中药渣固态发酵生产功能饲料的研究现状

袁明贵，向 蓉，彭新宇，余丹妮，舒柄垚，邓森荣，吴裕红，徐志宏*

（广东省农业科学院 动物卫生研究所 广东省畜禽疫病防治研究重点实验室 农业部兽用药物与诊断技术广东科学观测实验站广东省中兽药工程技术研究中心，广东 广州 510640）

对于中药渣固态发酵，按菌种不同可以分为单一菌种固态发酵和复合菌种固态发酵；按接种次数不同，可以分为单次接种固态发酵和多次接种固态发酵。该文重点对有关中药渣固态发酵生产饲料的发酵菌种、发酵工艺以及产品功效等方面内容进行综述，并对产业化发展缓慢的原因加以探讨，旨在为中药渣固态发酵生产功能性饲料的深入研究和产业化发展提供参考。

1 中药渣固态发酵菌种

菌种的选择或菌种组配对于固态发酵中药渣生产饲料至关重要，选择的菌种必须具有耐酸、耐高温、繁殖力强、生长速度快、抗污染能力强、纤维素降解能力强、蛋白质合成能力强等优良特性[2]。

中药渣的纤维素含量普遍较高[3]，降低纤维素含量和提高蛋白质含量是中药渣固态发酵的重要目标。霉菌是真菌门的亚门，有的霉菌会产生霉菌毒素，对人和动物危害较大，而有的霉菌是安全的。黑曲霉和米曲霉等可以产生纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果胶酶、植酸酶、葡萄糖氧化酶等大量的酶系，这些酶能够破坏植物细胞壁，降解粗纤维、植酸等难吸收的物质，消除抗营养因子，提高营养价值。芽孢杆菌生命力强，可以耐高温低温、强酸强碱、高氧低氧；繁殖快，能抑制有害菌的生长；代谢快，能产生丰富的代谢产物，如有机酸、生物活性物质，及其它多种容易被利用的养份。芽孢杆菌发酵时也产生大量的酶系。因此，黑曲霉等真菌[3-4]以及芽孢杆菌[5]可以作为单一菌种对中药渣进行固态发酵。

复合菌种的发酵效果普遍优于单一菌种[2，6]。主要因为单一菌种发酵时产生酶系单一，不能较好地降解纤维素等大分子物质；而且单一菌种发酵时，产物对菌种及其产生的酶具有反馈抑制作用。如果利用多菌种之间的互补和协同作用，可以更好地对中药渣进行固态复合发酵。酵母菌是一种典型的异养兼性厌氧单细胞真菌，适合在偏酸性潮湿的含糖环境中生长。由于酶解产物单糖或寡糖对纤维素酶具有反馈抑制作用，而酵母能够利用单糖或寡糖，将其发酵成酒精和二氧化碳，所以酵母是一种较好的组合发酵菌种之一。一般来说，将纤维素降解能力强的丝状真菌与发酵能力强的酵母菌进行组配[7-8]，或选择芽孢杆菌与酵母菌进行组配，联合进行中药渣的固态发酵[9-10]。

真菌是好氧菌，发酵时需要相对较低的温度，而乳杆菌以及丁酸梭菌等益生菌需要在较高含量的速效碳源和速效氮源，较高温度和较高含水量的条件下才能更好地生长，二者发酵条件差异较大，如果利用丝状真菌或芽孢杆菌第一阶段的发酵产物，作为乳杆菌、丁酸梭菌以及酵母菌等菌种二次发酵的基质，会取得更好的发酵效果[11-13]。

2 中药渣固态发酵工艺

2.1 含水量

中药渣固态发酵的基质含水量对发酵的结果和效率影响较大。基质的含水量影响着胞外酶的分泌和转移，影响氧的传递以及菌体生长。如果起始含水量太低，使菌种正常生长受到限制，同时由于发酵过程中的通风和生物热使基质含水量进一步降低，更不利于菌种生长；含水量过高，基质密度过大，透气性和传热性较差，也不利于菌种生长。总体上，细菌比真菌对基质要求更高的含水量，多数细菌在营养充分的液体中更容易生长[14]。在利用植物乳杆菌、酵母菌等细菌菌种进行复合发酵含有香菇、茯苓、银耳等组成的中药渣时，直接使用高湿的鲜药渣，此时的含水量高于80%[15-16]；而在利用黑曲霉对三七渣进行固态发酵时[4]，和利用中国拟青霉对黄芪渣进行固态发酵时[14]，含水量为60%，在利用黑曲霉和产朊假丝酵母发酵三七渣时，含水量低至50%[17]。由于测定方法或判定标准不同，文献报道的含水量差异较大，但是多数为60%～80%[14，18]。

2.2 接种量

接种量对中药渣的固态发酵效果有显著影响。接种量过低，菌种增殖缓慢，影响发酵进程，发酵效率低，杂菌污染几率大；当接种量过大时，在发酵初期菌种迅速生长，会造成菌种之间相互竞争，对营养成分消耗过快，使菌体细胞老化较快，从而影响后期发酵。应该根据菌种浓度来确定接种量，当菌种浓度为107～108CFU/mL时，接种量通常为药渣干质量的5%～20%[5，12，19]，仅用基质与菌液的体积比或质量比不能够全面反映接种量。

2.3 氮源

氮元素是蛋白质、核酸合成的重要元素，微生物细胞中含有大约5%～13%氮元素。绝大多数微生物都可以利用氨基酸态氮和硝态氮以及简单的有机氮（如尿素）为氮源，而大多数寄生性微生物和一部分腐生性微生物以有机氮（如蛋白质、氨基酸）为氮源。氮源不足时，不利于微生物生长；而氮源过多时，使系统的渗透压过大，也不利于菌种生长。中药渣中氮源相对缺乏，固态发酵时应该补充氮源。常用的无机氮源为硫酸铵[4，6]，常用的有机氮源为尿素[3]，豆粕[20]等。

2.4 碳源

碳源是微生物的重要营养物质，其主要作用是构成微生物细胞的碳架和供给微生物生长繁殖所需要的能量。在发酵时，丝状真菌和芽孢杆菌可以产生纤维素酶，降解纤维素，生成单糖或寡糖，供自身生长以及增殖的需要。纤维素酶是一种诱导酶，当培养基中含有大量的单糖或寡糖时，将对维素酶产生反馈抑制作用，不利于纤维素的降解[6]。因此，利用黑曲霉[17-18，21]、康宁木霉[6]以及芽孢杆菌[10，22-25]等作为菌种发酵中药渣时，可以不需要外加碳源。一些菌种如酵母菌，乳杆菌等，对纤维素的降解能力较弱，如果利用这两类菌种进行固态发酵时，应该添加一定量的碳源作为补充[15]。常见的碳源为葡萄糖[14]、蔗糖[15]、蔗渣[26]、玉米浆[27]等。

“我们两个老的，边走边看吧。那四个孩子，能不能爬出一行和尚与司徒一一设下的迷宫一般的隧道，还是未定之天。就是由隧道里爬过去，进入了万花谷，凭他们四个新人，真的能将万花谷搅动起来？”

2.5 初始pH

大部分的微生物都有一个适宜生长的pH 范围。如果pH不合适，不仅会妨碍微生物菌体细胞的正常生长，还会改变微生物的代谢途径及其代谢产物，如黑曲霉生长的pH范围为2.5～6.5，酵母菌生长的pH范围为3.0～7.5。多数文献的起始pH值均是中性[10，20]或弱酸性[6，17]。由于固态发酵体系的pH值无法随时调节，通常在发酵前利用缓冲剂，如磷酸二氢钾和磷酸氢二钾将基质的pH值调节为弱酸性[2，6]，使发酵能够顺利进行。事实上，中药渣多数是酸性的，低浓度的磷酸缓冲溶液并不足以决定加入菌种前的发酵体系pH，当起始溶液为中性乃至弱碱性时，发酵仍然可以正常进行，如黄芪渣本身的pH值为4.8，当用1 mol/mL NaOH将起始溶液pH调节至5.5和8.5时，中国拟青霉仍可以正常发酵黄芪渣，且二者对纤维素降解率无显著差异[14]。

2.6 发酵温度

发酵温度对发酵效果和效率都有比较大的影响。在固态发酵初期，温度需要达到一定的条件，才可以保证发酵菌种正常生长；在发酵过程中，由于菌体代谢，会释放大量的热，使基质温度升高，容易造成物料板结，影响发酵正常进行。真菌的发酵温度一般比细菌的发酵温度低，如黑曲霉最适宜生长温度为28 ℃左右[2，4]，康宁木霉的发酵温度为30 ℃[6]，中国拟青霉的发酵温度低至20 ℃[14]；枯草芽孢杆菌的发酵温度为37 ℃[5]，枯草芽孢杆菌与酵母菌等细菌组成的混合菌种发酵温度在35 ℃以上[10，20，28]。

2.7 发酵时长

发酵时长并不是独立的发酵工艺条件，受菌种和其他发酵工艺条件的影响较大。发酵时间太短，发酵不完全；发酵时间过长，菌种老化，产生有害的次级代谢产物，甚至造成菌体自溶[20]，如黑曲霉在35 ℃发酵48 h时，获得最佳的生物量和催化活力[29]。中药渣固态发酵的时长差异很大，利用植物乳杆菌等混合菌种对含有香菇的中药渣发酵仅2 d，菌体浓度就达到109CFU/g[15]，而利用中国拟青霉对黄芪渣发酵35 d时，纤维素降解率达到最大值23.76%[14]。一般情况下，应该根据生产实际需要和发酵效果，选择合适的发酵时长，以提高生产效率。

除了以上主要发酵工艺条件以外，原料的预处理，辅料的选择等对发酵的效果也有一定的影响。

3 中药渣固态发酵产品功效

3.1 中药渣固态发酵产品在生猪养殖上的应用

将由黄芪等组成的中药渣经固态发酵后，按0.2%的比例添加到饲料中，饲喂妊娠85 d的健康二元母猪，结果发现，发酵中药渣可使初生仔猪的碱性磷酸酶活性、抗氧化活性显著升高，丙二醛浓度显著降低[30-33]，可以显著提高窝质量和日增质量[23]。中药渣经过两步固态发酵后，按照0.5%的比例添加到妊娠90 d的母猪饲粮中，饲喂3周，可以显著提升母猪肠道有益菌数量，提高功能性短链脂肪酸和生物胺含量[13]。发酵中药渣同样的功能也得到了李华伟等[34-35]的证实。

在饲料中添加0.5%芪楂口服液的固态发酵药渣，饲喂断奶仔猪，对仔猪肝脏无不利影响[9]，对肠道菌群稳态无影响[28]，可以改善肠道形态结构，调节血脂浓度，提高生长性能、抗氧化能力和免疫力[36]。经过固态发酵的熟地等中药渣可在一定程度上提高断奶仔猪的生长性能和养分消化率[24-25]。固态发酵的中药渣高低剂量组的生猪料肉比均低于对照组，而且肉质得到显著改善[16]。

3.2 中药渣固态发酵产品在肉鸡养殖上的应用及对实验动物的影响

在肉仔鸡的基础日粮中添加4%经固态发酵的黄芪药渣，饲喂26 d后，与空白组和未发酵药渣组相比，日增质量、日采食量显著提高，而料肉比显著降低。饲喂33 d后，新城疫抗体滴度、血清超氧歧化酶活性显著高于空白组[37]。将固态发酵的红参药渣饲喂雄性SD大鼠2周后，可以增强大鼠的抗氧化能力，改善脂质代谢，提高脾脏、胸腺指数[5]。固态发酵中药渣对小鼠有不同程度的增质量、抗疲劳、保肝护肝、增强机体免疫力的作用[10]，对脾虚型小鼠肠道菌群具有一定的调节作用[11]。

4 中药渣固态发酵生产功能性饲料产业化发展缓慢的原因

尽管初步研究已经显示，中药渣固态发酵物具有显著的调节免疫力、抗氧化、促生长等功能，但是产业化程度还很低，很多中药企业依然选择焚烧、填埋的方式处理中药渣，甚至无法处理，只能停止生产活动。中药渣固态发酵生产功能性饲料产业化发展缓慢的原因，可能主要有以下几点。

对中药渣没有建立相应的分类分级体系。由于中药组方的多样性，以及中药的提取目的和工艺不同，导致中药渣复杂多样。这给建立稳定的固态发酵工艺带来较大的挑战，因此应该首先根据中药组方的功效、提取工艺，药渣来源等进行合理分类，挑出不适合作为饲料原料或添加剂以及不适宜微生物发酵的中药渣后，根据主要营养成分进行综合评价分级，再根据分类分级结果，筛选合适的发酵菌种，优化发酵工艺。

对发酵产品没有建立相应的评价标准。现有文献对发酵效果的评价方法差异很大，有些文献评价指标并不是发酵效果的主要指标；有些文献没有评价活菌数等重要指标。既使对同一指标进行评价时，评价方法也有较大差异。同时对产品的有毒有害成分没有评价。没有稳定的品质保证是阻碍固态发酵中药渣在养殖业推广的主要障碍之一。

对于发酵菌种与发酵工艺没有进行深入研究。从现有的文献看来，我国对中药渣固态发酵生产功能性饲料的研究还处于初级阶段。对于菌种的选用主要限于数种丝状真菌、酵母菌以及芽孢杆菌等，没有深入筛选、改造中药渣固态发酵的专用高效菌种。缺乏标准化的固态发酵工艺规程。一些研究团队仅利用同种发酵工艺研究对不同中药渣的发酵效果，而没有对特定中药渣的发酵工艺进行持续深入研究。

对发酵产品的活性成分和功能没有深入研究。对食品、饮料、中药材等发酵前后的活性成分、风味成分的研究非常多，然而至今很少文献报道中药渣发酵前后活性成分和风味成分的变化，仅有少量的文献报道了发酵前后中药渣营养成分的变化。对于中药渣固态发酵后的功效研究仅停留在生产性能、肝脏功能、肠道菌群等方面，至于对免疫、抗炎、抗氧化等功能的报道比较缺乏。

5 结语

对中药渣固态发酵生产功能性饲料的研究滞后或不足，可能与社会的认识程度有关。如果认为固态发酵中药渣仅是处理废弃物的手段，顺便为养殖业提供饲料的部分替代品，那么固态发酵中药渣依然是“渣”，依然未体现中药渣的高附加值利用，而只有深度发掘并提高中药渣固态发酵后的功能，重视发酵后的益生菌、生物酶、活性肽等功能性成分，才能够实现中药渣的真正价值。