微生物发酵饲料的技术调研及关键技术分析

2019-02-23宁艳春陈希海杜宝军屈海峰

饲料博览 2019年1期

宁艳春，陈希海，杜宝军，屈海峰，岳军，李平

（1.中国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.中国石油吉林石化公司物资采购公司，吉林吉林 132022；4.广东省农业科学院动物科学研究所，广州 510640）

发酵饲料是以有益微生物为发酵菌种，将饲料原料转化为微生物菌体蛋白、生物活性小肽类氨基酸、微生物活性益生菌为一体的生物发酵饲料。其优点在于通过微生物的发酵作用，降低抗营养因子，提高饲料的营养价值，使饲料原料的理化性状得到改善，从而提高动物的消化利用率和适口性[1]。微生物发酵饲料中的益生菌一般处于高活性水平，进入肠道后不存在复苏萌发过程，又含有丰富的益生代谢产物，使肠道调节和免疫保健功能体现得更充分，并且不需要大比例添加，对于缓解目前饲料原料价格高涨、人畜争粮局面具有重要意义。

1 国内外发酵饲料的现状

微生物发酵饲料是在人为控制条件下，应用酵母、霉菌或细菌对一种或多种常规或非常规饲料原料进行好氧或厌氧发酵，消除抗营养因子，提高营养物质的利用效率，同时富集大量活性益生菌和功能性初级/次级代谢产物，而获得的一种新型生物饲料。

目前，欧美国家和地区生物饲料的使用技术已经较为成熟，德国和法国使用液体生物饲料的比例达到15%以上，荷兰、芬兰、丹麦等国规模化猪场的生物饲料饲喂比例已经达到60%～80%。中国目前液体生物饲料的生产和饲喂技术尚不成熟，但是固体发酵饲料从早期的有益微生物群（EM）发酵饲料、饲用酵母、发酵粕类（豆粕、棉粕、菜粕等）等，到近年出现的发酵全价料、发酵浓缩料、饲料伴侣等产品形式，获得了饲料企业和养殖者的高度关注。

2 技术调研情况

2.1 中国农业大学（农业部饲料工业中心）技术调研

2.1.1 发酵饲料生产工艺

为了解决原料消毒和成品干燥等困难，课题组成功开发了呼吸膜技术[2]。该技术的核心在于开发出带有一个平衡膜的包装袋，平衡膜可以调节气压。原料接种后就可以直接装入包装袋中，封口后在常温条件下，进行储存发酵[1,3-6]。

微生物在发酵过程中，会产生二氧化碳等气体，使得包装袋内的气压大于外界常压，气压平衡膜可以解决发酵这个气体控制问题，当袋内气压达到某一临界值时，气体会通过这个平衡膜排到外界。另外，外界的气体始终没有机会进入包装袋，即杜绝了外界杂菌的进入，从而解决了染菌这一技术难题。该工艺既省略了消毒及干燥这两个高耗能环节，又减少了发酵过程中的翻拌及散热等烦琐操作。这种新型工艺，发酵过程不受环境温度影响，也不需要调节温度，发酵成熟所需时间与物料组成和环境温度相关，如果包装袋不破损，保质期可达3年。

2.1.2 发酵饲料菌种筛选

课题组研制出特定的微生物菌种组合，包括酿酒酵母、乳酸菌（以肠球菌为主）以及枯草芽孢杆菌MAl39等。MAl39能产生一种以脂肽类物质为主要成分的细菌素，该细菌素对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌以及沙门氏菌具有强烈的杀灭作用，但是对乳酸菌、酵母菌、以及肠球菌的生长代谢没有影响。该组合可以使乳酸菌迅速繁殖，占据数量优势，且综合了好氧菌和厌氧菌发酵的优点，原料不需要消毒，可以直接用于接种培养[4-5]。

2.1.3 技术成果

“高活菌无抗生素饲养用饲料呼吸膜固态发酵技术”大幅度降低了微生物发酵饲料的生产成本。与传统发酵技术相比，该技术成品不需要干燥，保质期长，适合在中国广大农村推广使用。可以以廉价的豆渣、玉米浆和果渣等高水分含量的农业或轻工副产物为原料，最大可以达到30%的使用比例。采用大比例添加高活菌含量的微生物发酵饲料，在未增加生猪饲养成本的条件下，实现了生猪（20 kg～出栏）无抗生素饲养，其猪肉品质经检验符合欧盟有关安全肉的相关要求[3-5]。

2.2 大北农集团饲用微生物工程国家重点实验室技术调研

饲用微生物工程国家重点实验室成立于2010年12月，是由中华人民共和国科学技术部批准，依托于北京大北农科技集团股份有限公司筹建的企业国家重点实验室，2013年9月通过科技部验收。实验室主要研究方向涵盖饲用微生物菌种资源创新、微生物发酵工艺与制剂工程、饲用微生物产品标准与技术规范、饲用微生物产品应用基础研究、微生物发酵新产品创制等多个领域。实验室搭建了微生物培养、细胞培养、分子生物学、蛋白质组学、免疫学及各类分析检测、发酵小试、中试及后处理工艺与制剂等多个现代化专业化实验检测平台。

乳酸菌（益生菌制剂）包埋技术：乳酸菌在应用过程中遇到的最大困难是不容易保存，一般情况下，烘干后就会导致没有活菌。乳酸菌包埋技术可以实现1 g中含乳酸菌107个，烘干后可以保留80%的活菌。包埋的关键技术在于包埋材质是否可以在肠道中释放，活菌的扩繁方面也不存在问题。包埋的菌剂都是液态发酵的出料。包埋的乳酸菌保质期可以达到6个月。

2.3 中国农业科学院饲料研究所技术调研

该研究室主要开展抗菌肽及抗生素替代品创新，饲用抗菌肽/蛋白研发；饲用益生菌研制；蛋白饲料原料的生物发酵处理等方面的研究。研究方向与成果：紧扣食物安全，应用生物技术研制功能饲料、食品、药品等新产品——抗菌蛋白、葡聚糖酶、菊粉酶基因工程菌，微生态制剂和新饲料蛋白产品。

3 发酵饲料研究的关键技术

开发发酵饲料，主要涉及发酵基质的选择、发酵菌种的选择以及发酵过程的控制3个方面的关键技术。

3.1 发酵基质的选择

发酵饲料在选择发酵基料时，既要考虑动物日常所需营养物质的种类及含量，如能量、氨基酸、维生素、微量元素等，又要考虑微生物生长所需的碳氮比、pH、水分、可发酵碳水化合物、渗透压等，同时还要在剂型上兼顾后期混合使用相关的颗粒度、流散性等因素。常见可发酵基料分析见附表。

附表常见可发酵基料分析

3.2 发酵菌种选择

生产菌种是发酵过程的核心。发酵饲料的生产菌种很多，主要有乳酸菌、芽孢菌、酵母菌和霉菌等4类。中国农业部2003年12月发布的第318号公告“饲料添加剂品种目录”中包括：地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、两歧双歧杆菌、粪肠球菌、屎肠球菌、乳酸肠球菌、嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、乳酸乳杆菌、植物乳杆菌、乳酸片球菌、戊糖片球菌、产朊假丝酵母、酿酒酵母、沼泽红假单胞菌等15种可直接饲喂动物、允许使用的饲料级微生物饲料添加剂菌种。在目前应用的主要菌种中，乳酸杆菌属和粪链球菌属为肠道正常存在的微生物，而芽孢杆菌属和酵母菌仅零星存在于肠道中。所有菌属中芽孢杆菌是最理想的微生物添加剂，具有较高的蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶活性，对植物性碳水化合物具有较强的降解能力[7-11]。

鉴于生产成本和菌种稳定性所限，传统饲料加工中能够广泛使用的只有枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、粪肠球菌、屎肠球菌、酿酒酵母等少数几种。益生功能更显著的乳酸杆菌和双歧杆菌，因其抗逆性和稳定性较差，并不能在生产实践中广泛应用。

然而，发酵饲料中的游离水和可溶性营养成分可使乳酸菌浓度提高2～3个数量级，并维持数月甚至1年以上。在发酵饲料中既可以选择芽孢杆菌和酵母菌，亦可使用抗逆性较差但益生功能更为显著的乳酸菌类发酵菌株。

不同菌种因各自性质不同，作用效果不一。如乳酸杆菌耐高温、耐高压的性能差，在粉料中使用效果较好，而在颗粒料中使用效果较差。芽孢杆菌能耐受较高温度、高压及酸性环境，在颗粒料中多应用以芽孢杆菌为主制成的微生态制剂，或选用经过特殊材料包被的其他菌剂。因此，发酵饲料完全解除了高活性乳酸杆菌和双歧杆菌的使用限制，在肠道健康调节、畜舍环境改善方面的效果也体现得更为显著，这也是发酵饲料获得认可并快速推广的主要原因。

3.3 发酵过程控制

发酵饲料通常是好氧或厌氧固态浅层发酵工艺，影响发酵过程的主要因素有碳氮比、含水量、温度、物料粒度等，其微生物的生长规律、代谢调节和控制非常重要。

3.3.1 碳氮比

最适碳氮比因微生物种类差异，在10～100的范围内变化，其中可发酵的碳源和氮源的质量比更为重要，更多情况下，氮源的种类决定了发酵过程。

3.3.2 含水量

含水量是决定发酵成功与否的关键因素。含水量过低，会造成物料膨胀程度降低、水张力增高、空气残留过多，从而导致前期好氧阶段过长，乳酸菌发酵阶段延后，发酵结束时间不易控制。含水量过高，会造成氧气扩散受限制，酵母等好氧菌的代谢产物积累不够，并且会导致物料黏性增加、流散性差，后期饲喂时不易混匀。

3.3.3 温度

发酵过程会产生大量的热，固体发酵的温度控制比液体发酵要困难得多，实际生产中一般通过降低发酵单元的体积和料层厚度控制料温。

3.3.4 物料粒度

固定相基质的有限扩散，导致发酵过程中物料交换不充分，因此物料的粒度决定了发酵程度的高低。微生物是附着在物料颗粒表面重叠地生长繁殖，直接和物料接触的细胞，与在此细胞上再生长的细胞会有所不同。从摄取营养的角度看，在外层生长的细胞是通过贴近细胞之间的孔隙来获得营养的，这也有利于某些微生物的自组织行为，分泌特殊的功能性次级代谢产物。

4 发酵饲料的研究开发思路

开发发酵饲料，应先确定原料中有哪些动物和有益菌可利用营养成分（粗蛋白质、粗纤维、粗脂肪等）。根据主要可以利用的成分，再考虑需要外加哪些基质，进一步分析和研究，最后确定产品定位。需要讨论和确定适宜的菌种，如何获得或筛选发酵菌种（菌种来源必须清楚和安全），发酵的菌种如何组合。在研发过程中还需要考虑如何降低微生物发酵饲料的生产成本，如何符合国家的相关要求和标准。在选择液态发酵还是固态发酵工艺时还需要考虑工程放大、设备和运行成本等问题。