微生物发酵饲料及其在动物生产中的应用

陶丽娟，李建涛，杨桂芹

（沈阳农业大学畜牧兽医学院，辽宁沈阳 110866）

近年来，随着养殖规模发展和养殖水平的改善，饲料工业也实现了较快发展和技术进步。但抗生素使动物体产生耐药性，给食品卫生与安全带来隐患。微生物发酵作为饲料端和养殖端减抗禁抗的替代技术，正引起行业越来越多的关注，这为饲料业和养殖业中微生物发酵饲料的研发和应用提供了庞大的空间。微生物发酵饲料是指以饲料和饲料添加剂为对象，以基因工程、蛋白质工程、发酵工程和生物提取等高新技术为手段，利用微生物发酵工程开发的新型饲料和饲料添加剂的总称。其优点在于通过微生物的发酵作用，降低了抗营养因子含量（王永伟等，2019），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。胡宏伟等（2018）指出，饲料经乳酸菌发酵后会产生大量乳酸，其适口性及饲料消化率明显提高。同时饲料发酵过后会产生丰富的代谢产物，提高有益菌的含量，抑制或杀死致病菌。Van等（2001）试验表明，饲喂发酵饲料的猪胃和回肠中的乳酸菌含量均显著高于饲喂干饲料的猪。本文综述了微生物发酵饲料的菌种及特征、生产工艺、代谢产物检测及其在动物生产中的应用现状及存在的问题，并对其应用前景进行了展望，以期为微生物发酵饲料的推广应用提供参考。

1 发酵菌种

微生物发酵饲料的核心是发酵菌种的筛选。当前用于发酵饲料最常见的菌种主要是乳酸菌、酵母菌、芽孢杆菌等。其选择原则是不能破坏体内菌群平衡，不能产生任何有害的生物活性物质和毒素等，以保证畜产品安全（陶蕾等，2015）。

1.1 乳酸菌 乳酸菌是指可以利用可发酵碳水化合物产生大量乳酸的一类无芽孢、革兰氏染色阳性细菌的通称，是一种安全、优质、高效的益生菌，耐酸能力比较强（Wu等，2014）。目前有11种乳酸菌可作为添加剂直接饲喂动物，分为九个属。乳酸菌进入肠道后会产生多种益生成分和抑菌物质，能够杀死或抑制病原微生物，从而提高机体免疫力和抵抗力 （计伟等，2018；Wang 等，2014），使畜禽生产性能得以提升。Awais等（2019）研究指出，饲喂以乳酸菌为主的益生菌能提高淋巴细胞增殖反应，与对照组相比，使用益生菌治疗的试验鸡有更高的抗体滴度，益生菌治疗组的鸡饲料转化率也得到显著改善。乳酸菌发酵饲料是指将饲料调配水分、养分及接种乳酸菌后，通过发酵的作用，形成营养丰富、适口性优良、含有大量益生菌及有益代谢产物的功能性饲料。乳酸菌发酵饲料可以提高经济效益（朱凤华等，2015）、提高生长性能（徐秀景等，2018）、改善动物体的健康状态（张铮等，2018）、提高饲料品质（韩雅慧等，2016）。 因此乳酸菌发酵已成为国内外的研究热点，并且在畜禽养殖业中得到了广泛的应用。

1.2 酵母菌 酵母属于兼性菌，在自然界中分布广泛，饲料酵母含有较高的粗蛋白质、氨基酸及多种维生素，同时含有动物所需的多种消化酶（淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶等），对营养物质的消化利用有重要作用（Pacheco等，1998）。酵母菌是畜禽动物的优势菌群，可以刺激其肠道中有益菌含量的增加（Ding等，2014），还可以直接和肠道中的病原体结合，中和胃肠中的毒素（马传兴等，2014）。同时酵母菌具有浓烈的酵母香味，对促进畜禽采食有一定作用。张政（2017）研究表明，活性酵母可使发酵液中的菌体蛋白和挥发性脂肪酸的含量得到显著提高，从而提高营养物质消化率。李璐琳等（2018）研究发现，矮脚黄肉鸡在14日龄起饮用以酵母菌为主要成分的发酵菌液能显著降低14～78日龄的料重比，提高养殖效率。虽然酵母菌是一种很好的单细胞蛋白饲料添加剂，但在实际应用时因其氨基酸含量平衡不理想，且酵母菌适口性不佳，因此，应按照实际情况来确定添加量。

1.3 芽孢杆菌 芽孢杆菌是一类安全无毒的益生菌，可以改善肠道微生态环境、提高机体免疫力、促进动物消化吸收和营养代谢（Zhao，2011）。芽孢杆菌具有耐高温、耐酸碱、耐高压等特点（张爱武等，2011），能够降低颗粒饲料加工的影响。在储藏过程中以孢子形式存在，不消耗饲料的营养成分，保持饲料的质量。王晓丹等（2019）将枯草芽孢杆菌添加到日粮中发现，其可以降低仔猪腹泻率，促进仔猪生长。胡振华等（2018）将枯草芽孢杆菌添加到樱桃谷肉鸭饲粮中发现，其可以改善肠道形态，增加肠道内有益菌的数量以及刺激免疫器官的发育，促进肉鸭生长。同时芽孢杆菌与酵母菌能够迅速消耗发酵底物中的氧气，为乳酸菌的生长繁殖提供厌氧环境，促进乳酸菌的繁殖生长（杨军等，2017）。

2 生产工艺

微生物发酵饲料生产主要包括两个阶段，即微生物菌种和微生物发酵饲料的生产，选择合适的菌种再加上适当的发酵条件和生产工艺才能得到高品质的发酵饲料（韩淑敏等，2018）。目前有关微生物发酵工艺参数的研究报道虽然较多，但是对于菌种资源和发酵工艺依然有严格的衡量标准，影响发酵饲料品质的主要因素有菌种的配比、含水量、发酵时间、温度等。其中含水量是关键因素，含水量过低会降低物料的膨胀程度、提高水的表面张力、残留过多空气，从而延长前期好氧阶段，乳酸菌发酵阶段延后，无法控制发酵结束时间。含水量过高会限制氧气扩散，无法积累足够的酵母菌等好氧菌的代谢产物，并且增加物料黏性，使流散性变差，在后期饲喂时难以混匀。杨建平等（2017）通过试验确定了简易发酵饲料在发酵温度为30℃，含水量40%，发酵7 d后以3%代替全价饲料饲喂育肥猪，猪的采食量和日增重均显著升高，料肉比显著降低。吝长华等（2018）研究发现，解淀粉芽孢杆菌单菌固态发酵豆粕的最佳工艺条件为接种量10%、温度40℃、料水比1.0：1.2、发酵时间72 h。微生物发酵饲料的生产工艺是该领域的研究热点之一，在原料处理、生产设备优化升级、产品储存及检测等方面仍需要更多的应用研究。

3 发酵产物及检测

发酵饲料中常见的代谢产物包括有机酸、维生素、酶、氨基酸、脂肪酸和抑菌物质等。了解各种菌的代谢产物可以帮助我们更好地了解发酵饲料的功能。

3.1 乳酸菌 乳酸菌发酵饲料会产生大量有机酸（乳酸、乙酸、丙酸等）、细菌素、胞外多糖等代谢产物，并且会产生大量乳酸菌。

目前研究中细菌数的测定方法大多为平板菌落计数法（Goidstein 等，2014）。 Lamba 等（2019）、任燕（2018）及塔娜等（2017）均采用此法测定细菌数量，但在培养结束后，菌落的计数并不容易。林铁豪等（2018）、谭薇等（2015）、李可等（2015）则采用荧光定量PCR法对细菌数进行定量分析。目前欠缺可供饲料生产领域使用的快速高效的菌群检测技术。采用高效液相色谱法（HPLC）及离子色谱法测定有机酸，酸碱滴定法测定总酸含量，其中HPLC（Coelho 等，2018；Zaky 等，2017）应用比较广泛。罗建等（2012）在对乳酸含量的测定研究中发现，乳酸脱氢酶的准确性最好，迅速但成本高；EDTA滴钙法适合于迅速简便、精度要求不高的检测；羟基联苯比色法可作为企业或科研单位精度要求不高的检测。

细菌素是一类在细菌代谢过程中通过核糖体合成机制产生的具有抑菌活性的小分子物质，其相对分子质量小且热稳定性好，具有杀菌作用（Woraprayote 等，2016；朱双等，2014）。 评价抑菌活性物质的方法主要有琼脂平板扩散法 （Jacobson等，2019）和96孔板微量测定法 （侯媛媛，2015），琼脂扩散法包括点种法、纸片法和牛津杯法，其中牛津杯法最简单及常用。但是，当抑菌圈超过25 mm以上，这个方法便不够准确，需要再次稀释。96孔板微量测定法则灵敏度高、耗材少，适合批量试验。胞外多糖是一类糖类化合物，其结构复杂、且有多种益生功能（杜瑞平等，2018）。可通过苯酚-硫酸法（高倩等，2019）测定其含量。乳酸菌在发酵过程中还能够产生其他更多有益的代谢产物，对于其作用还有待进一步研究。

3.2 酵母菌 酵母菌发酵可以产生多种化合物，包括各种高级醇、酚类化合物、羰基化合物、脂肪衍生物和硫化合物，这些化合物具有挥发性（Dzialo等，2017）。在无氧条件下进行厌氧发酵，会产生乙醇、挥发性脂肪酸等物质 （Rezaei等，2016）。董琪等（2018）采用气相色谱与质谱联用技术对发酵产物进行分析。赵军（2011）采用平板计数法测定酵母数量，采用气相色谱法对酒精以及乙酸乙酯进行测定，葡萄糖的测定则采用了3，5-二硝基水杨酸酸法，挥发酸度采用EEC标准方法。

3.3 芽孢杆菌 芽孢杆菌发酵饲料会产生淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶以及维生素等有益代谢产物，可促进生长、提高饲料转化率。徐海燕等（2006）在对芽孢杆菌代谢产物进行研究时采用细菌α-淀粉酶活力测定的方法测定淀粉酶活性，采用福林-酚法测定蛋白酶活性，脂肪酶活力用标准碱液滴定的脂肪酸的滴定值表示，利用气相色谱仪检测挥发性脂肪酸；样品经离心后取上清液，并提供了淀粉酶活力测定方法（曾亚桐，2018）。

乳酸菌、酵母菌和芽孢杆菌均能产生多种维生素，但不同菌种产生的维生素种类不同，量也有差异，因此对于维生素的检测比较困难，在检测时会遇到某些维生素检测不到、而有些维生素含量很高的情况。目前可以采用将发酵前后的维生素含量做对照，以此分析微生物发酵对饲料中维生素含量的影响。对于氨基酸含量变化也可采用此法。

4 微生物发酵饲料在动物生产中的应用

4.1 家禽 在鸡的饲养过程中加入一定量的微生物发酵饲料，可以改善鸡蛋的品质，提高产蛋和产肉的效率；提高鸡的生产性能，促进生长，改善肠道菌群，提高免疫力等。赵玉娥（2018）研究发现，微生物发酵饲料可以明显改善蛋鸡的肠道微生态平衡，降低氮、磷排泄率，在每日100 kg常规基础日粮中加10 kg的效果较好。赵春全（2014）将不同比例的发酵饲料添加到蛋鸡的日粮中发现，鸡蛋的蛋品质得到不同程度的改善，其中5%的添加量可以获得较好的生产性能。闫理东等（2012）将发酵棉籽粕按不同比例添加到黄羽肉鸡饲料中发现，在肉鸡饲粮中添加3%、6%的发酵棉籽粕，与不发酵相比能显著提高黄羽肉鸡的平均日增重、采食量和饲料转化率，其中以6%发酵棉籽粕为宜。Kim等（2016）研究表明，发酵豆粕可以改善肉鸡的肠道菌群环境，提高其免疫功能，从而达到促进肉鸡生长的作用。

4.2 猪 研究表明，微生物发酵饲料可以改善猪的生长性能、繁殖性能以及肠道功能。周学海（2018）将微生物发酵饲料添加到配合饲料中发现，育肥猪日采食量和日增重提高，其中以30%添加量为最佳。张铮等（2019）研究发现，饲喂复合菌发酵饲料可在一定程度上影响育肥猪结肠中细菌菌群的组成，促进丁酸生成，对肠道健康具有改善作用。林标声等（2016）将4%的微生物发酵饲料添加到生猪常规饲粮中，饲养106 d后屠宰发现，育肥猪的屠宰性能及肉品质、脂肪酸和氨基酸含量均明显优于对照组，明显改善了猪肉的风味。石青松等（2018）将添加了20%乳酸菌发酵饲料的配合饲料饲喂断奶仔猪，结果表明，仔猪的平均日采食量显著提高，仔猪胃、回肠及结肠食糜的pH显著降低，结肠中乙酸含量和粪便中的乳酸菌数量显著提高，大肠杆菌数量显著降低，断奶仔猪肠道微生物得到明显改善。丁鹏等（2018）研究发现饲料桑粉经发酵后饲喂宁乡花猪可降低平均背膘厚，改善肉品质，降低血清总胆固醇含量；添加9%饲料桑粉的发酵料可降低料重比，改善宁乡花猪的生长性能。周映华等（2015）研究表明，食用无抗发酵饲料的育肥猪，其生长性能和肠道微生物菌群平衡得到明显改善，消化能力得以增强。

4.3 反刍动物 微生物发酵饲料不但在禽类和猪的生产上有较多的应用，在反刍动物饲养中也得到了普遍认可。严昌国等（2005）报道，饲喂发酵饲料的延边黄牛日增重为0.98 kg，对照组为0.77 kg，差异极显著。卢慧（2017）在研究微生物发酵饲料对奶牛生产性能的影响时发现，微生物发酵饲料的添加可以显著提升泌乳奶牛的产奶量和乳品质，同时可增强饲粮养分表观消化率，进而提高养殖场的经济效益。这与梅宁安等（2015）和吴小燕等（2014）的研究结果一致。高旭红等（2018）给山羊饲喂含30%发酵杏鲍菇菌糠的饲料后，山羊的平均日增重和体增重均高于饲喂未发酵杏鲍菇菌糠，料重比低于饲喂未发酵杏鲍菇菌糠。

5 微生物发酵饲料存在的问题及展望

5.1 问题 微生物发酵饲料将对我国畜牧业健康发展具有较大的促进作用，但尚需开展基础性、应用性研究和实践验证。由于筛选各种菌种的方向和方法不同，生产水平、饲料加工以及动物品种、储存、饲喂条件等差异，微生物发酵饲料未能获得稳定、一致的饲喂效果。下一步需要在发酵微生物菌种、菌株的筛选，单一原料和混合饲料的发酵特征及发酵底物的营养完善，发酵饲料与常规饲料的搭配使用技术，发酵饲料营养价值库的建立，发酵对饲料中矿物元素、维生素、氨基酸添加剂的效价影响，以及发酵工艺简化和标准化等方面开展调查研究。微生物发酵会产生众多代谢物质，但迄今对其中有效成分缺乏全面系统研究，导致其品质难以鉴定，需要尽快制订和完善行业标准和检测方法。同时，发酵饲料的加工、包装以及储存成本给其推广应用带来较大障碍，选择经济有效的防冻、防结块、防霉变的储存方法和技术，对于发酵饲料的推广应用有着重要经济意义。此外，还需要在微生物发酵饲料的生物安全性、畜产品安全优质上开展更多研究。

5.2 展望 微生物发酵饲料可以减少饲粮中的抗生素含量，提高饲料适口性，减少饲料中铁、锰、锌、钙的添加量，提高利用率。微生物发酵后产生的多种代谢产物 （有机酸、细菌素、核酸类物质等），能有效抑制肠道有害菌的生长发育，提高动物机体免疫力。同时通过各种动物饲养试验以及消化代谢试验，评价发酵技术的性价比，优化烘干工艺及技术，解决发酵产品的包装运输成本是重中之重。随着社会对养殖业环保问题的持续关注，人们对畜产品品质的愈加重视以及微生物发酵技术不断进步，微生物发酵饲料在畜禽生产中必将获得更加广泛的应用。