发酵豆粕的营养特性及其在断奶仔猪中的应用

丁兵帅，李素倩，王 晔

(佛山科学技术学院 生命科学与工程学院，广东 佛山 528200)

豆粕是大豆在一系列处理后得到的一种副产品。豆粕其粗蛋白质含量可达40%～44%,富含多种动物必需氨基酸和小肽，营养成分相对完整和平衡，但同时多种抗营养因子也成为其一大缺点[1]。早期断奶仔猪的消化系统尚未完全发育，对抗营养因子敏感，断奶仔猪早期很难适应普通豆粕。近年来，微生物发酵饲料已成为动物营养研究热点之一。微生物将大豆中的大分子蛋白质降解为多肽、小肽和游离氨基酸，并能有效地消除多种抗营养因子，被认为是断奶仔猪理想蛋白质来源。

1 豆粕中的抗营养因子及其对猪的影响

豆粕虽是大豆经提取豆油后的一种副产品是牲畜补充蛋白质的来源，但其中仍含有很多抗营养因子，如胰蛋白酶抑制因子、皂苷、植物雌激素、葡萄糖素、甲状腺素、凝集素等[2]。其中胰蛋白酶抑制因子、大豆凝集素和大豆抗原蛋白是豆粕中最主要的抗营养因子。刘媛媛[3]在研究中发现，胰蛋白酶抑制剂和大豆球蛋白对断奶仔猪消化系统的功能有着非常不利的影响。

1.1 胰蛋白酶抑制因子

胰蛋白酶抑制因子是豆粕中最主要的抗营养因子，在豆粕中的含量为2%左右。Wiseman等[4]给断奶仔猪饲喂胰蛋白酶抑制剂，结果发现胰蛋白酶抑制因子水平与肠道绒毛的高度之间呈负相关。大豆胰蛋白酶抑制因子之所以能抑制肠道消化系统在于一方面能和消化系统中胰蛋白酶结合,生成一种有机络合物,导致胰蛋白酶不能作用于蛋白质,使蛋白质不能很好地被分解消化;另一方面胰蛋白酶抑制因子与肠胰蛋白酶的结合使肠胃蛋白酶失去活性，随粪便排出体外引起胰腺功能亢进，分泌增加，形成恶性循环，最终致使胰腺及其他消化系统器官增生和肥大[5-6]。

1.2 大豆凝集素

大豆凝集素(SBA)是大豆中含量较高的一种糖蛋白,有一定的毒性，影响细胞增殖并诱导细胞产生毒性，含量在1%左右，因为能使动物血液中的红细胞凝集而得名[7]。SBA对肠道消化吸收功能的影响主要与肠道成熟细胞的绒毛上部分结合，而很少与绒毛的下半部分结合，造成肠道绒毛失去作用。凝固红细胞主要是大豆凝集素能与N-乙酰基半乳糖胺/半乳糖特异性结合，形成一种具有生物活性的糖蛋白。车东升等[8]在体外培养猪小肠上皮细胞，并使SBA与其结合，结果发现大约90%的猪小肠上皮细胞与SBA发生了结合，表明了SBA进入肠道后能与小肠上皮细胞发生特异性结合，从而进一步损伤小肠组织。Li等[9]在小鼠日粮中添加SBA后测量其表观氮消化率，在粪便和尿液中发现氮的损失比对照组高很多，降低了表观氮的消化率和氮的保留，而且血浆胰岛素水平随大豆凝集素水平的升高而下降，随着日粮中大豆凝集素含量的增加，血浆缩胆囊素水平升高。

1.3 大豆抗原蛋白

大豆抗原蛋白主要有4种，2种最重要的抗原蛋白是大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白。当给幼畜饲喂含大豆蛋白质的饲料时，一小部分未消化的蛋白质会通过肠上皮细胞之间的间隙进入淋巴和血液，这些大分子具有相当大的抗原活性，并刺激免疫系统，导致特异性抗原抗体反应和T淋巴细胞介导的迟发型超敏反应[10]。谯仕彦等[11]研究了断奶仔猪血清中大豆球蛋白和抗β-伴大豆球蛋白抗体与肠道大肠杆菌的关系。结果表明，仔猪断奶后的第8天，仔猪血清中抗大豆球蛋白和β-球蛋白抗体的浓度与肠道致病性大肠杆菌数量呈正相关系，仔猪出现腹泻等症状，严重者可导致仔猪死亡。大豆球蛋白引起的免疫主要在肠道，能控制肠道黏膜损伤与修复和转运通道基因的表达，改变了肠道结构组织的形态，造成肠绒毛脱落，引起断奶仔猪肠道黏膜细胞的过敏反应和腹泻，进而影响仔猪的消化性能。

2 发酵豆粕的特性

2.1 发酵后豆粕中抗营养因子的去除效果

发酵是食品加工和保存的最古老形式之一，具有改善原始大豆产品营养和功能特性的能力。一些研究[2-12]也证实了发酵过程中豆粕的抗营养因子和过敏性化合物能被降解，从而也为利用豆粕找到了新的使用方式。据研究发现，豆粕发酵之后，可将其中胰蛋白酶抑制因子从2.6 mg/g消除为零，几乎完全消除了植酸盐和蛋白类抗营养因子，增加了豆粕中磷和氮的生物利用度，使豆粕成为优质蛋白质的来源[13]。豆粕发酵后也能减少其中的水苏糖和棉子糖的含量，豆粕中含有约52 g/kg的棉子糖、11 g/kg的棉子糖和78 g/kg的蔗糖，而发酵豆粕中都不含有，可能是因为发酵过程中微生物产生的α-半乳糖苷酶促使了碳水化合物的分解[14]。李莹等[15]研究发现，与豆粕样品比较,发酵豆粕中粗蛋白质和酸溶蛋白质的平均含量分别升高了7%和2.69%,大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白的平均含量降低了67%和62%。郑环宇等[16]用黑曲霉、酿酒酵母菌、枯草芽孢杆菌、植物乳酸杆菌组合菌种进行固态发酵豆粕，结果发现其粗蛋白质比原豆粕增加了24.36%；抗原蛋白7S球蛋白亚基和11S酸性亚基大部分被降解；胰蛋白酶抑制因子含量由16.91 mg/g降到0.20 mg/g,抗原蛋白大部分被降解,营养价值也得到了很大改善。

豆粕在发酵过程中不仅提高了游离氨基酸、小肽和粗蛋白质含量，而且通过降解大豆抗原和低聚糖等抗营养物质(如表1)从而提高了饲料在肠道中的可接受性[17]。蛋白质和脂肪含量的增加可能部分归因于发酵过程中碳水化合物含量的减少。随着长链蛋白质被分解，发酵也显著增加了豆粕中的小肽(<15 ku)数量。

表1 不同菌种的发酵效果

2.2 发酵豆粕的有益活性物质

虽然发酵豆粕的粗蛋白质比豆粕多了约10%，但发酵不影响必需氨基酸浓度，部分条件下必需氨基酸的含量还会有所改善，同时增加了甘氨酸、谷氨酰胺和天冬氨酸的浓度。氨基酸浓度的增加以及发酵豆粕氨基酸谱的变化可能归因于豆粕发酵过程中发生的微生物代谢及微生物自身的营养活性。发酵后某些氨基酸如组氨酸、丝氨酸、缬氨酸和赖氨酸浓度的增加与抗氧化性能的增加有关。发酵豆粕中的异黄酮和酚类化合物(酚酸和黄烷酚)的浓度也在发酵后显著增加，其中的游离氨基酸和肽能与酚类化合物协同负责机体的抗氧化机制，从而增加了动物的抗氧化性和金属螯合活性[18]。

Jin等[20]使用唾液乳酸杆菌、枯草芽孢杆菌和酿酒酵母3种混合菌种发酵豆粕后，应用16SrRNA测序技术分析发酵豆粕中的菌群结构和代谢物分布，发现其中的优势菌种是肠球菌，而不是添加益生菌物种。发酵后，乳酸含量增加，总挥发性脂肪酸含量降低。进一步的代谢组学分析表明，发酵可以富集马来酸、苯乙酸、乙酯亚油酸、二离子亚麻酸和l-茶碱，这些代谢物具有良好的抗菌活性。有研究发现，用枯草芽孢杆菌发酵大豆，能检测出对细菌和真菌有活性的抗菌化合物(蛋白质、酶、脂肪肽、细菌素等)[21]。这些抗菌化合物对许多病原体起作用，如弯曲杆菌、肉毒杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和假单胞菌。发酵大豆的液体由低分子肽组成，脂质由γ-d-聚谷氨酸和左果聚糖组成，这些物质能破坏有害酵母和致病性革兰氏阳性和革兰氏阴性菌的生长[22]。

总之，微生物的添加丰富了一些具有抗菌活性的小分子化合物，并抑制了发酵饲料中的潜在病原体。发酵饲料中的综合细菌种群和代谢物谱尚不清楚，这可能对发酵饲料质量的稳定性和动物肠道健康产生显着影响。需要注意的是，当发酵豆粕干燥后，一些有益的活性成分会消失，特别是益生菌。研究表明，用发酵液体饲料喂养的猪相比固态饲料具有更好的生长性能，并可减少肠道病原体[23]。

3 发酵豆粕的菌种选择

豆粕发酵能用到的菌种有很多种，在现实生产中还处于不断发掘和丰富的过程中，目前大致可分为4大类，包括乳酸杆菌类、酵母菌类、芽孢杆菌类和丝状真菌类[24]。在不同的发酵条件下，不同菌种的代谢产物和营养功能也不相同，所以发酵出的产品质量也不相同。豆粕在发酵生产中，菌种的采用、发酵条件参数的设置和最后干燥的方法是影响发酵豆粕品质的主要因素。

3.1 乳酸菌

乳酸菌是一类能使葡萄糖或乳糖分解成乳酸的细菌统称。乳酸菌绝大多数都是厌氧菌或兼性厌氧的异养菌，是人和动物消化道内栖居的重要菌群，在维持肠道菌群平衡中起重要作用[25]。用乳酸菌发酵豆粕会使豆粕中的蛋白质水解，增加游离氨基酸的释放，由此产生的发酵豆粕中总的游离氨基酸含量显著高于豆粕，其中组氨酸、苏氨酸、蛋氨酸和苯丙氨酸的含量没有变化，而亮氨酸、异亮氨酸、天冬氨酸和脯氨酸在发酵后有所增加[26-27]。采用乳酸菌发酵后的豆粕能改善饲料风味，提高发酵饲料适口性，从而有助于提高采食量。同时，乳酸菌发酵的豆粕中有着大量乳酸菌及其代谢产物。Yeung等[28]研究发现乳酸菌的代谢产物可以减轻由沙门氏菌脂多糖引起的肠道上皮细胞的屏障破坏，显示出有抗炎作用，还能提高机体特异性免疫水平，通过加强宿主对有害菌非特异性免疫来提高机体抗病力。

3.2 芽孢杆菌

枯草芽孢杆菌本身的蛋白质含量很高，自身可产生蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶等多种活性较高的酶，消化水解豆粕中的大分子抗营养因子。此外，芽孢杆菌菌种具有不易致死的芽孢，可以以活菌的状态进入动物的消化系统，占据肠道微生物生存环境，进而抑制有害菌的生长繁殖。以枯草芽孢杆菌类、酵母菌类、乳酸菌类为主的3种单独菌种发酵的豆粕，其中接种芽孢杆菌类微生物的发酵豆粕中小分子蛋白质和小肽数量最多，发酵程度最好，具有更高的蛋白质含量和更低的胰蛋白酶抑制因子含量，但容易发生霉菌超标风险[29]。Zheng等[30]使用芽孢杆菌进行豆粕发酵，大豆球蛋白、β-伴大豆球蛋白和胰蛋白酶抑制剂等主要抗营养因子降低了86%、70.3%和95%，同时体外消化吸收率显著增加，发酵豆粕蛋白质的扫描电子显微镜图像显示，豆粕蛋白质中β构象减少了43.2%，大豆原始结构遭到破坏。当枯草芽孢杆菌发酵时，小肽浓度随精氨酸、丝氨酸、苏氨酸、天冬氨酸、丙氨酸和甘氨酸含量的增加而增加，但脯氨酸含量有所降低[31]。

3.3 酵母菌

酵母是一种球状或椭球状的单细胞，以芽殖或裂殖方式繁殖的真核微生物，能将糖发酵成酒精和二氧化碳，是一种异养兼性厌氧微生物，在有氧和无氧条件下都能够存活，是一种天然发酵剂。酵母菌的自身菌体蛋白质含量为35%～70%，但因菌种、培养环境不同而有很大不同。酵母菌本身含有大量的B族维生素，可以利用尿素、硫酸铵等非蛋白质氮源，只要机体能有效利用酵母，就可以将酵母菌作为天然维生素B的补充剂。王学东等[32]研究发现，在饲粮中添加一定量的活性干酵母具有提高哺乳母猪采食量、提高仔猪断奶活率及改善母猪胃内菌群结构的作用。陈京华[33]在豆粕中添加产朊假丝酵母菌进行发酵，发酵豆粕中的粗蛋白质含量比原来增加了12.4%，游离氨基酸大量增加，胰蛋白酶抑制因子的降解率为51.3%，植酸的降解率达到了52%，显著降解了豆粕中的抗营养物质。

3.4 丝状真菌

在发酵豆粕中常使用的发酵菌株有黑曲霉、米曲霉2种丝状真菌。Hong等[34]利用曲霉菌发酵豆粕后，发现必需氨基酸数量没有减少，而且大分子蛋白质完全降解了，只剩下小分子蛋白质和小肽，显著提高了饲料的营养价值。由于曲霉菌能够产生半纤维素酶、水解酶、果胶酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和鞣酸酶等，且曲霉菌分泌的酸性蛋白酶主要是端肽酶，其功能是从大豆蛋白肽链的末端开始水解，特异性酶切使大分子蛋白质被分解为小肽[35]。因此它是发酵饲料中使用最多的菌种。在最新的饲料添加剂微生物目录中丝状真菌仅黑曲霉和米曲霉作为安全菌株可以添加到饲料中应用，所以单独研究丝状真菌在发酵饲料中使用的实验较少，丝状真菌在发酵豆粕中的功能主要集中在辅助豆粕分解上，对丝状真菌在发酵饲料开发上还需深入研究。

大分子大豆蛋白水解是去除豆粕中蛋白质类抗营养因子和提高大豆蛋白质利用率的重要基础,不同微生物对豆粕蛋白质有着不同的水解能力。这些影响可以归因于发酵过程本身及发酵条件，发酵生物的选择对最终发酵豆粕的营养价值也有深远的影响，因为不同的菌株具有不同的酶系统[37]。在实际生产中，一般使用复合多菌种进行发酵。豆粕的发酵是一个复杂的过程，受温度、豆粕、菌种类型、菌种搭配比例等多方面因素影响，发酵的微生物类型是决定发酵豆粕中各种营养成分水平的主要因素之一。

4 发酵豆粕在断奶仔猪中的应用

4.1 改善肠道形态和健康

断奶仔猪消化饲料的能力非常有限，免疫系统在5或6周之前还没有发育完全。断奶应激会破坏仔猪的肠道菌群和形态，导致病原菌感染、促炎反应和断奶后腹泻。Lin等[38]用发酵豆粕代替大豆蛋白饲喂仔猪可以显著提高养分消化率、粪便中酶的活性和乳酸杆菌数量，降低了粪便大肠杆菌数量。研究发现仔猪断奶后肠道乳酸菌下降，肠道菌群发生改变，优势菌群大量减少而有害菌增加可能是造成仔猪断奶发生应激腹泻的重要原因[39]。Feng等[13]用24.5%的发酵豆粕饲喂仔猪发现，发酵豆粕组可显著升高小肠各肠段的绒毛高度，增加十二指肠隐窝深度。Wang等[40]用ETEC攻击断奶仔猪，然后饲喂发酵豆粕，发现发酵豆粕组中的益生菌和有机酸可以通过抑制ETECk88增殖和减少肠毒素释放来调节促炎细胞因子IL-6、IL-1的合成，减轻ETECk88诱导的炎症。Zhang等[41]研究表明发酵豆粕组能增加仔猪空肠和回肠中黏蛋白和紧密连接蛋白基因的表达，从而增强了上皮屏障功能，抑制炎症来改善小肠健康。Mack等[42]发现乳酸菌可以通过提高肠道黏蛋白MUC2、MUC3基因的表达来增加肠道黏蛋白，从而抑制致病菌在肠道中粘附。两者研究结果一致，说明发酵豆粕可以调节肠道相关基因的表达来增加肠道的免疫功能。

4.2 平衡肠道微生态

仔猪在断奶之后，肠道菌群会有明显改变，之前从母乳中获得的乳酸杆菌、双歧杆菌等有益菌群会出现大幅度的降低[43]。大豆发酵蛋白质具有促进乳酸菌的增长和抑制大肠杆菌的作用[44]。已经有大量实验证明，益生元、益生菌和发酵饲料可降低断奶仔猪肠道有害菌的数量，并增加肠道菌群的多样性，调节肠道菌群结构，增加肠道中厚壁菌门、乳酸菌科和乳酸菌属等有益菌的相对丰度[44-46]。Zhu等[47]发现饲喂发酵豆粕的断奶仔猪，粪便中放线菌和变形杆菌以及结肠中的厚壁菌门和柔膜菌菌门的数量明显增加，乳酸杆菌、布氏杆菌和梭状芽孢杆菌水平与仔猪日平均采食量的增加有关，乳酸杆菌和厚壁菌门也与IgM水平呈正相关，淋巴细胞水平随着梭状芽孢杆菌增加也有所提升。

综合来看，当发酵豆粕中的乳酸菌、芽孢杆菌、酵母菌等有益菌和乳酸、小肽、游离氨基酸等生物活性物质(寡糖、多肽及促生长因子等)进入肠道后,改变了肠道菌群生存环境和pH值,抑制了大肠杆菌、沙门氏菌等有害菌落的繁殖,促进了肠道有益菌的生长,降低了肠道炎症发生的可能性，减弱了肠道应激免疫，是发酵豆粕调节肠道健康的最主要方式。

4.3 对仔猪血液生化指标和免疫力的影响

检测血液指标可以更好地表明发酵豆粕影响仔猪哪些指标，通过影响哪些机制而提高仔猪的生长性能和肠道健康。Zhu等[48]用植物乳酸杆菌、酵母菌和枯草杆菌发酵的豆粕饲喂仔猪，发现血液中的白细胞、淋巴细胞、IgA和IgM的水平分别增加了14.32%、49.57%、69.7%和54.8%，仔猪空肠和回肠中的自噬因子LC3B水平呈下降趋势。LC3B的表达降低可能意味着发酵豆粕对肠道的刺激减少，营养供应增加。淋巴细胞增殖是动物免疫反应中的一个重要阶段，增殖反应是抗原特异性。刘欣等[49]分别用豆粕和发酵豆粕两组饲喂仔猪，采集肠系膜淋巴结和胸腺，分析发现肠系膜淋巴结系数提高了2.08%，血液中IgG降低了21.43%，仔猪注射刀豆素和脂多糖后，刺激指数SI分别下降了63.74%和47.67%。发酵豆粕中抗营养因子和抗原减少，对机体免疫系统的刺激也随之减少，仔猪的免疫器官也能更好地发育。血清中抗体减少，说明饲料中抗营养因子较少，仔猪产生的应激免疫反应水平降低，但二者血清中抗体结果却相反，前者抗体出现增高可能与发酵豆粕使用菌种和发酵程度有关。豆粕发酵后，成分变化复杂，影响机体方式及具体哪些物质对机体产生影响等相关问题尚待明确。

4.4 提高生长性能

由于仔猪断奶之后消化系统发育不完全、肠道菌群没有完全建立、环境发生改变等原因会引起仔猪发生腹泻和断奶应激，其中以营养性应激最为激烈和影响巨大[50]。Jones等[51]用曲霉菌发酵豆粕饲喂断奶仔猪，与豆粕组相比，发酵豆粕组提高了仔猪日增重和日采食量，降低了料重。Song等[12]用曲霉菌发酵的豆粕饲喂断奶仔猪，与豆粕组相比，腹泻率明显降低了(P<0.001)，并且仔猪的血液血清对β-伴大豆球蛋白的α和α'亚基以及大豆球蛋白的酸性亚基的免疫反应性降低。单妹等[52]用二元杂种临产母猪共64头为研究对象，饲喂含6%发酵豆粕的饲粮，结果发现发酵豆粕能改善哺乳母猪的泌乳性能，提高哺乳期仔猪断奶重及日增重。发酵豆粕能显著提高断奶仔猪的生长性能，可能是由于提高了仔猪肠道的相关营养物质转运体基因表达量，从而显著提高了肽、氨基酸和水分的吸收[53]。发酵豆粕和鱼粉相比，消化能、代谢能、氨基酸回肠末端消化率没有显著差异,在断奶仔猪中使用,可以提高仔猪生长性能和干物质全肠道表观消化率,缓解仔猪腹泻，肠道菌群有所改善，在生产中甚至可以代替鱼粉蛋白[54]。

4.5 减少氮磷的排放，改善猪舍环境质量

随着畜禽行业集约化的快速发展，氮、磷和重金属产生的速度远远大于自然净化的速度，同时大气颗粒物(PM)和氨气也成为了养殖业的一大难题，不仅对动物机体损害很大，而且严重污染环境和造成饲料蛋白资源的浪费[55]。在猪生产中所释放出的氮大多是以尿素和粪氮排出体外,舍内氨气主要来源于猪粪与尿液混合后，粪便中的微生物脲酶催化尿液中尿素产生的，而饲料中没有被吸收的多余蛋白质则以粪氮的形式排出体外，占粪尿总代谢氮的20%～40%[56]。

有研究表明，饲喂的日粮类型对猪舍内氨气的浓度有着很大的影响，要想减轻氨气的释放量主要还要从日粮类型入手[57]。cheng等[58]研究发现，新鲜的发酵豆粕通过增加肠道微生物固氮作用，增加了血清中TP的浓度，减少了BUN的含量，使尿素更多地从血液转移到粪便中，从而降低了肠道pH值，低pH值抑制了NH4+向NH3的转化，粪便中氨氮含量较高,从而降低了猪舍中NH3、PM10和PM2.5的浓度，表明新鲜发酵豆粕的使用可提高仔猪对日粮氮的吸收利用，而且有降低氮排泄以及降低畜舍氨气和颗粒物浓度的作用。张益焘[59]通过箱式堆肥试验发现，饲喂湿、干发酵豆粕的日粮1周后，相比对照组氨气的排放量减少了23.53%和13.26%。Zhu等[48]在仔猪的饲粮中分别添加了5%、10%和15%的发酵豆粕，3组血清尿素氮含量都降低了20%，表明发酵过程改变了饲料中的氮在机体内的分布。Hirabayashi等[60]研究发现，用米曲霉发酵的豆粕几乎完全降解了豆粕中的植酸磷，提高了豆粕中磷在肠道中的利用度。以豆粕为基础的发酵饲料不需要额外补充无机磷，从而显著减少了磷的排泄。可能是由于发酵豆粕改变了肠道菌群，促进了消化吸收酶的分泌，参与了氮磷的代谢，从而降低了养猪场和粪便中的氨的浓度，改善了喂养环境。

5 总结

随着养殖和饲料行业的快速发展，养殖行业禁抗的政策颁布，发酵豆粕作为一种新型饲料，有着独特的优势。发酵豆粕不添加抗生素，抗营养因子低，又富含益生菌、益生素、小肽等能改善肠道健康的营养物质，而且可以代替动物蛋白质，同时相对动物性蛋白质饲料，价格较低，是养殖户的绝佳选择。但也存在几点问题：其一，当前发酵豆粕在畜禽中的应用研究很多，但作用机制和基础研究还不够深入。其二，我国目前益生菌发酵饲料的相关法律法规需要进一步完善，引导发酵饲料行业向健康方向发展。其三，市场上发酵豆粕差异很大，品种多质量又不同，发酵豆粕的制备缺乏统一标准，这一切都有待今后完善。其四，当前发酵豆粕没有一种最优菌种组合，不能确定使用的菌种和菌种比例，这需要进一步研究和观察，若能确定最佳组合和比例并且符合畜禽实际生产，对发酵饲料来说将会迎来新的市场。生物发酵饲料不仅符合人们日益增长的健康需要，而且符合我国所倡导的绿色、环保可持续发展的政策理念，在替代抗生素方面也有突出优势，相信发酵饲料在以后会拥有非常大的潜力。