发酵饲料资源开发及应用技术研究进展

2019-01-10王永伟李爱科王薇薇刘宽博

中国饲料 2019年11期

王永伟，宋丹，李爱科，王薇薇，周航，王丽，刘宽博

（国家粮食和物资储备局科学研究院，北京100037）

生物饲料是指使用《饲料原料目录（2013）》和《饲料添加剂品种目录（2013）》等国家相关法规允许使用的饲料原料和添加剂，通过发酵工程、酶工程、蛋白质工程和基因工程等生物工程技术开发的饲料产品总称，包括发酵饲料、酶解饲料、菌酶协同发酵饲料和生物饲料添加剂等。其中，微生物饲料具有诸多优势。大力发展微生物发酵饲料产业可以扩大饲料范围，实现饲料定向转化，提高饲料利用率，减少饲用抗生素等添加剂的使用。目前，欧美等国家和地区微生物发酵饲料的使用比例大于50%；荷兰、芬兰规模化猪场应用生物饲料饲喂达到60%；丹麦生物饲料养猪的比例达到80%（陈来华，2015）。当前，我国在生物饲料企业规模、种类、发酵技术和饲料中的应用上与国际领先水平仍有一定的差距。

1 发酵饲料生产工艺和生产设备研究

1.1 发酵饲料的生产工艺按照微生物发酵采用的培养基状态，微生物发酵可以分为固态发酵和液态发酵。固态发酵是指在没有或几乎没有自由水存在的条件下，在有一定湿度的水不溶性固态基质中，用一种或多种微生物发酵的一个生物反应过程。固态发酵过程中受物料碳氮比、营养成分、含水量、pH和发酵温度等多种因素的影响，因此，发酵参数应根据菌种、工艺及发酵目标而确定（祝玉洪等，2013）。按照微生物对氧的需求固态发酵方式可以分为好氧发酵、厌氧发酵、两段式发酵三种。其中好氧发酵的发酵速度快、周期短、物料转化率高，但耗损高；厌氧发酵香味浓厚、呼吸耗损小，但发酵周期长。固态厌氧发酵有较好的仿生效果，可以利用呼吸膜发酵袋控制发酵气压，实现厌氧发酵和产品长期保存，适合在广大养殖场推广。此外，也有研究有效地结合了好氧和厌氧两种发酵工艺的优点，采用先好氧后厌氧的两段式发酵方式（熊锋等，2016）。杨文宇等（2017）研究了混合菌种两步发酵法对豆粕肽转化及品质的影响，以枯草芽孢杆菌和黑曲霉好氧发酵作为前发酵，再以酿酒酵母及保加利亚乳酸杆菌厌氧发酵作为后发酵对豆粕进行两步发酵。结果表明，第一步发酵中肽的转化率为 52.01%，第二步发酵中肽的转化率为65.08%，且两步发酵优于一步发酵。张代等（2017）对7个不同厂家发酵豆粕产品的理化指标进行了对比分析，结果表明，7个厂家发酵豆粕产品粗蛋白质含量为49.05%～50.94%，小肽含量为12.53%～17.18%，KOH蛋白质溶解度含量为66.02%～90.70%，总酸含量为3.1%以上，L-乳酸含量为2.5%～3.70%，而抗原蛋白与寡糖去除情况和氨基酸组成差异较大。这说明不同厂家所采用的生产工艺与发酵菌种不同，发酵豆粕产品理化指标差异较大。

1.2 发酵饲料的生产设备固态发酵饲料是目前研究的热点，并且研究层次也在不断升高，由最初对发酵条件的优化，到现在对品质的追求，推动了发酵饲料向更高层次的发展。由于固态发酵不能像液态发酵一样实现对发酵过程的严格控制，因此发酵过程中产生的一些变化不能人为消除，只能通过发酵参数调节加以控制。比如豆粕在发酵过程中发黏问题。豆粕发黏是发酵过程中豆粕在水和微生物的共同作用下其理化性质发生变化后的必然表现，发酵豆粕的黏度超过临界值后，会使得颜色加深，结块，并且有氨臭味。然而品质优良的发酵豆粕在外观上要求颜色棕黄，松散不结块，气味酸香无氨臭，因此，发酵豆粕过黏也是对品质的一种损坏。李世豪等（2015）通过质构仪研究了发酵过程中发黏的成因及对粉碎的影响。结果表明，发黏的主要原因是小分子蛋白质和小肽的增多，并且随着发酵时间增长黏度在不断增大。黏度对豆粕的易粉程度不是线性的，在发酵72 h前有利于豆粕的粉碎加工，而72 h后的样品不利于粉碎加工。

要想实现发酵饲料的产业化发展，大型发酵饲料成套装备的开发显得尤为重要。现在固态发酵和干燥设备不同程度地存在自动化程度低、能耗高、产品变性的问题，尤其在黏性发酵饲料的自动转运、生产效率高且能保持发酵饲料的活性上，仍存在较大困难。针对以上问题，可通过优化发酵塔的通风系统，研制黏性发酵饲料的粉碎干燥装备，从而实现在线粉碎、分离与干燥，生产效率高且能保持发酵饲料的活性。

2 发酵饲料资源的开发与应用

2.1 发酵饼粕饲料资源我国饼粕类资源十分丰富，主要有大豆饼粕、菜籽饼粕、棉籽饼粕、花生粕、芝麻饼粕、油茶饼粕、葵花籽饼粕、亚麻籽饼粕等。这些饼粕原料都富含植物蛋白，但是抗营养因子含量高，蛋白质和氨基酸消化利用率低，导致杂粕在饲料中的添加量很低（一般低于8%）。采用微生物发酵技术能有效去除饼粕中的抗营养因子，产生丰富的功能活性物质，提高饼粕的饲用价值。

2.1.1 发酵豆粕

2.1.1.1 生产工艺研究发酵豆粕是目前研究最多也最为深入的一种生物饲料。微生物发酵可以显著降低豆粕中的抗营养因子，并且相对于豆粕其常规营养成分也发生了多种有益变化（Ding等，2015）。袁正武等（2015）研究表明，枯草芽孢杆菌、酿酒酵母菌、乳酸菌的添加比例分别为3‰、2‰、1‰，蛋白酶添加量为2‰，菌种活化时间为0.5 h，发酵的初始水分为38%，温度为30～42℃时，发酵豆粕的理化指标最优，其中小肽含量可达20%以上，乳酸含量可达3.5%以上，并且质量稳定。张艳萍等（2017）选用粪肠球菌、产朊假丝酵母及枯草芽孢杆菌3种菌株对豆粕进行发酵，结果发现发酵饲料微生物活性越高，干物质回收率越低；粪肠球菌发酵活性最高，为32.4亿cfu/g，产朊假丝酵母活性最低，仅为5.8亿cfu/g；干物质回收率以产朊假丝酵母最高，为94.50%，粪肠球菌最低，为90.02%。酸度的上升幅度以粪肠球菌最大，为1.28%；粗蛋白质提高幅度以产朊假丝酵母最高，为3.95%；枯草芽孢杆菌则以小肽和总氨基酸含量变化最大，分别提高4.35%和12.57%。史玉宁等（2017）采用米曲霉、酿酒酵母混合发酵豆粕，分别研究不同水分、不同菌种接种量对发酵豆粕营养指标的影响。结果表明，在水分45%，米曲霉、酿酒酵母接种量分别为0.5%、4%，同时添加0.1%酶制剂的条件下，发酵豆粕的粗蛋白质含量提高了21.27%、酸溶蛋白含量提高了695.97%。付亭亭等（2014）研究了不同菌种对豆粕中水苏糖、棉子糖的发酵降解效果。结果表明，豆粕∶玉米粉∶麸皮以 9∶0.5∶0.5 的比例进行混合，按 15%的接种量，30℃下发酵48 h，可部分或者完全降解豆粕中的水苏糖和棉子糖。近年来，利用发酵的微生物分泌β-葡萄糖苷酶作用于大豆异黄酮糖苷，极大程度地提高了糖苷的转化效率，降低生产成本，实现了苷元异黄酮的直接生产（孙洁心等，2012）。周玲玲等（2017）研究了高活性大豆异黄酮发酵豆粕对断奶仔猪生长发育、抗氧化功能和肝功能的影响。结果表明，在断奶仔猪（尤其是断奶两周内）日粮中以高活性大豆异黄酮发酵豆粕替代普通豆粕有较好的饲喂效果，替代量为8%最佳。

2.1.1.2 在猪上的应用 Wang等（2014）采用嗜热链球菌、枯草芽孢杆菌和酿酒酵母对豆粕进行发酵制备发酵豆粕，并替代豆粕用于断奶猪的喂养，发现饲料配方中含有6%发酵豆粕可促进断奶猪的快速生长。Jin等（2015）研究表明，与豆粕和鱼粉相比，发酵豆粕可以提高断奶猪的氨基酸和其他营养物质表观消化率，有利于猪的生长和发育。熊莹等（2016）在仔猪基础饲粮中分别添加5%、10%和15%的发酵豆粕及10%的风干发酵豆粕，结果显示，发酵豆粕能有效改善保育猪生长性能，提升仔猪免疫力，降低腹泻率，添加水平以10%为宜。陈玉龙等（2016）给对照组饲喂18%普通豆粕饲粮，试验组以5%、10%、15%、24%的发酵豆粕替代饲粮中普通豆粕，结果显示，与对照组相比，试验组对保育猪料重比、腹泻率影响显著（P＜0.05），对保育猪血清中尿素氮和血糖含量有显著影响，对血清中谷丙转氨酶和天门冬氨酸转移酶有极显著影响（P＜0.01）。林靖等（2016）研究指出，5%发酵豆粕能显著提高肥育猪生长性能，促进蛋白质的沉积和养分的吸收利用，减少氮的排出；但10%、15%发酵豆粕替代豆粕对提高肥育猪生长性能和降低粪便中养分排出无显著影响。目前，国内外关于发酵豆粕在母猪饲粮中的应用与报道较少。辛小召（2014）报道，添加10%～15%的发酵豆粕能显著提高断奶仔猪重和成活率，缩短母猪断奶至发情间隔，降低哺乳期间仔猪的腹泻率，提高母猪采食量，促进母猪机体对粗蛋白质、粗脂肪、钙、磷等营养物质的消化吸收；母猪饲粮中添加发酵豆粕改善了母猪乳汁成分，增加了乳蛋白、乳糖、乳脂肪的含量，母猪血清中总胆固醇、尿素氮和谷草转氨酶水平均显著降低。

2.1.1.3 在家禽上的应用阿布都如苏力·艾尔肯等（2014）研究了嗜酸乳杆菌发酵豆粕对肉仔鸡生长性能和屠宰性能的影响，结果表明，在肉鸡生长全期，抗生素组和发酵豆粕组较对照组料重比分别下降了6.85%和4.44%（P＜0.01），发酵豆粕组料重比较抗生素组显著提高了2.60%（P＜0.05）。与对照组和抗生素组相比，发酵豆粕组的胸肌率分别提高了3.93%（P＞0.05）和5.73%（P＜0.05）；腿肌率分别提高了8.76%和10.45%（P＜0.01）；腹脂率分别下降了16.54%和25.45%（P＜0.01）。说明发酵豆粕饲料要优于普通豆粕饲料，并可发挥代替饲用抗生素的作用。

2.1.2 发酵菜籽粕 Hu等（2016）利用枯草芽孢杆菌、产朊假丝酵母和粪肠球菌进行菜籽粕的固态发酵，有效降低了菜籽粕中粗纤维、硫苷、异硫氰酸酯和植酸水平，肉鸡试验结果表明，发酵菜籽粕可以显著增强肉鸡血清超氧化物歧化酶活性和总抗氧化能力，改善肉鸡肠道形态的完整性。邱良伟等（2015）研究了植物乳杆菌和黑曲霉复合微生物固态发酵对菜籽粕脱毒效果及营养价值的影响。结果表明，复合微生物固态发酵可显著降低菜籽粕中的抗营养因子含量，混菌发酵效果优于单菌种发酵。发酵后菜籽粕中粗蛋白质含量提高了6.57%，小肽含量提高了88.76%，粗纤维含量降低11.31%；抗营养因子异硫氰酸酯含量降低了64.00%，噁唑烷硫酮含量降低了81.82%，硫苷含量降低了75.16%，总氨基酸含量提高了11.59%。蒋边等（2015）以两种细菌（枯草芽孢杆菌W1-3、枯草芽孢杆菌10160）和三种真菌（毕赤酵母、酿酒酵母和黑曲霉）为出发菌种，进行单菌、混菌固态发酵研究。结果表明，由枯草芽孢杆菌W1-3发酵所得的菜籽粕中多肽、粗蛋白质、氨基酸含量分别增加453.47%、10.39%、17.76%，硫苷和植酸两种抗营养物质含量分别降低62.14%和31.58%。

2.1.3 发酵棉籽粕棉籽粕中的抗营养因子限制了其在畜禽饲粮中的大量使用，王晓玲等（2016）通过醋酸棉酚与菌株共培养的方法，筛选获得了一株在液体培养条件下棉酚脱除率达90%以上的枯草芽孢杆菌（ST-141）。利用该菌株与酿酒酵母对棉籽粕进行混菌固态发酵，30℃发酵48 h后棉籽粕中游离棉酚脱除率达48.5%，同时粗蛋白质含量增加19%，氨基酸总量上升22.2%，必需氨基酸含量增加28.4%。Wang等（2017）开展了发酵棉籽粕在肉鸡上的应用效果研究，结果表明，0～21日龄时，8%发酵棉籽粕组平均体重较8%棉籽粕组提高3.98%，平均体重较玉米-豆粕组提高0.83%。日粮中添加8%的发酵棉籽粕可显著提高血清免疫水平和抗氧化水平，并且可提高盲肠乳酸菌数量。聂存喜等（2015）研究了酵母菌发酵棉籽粕对黄羽肉鸡肌肉主要脂肪酸组成的影响，结果表明，日粮中添加发酵棉籽粕可显著增加21～42日龄黄羽肉鸡胸肌率和43～64日龄腿肌中亚油酸含量，对21～42日龄腿肌脂肪酸组成无显著影响。魏尊（2017）研究了不同添加量的嗜酸乳杆菌发酵棉籽粕对蛋鸡生产性能、蛋品质及血液生化指标的影响。结果表明，蛋鸡日粮中用发酵棉粕代替豆粕，在不影响蛋品质的情况下，以添加10%的效果最佳。刘长忠等（2015）研究表明，与豆粕组相比，发酵棉仁粕组生长鹅腹泻率显著降低，十二指肠内容物和胰脏组织的胰蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶的活性显著提高，指出发酵棉仁粕替代玉米-豆粕型基础日粮30%的豆粕能提高生长鹅生长性能和消化酶活性。

2.2 发酵玉米小麦加工副产物我国每年有数千万吨玉米被用于制取淀粉和乙醇，在玉米深加工过程中会产生大量的玉米粉、玉米皮和玉米胚芽饼粕等副产品（林谦等，2013）。如果仅对大量副产物进行简单的利用，不仅是对资源的浪费，而且还会对环境造成污染。利用微生物对玉米加工副产物进行生物发酵，能改善玉米加工副产物的适口性和营养价值。

李加友等（2016）利用单因素比较法确定了产朊假丝酵母JXU2066在饲料发酵过程中的脱毒控制方法。结果表明，在被黄曲霉毒素污染的玉米中添加适量的麸皮和尿素，以固体基质含量8%的比例接入菌龄为72 h的产朊假丝酵母JXU2066，30 d后的发酵饲料中黄曲霉毒素含量由230 μg/kg 降为 8.7 μg/kg，粗蛋白质含量为15.6%，发酵饲料色泽金黄，气味芳香。王伟伟等（2014）对酵母菌CGMCC2.119发酵玉米加工副产物的发酵条件进行优化研究，得出最优发酵条件：发酵时间60 h、接种量7.93%和初始pH为7.42，其发酵产物中酵母菌数达1.90亿个/g。典姣姣等（2016）利用黑曲霉、枯草芽孢杆菌、酵母菌和乳酸菌混合发酵喷浆玉米皮生产蛋白质饲料，通过响应面分析得到适宜发酵条件为初始水分含量75%（质量/质量）、接种量 15%（体积/质量）、发酵温度32℃、pH 6.0和发酵时间72 h。在此条件下，产物中粗蛋白质含量为23.79%（干物质基础，质量/质量），提高了 8.29%。魏炳栋等（2017）研究了发酵玉米蛋白粉对肉仔鸡生长性能、肠道微生物数量和抗氧化能力的影响，结果表明，与对照组相比，饲粮添加5%和10%的发酵玉米蛋白粉能够显著提高肉仔鸡的平均日采食量和平均日增重（P＜0.05），能够极显著增加28和56日龄肉仔鸡盲肠乳酸杆菌的数量（P＜0.01），能够极显著提高血清抗超氧阴离子自由基和抑制羟自由基能力（P＜0.01），并极显著降低28日龄血清丙二醛含量（P＜0.01）。由此可见，饲粮中添加发酵玉米蛋白粉能够有效促进肉仔鸡生长，优化肠道菌群结构，提高抗氧化能力。李爱科等（2015）利用小麦淀粉加工副产物戊聚糖浆、麦麸等经黑曲霉发酵，开发了富含功能性低聚木糖的饲料和添加剂产品，能使液态戊聚糖浆中含量1.6%的难消化戊聚糖转化成含量2.02 g/L的功能性低聚木糖。

2.3 发酵非常规饲料资源非常规饲料原料是指在配方中较少使用，或对其营养特性和饲用价值了解较少的饲料原料，是区别于常用的粮食、谷物等常规饲料的资源。根据饲料的营养特性，我国的非常规饲料可分为7大类：农作物秸秆和秕壳、糟渣和废液类饲料、林业副产物、非常规植物饼粕类、动物性下脚料、粪便再生饲料资源及矿物质饲料。但是，这些非常规饲料营养成分不平衡，适口性差，必需经过处理才能使用或限量使用。

朱新强等（2016）开展了固态发酵豆渣、葡萄渣和苹果渣复合蛋白饲料的研究，发酵饲料pH为6.2，粗蛋白质、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维含量分别为11.25%、28.43%和24.68%，饲用价值显著提升。罗文等（2017）开展了固态发酵豆渣和苹果渣复合蛋白饲料的研究，结果表明酿酒酵母、黑曲霉和里氏木霉的配比为3∶2∶4，在接种量1%、培养48 h、基质含水量70%、发酵温度30℃时，发酵产物中粗蛋白质含量从15.87%提高到19.38%。许翔等（2017）研究表明，饲粮中添加5%和10%发酵小麦制酒精沼渣能提高生长肥育猪的平均日增重和平均日采食量，并可提高部分鲜味氨基酸的含量，进而改善肉的风味。程方等（2015）研究了8株菌种对发酵马铃薯渣饲料中粗蛋白质、粗纤维含量及蛋白酶活、纤维素酶活的影响。结果表明，黑曲霉Z9和啤酒酵母PJ组合为最佳菌种配伍，且当菌种比例为1∶1时，粗蛋白质含量为41.72%，蛋白酶活性为1344.93 U/g，纤维素酶活性为120.87 U/g，分别比对照组提高了78.69%、296.74%和1473.77%；粗纤维含量为8.47%，比对照组降低了31.96%。魏立民等（2016）研究了复合酪酸芽孢杆菌对新鲜木薯渣发酵品质的影响，发酵底物由70%鲜湿木薯渣、10%米糠、18%麦麸、2%硫酸铵组成，分别接种 1、2、3 L/t菌种，充分混合均匀，然后装入发酵罐密封，发酵30 d。结果表明，复合酪酸芽孢杆菌可以提升木薯渣的发酵香味（P＜0.05），显著提高发酵木薯渣的粗蛋白质、粗脂肪和乳酸的含量（P＜0.05），显著降低pH、发酵木薯渣的干物质、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和钙含量（P＜0.05）。综合认为，复合酪酸芽孢杆菌以添加量3 L/t时，发酵木薯渣的粗蛋白质和粗脂肪含量最高。

此外，结合地方特有的非常规饲料资源，许多研究人员利用生物发酵技术开展构树、桑粉、甜叶菊废渣、香菇菌糟、灵芝菌糠、药食同源中草药渣等生物发酵饲料资源的营养价值评定以及在动物上的应用，这极大减少了资源浪费和环境污染。