发酵日粮纤维在动物生产中的应用研究进展

马 健，季海峰，蒋万春*，张董燕*

（1.河北工程大学生命科学与食品工程学院，河北邯郸 056038；2.北京市农林科学院畜牧兽医研究所，北京 100097）

日粮中的纤维成分具有促进动物肠道蠕动、增加机体免疫力及清除生物体内自由基等作用[1-2]，尤其随着肠道微生物逐渐被人们关注，日粮纤维在改善肠道菌群平衡等方面的有益作用越来越受到重视[3-4]。在实际养殖生产过程中，日粮纤维在动物日粮配方中的添加量一般在10% 以下，这主要是由于动物对日粮纤维的消化能力差，日粮纤维不仅很难被动物体内的消化酶分解，还会在一定程度上阻碍动物对其他营养物质的吸收利用，因此，提高日粮纤维的应用价值使其合理应用于动物生产具有重要意义。近年来研究发现，微生物发酵法能够提高日粮纤维的利用效率，如秸秆经微生物发酵后其粗纤维含量降低，真蛋白含量提高，在保证猪的生产性能情况下降低了饲料成本[5]，纳豆芽孢杆菌发酵能够显著提高麸皮抗氧化活性等[6]。目前已有动物试验表明，发酵纤维在增加饲料的营养成分、减少环境污染、降低饲料成本、提高畜禽生长性能及增加经济效益等方面发挥着积极作用[7-8]，有着广阔的应用前景。为此，本文综述了日粮纤维及其结构、微生物发酵纤维的研究现状与机理及其在动物生产中的应用进展，以期为发酵日粮纤维在动物生产中的高效利用提供依据。

1 日粮纤维的定义及结构

日粮纤维是植物细胞壁成分和细胞内容物成分，按其溶解性可分为可溶性纤维（Soluble Dietary Fiber，SDF）和不可溶性纤维（Insoluble Dietary Fiber，IDF）。SDF 可溶于水又可被大肠微生物分解，包括β-葡聚糖、可溶性阿拉伯木聚糖（SAOA）、果胶和多聚果糖等；IDF 不溶于水但可以被大肠微生物酶分解，包括木质素、纤维素、半纤维素。从结构上分析，SDF中低聚糖和葡聚糖都是由D-葡萄糖以β-1，4 糖苷键连接成短的纤维多糖片段，再通过β-1，3 糖苷键组成线性多聚糖，其中果胶凝胶性在维持可溶性纤维的结构中起着重要作用，乳聚糖、阿拉伯半乳聚糖及阿拉伯聚糖是组成果胶类物质的主要成分，其主链是由聚半乳糖醛酸组成，连接键为α-1，4 糖苷键，且经常会有部分半乳糖醛酸被甲基酯化[9]。IDF 的组成和结构都比较复杂，如纤维素是由β-D吡喃葡萄糖以β-1，4 糖苷键聚合形成的线形高分子聚合物，自身含有与水分子和自身混合形成的氢键，还有致密的结晶结构且非常难溶于水[10]。日粮纤维的半纤维素部分由不同的单糖（如木糖残基、葡萄糖残基、甘露糖残基等）以β-1，4 糖苷键连接成线形主链，在不同的侧链基团上连接不同的其他的单糖残基、低聚糖和糖醛酸等，既有α构象也有β构象。木质素是一类由苯丙烷单元通过醚键或碳-碳键连接的复杂芳香性高聚物，基本结构由松柏醇、芥子醇、5-羟基松柏醇和对香豆醇4 种醇单体组成，具有不同数量官能团以及不均匀的侧链结构，使木质素组成结构复杂多样[11]。

2 发酵后纤维结构变化及对相关营养物质的影响

微生物可以通过β-1，4 糖苷键酶、木聚糖酶和甘露糖酶等作用，将IDF 消化分解成短链的SDF，从而在免疫、抗菌、改善肠道环境等方面发挥重要作用。霉菌类、芽孢类和酵母类均可产生具有较高活性的纤维素酶来降解纤维素，改变纤维结构，增加IDF 含量及其可利用性。Kim 等[12]研究结果表明，以黑曲霉发酵苹果渣为底物添加CuSO4、藜芦基醇和乳酸不同的诱导剂后产生的滤纸纤维素酶、羧甲基纤维素酶、葡萄糖苷酶和木聚糖酶活性较对照组均显著提高。Chu 等[13]研究表明，使用纳豆芽孢杆菌发酵米糠后，米糠表面结构由致密变得更加疏松多孔，呈现蜂窝结构，具有更强的持水力、持油力和更强的胆固醇、胆酸钠和亚硝酸盐离子吸附力，因为结构的破坏，使纤维末端更多游离氢离子暴露在外以及多酚含量增加使发酵后的米糠具有更高的抗氧化能力。付跃等[14]用绿色木霉和米曲霉混合发酵麸皮生产羧甲基纤维素酶（CMC）、滤纸酶（FPA）及β-葡萄糖苷酶（β-G），经测定发酵麸皮中3 种酶酶活性分别为22.46、5.234、16.38 U/mL，较单菌发酵产生的纤维素酶具有更高的活性。燕红等[15]研究结果表明，用地衣芽孢杆菌发酵麦麸的发酵产物中纤维素酶和半纤维素酶的活性分别在96 h 和48 h 时达到最大，总糖含量在4 h 达到最大后开始下降，发酵产生的酶对纤维素、半纤维素和木质素降解率分别为37.03%、15.86%和17.03%。林燕等[16]用从李氏木霉菌中提取的纤维素酶来分解小麦秸秆，并在电子显微镜下观察其麦秸结构变化，发现在反应的前24 h 小麦秸秆的紧凑平滑表面逐渐剥落破裂坍塌，反应至48 h 和96 h 时，小麦秸秆表面持续崩塌碎裂，但是速率有所降低，所以微生物产生的纤维素酶可以有效破坏纤维结构，使细胞内容物释放出来。闵钟熳等[17]研究表明，米糠粕经过黑曲霉发酵后其SDF 含量增加，并且发酵后米糠粕SDF 结构从致密的大颗粒变成了疏松多孔的小颗粒，这一结构改变可以使肠道内消化酶更充分地接触SDF，提高动物体对日粮纤维的利用率。Shi 等[18]研究结果表明，经黑曲霉固态发酵后油菜籽粉的表面结构被破坏，由紧致光滑变为粗糙不规则，其中的营养物质被释放出来，发酵产物中有更高含量的蛋白质和氨基酸，发酵时黑曲霉分泌的15 种胞外水解酶可分解油菜籽粉，在木质素纤维素酶、酸性蛋白酶和植酸酶等酶的共同作用下菜籽粉的中性洗涤纤维、硫苷、异硫氰酸盐、噁唑烷二酮和植酸类等抗营养物质含量显著降低。

单菌种发酵饲料在饲料功能和营养成分组成上有很多相似之处，但也有单独的优势，采用混合菌种发酵可以增强相似功能的同时取长补短，改善饲料营养成分和提高饲料功能。菌种、发酵日粮纤维工艺参数、发酵后体外及体内效果的总结见表1。

3 微生物发酵日粮纤维的作用机理

目前发酵饲料常用的菌种通常分为3 大类：①乳酸菌类，如片球菌属（Pediococcus）、乳酸杆菌（Lactobacilli）等；②芽孢杆菌类，如枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、凝结芽孢杆菌（Bacillus coagulans）等；③真菌，如曲霉类（Aspergillu）和酵母类（Saccharomyces）等。

微生物主要作用方式是分泌不同的代谢酶类分解饲料营养成分的结构，使大分子营养物质降解以利于畜禽吸收利用，根据其不同的代谢酶活性，在饲料中添加的菌种也不同，如乳酸菌具有能分解利用纤维二糖但较难利用蛋白质的特点，其发酵纤维可以产生乳酸等多种有机酸，降低饲料pH，抑制杂菌生长，使饲料具有独特的酸香味，促进畜禽采食，降低抗营养因子植酸含量，提高饲料阿拉伯木聚糖和酚酸含量，具有较高的抗氧化活性[28-30]。芽孢杆菌类可产生蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶、脂肪酶等多种代谢酶，将饲料纤维中的大分子蛋白质、碳水化合物、脂肪等降解为容易被肠道消化吸收的小肽、氨基酸、低聚糖及游离脂肪酸等，也可以消除植酸等抗营养因子，并且其产生的芽孢具有耐热抗逆性强的特点，可以适应各种饲料加工工艺（如高温制粒）并存活于胃肠道，竞争性抑制有害菌生长，维护胃肠道安全[31-32]。酵母菌也可分泌多种代谢酶，有效降解饲料纤维，降低纤维含量，减少植酸含量，经酵母发酵改善后的饲料纤维其抗氧化剂含量活性显著提高，饲料中蛋白含量等也显著提高[33-34]。真菌（如黑曲霉等）发酵饲料纤维，主要是利用霉菌高产蛋白酶、淀粉酶及纤维素酶特点，降解发酵底物中的蛋白质及纤维素等成分，提高发酵麸皮的营养特性及适口性[35-36]。

表1 微生物发酵日粮纤维所用菌种及效果

4 微生物发酵纤维饲料在动物生产中的应用

4.1 提高生产性能 纤维饲料经微生物发酵后能够提高原料中的营养物质含量，减少抗营养因子，增加畜禽的对饲料的吸收利用率，提高生长性能。发酵纤维饲料饲喂猪可降低腹泻率，提高平均采食量。如张文克等[37]研究表明，在基础日粮中添加30% 发酵花生壳能显著提高育肥猪平均日采食量，降低腹泻率，增加平均日增重。刘春雪等[38]研究结果表明，5%发酵麸皮等量替代未发酵麸皮组育肥猪的平均日增重显著高于对照组，增加了13.49%，耗料增重比显著降低11.73%。发酵可改善纤维饲料的营养物质成分组成，降低抗营养物质含量，提高畜禽生长性能。Shi 等[18]研究结果表明，发酵菜籽粉替代10% 豆粕组中性洗涤纤维、芥子油苷、异硫氰酸盐、噁唑烷二酮和植酸类等抗营养物质显著低于未发酵菜籽粉替代10% 豆粕组，并且显著提高了猪群的平均日增重、干物质、蛋白质、钙吸收率、磷吸收率、饲料转化率和小肽含量。Zhang 等[39]研究指出，在肉鸡1～21 日龄添加0.35%发酵银杏叶、在肉鸡22～42 日龄添加0.7%发酵银杏叶的效果最好，显著提高了肉鸡增重耗料和空肠碱性磷酸酶活性等。Teng 等[40]研究表明，在肉鸡基础日粮中添加10% 淀粉芽孢杆菌和酿酒酵母混合固态发酵的麸皮对1～35 日龄肉雏鸡总体耗料增重比有显著降低的作用。Loh 等[41]研究表明，在蛋鸡日粮中添加植物乳杆菌发酵的米糠可以在不影响蛋鸡正常生理状态下提高平均蛋重。Xie 等[42]研究发现，橄榄叶残渣经产朊假丝酵母和黑曲霉混合发酵后氨基酸总含量提高了22%，肉鸡饲料中添加10% 发酵橄榄叶残渣的肉鸡28 d 体重比对照组增加了20%。孟子琪[43]研究了酿酒酵母和枯草芽孢杆菌混合发酵麸皮对肉羔羊生产性能影响，结果表明饲喂发酵对肉羔羊日增重有促进作用。

4.2 维护肠道健康 健康的肠道功能对家畜的生长性能和健康至关重要，肠黏膜在日粮营养的消化和吸收中起着重要作用，它保护机体内部环境不受有害物质的侵害，防御有害物质和病原体侵入体内，肠道菌群在动物营养物质消化吸收、机体代谢、宿主免疫功能和维护肠道屏障功能中起着至关重要的作用[44-46]，图1 为肠道屏障示意图。

图1 肠道屏障示意图[47]

高纤维饮食可改善肠道形态，促进黏蛋白分泌和有益细菌的生长[48-50]，这归因于肠道短链脂肪酸如乙酸、丙酸和丁酸含量的提高，它们是肠道菌群发酵的膳食纤维的最终产物[51]，也是结肠上皮的能量底物，在机体免疫调节系统中也发挥着重要作用[52-53]。动物日粮纤维中的纤维二糖和木聚糖可以作为肠道中乳酸菌的主要能量来源，在微生物发酵过程中可提前破坏日粮纤维结构，更多的低聚糖及其它营养物质暴露在外，进一步为动物肠道益生菌提供能量来维持肠道微生物稳态[54]，并且可能通过日粮组分来调控肠道菌群结构。有研究表明，纤维多糖中的阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖和阿魏酰低聚糖具有的益生活性能够促进益生菌如双歧杆菌和乳酸菌等的生长，抑制杆菌类和梭菌类等有害菌增殖[55]。赵梦丽[56]研究6 种小麦阿拉伯木聚糖的益生活性，发现小麦麸皮阿拉伯木聚糖可以有效促进双歧杆菌的生长，但对乳酸杆菌生长没有显著影响。张红梅[57]研究5 种加工工艺发酵小麦麸皮产生的阿拉伯木聚糖的益生活性，结果表明，5 种小麦麸皮中阿拉伯木聚糖均能促进双歧杆菌增殖，酶解碱提小麦麸皮中阿拉伯木聚糖对乳酸杆菌增殖具有显著的促进效果。Liu 等[58]比较了基础日粮、添加10%玉米麸的基础日粮和添加10%枯草芽孢杆菌+粪肠球菌+酿酒酵母发酵玉米麸的基础日粮对育肥猪肠道微生物的影响，饲喂21d 后，育肥猪粪便中细菌种类因饲料添加物的不同而有不同的菌群组成，以枯草芽孢杆菌+粪肠球菌+酿酒酵母发酵玉米麸（10%）组淀粉分解菌更丰富。添加发酵纤维不仅可以促进有益菌的共同生长，还能改善肠道形态，维护肠道健康。Teng等[40]研究发现肉仔鸡饲料中添加10%淀粉芽孢杆菌和酿酒酵母混合发酵的麸皮可显著提高35 日龄肉仔鸡回肠乳酸菌数量，对其他有益菌无负面作用，并且可以有效降低回肠绒毛高度和隐窝深度。Kraler 等[59]研究表明，在仔猪饲料中添加150 g/kg 副干酪乳杆菌和植物乳杆菌发酵纤维可提高肠道中短链脂肪酸和乳酸含量，提高肠绒毛长度，增加隐窝深度，对肠道杯状细胞生长具有促进作用，可降低肠道pH，提高乳酸菌数量，降低大肠杆菌数量，改善肠道菌群平衡。

4.3 提高免疫力 日粮纤维经微生物发酵后能产生多糖类物质，可以促进免疫细胞产生多种免疫因子如IL-1β（白细胞介素-1）、IL-2（白细胞介素-2）、IL-4（白细胞介素4）、IL-6（白细胞介素-6）、和IFN-γ（干扰素γ）等，起到促进体内免疫细胞增殖活性及增强动物机体抵抗力的作用。Estrada 等[60]研究了不同的燕麦β-葡聚糖接种量和接种时间对体外培养的腹膜巨噬细胞和p338d1 巨噬细胞活性的影响，结果显示，在燕麦β-葡聚糖刺激后2 种巨噬细胞增殖活性增强，IL-1、IL-2、IFN-γ和IL-4 含量显著提高，并且在大鼠腹膜内单次注射500 mg 的燕麦β-葡聚糖可增加小鼠在感染金黄色葡萄菌后的存活率。史俊祥[61]用微生物发酵制备的小麦麸皮多糖饲喂敌草快诱导的氧化应激 Wistar 大鼠，结果表明发酵麸皮多糖可以有效缓解由氧化应激造成的高炎性因子IL-6、IL-2 和 IL-1β水平。Ahmed 等[62]研究了植物乳杆菌和酿酒酵母混合发酵石榴、银杏和甘草混合草料对育肥猪免疫性能的影响，结果表明，饲喂混合发酵草料组的育肥猪血清免疫球蛋白G 抗体浓度显著高于对照组和未发酵组，从而具有较好的免疫增强作用。Xie 等[42]研究表明肉鸡饲料中添加10%产朊假丝酵母和黑曲霉混合发酵橄榄叶残渣可以明显提高血清中血清球蛋白和血清白蛋白含量，增加肉鸡的免疫能力。

4.4 提高抗氧化能力 断奶、更换饲料、更换生活环境及进行规模疫苗注射时均能导致仔动物应激，导致动物机体产生过氧消耗，机体内的抗氧化系统不能及时的清除ROS（活性氧），导致机体氧化损伤，造成动物肠道绒毛脱落、缩短、肠道黏膜屏障损伤和肠道功能紊乱从而提高动物腹泻率，降低饲料报酬[63]。纤维多糖是一种有效地协助生物体清除自由基的物质，有多种抗氧化途径：多糖结构上的游离氢原子与自由基反应生成水；与脂质反应中生成的自由基结合；与自由基生成所必须的金属离子螯合；促进总抗氧化能力（T-AOC）和超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）等抗氧化酶的活性；调节机体免疫等直接或间接达到抗氧化效果。Xu 等[64]从蕨菜中分离提纯获得多糖，含有阿拉伯糖、鼠李糖和甘露糖等多种单糖，经还原铁抗氧化能力（FRAP）、DPPH 自由基清除能力、超氧自由基和邻苯三酚自氧化测定，结果表明提纯的多糖具有强大的还原能力，FRAP 值为827.6 μmol/ L，DPPH 清除率为83.1%，超氧自由基清除率为60.5%，其对邻苯三酚的自氧化具有中等抑制能力。齐希光等[65]测定了从麦麸中提取的阿魏酰低聚糖的抗氧化性，结果表明低聚糖（FOS）可比2，2'-联吡啶优先螯合Fe2+，对H2O2、-OH 和DPPH-具有很强的清除作用，显著抑制红细胞脂膜过氧化，具有良好的体外抗氧化效果。发酵后使纤维中的芬酸含量增加，改善动物机体抗氧化性。发酵纤维可提高动物体内的抗氧化酶活性，提高抗氧化性能。Marco 等[30]研究了鼠李糖乳杆菌发酵对麸皮抗氧化性影响，结果表明发酵后的麸皮游离酚含量和总酚含量显著提高，对自由基的清除效率显著上升。孟子琪[43]研究结果表明，酿酒酵母和枯草芽孢杆菌混合发酵的比例为80.36:9.32:10.22 的麸皮、豆粕粉和玉米粉多糖组肉羊羔羊血液中的SOD、GSH-Px 和过氧化氢酶活性提高，丙二醛含量显著降低，T-AOC 显著提高。段元霄[66]研究结果表明，经过酿酒酵母和枯草芽孢杆菌混合发酵的麦麸低聚果糖（FOS）可显著提高敌草快致氧化应激大鼠体内的T-AOC，提高SOD 和GSH-Px 活性，对ROS 具有明显的清除效果。

4.5 改善肉品质 动物肉品质一般由肉色、瘦肉率、肌间脂肪和理化性质来评定，脂肪酸直接影响肉品质，而动物日粮是调控脂肪酸含量的重要因素。在动物日粮中添加发酵纤维饲料能有效改善动物肉品质[67]。张文克等[37]研究表明，在饲料中添加发酵花生壳可以显著提高猪肉细胞的细胞质浓度，提高猪肉的系水能力和降低猪肉的失水率，提高猪肉品质。刘春雪等[38]研究表明，发酵麸皮等量代替普通麸皮改善了育肥猪肌间脂肪含量，提高猪肉的多汁性和嫩度，降低滴水损失，改善肉品质。Ramli 等[68]研究了米曲霉、大豆曲霉和泡盛曲霉混合发酵发酵的甘蔗渣和麸皮混合草料对山羊肉品质的影响，结果表明发酵草料组山羊腿肉风味和腰肉风味、香气和综合品质均显著高于普通草料组。宋献艺等[69]研究发现，饲喂发酵苹果渣增加了兔肉中的蛋白质含量，并且改善了兔肉酸碱度，增强其口味。张旭晖等[70]研究了产朊假丝酵母和黑曲霉混合发酵元宝枫叶代替基础日粮中12% 麸皮对育肥猪肉品质的影响，结果表明发酵组育肥猪肌肉色泽和吸水率显著提高，亚麻酸、花生烯酸、单不饱和脂肪酸（MUFA）、多不饱和脂肪酸（PUFA）的含量和多不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的比值（PUFA/SFA）显著增加，硬脂酸、花生酸和饱和脂肪酸（SFA）含量显著降低，发酵元宝枫叶组的亚麻酸和MUFA 含量显著高于对照组。Ahmed 等[62]用植物乳杆菌和酿酒酵母发酵混合草药组合饲喂育肥猪，结果表明，在育肥猪基础日粮中添加0.4%发酵混合草药相对于基础日粮对照组显著提高了α-亚麻酸、二十碳五烯酸和PUFA 浓度，显著降低了肥猪背最长肌胆固醇含量、n-6PUFA/n-3PUFA 比值、硬脂酸和花生酸浓度，提高肉品质。

5 展 望

经过微生物发酵后能够提高日粮纤维在动物生产中的应用价值，在提高畜禽生产性能和改善畜产品品质等方面有着良好的应用前景。然而，在实际发酵过程中，首先要保证所用菌种的安全性，使用符合国家标准的菌种，这是保障动物健康及畜产品的重要基础，同时还应对发酵纤维饲料的营养价值进行评定，从而在养殖生产中才具有应用意义。另外，结合我国畜牧养殖业的实际以及随着科学技术的发展，通过选择合适的微生物菌种及组合，研究开发具有抗氧化功能、富含高品质膳食纤维及低聚木糖等功能性发酵饲料，对促进动物的健康生长具有重要的意义。