，使玉米粉帶有淡淡水果香氣。吳正可等[35]使用嗜酸乳桿菌、枯草芽孢桿菌和釀酒酵母菌固態(tài)發(fā)酵菜籽粕，發(fā)酵后的菜籽粕呈蓬松狀，顏色為黃褐色，有濃郁的酸香味。Liu等[36]用乳酸菌發(fā)酵液吸附和發(fā)酵稻草飼料，發(fā)酵后的稻草飼料不僅具有獨特的酸香味，適口性也得到了改善。Jiang等[37]用毛木耳菌株固態(tài)發(fā)酵麥麩纖維，通過氣相色譜-質譜分析，毛木耳菌能降解麥麩纖維并產生多種芳香化合物。綜上，無論是常規(guī)飼料原料還是非常規(guī)飼料原料，經微生物發(fā)酵后其形態(tài)、顏色、氣味、適口性等多方面都會得到很大程度改善，從而可提高飼料的飼用價值。

3 微生物發(fā)酵飼料在畜牧生產中的應用

3.1 在豬生產中的應用

微生物發(fā)酵飼料可應用于斷奶仔豬、母豬、育肥豬的各個階段，且在不同階段的應用效果也有所不同。由于斷奶仔豬本身分泌的消化酶含量不足且酶活性較低，而斷奶仔豬日糧中蛋白質含量較高，所以容易發(fā)生營養(yǎng)性腹瀉[38]，另外，斷奶應激造成仔豬的腸道菌群失調和抗氧化能力降低也會導致仔豬發(fā)生腹瀉[39]，使仔豬生產效率大大降低。而微生物發(fā)酵飼料應用于斷奶仔豬日糧中可促進仔豬腸道健康、提高抗氧化能力，從而減少斷奶仔豬腹瀉，提高生長性能。此外，微生物發(fā)酵飼料應用于母豬日糧中可以提高母豬免疫力和繁殖性能，應用于育肥豬日糧中可以提高育肥豬的生長性能、降低飼料成本和提高豬肉品質等（見表2）。微生物發(fā)酵飼料在豬生產中等比例替代基礎日糧中某一原料或部分營養(yǎng)成分的范圍為4%～25%，若發(fā)酵非常規(guī)飼料作為豬的基礎日糧替代方案，則以6%左右的等比例替代效果最好。

表2 微生物發(fā)酵飼料在豬生產中的應用

3.2 在禽生產中的應用

微生物發(fā)酵飼料在禽生產中主要應用于肉雞、蛋雞、肉鴨和蛋鴨日糧中，其中在肉雞、肉鴨生產中應用，可以提高其生長性能、抗氧化能力和腸道健康，還可以改善肉品質；應用于蛋雞、蛋鴨生產中可以提高腸胃健康、蛋品質、機體免疫力和降低料蛋比等（見表3）。微生物發(fā)酵飼料在禽類日糧中等比例替代某一原料或部分營養(yǎng)成分的范圍為4%～10%左右，其中以6%左右的等比例替代效果最好。

表3 微生物發(fā)酵飼料在禽生產中的應用

3.3 在反芻動物中的應用

微生物發(fā)酵飼料在反芻動物生產中主要應用于肉牛、奶牛、肉羊和奶山羊日糧中[52]，其中在肉牛、肉羊生產中應用可以提高其生長性能、屠宰性能、肉品質、對于營養(yǎng)物質的消化率和提高瘤胃優(yōu)勢菌的相對豐度從而穩(wěn)定瘤胃內環(huán)境；在奶牛、奶山羊生產中應用可以提高其瘤胃發(fā)酵功能、泌乳性能和降低飼料成本等（見表4）。與單胃動物不同的是反芻動物日糧中粗飼料的比例較高，其他原料成分占總日糧比例相對較低，所以微生物發(fā)酵飼料等比例替代某一原料或部分營養(yǎng)成分的范圍為10%～100%，但具體替代量要根據(jù)所替代發(fā)酵飼料原料的種類進行調整。

表4 微生物發(fā)酵飼料在反芻動物中的應用

3.4 在水產動物中的應用

在水產動物日糧中因魚粉相較于其他飼料原料具有蛋白質含量高、易消化吸收等特點，所以使用比例較大，而微生物發(fā)酵飼料具有營養(yǎng)豐富、抗營養(yǎng)因子含量低、抗氧化成分含量高等特點，且價格相比魚粉有較大優(yōu)勢，常用于一定比例替代魚粉[58]。微生物發(fā)酵飼料替代魚粉可以提高魚蝦的生長性能、消化功能、抗氧化能力和改善腸道健康，并且可以降低飼料成本（見表5），且在水產動物日糧中等比例替代魚粉的范圍在25%～50%。

表5 微生物發(fā)酵飼料在水產動物中的應用

4 小結

常規(guī)和非常規(guī)飼料經微生物發(fā)酵后，可降低原料中的抗營養(yǎng)因子、有毒有害物質含量，提高飼料中抗氧化物質的含量并改善飼料的適口性。同時，微生物發(fā)酵飼料可改善動物的生長性能、調節(jié)腸道菌群平衡、提高動物免疫力和改善肉品質等。但在生產實踐中，微生物發(fā)酵飼料技術仍然存在很多局限性（如發(fā)酵菌種穩(wěn)定性不足）；菌種代謝產物的成分和作用機制尚不清楚；不同飼料原料與菌種之間以及不同菌種之間的組合作用研究尚淺；部分發(fā)酵工廠生產的工藝水平和設備相對落后等。未來微生物發(fā)酵飼料要充分利用生物工程技術，篩選出耐受能力強、表達量高的優(yōu)良菌種；加大對于菌種作用機制的研究；不斷優(yōu)化發(fā)酵工藝提高發(fā)酵產品質量，從而節(jié)約飼料資源、降低飼養(yǎng)成本、減少環(huán)境污染，促進畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展。