微生物与酶制剂在秸秆发酵饲料生产中的应用

赵 萍，夏文旭，赵 瑛，王 聪，芮文君，邱 悦，王 雅，舒宗美，庄 岩，宋 佳

（1.兰州理工大学 生命科学与工程学院，甘肃 兰州 730050；2.甘肃省农业科学院 生物技术研究所，甘肃 兰州 730070）

人们一直探索如何解决动物生产产量偏低这一难题，直至20世纪50年代，人们发现在动物饲料中添加抗生素（antibiotics）可以显著提高动物的生产率，这一发现对推进畜牧业的集约化发展做出了巨大贡献[1]。近年来，饲喂含有抗生素饲料的危害受到社会各界的日益关注。2004年，世界贸易组织（world trade organization，WTO）、联合国粮农组织（food and agriculture organization，FAO）和世界动物卫生组织（world organisation for animal health，OIE）联合召开非人用抗生素使用问题的专题讨论会。自2006年1月起，欧盟已全面禁止在畜禽饲料中添加抗生素，我国也在逐渐减少抗生素的使用，人们开始寻求其他方法来保证畜牧业生产的效率与效益[1]。

我国畜牧业受耕地资源的制约，其发展使人畜共粮的矛盾日益突出，因此研究与开发新型饲料资源已成为畜牧业能否可持续发展的关键，其中利用微生物与酶制剂发酵饲料这一途径日益受到重视[2]。21世纪，我国粮食问题本质上就是解决畜牧业饲料资源的短缺问题[3]，而发酵饲料不仅能够提高原料中的淀粉、蛋白质等成分的消化利用率，改善适口性，提高营养价值，调节动物肠道的微生态平衡，减少抗生素的添加，提高畜产品的食品安全性[4]，还能降解非常规原料中的抗营养因子和有害成分，改善动物的机体健康，扩大饲料原料的适用范围[5]。发酵饲料不但具有质量好、安全性高和效果稳定的特点，而且具有原料来源广泛和生产成本较低的优势引起世界饲料行业的重视，并已开始产业化生产[6]。因此，开发新型饲料资源，对推动畜牧养殖业的可持续发展具有重要的意义。

1 发酵饲料的概况

1.1 发酵饲料

发酵饲料是指在人工控制条件下，微生物通过自身代谢活动或者添加酶制剂将植物性、动物性和矿物性饲料原料中的抗营养因子分解转化为易被牲畜消化、吸收且无毒害的饲料[7-8]。经过微生物与酶制剂发酵处理的饲料，品质得到提高，对动物不仅无毒害、易吸收，同时能起到促生长、维持体内微生态的平衡、增强免疫力和防病治病的作用[9]。

1.2 发酵饲料生产中的有益微生物

近年来，微生物和酶制剂在畜牧养殖业中得到广泛应用，用于发酵饲料生产的微生物主要包括细菌、酵母菌及部分单细胞藻类等。美国已批准40多种微生物添加剂的生产，1999年我国农业部公布了12种饲料级微生物添加剂的微生物菌种名单[10]。2013年农业部再次发布《饲料添加剂品种目录（2013）》（公告第2045号），允许可用于饲料生产的微生物增加到了34种，包括芽孢杆菌属（Bacillussp.）6种（地衣芽孢杆菌B.licheniformis、枯草芽孢杆菌B.subtilis、迟缓芽孢杆菌B.lentus、侧孢短芽孢杆菌Brevibacillus laterosporu、短小芽孢杆菌B.pumilus、凝结芽孢杆菌B.coagulans），双歧杆菌属（Bifidobacteriumsp.）6种（长双歧杆菌B.longum、短双歧杆菌B.breve、动物双歧杆菌B.animalis、婴儿双歧杆菌B.infantis、青春双歧杆菌B.adolescentis、两歧双歧杆菌B.bifidum），乳杆菌属（Lactobacillussp.）10种（罗伊氏乳杆菌L.reuterii、嗜酸乳杆菌L.acidophilu、干酪乳杆菌L.casei、乳酸乳杆菌L.delbruckii、植物乳杆菌L.plantarum、纤维二糖乳杆菌L.cellobisus、发酵乳杆菌L.fermentium、保加利亚乳杆菌L.bulgaricus、布氏乳杆菌L.buchneri、副干酪乳杆菌L.paracasei），肠球菌属（Enterococcussp.）2种（粪肠球菌E.faecalis、屎肠球菌E.faecium），片球菌属（Pediococcussp.）2种（乳酸片球菌P.acidilactici、戊糖片球菌P.pentosaceus），酵母属（Saccharomycessp.）1种（酿酒酵母S.cerevisiae），假丝酵母属（Candidasp.）1种（产朊假丝酵母C.utilis），红假单胞菌属（Rhodopseudomonassp.）1种（沼泽红假单胞菌R.palustris），丙酸杆菌属（Propionibacteriumsp.）1种（产丙酸丙酸杆菌P.acidipropionici），链球菌属（Streptococcussp.）2种（乳酸肠球菌S.faecalis、嗜热链球菌S.thermophilus），曲霉属（Aspergillussp.）2种（黑曲霉A.niger、米曲霉A.oryzae），其中芽孢杆菌科梭菌属（Clostridiumsp.）的丁酸梭菌（C.butyricum）为监测期内的新饲料添加剂[11]。目前，市场上用于饲料发酵的益生菌主要包括乳酸菌（lactic acid bacteria，LAB）、芽孢杆菌（Bacillus）、链球菌（Streptococcus）和霉菌（mold）等。

1.2.1 乳酸菌

乳酸菌作为微生物饲料添加剂中研究报道得最多的一类微生物，是可以转化碳水化合物产生乳酸的一类细菌的总称。乳酸菌（LAB）在肠道内通过代谢可产生多种抑菌物质，如细菌素（bacteriocin）、类细菌素（bacteriocin-like）、有机酸（organic acid）和过氧化氢（H2O2）等。乳酸菌产生的细菌素对许多革兰氏阳性菌（G+）具有抑制作用[12]，产生的H2O2能够抑制革兰氏阴性（G-）病原菌的生长。

1.2.2 芽孢杆菌

芽孢杆菌作为零星存在于动物肠道微生物菌群中的一类好氧性生长菌，具有抗逆性强、耐高温、耐高压、易贮存，且能够维持厌氧环境等特性，促进乳酸菌（LAB）、双歧杆菌（Bifidobacteriumsp.）等厌氧益生菌的生长，抑制需氧致病菌的生长，维持肠道菌群平衡。目前主要应用在饲料添加剂生产中，且作为发酵饲料生产的芽孢杆菌属中的微生物包括枯草芽孢杆菌（B.subtilis）和地衣芽孢杆菌（B.licheniformis）等[13]。蜡状芽孢杆菌（B.cereus）在饲料生产中应用研究有相关报道[13-14]，但在《饲料添加剂品种目录（2013）》中未列出，而据报道B.cereus能产生一种呕吐毒素和多种肠毒素（enterotoxin），主要引发呕吐和腹泻型食物中毒[15]，因此其在饲料中应用的安全性有待考证。

1.2.3 链球菌

链球菌主要包括乳酸肠球菌（S.faecalis）和屎肠球菌（S.lactis），可产生多种抗菌物质和H2O2而起到抑制病原菌、消除代谢过程中的有毒、有害物质，从而起到整肠的效果[16]。

1.2.4 霉菌

常用的霉菌有曲霉属（Aspergillussp.）的黑曲霉（A.niger）和米曲霉（A.oryzae）等[17]，主要用于分解饲料原料中一些动物难以消化的的纤维素、半纤维素、木质素和淀粉等大分子物质。根霉属（Rhizopussp.）霉菌在《饲料添加剂品种目录（2013）》中未列出，但实际生产中根霉属（Rhizopussp.）的黑根霉（R.nigrican）和米根霉（R.oryzae）广泛应用于食品加工和饲料生产。

1.3 发酵饲料生产中的有益酶制剂

我国对饲料酶制剂的应用有严格的规定，1999年，我国农业部公布允许使用饲料级酶制剂12类[10]；2013年，农业部发布《饲料添加剂品种目录（2013）》可用于饲料生产的酶制剂归并增加为13类，包括淀粉酶（amylase）、α-半乳糖苷酶（α-galactosidase）、纤维素酶（cellulase）、β-葡聚糖酶（β-glucanase）、葡萄糖氧化酶（glucose oxidase）、脂肪酶（lipase）、麦芽糖酶（maltase）、β-甘露聚糖酶（β-mannanase）、果胶酶（pectinase）、植酸酶（phytase）、蛋白酶（protease）、角蛋白酶（keratinase）和木聚糖酶（xylanase）。溶菌酶（lysozyme）和黄曲霉毒素B1分解酶（aflatoxin B1decomposition enzyme）为监测期内的新饲料添加剂[11]。

2 微生物与酶制剂在发酵饲料中的应用

2.1 微生物类饲料

微生物饲料就是对微生物在自身生长繁殖和新陈代谢过程中利用原料产生的对动物有用的菌体、酶、维生素和抗菌素等代谢产物，并进一步加工和调制的饲料。根据其来源和性质大致可分为4类：

东湖开发区紧邻中心城区，依山傍水。区内地势北高南低，湖泊密布，山峦起伏，再加上外围风景区、森林公园等绿化和水面多达200km2。由于武汉市已经进入2015年“海绵城市”建设试点城市，东湖开发区作为武汉市未来建设的重点区域，应积极响应住建部的号召，开展“海绵城市”的建设工作。

（1）固态发酵饲料

微生物在固体状态下发酵，使原料原有的理化性能发生改变，如将秸秆、秕壳等残渣转变为发酵饲料，或将有毒的饼粕脱毒、解毒为无毒、低毒的优质饲料等，这样不仅能够提高动物对饲料的消化吸收率，还能延长饲料的贮存期限。这一类型的饲料主要包括：微贮饲料、发酵粗饲料、担子菌发酵饲料、下脚料发酵饲料、饼粕脱毒饲料、发酵菌体饲料（如酵母饲料等），固态发酵酶制剂、微生态制剂等[2]。

（2）菌体蛋白饲料

微生物在液态培养基质中大量繁殖生长出的菌体单细胞蛋白（single cell protein，SCP），如酵母、菌体培养液、食用菌菌丝、藻类等[5]。

（3）代谢产物饲料

利用生物技术积累微生物发酵过程中的有益代谢产物或特殊代谢物质，如氨基酸、酶、抗生素、维生素等[6]。

（4）活菌制剂饲料

生产可直接用来饲喂的微生物，又叫微生态制剂、益生素等[3]。

2.2 酶制剂类

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），能够辅助动物消化，降解淀粉和蛋白质，使之成为易被消化吸收的小分子物质。

非消化性酶主要包括木聚糖酶（xylanase）、果胶酶（pectinase）、甘露聚糖酶（mannanase）、β-葡聚糖酶（β-glucanase）、纤维素酶（cellulase）等非淀粉多糖酶和植酸酶（phytase）[19]，添加外来酶系的手段促进动物特别是单胃动物对这类大分子营养物质的消化。植酸酶具有解除植酸抗营养作用的能力，在肉食仔鸡、产蛋鸭、鹅和猪的饲料中补充植酸酶，具有良好的增值效果[20]。

3 微生物与酶制剂发酵饲料存在的问题

微生物与酶制剂作为饲料添加剂的价值已被众多的饲料生产和养殖企业认可，但与抗生素（antibiotics）的生产和应用相比仍存在许多局限性[21]。

3.1 发酵饲料的菌种保存问题

微生物和酶制剂在培养、分离、纯化、干燥、分装、保存等工艺中，由于高温、机械、制粒工序都有可能导致其活力的下降。因此，选择一种经济、高效地制备菌种的方法对于推广发酵饲料使用有着重要意义。

3.2 发酵饲料的产品标准问题

微生物和酶制剂在发酵代谢中会产生各种代谢产物，由于缺乏对其有效成分的研究，导致发酵饲料品质难以统一。因此，建立健全的行业检测标准和方法显得十分必要。

3.3 发酵饲料的效果稳定问题

由于各种发酵饲料的菌种和酶制剂组合、筛选、培育的方法不同以及动物种类和生产水平、饲喂条件等因素的差异，导致发酵饲料的实际应用效果差异较大，难以保持稳定的效果。因此，筛选出适宜的微生物与酶制剂，进一步研究发酵饲料中的有效成分，深入探索其适用的动物种类及剂量十分必要[22]。

3.4 发酵饲料的安全问题

微生物区系平衡被打破后，益生菌在特定情况下有可能会转变为病原菌[23]，如乳酸杆菌引起的临床感染[24]；耐药菌携带并转移抗生素抗性基因，在宿主体内产生抗性因子，如MORELLI L等[25]在不同属种的乳酸杆菌中发现了肠球菌的pAMβ1质粒。因此，发酵饲料的使用应充分考虑到动物、消费者以及环境等安全方面的问题，必须经严格的科学试验证明其无害后才能推广应用。

3.5 发酵饲料的监督检验问题

我国关于微生物饲料添加剂的标准有国标GB/T 23181—2008《微生物饲料添加剂通用要求》[26]、农业部标准NY/T 1444—2007《微生物饲料添加剂技术通则》[27]，在一定程度上规范了微生物发酵饲料的生产，但发酵饲料的生产目前仍缺乏健全的监督体制，这也是制约微生物添加剂发展的重要因素[28]。

3.6 发酵饲料的生产问题

我国大多数发酵饲料厂是小型饲料厂，基础条件差，发酵设备和专业人员有限，对微生物、酶制剂和发酵工艺了解甚少，饲料厂缺乏相应的生产设施和生产管理监督检验制度，是得产品存在一定的安全隐患[29]。因此，培育大量的专业人员和增加相应的生产设施在保障发酵饲料的安全生产中起着重要作用。

3.7 发酵饲料的使用问题

发酵饲料在这几年已经被大多数企业所认可，正在朝着好的方向发展，但养殖场人员对于发酵饲料的用法还比较模糊，还需更多的宣传工作[30]。因此，如何正确的将微生物及酶制剂发酵饲料引入到养殖场内，让养殖户能够正确、有效的使用是比较关键的事情。

4 微生物与酶制剂发酵饲料展望

微生物和酶制剂种类众多，资源丰富且开发潜力巨大。为了生产质优价廉的发酵饲料，需要规模较大、自动化程度较高的固体发酵设备，提高微生物与酶制剂发酵饲料产品质量、降低生产成本，同时还需要各研究人员不断发掘新的微生物饲料菌株或改良现有菌种，特别是能大量分泌纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶等酶类的优良菌种[31]。

能将饲料原料中的抗营养因子分解成为更能被动物消化吸收的菌种比比皆是，但我国允许使用的微生物尚不能满足发酵饲料的发展需求，这就需要研究人员不断地开展发酵饲料中的微生物和酶制剂的选育工作，获得性能优良且无毒害作用的菌株和酶制剂，从而提高发酵饲料的产品质量，降低生产成本。

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