生物发酵饲料与生猪健康养殖

汪以真 王 成 靳明亮 路则庆

（生物饲料安全与污染防控国家工程实验室，浙江大学动物科学学院饲料科学研究所，浙江杭州310058）

养猪业是关乎国计民生的重要产业，在我国占有十分重要的地位。但当前，我国生猪养殖面临着严峻的挑战。非洲猪瘟疫情严重影响着我国生猪养殖，导致猪肉价格大幅上升，生物安全越来越成为行业关注的重点。2020 年7 月1 日我国饲用抗生素全面禁用，短期内可能带来猪生长性能下降、仔猪死亡率和腹泻率上升、治疗用药物增加等一系列问题。此外，生猪养分消化吸收率低，粪污处理难度大，再加上相关环保政策压力，进一步加剧了生猪生态养殖的难度。生物发酵饲料是一种含有益生菌及其代谢产物的生物活性饲料，微生物发酵可以通过改变饲料底物的理化特性，提高饲料的消化利用率。同时在发酵过程中，可以扩大培养益生菌菌体，并提供其中间代谢产物，进而通过益生作用，维持肠道微生物稳态，改善肠道功能和机体免疫，最终达到饲料资源开发、动物机体健康提升和优质安全畜产品生产的目的[1]。因此，使用生物发酵饲料是非洲猪瘟、饲料禁抗和环保压力背景下实现生猪健康绿色生态养殖的重要举措。本文主要围绕发酵饲料进展、发酵菌株及功能、饲料资源开发利用和发酵饲料养分改善机制，以及发酵饲料对猪生产性能、肠道健康和猪肉品质的影响进行综述。

1 生物发酵饲料应用进展

近年来生物发酵饲料发展迅速，产量从刚开始的小规模生产已经快速增长到年产量约400万吨（2019年），目前我国从事生物发酵饲料的企业达1 000 余家。虽然微生态制剂和酶制剂的市场趋于饱和，但发酵豆粕、酵母培养物、发酵糟渣和发酵构树叶等发酵产品呈稳定增长趋势，在饲料和养殖行业得到广泛应用。据生物饲料开发国家工程中心估计，2030年我国发酵饲料产量将达到8 000 万吨，约50%猪场会使用发酵饲料。另外，以“Fermented feed”为关键词在Pubmed 数据库中搜索，可以发现发酵饲料的相关研究文献已经从2000 年的91 篇快速增长到2020 年的671 篇，提示生物发酵饲料研发的快速发展和关注度日益提升。

生物饲料领域第1个团体标准《生物饲料产品分类》于2018 年1 月1 日发布，《发酵饲料技术通则》于2018年9月7日发布，正式结束了发酵饲料市场混乱、产品质量良莠不齐的局面。《哺乳母猪用菌酶协同发酵饲料》、《生长育肥猪用菌酶协同发酵饲料》、《饲料原料——酵母水解物》和《饲料添加剂——丁酸梭菌》等与生物发酵饲料有关的12个团体标准于2019年发布。2020 年3 月10 日，国家发展改革委员会、农业农村部联合印发的《关于支持民营企业发展生猪生产及相关产业的实施意见》中提到，要加大本土可利用饲料资源和非粮饲料原料开发力度，加快生物饲料开发应用，调整优化饲料配方结构。发酵饲料市场需求逐年提升，发酵蛋白饲料、发酵能量饲料和发酵粗饲料产品快速增量，地源性饲料原料发酵产品快速增多。2020 年4 月15 日，农业农村部畜牧兽医局发出“关于《养殖者自行配制饲料有关规定》公开征求意见的通知”，发酵饲料在颗粒饲料生产中添加进入了规范制备和应用时代，这些政策和标准的建立对我国生物饲料行业的规范性和健康发展做出了重要贡献。

2 发酵菌株及功能

2013 年我国农业农村部发布的2045 号公告规定，允许用于饲料微生物添加剂的菌种有34种，主要包括酵母菌、乳酸菌、芽孢杆菌和霉菌四类。饲料发酵常用的益生菌主要有芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌和霉菌等，如地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌、丁酸梭菌、粪肠球菌、屎肠球菌、干酪乳杆菌、植物乳杆菌、戊糖片球菌、产朊假丝酵母、酿酒酵母、黑曲霉、米曲霉等。

芽孢杆菌是一类能够内生孢子、在有氧和无氧环境下均可存活的革兰氏阳性菌，也有部分芽孢杆菌为革兰氏阴性菌，出芽形成孢子的芽孢杆菌可耐高温，孢子可在适应环境下重新形成营养体。在微生物发酵饲料过程中，芽孢杆菌的主要作用一方面是消耗发酵体系中的氧气，为乳酸菌的繁殖以及代谢产物乳酸的产生提供合适的厌氧条件；另一方面，芽孢杆菌自身代谢产生相关酶类，参与发酵过程，从而提升发酵效果[2]。乳酸菌在自然界中广泛分布，是最早用于生产发酵饲料的一种益生菌。研究表明，乳酸菌具有多种优良的功能，如抗菌活性、维持肠道上皮屏障、调节肠道菌群平衡以及抗氧化作用等。其作为补充剂添加到饲料中具有良好的应用效果，乳酸菌广泛用于液体发酵和固态发酵的生产，主要因为能在饲料发酵过程中产生有机酸（主要是乳酸）以及降低底物的pH值[3]。

酵母菌是一类单细胞、兼性厌氧型真菌，细胞壁中的甘露寡糖、有机酸、酯类和醇类以及酵母内容物中的氨基酸、蛋白质、多肽、核酸、维生素、矿物质等营养物质，不仅能改善日粮口感、提高动物采食量，而且能调节动物肠道微生态平衡，增强机体免疫力并提高动物的生产性能。另外，酵母菌表面可与肠杆菌结合，阻止有害菌与肠上皮的粘附[4]。霉菌因在生长代谢过程中可分泌酶类，而广泛用于生物发酵。目前应用于饲料行业的霉菌主要有曲霉和根霉等。育肥猪日粮中添加灭活的米曲霉，不仅提高其生长性能，而且提高背最长肌中肌内脂肪含量，改善肉品质[5]。

菌酶协同发酵饲料指的是使用《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、酶制剂和微生物，通过发酵工程和酶工程技术协同作用生产的单一饲料和混合饲料。近年来菌酶协同发酵越来越受到重视，因为菌酶组合使大分子物质降解更为彻底，发酵效率更高，其效果往往优于菌和酶的单独使用。目前使用较多的酶主要包括如下几类：降解抗营养因子的酶，如纤维素酶、半纤维素酶、木聚糖酶、果胶酶、中性蛋白酶、酸性蛋白酶等；抑制病原菌的酶，如溶菌酶和葡萄糖氧化酶；改善机体健康的酶，如甘露聚糖酶和葡萄糖苷酶等。

3 生物发酵饲料与饲料资源开发

目前生物发酵饲料的发酵方式包括好氧、厌氧和兼性厌氧发酵。根据固态发酵反应器的不同可以分为槽式、池式、车阵式、链带式、盘式发酵。根据菌种配伍可以分为单菌、混菌和菌酶协同发酵。选择的原料从常规的蛋白类饲料原料发酵（豆粕、菜粕、棉粕等），逐渐发展到非常规低值原料（玉米胚芽粕、米糠粕、酒糟、构树叶等）。其中发酵豆粕是最早成熟应用的发酵饲料，2012 年发酵豆粕产品行业标准NYT2218—2012发布，标志着发酵豆粕产业进入快速发展阶段。豆粕中含有多种抗营养因子，如大豆抗原蛋白、胰蛋白酶抑制因子、寡糖、植酸等，降低了畜禽对其营养物质的消化、吸收和利用率，甚至造成机体代谢紊乱和器官损伤，而生物发酵能够显著提高豆粕营养价值。研究表明菌酶协同发酵豆粕，可使发酵后豆粕抗原蛋白降解率达90%，小肽和乳酸含量提高到了20%和3.5%以上[6]。未来发酵豆粕的研发应重点关注于增加发酵豆粕的功能性和进一步提升大豆蛋白的消化率。菜粕和棉粕通过发酵可以转变为优质的蛋白源饲料。枯草芽孢杆菌、产朊假丝酵母和粪肠球菌固态发酵，有效降低了菜粕中粗纤维、硫苷、异硫氰酸酯和植酸水平[7]。热带假丝酵母和干酪乳杆菌对棉粕进行混菌发酵，可以使其游离棉酚和粗纤维含量分别降低到0.29%和10.2%，小肽和无机磷含量提高到14.43%和0.51%[8]。

非常规饲料原料的发酵，一方面可以改善原料适口性、分解消除有毒天然物质和抗营养因子，产生益生菌及代谢产物等促生长因子，有利于营养物质的消化和吸收，促进动物健康；另一方面，极大地减少了资源浪费和环境污染，有利于资源开发、环境保护和绿色健康养殖。张会等[9]利用米曲霉固态发酵玉米胚芽粕，发酵后底物表面疏水性、游离巯基分别增加了10.3 μmol/g 和1.5 μmol/g，氨基酸和疏水性氨基酸总量提高了12.49%和6.29%，自由基清除能力也有所提高。发酵可以改善米糠粕的酚类、有机酸以及脂肪酸含量[10]。Wang等[11]用6%的芽孢杆菌和3%乳酸杆菌发酵，显著降低黄酒糟纤维素，提高小肽、游离脂肪酸以及必需氨基酸含量。发酵使构树叶中的复杂蛋白质降解为氨基酸、小肽，粗纤维降解产生芳香族物质[12]。芽孢杆菌、酵母菌、曲霉和纤维素酶等菌酶协同发酵能够将以黄芪、党参、白术、甘草等为主的中草药中的纤维、多糖、蛋白等大分子物质降解为小分子活性因子，从而达到免疫调节、抗菌驱虫及促生长等效果[13]。由于非常规饲料原料的产地、品种、加工和饲喂方式不同，影响发酵非常规饲料数据库的建立。因此，在非常规饲料原料资源的调研、评估和研究基础上，需结合现代分子生物学技术，构建发酵菌种库，完善发酵饲料工艺，持续开发新型发酵蛋白饲料、能量饲料、地源性饲料等，建立发酵原料资源数据库、发酵产品安全性评价体系及发酵产品标准，实现发酵原料的标准化生产以及由基础研究向产业化的过渡。

发酵复合饲料是由两种以上的饲料原料按一定比例混合发酵的饲料。复合饲料既可以优化饲料原料的碳氮比，加快发酵菌株增殖，同时又可以根据猪的不同生长阶段搭配合适的饲料原料。目前复合饲料从玉米、豆粕、麸皮等常规饲料原料的配伍发展到常规加非常规饲料原料，或是非常规饲料原料之间的配伍。复合饲料的发酵菌株以乳酸菌、酵母菌和芽孢菌为主。此外，混菌、菌酶协同的发酵方式也将成为复合饲料的发酵趋势。Hao等[14]研究表明采用枯草芽孢杆菌和戊糖片球菌发酵复合饲料（20%玉米、20%豆粕、48%麸皮和12%大豆皮）能够有效降解复合饲料的抗营养因子，提高饲料酸溶蛋白水平，增加赖氨酸、苏氨酸等必需氨基酸，谷氨酸、天冬氨酸、苯丙氨酸等鲜味氨基酸和油酸、亚油酸、亚麻酸等不饱和脂肪酸和有机酸含量，同时提高发酵复合饲料超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化酶活性和肌肽、叶酸等抗氧化物质含量。朱新强等[15]利用酿酒酵母菌和植物乳酸杆菌发酵豆渣、苹果渣和葡萄渣等复合非常规原料，提高粗蛋白含量并降低纤维含量，从而开发新型优质蛋白饲料。

4 生物发酵改善饲料品质的机制

生物发酵主要目的是改变饲料理化性质，利用微生物分泌胞外酶，将大分子物质分解成小分子活性因子，改变饲料微观物理结构，降解抗营养因子，从而提高饲料底物的营养价值。目前产酶的发酵菌株主要有芽孢杆菌和真菌等，经芽孢杆菌和真菌发酵后，饲料微观结构变得松散，而富有孔隙，小肽和有效磷增加，抗原蛋白、植酸、胰蛋白酶抑制剂等抗营养因子降低，体外消化率提高[16-17]。发酵菌株的代谢产物赋予发酵饲料更多的生物功能，提高了发酵饲料的附加值。乳酸菌、凝结芽孢杆菌、丁酸梭菌和酵母等，可以产生有机酸、短链脂肪酸，降低发酵底物的pH 值，促进动物采食，延长饲料贮存时间，提高机体抗氧化能力。同时，芽孢杆菌和乳酸菌等分泌的细菌素和免疫防御肽使有害菌的生长受到抑制[18]。部分乳酸菌可以产生γ-氨基丁酸、花青素等功能性物质，有利于动物机体健康。酵母转化的有机微量元素，如酵母硒、酵母铬、酵母锌、酵母铜、酵母铁等，具有改善动物免疫功能、促进抗应激能力，提高畜禽产品品质和改善繁殖性能等多重功效[5]。发酵菌的快速增殖能够使益生菌在发酵体系中建立优势，抑制饲料中有害菌的生长，为产酶和其他代谢产物提供保障，提高到达动物消化道的益生菌数，进而发挥益生作用。此外，益生菌的菌体结构细胞壁和细胞内容物等，不仅能改善日粮口感、提高动物采食量，还能调节动物肠道微生态平衡，从而增强动物机体的免疫力并提高动物的生产性能[19]。

目前益生菌发酵饲料过程中的机制探讨尚不深入，有研究初步解析了枯草芽孢杆菌和乳酸菌发酵玉米、豆粕和黄酒糟复合饲料过程中关键养分的变化规律：纤维于8～12 h发生降解，蛋白质于12～24 h降解；分泌的生物酶主要有中性蛋白酶、木聚糖苷酶和β-葡聚糖内切酶等。芽孢杆菌在好氧发酵的前12 h 快速增殖，抑制了饲料中有害菌，降低了饲料中菌群丰度，而厌氧发酵增加了乳酸菌等有益菌数量，显著提高了饲料中细菌丰度，芽孢杆菌、乳酸菌是发酵的优势菌属，其主要的微生物代谢功能包括细胞生长、运动和物质转运等细胞处理以及通路互作、转导和细胞膜转运等环境信息处理功能。有效磷与芽孢杆菌呈显著正相关，而与饲料原籍菌呈显著负相关，可能是发酵过程中的调控菌群关键[20]。

5 生物发酵饲料在生猪健康养殖中的应用

5.1 生物发酵饲料对猪生产性能的影响

本课题组从PubMed和Web of Science（检索范围为2000年1月1日至2019年4月4日）收集了3 271篇文章，根据其中30篇（3 562头猪）的数据进行meta分析发现，发酵饲料显著提高断奶仔猪和生长猪的平均日增重、饲料转化率以及干物质、氮、能量消化率，但发酵饲料对育肥猪生长性能和养分消化率无显著影响。此外，发酵饲料可以提高猪肉亮度、红度、大理石纹和风味，并减少滴水损失。进一步分析发现，发酵原料主要提高断奶仔猪和生长猪的生长性能，发酵中草药则提高了不同阶段猪的生长性能。剂量效应分析发现发酵原料和发酵中草药的最佳添加量分别为8%和0.15%[21]。

5.2 生物发酵饲料对肠道健康的影响

发酵饲料一方面使饲料物理结构变得松散，另一方面提高机体消化酶水平促进养分消化吸收效率。用枯草芽孢杆菌和粪肠球菌发酵后的玉米、豆粕混合饲料饲喂仔猪，总氨基酸和赖氨酸的回肠表观消化率分别提高了5.32%及6.78%，同时，饲料中磷的表观全肠道消化率和标准全肠道消化率分别提高了21.03%和19.83%[16]。添加15%玉米、豆粕混合发酵饲料可显著提高母猪对总能、干物质和总磷的表观全肠道消化率[11]。此外，枯草芽孢杆菌发酵豆粕，可以提高仔猪空肠蛋白酶和淀粉酶活性，促进养分吸收[17]。

发酵饲料中富含的益生菌和益生元，可以调控猪肠道微生态平衡，目前报道较多的是肠道内乳酸菌丰度的提高。在断奶仔猪日粮中添加发酵豆粕，可在属水平提高了粪便中乳酸菌、双歧杆菌相对丰度，同时提高了结肠中乳酸菌的相对丰度，生长育肥猪饲喂发酵饲料，其十二指肠乳酸菌数量升高[22-23]。枯草芽孢杆菌和粪肠球菌混合发酵饲料可提高泌乳母猪肠道中的乳酸菌和琥珀酸菌含量，并增加肠道微生物的DNA 修复、蛋白质重组、糖解与糖代谢合成和线粒体修复等功能[24]。

发酵饲料中的益生菌及其代谢物可以改善猪的肠道屏障功能。Ruiz 等[25]发现益生菌和肠道上皮层的相互作用增强了肠道上皮细胞之间的紧密连接蛋白表达。Woo 等[26]对大麦、大豆等饲料原料进行了菌酶协同发酵，发现发酵饲料以剂量依赖的方式缓解DSS诱导的结肠炎症，维持肠绒毛和肠道屏障的完整性。益生菌可以直接与肠道黏膜、肠道上皮细胞和肠道相关淋巴组织相互作用，以发挥其益生功能。生物发酵饲料中含有较为丰富的小肽等物质，而小肽可激活宿主免疫细胞发挥特异性免疫作用，增强淋巴细胞功能[27]。乳酸菌发酵饲料可通过降低促炎细胞因子的表达来减轻断奶仔猪的沙门氏菌感染[28]。张秀林等[29]的研究也证实，芽孢杆菌、乳酸菌混菌发酵的玉米、豆粕复合饲料，可以提高断奶仔猪肠道黏膜中免疫细胞的数目，改善肠道黏膜免疫相关基因的表达并增强结肠黏膜sIgA的水平。

5.3 生物发酵饲料对猪肉品质的影响

发酵饲料主要通过提高肉色红度，肌内脂肪含量和肌肉嫩度，改善猪肉脂肪酸（油酸、亚油酸、亚麻酸等）、风味氨基酸（谷氨酸、天冬氨酸等）、挥发性风味物质（醇、醛、酮）等提高猪肉品质。其机制主要是发酵菌株和发酵活性因子通过提高肌肉抗氧化水平，调节脂肪代谢相关的菌群代谢产物如短链脂肪酸、脂多糖、氧化三甲胺、胆汁酸代谢物及色氨酸衍生物等，调控猪的脂质代谢[30]。

Hao等[14]研究发现，添加8%发酵玉米豆粕复合饲料可以提高肉色红度、肌内脂肪含量和肌肉嫩度，改善猪肉不饱和脂肪酸，如油酸、亚油酸、二十碳二烯酸、花生四烯酸含量；增加肌肉鲜味氨基酸，如谷氨酸、丝氨酸、甘氨酸、丙氨酸、蛋氨酸和苯丙氨酸含量；提高肌肉中挥发性风味物质如异辛醇、壬醇等醇类物质含量，己醛、庚醛、辛醛、壬醛、2，4-葵二烯醛、苯甲醛等醛类物质含量，以及显著提高苯乙酮、3-羟基-2-丁酮、甲基庚烯酮等酮类物质的含量。同时发酵饲料能提高育肥猪肌肉中酚类物质，降低肌肉中酸类和酯类化合物。此外，发酵非常规原料在生长育肥猪上应用也十分广泛。在饲粮中补充0.4%的发酵大蒜粉可以提高生长育肥猪肉色红度[31]；发酵苹果渣可提高育肥猪背部脂肪组织中亚油酸、亚麻酸和花生酸水平，降低棕榈酸、棕榈烯酸和十七烯酸水平[32]；添加5%和10%发酵糟渣可提高肌肉中天冬氨酸、精氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、丝氨酸和赖氨酸等氨基酸含量[33]。日粮中添加0.4%发酵中草药（石榴、银杏、甘草）可降低猪的采食量和背膘厚，增加瘦肉产量，提高背最长肌中ω-3 脂肪酸含量，延长猪肉货架期[34]。饲粮中添加10%和15%发酵茶渣可降低猪肉滴水损失和剪切力[35]。

6 结语

生物发酵饲料可以提高饲料利用效率，促进生猪生长性能，改善肠道健康和猪肉品质，将在生猪健康优质安全生态养殖过程中发挥重要作用。但是发酵饲料目前存在整体研发和产业化水平不高、产品质量标准不够完善、发酵工艺和饲喂模式有待提升等问题。未来发酵饲料的研发将围绕抗营养因子降解及定植能力强、代谢产物丰富的特色菌株筛选，针对原料消化吸收利用、机体健康改善及畜产品品质提升等生物学效价评定，发酵过程及产品品质的动态监测等方向展开。