菌酶协同发酵非常规蛋白原料在畜禽养殖中的应用研究进展

张永胜， 周晓舟， 张遨然， 周桂莲， 李 勇，3，闫亚婷， 黄金发，3， 李 鑫，3， 王向荣*

（1.潍坊新希望六和饲料科技有限公司，山东潍坊 261100；2.新希望六和饲料股份有限公司，山东青岛 266100；3.山东新希望六和集团有限公司，山东青岛 266100）

为扩大蛋白饲料来源，提高非常规蛋白原料利用率，2021年4月农业农村部发布了《猪鸡饲料玉米豆粕减量替代技术方案》，以菜籽粕、棉籽粕、花生粕等非常规蛋白原料替代豆粕，保证原料有效供给。非常规蛋白原料的开发应用是近几年研究热点之一，生物发酵、酶解是高效利用非常规蛋白原料的方法。非常规蛋白原料中抗营养因子含量高、氨基酸不平衡，经过发酵、酶解处理可提高动物的饲料消化率、降低原料中抗营养因子含量，从而提高饲料营养利用价值、改善动物生长性能、降低生产成本（Shi等，2015）。但国内外研究人员常采用豆粕为发酵基质，对以非常规蛋白原料为基质的发酵技术，特别是菌酶协同发酵技术研究相对较少。菌酶协同发酵是饲料原料发酵过程中额外添加酶制剂或饲料原料酶解过程中加入一定量的益生菌进行发酵；菌酶协同发酵可弥补单独利用益生菌发酵产酶不足的缺点，同时酶制剂的添加可提高在发酵过程中益生菌对饲料原料大分子物质的利用率；将大分子蛋白质降解成具有特殊生理功能的小肽物质，提高蛋白质消化率，进而提高菌酶协同发酵饲料品质（Li等，2021）。研究表明，菌酶发酵菜籽粕有助于提高粗蛋白质、脂肪、粗纤维的消化率，改善动物肠道微生物群，减少抗营养物质，有利于动物健康（Olukomaiya等，2021；Grela等，2019）。因此，菌酶协同发酵对于非常规蛋白原料开发应用具有重要意义。

1 饲料蛋白原料的现状

随着养殖业规模化、集约化发展，我国蛋白饲料资源无法满足畜禽生产实际需求量。优质常规蛋白原料严重匮乏，如大豆、鱼粉等，其中大豆80%依靠进口。每年从国外进口大量饲料蛋白原料，2019年我国大豆进口量8851万t，约为产量的4倍，2021年1～11月份我国大豆进口量8765万t；同时2017-2019年我国鱼粉进口量保持较高水平，2019年我国鱼粉进口量142万t，约为产量的2倍，2021年1～10月份我国进口鱼粉数量1581703 t，同比增长27.56%（饲料行业信息网，2021）。由此可见我国大豆、鱼粉供求关系紧张，对常规蛋白饲料原料进口存在依赖性。因此，充分利用好蛋白饲料资源，提高非常规蛋白饲料原料利用率是我国发展畜牧业的重要任务（Kim等，2019）。我国拥有丰富的非常规蛋白原料资源，如菜籽粕、棉籽粕、花生粕等，菜籽粕年产量约900万t，棉籽粕约500万t，花生粕约370万t。菜籽粕粗蛋白质含量约36%，蛋氨酸含量高，普通菜籽粕可替代40%豆粕，双低菜籽粕替代量可达到60%以上；棉仁完全脱壳制成的棉籽粕粗蛋白质含量达40%以上，优质棉籽粕可作为生猪饲料中良好的蛋白原料来源替代50%豆粕；花生粕营养价值较高，粗蛋白质含量高达48%以上，接近于豆粕，其代谢能是粕类饲料原料中最高的，但花生粕在生猪饲料中用量较低一般不超过10%（薛俊敬等，2019）。我国非常规蛋白原料市场广阔，利用非常规蛋白原料替代常规蛋白原料豆粕、鱼粉，可解决蛋白资源利用率低的问题，降低大豆、鱼粉进口的依赖性，在一定程度上缓解蛋白饲料原料匮乏的问题，提高我国畜牧业生产效率，促进其健康可持续发展。

2 非常规蛋白原料应用存在的问题

2.1 抗营养因子含量高 我国非常规蛋白原料资源丰富，但其利用率极低；原因在于非常规蛋白原料中含有大量的抗营养因子，无法直接利用。菜籽粕含有大量的硫苷、单宁、植酸等抗营养成分，严重影响其利用率，限制了其在饲料中的添加量和适用范围；抑制动物生长（Danwitza等，2020；Khajali等，2012）。棉籽粕中含有大量的游离棉酚，因其毒性限制棉籽粕的有效使用；研究表明，棉酚可与蛋白质中的赖氨酸相结合，导致赖氨酸利用率降低，从而降低棉籽粕的营养价值（Henry等，2001）。花生粕易感染黄曲霉菌产生黄曲霉毒素，花生粕还含有多种抗营养成分如植物性血球凝集素、胰蛋白酶抑制因子、植酸等，其中植酸为最主要抗营养因子，含量约为1.5%；植酸与酶的碱性氨基酸残基结合，会抑制代谢酶活，影响机体对蛋白质的消化吸收（Sun等，2021；Zouaoui等，2018）。

消除原料中抗营养因子的影响可提高饲料利用价值；常用方法有加热法、机械加工法、化学添加剂法、酶制剂法和生物发酵法等。物理、化学方法可降低抗营养因子含量，同时也导致了饲料原料中有效营养成分流失。生物发酵法能有效降低抗营养因子含量，兼具处理效率高、无试剂残留、应用安全、营养物质流失少等优点，在实际畜禽生产中被广泛使用（邓雪娟等，2019）。

2.2 适口性差 非常规蛋白原料引起适口性差的主要原因是抗营养因子和毒性成分。菜籽粕的主要抗营养因子硫苷，在芥子酶的作用下分解产生异硫氰酸酯、恶唑烷硫酮等有毒物质，严重影响动物适口性和菜籽粕的利用率（Reungoat等，2021）。研究表明，长期过量使用菜籽粕会引起动物甲状腺肿大、采食量下降、生长抑制（Fu等，2021）。非常规蛋白原料中的抗营养因子植酸也会造成适口性差，而单胃动物缺乏植酸酶，无法水解植酸。添加植酸酶将植酸中的磷酸碱基水解，破坏植酸对钙磷等矿物质元素的亲和性，可提高机体对于矿物质元素的吸收，增加采食量（郭文文等，2015）。通过菌酶协同发酵技术，可有效降低非常规蛋白原料中的抗营养因子含量，改善饲料适口性，提高动物生产性能。

2.3 氨基酸组成不平衡 非常规蛋白原料氨基酸组成不平衡，菜籽粕蛋氨酸含量高，赖氨酸、精氨酸含量相对较低；棉籽粕精氨酸含量高于豆粕，但赖氨酸含量远低于豆粕；花生粕精氨酸含量高，但缺乏蛋氨酸、赖氨酸和色氨酸（Duodu等，2018）。益生菌和酶制剂均衡使用，其互作效应可解决非常规蛋白因氨基酸不平衡导致利用率低的问题（姚妙爱，2006）。Boroojeni等（2017）研究报道，蛋白饲料原料通过菌酶协同发酵可提高标准回肠氨基酸消化率和蛋白饲料原料的利用率。在饼粕类饲料原料中添加产蛋白酶的菌种或外源添加蛋白酶制剂协同发酵可分解原料中的大分子蛋白质，产生特定功能小肽和氨基酸，使之平衡并提高蛋白质的消化率（Kim等，2019；王诗琦等，2019）。

3 菌酶协同发酵的应用研究

3.1 菌酶协同发酵的作用 菌酶协同发酵以酶制剂和益生菌有效结合互作发酵，高效协同发挥降解饲料原料、提高营养物质包括大分子蛋白质、氨基酸、矿物质元素、特定功能性小肽等含量的作用；同时，具有改善饲料品质，提高适口性，促进动物机体对营养物质的消化吸收等功能。菌酶协同发酵能降低抗营养因子含量，提高动物生长性能和免疫力，促进肠道健康。研究表明，日粮中添加纤维素酶可显著降低大肠杆菌数量，同时显著增加乳酸杆菌数量，减少肠道疾病和降低腹泻率（Long等，2020）。纤维素酶水解饲料原料中的纤维素产生单糖能为菌体合成蛋白提供能量。Li等（2020）研究发现，芽孢杆菌在发酵过程中利用基质产生纤维素酶，破坏细胞壁中主要成分纤维素，使营养物质从原料中释放出来，有利于动物机体对营养物质的消化利用。菌酶协同发酵能改变饲料的物理性状，益生菌在发酵过程中生长繁殖并分泌出一定量的胞外酶，胞外酶产生的醇、酯等物质可以改善饲料品质、提高适口性。饲料原料通过微生物发酵将抗营养因子和有毒成分进行降解或转化，有效降低了抗营养因子对动物机体的不良影响，从而提高饲料原料品质。

3.2 菌酶协同发酵的工艺研究 饲料原料的菌酶协同发酵技术一般采用一次固态发酵工艺，即发酵基质中同时添加菌种和酶处理，酶将非淀粉多糖水解为单糖，为菌种生长提供能量，而菌种生长繁殖中分泌大量酶类降解饲料原料中的蛋白质、纤维等物质，同时将粗蛋白质转化为菌体蛋白，使机体对营养物质更容易吸收利用（Heng等，2022；Zhang等，2020）。在充分研究菌种和酶协同发酵的反应条件下，获得比单一酶制剂或益生菌发酵更好的效果。帖余等（2019）研究报道，通过黑曲霉发酵和酶解二次法处理菜籽粕，利用发酵过程中产生的多种酶进一步降解菜籽粕中抗营养因子，结果表明相比一次发酵，硫苷和植酸含量分别降低了33.20%和96.18%。石慧等（2011）以枯草芽孢杆菌好氧发酵作为前发酵，乳酸菌及酵母菌厌氧发酵作为后发酵对豆粕进行二次发酵，结果表明二次发酵豆粕中抗原蛋白的降解率大于一次发酵。二次发酵工艺是在基质中分别添加菌种、酶处理或混菌依次发酵，其优点在于考虑到不同菌种和酶的生长环境和发酵参数，为菌种、酶分别创造最佳反应条件，饲料原料中抗营养因子降解效果优于一次发酵，但二次发酵的工艺更加复杂、发酵参数差异大，对发酵设备要求极高，生产成本相较于一次发酵更高，因此对于实际生产而言，一次发酵更具有实用性。采用固态发酵工艺较液态发酵更具优势，原因在于液态发酵在过程中易感染杂菌且后期会出现代谢产物抑制现象，而固态发酵终产物浓度高、发酵时间短、代谢产物抑制效果小（Yusuf等，2021）。研究表明，发酵时间60 h、温度32℃、水分50%条件下棉籽粕游离棉酚含量显著降低（P＜0.05），粗蛋白质含量显著增加（P＜0.05），发酵时间60 h、温度28℃、水分50%条件下菜籽粕硫代葡萄糖苷含量显著降低（P＜0.05）（Lan等，2020）。但不同菌种和酶一次固态发酵的工艺参数差别较大，发酵工艺参数包括：菌种特性、菌种数量、发酵温度、发酵初始pH、料水比、发酵时间、菌株接种量、酶的种类及添加剂量等，合理的工艺参数才能获得较好的发酵效果。

3.3 菌酶协同发酵非常规蛋白原料的研究进展针对菜籽粕、棉籽粕和花生粕等非常规蛋白原料采用菌酶协同发酵技术值得探讨，菌酶协同发酵能降低原料中抗营养因子含量，提高其利用率。张昆（2012）以棉籽粕、菜籽粕及麸皮为发酵基质，添加混合菌种（枯草芽孢杆菌、啤酒酵母、乳酸杆菌）、150 U/g纤维素酶、200 U/g蛋白酶，在含水量45%、温度35℃条件下发酵48 h建立最佳发酵工艺，结果表明游离棉酚脱毒率73.75%，硫苷降解率62.7%，小肽含量比发酵前提高1.84倍，赖氨酸含量提高49.6%。杨家帅（2010）将枯草芽孢杆菌、蜡质芽孢杆菌、干酪乳杆菌三菌组合和中性蛋白酶协同发酵菜籽粕，发酵工艺参数：三菌接种量分别为1%、2%、3%，酶添加量200 U/g，料水比1：0.9，发酵温度35℃，发酵时间48 h；与原菜籽粕相比小肽含量由56.21 mg/g提高到170.12 mg/g，粗蛋白质含量由40.52%提高到41.30%，硫苷含量由27.61 μmol/g降 低 到8.33 μmol/g。Zhu等（2021）以菜籽粕作为底物，加入10 FPU/g纤维素酶和10 U/g果胶酶在体外39℃发酵28 h后，再用3种乳酸杆菌1：1：1比例39℃接种培养48 h，结果发现试验组硫代葡萄苷含量显著低于不做处理的对照组（P＜0.05），降低了62%，同时提高了菜籽粕的干物质和粗蛋白质利用率，酶解增强了乳酸菌的发酵特性。菌酶协同发酵在一定程度上有效降低了棉籽粕、菜籽粕抗营养因子棉酚、硫苷含量，提高了棉籽粕、菜籽粕小肽含量，改善了棉籽粕、菜籽粕的营养价值。

3.4 菌酶协同发酵饲料在畜牧养殖中的应用Ashayerizadeh等（2018）发现肉鸡日粮中添加50%和100%发酵菜籽粕与传统豆粕日粮相比，日增重和饲料转化率显著提高，肌肉中胆固醇和丙二醛浓度降低，说明发酵菜籽粕替代豆粕能提高肉鸡的生长性能、抗氧化性能和肉品质。发酵菜籽粕还能提高动物机体免疫力，增加肉鸡肠道乳酸菌种群，降低沙门氏菌对器官的损伤，显著降低异粒细胞与淋巴细胞的比率 （Ashayerizadeh等，2017）。Zhang等（2017）研究表明，饲喂发酵豆粕的仔猪平均日增重和采食量显著高于抗生素组，发酵豆粕组空肠和回肠中促炎因子mRNA表达量降低，菌酶协同发酵饲料能降低仔猪的炎症，提高仔猪生长性能。Grela等（2019）在日粮中添加4%～9%的发酵菜籽粕替代豆粕可显著改善母猪生产性能，增加28日龄的窝产仔数和窝重，同时有助于提高粗蛋白质、脂肪和粗纤维消化率，对母猪的肠道菌群产生积极影响。发酵菜籽粕是减少抗营养物质和增加饲料中乳酸水平的有效方法，可降低腹泻的严重程度和死亡率，从而改善仔猪的生长性能。冯江鑫等（2020）研究发现，添加发酵豆粕日粮的仔猪干物质、粗蛋白质、粗脂肪、粗灰分、总能、总磷的消化率显著提高，仔猪十二指肠绒毛高度/隐窝深度和回肠绒毛高度显著提高，空肠封闭蛋白-1（CLDN-1）、闭合小环蛋白-1（ZO-1）和回肠密闭蛋白（OLCN）基因mRNA相对表达量显著提高，菌酶协同发酵饲粮可提高营养物质的消化率，改善肠道健康，降低腹泻率，从而提高仔猪的生长性能，且效果相当于或优于添加金霉素饲粮。

4 小结

菌酶协同发酵是一个复杂的细菌微生物生命活动与酶共同参与的生物化学反应过程，针对非常规蛋白原料建立的菌酶协同发酵技术尚不完善，国内外研究报道较少；但相对于传统豆粕发酵而言，菌酶协同发酵非常规蛋白原料更具有研究前景。目前，菌酶发酵作用机理尚不明确，国内外研究人员对菌种的形态、生长特性、生物学功能；酶的分子结构、酶活特性及功能有深入研究，但酶与菌种之间互作效应、菌酶协同发酵与动物机体之间作用的机理研究较少。菌酶协同发酵可提高动物生长性能、免疫力等，促进肠道健康，其效果优于单一微生物发酵或酶制剂发酵，随着科研人员对菌酶协同发酵技术不断探索，未来会出现更多的菌酶协同发酵非常规蛋白饲料原料的组合产品，这对缓解我国优质蛋白资源匮乏，提高非常规蛋白原料利用率有着深远意义。