王 劍，曹云鶴，陸文清，王春林

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，動物營養(yǎng)學(xué)國家重點實驗室，北京 100193）

發(fā)酵飼料工藝技術(shù)的影響因素

王 劍，曹云鶴，陸文清，王春林*

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，動物營養(yǎng)學(xué)國家重點實驗室，北京 100193）

近年來，發(fā)酵飼料在豬飼料與飼養(yǎng)中的應(yīng)用越來越普遍。發(fā)酵飼料對于提高飼料利用率、改善飼料適口性、抑制抗?fàn)I養(yǎng)因子以及促進(jìn)機體健康都有重要意義。為實現(xiàn)發(fā)酵技術(shù)在飼料產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步廣泛應(yīng)用，發(fā)酵飼料的關(guān)鍵工藝技術(shù)仍需進(jìn)行優(yōu)化。文內(nèi)就發(fā)酵過程中的溫度、pH、水分含量、發(fā)酵時間和接種量等重要參數(shù)進(jìn)行討論，探討相關(guān)參數(shù)對發(fā)酵效率以及發(fā)酵產(chǎn)量的影響，這將有利于實現(xiàn)發(fā)酵飼料工藝體系的逐步完善。

發(fā)酵飼料；發(fā)酵參數(shù)；條件優(yōu)化

近年來，隨著人們生活水平以及消費水準(zhǔn)的提高，肉類產(chǎn)品的質(zhì)量及產(chǎn)量問題引起人們的廣泛關(guān)注。肉類產(chǎn)品的質(zhì)量安全，以及由于人均耕地面積減少所引起的人畜爭糧而導(dǎo)致的肉類產(chǎn)品供應(yīng)緊張等問題都亟需解決。因此充分有效地開發(fā)利用各種可利用的資源作為飼料原料，優(yōu)化飼料的加工工藝和技術(shù)，大力發(fā)展發(fā)酵飼料已成為畜牧業(yè)的近期研究熱點，被認(rèn)為具有廣泛的發(fā)展前景，以期實現(xiàn)飼料利用率和糧食轉(zhuǎn)化率的不斷提高[1]。

發(fā)酵技術(shù)是以一定的工程技術(shù)手段，通過微生物自身的代謝活動，實現(xiàn)菌體細(xì)胞或酶的某些功能，將原料轉(zhuǎn)化為所需的產(chǎn)品[2]。發(fā)酵飼料則是利用微生物的代謝活動，通過人為控制，使飼料中各物質(zhì)的抗?fàn)I養(yǎng)成分分解轉(zhuǎn)化，從而使飼料可以更好地被動物消化、吸收、利用[3]。將發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用于飼料生產(chǎn)中，可有效地應(yīng)用某些非常規(guī)飼料原料，實現(xiàn)對常規(guī)飼料原料的有效替代，提高飼料利用率，增加其營養(yǎng)價值[4]，改善飼料的適口性以及降低飼料抗?fàn)I養(yǎng)因子的抑制作用[5]，有益于動物的腸道健康[6]，增強動物的免疫力[7]。因此，將發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用于飼料生產(chǎn)越來越普遍，發(fā)酵飼料的出現(xiàn)對于解決飼糧短缺問題、發(fā)展新型飼料具有重要意義。

在實際生產(chǎn)的過程中，發(fā)酵飼料根據(jù)其發(fā)酵方式的不同可分為液體發(fā)酵飼料和固體發(fā)酵飼料兩種。液體發(fā)酵飼料在國外飼糧生產(chǎn)中應(yīng)用較多，飼料的液體發(fā)酵是通過將水與飼料原料按一定比例混合，添加適宜的微生物，經(jīng)過一段時間的自然發(fā)酵或者人工發(fā)酵，從而形成的一種利于動物消化吸收的飼料產(chǎn)品[8]。將飼料進(jìn)行液體發(fā)酵可有效地提高飼料的生產(chǎn)效率，并且飼料進(jìn)行液體發(fā)酵后飼喂更有助于維持腸道平衡[9]。固體發(fā)酵飼料則是一種在國內(nèi)使用更為廣泛的發(fā)酵飼料。固態(tài)發(fā)酵指微生物在固態(tài)培養(yǎng)基上所進(jìn)行的一種發(fā)酵，固體發(fā)酵飼料則是飼料進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵所得到的產(chǎn)物[10]。與液體發(fā)酵飼料相比，固體發(fā)酵飼料的原料來源更廣泛，對動物消化系統(tǒng)功能的改善有重要作用[11]。

發(fā)酵技術(shù)在飼料生產(chǎn)中的普遍應(yīng)用對于提高飼糧的質(zhì)量和產(chǎn)量具有重要的意義。為了進(jìn)一步推進(jìn)發(fā)酵技術(shù)在飼料生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，使其工藝技術(shù)更為完善，須對發(fā)酵過程中的相關(guān)技術(shù)條件進(jìn)行控制和優(yōu)化。發(fā)酵體系的溫度、pH、水分含量、發(fā)酵時間、接種量等都是需要進(jìn)一步優(yōu)化的關(guān)鍵控制參數(shù)[12]。

1 溫度

將菌體在適宜的溫度范圍內(nèi)培養(yǎng)可使其進(jìn)行正常的生長代謝活動，溫度過高或者過低都可能會影響菌體正常的生長代謝活動[13]。溫度過高，可能會引起微生物過快的生長，發(fā)酵體系中的營養(yǎng)物質(zhì)被過多的消耗，使得發(fā)酵不能正常進(jìn)行。太低的溫度，則可能會引起菌體生長過慢，會導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)量降低。

已有大量的試驗對于飼料發(fā)酵過程中的溫度控制進(jìn)行探究和討論。顧斌[14]在利用枯草芽孢桿菌和白地霉復(fù)合菌種對菜籽粕進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)多肽時，發(fā)現(xiàn)過低的溫度影響枯草芽孢桿菌的正常生長，過高的溫度影響白地霉的正常生長，適宜的溫度范圍內(nèi)最有利于多肽的形成，因此確定最適溫度為32～34 ℃。王園[15]在利用復(fù)合菌對豆粕進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度為40 ℃時，所發(fā)酵的豆粕樣品中乳酸含量最高，大豆蛋白水解程度最高；而當(dāng)溫度高于40 ℃時，出現(xiàn)“燒曲”現(xiàn)象，豆粕樣品的顏色呈現(xiàn)褐色。張翠綿等[16]利用復(fù)合菌對玉米秸稈粉進(jìn)行發(fā)酵時，同樣發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，發(fā)酵體系的微生物逐漸增多，pH呈現(xiàn)下降趨勢，但當(dāng)溫度升至30 ℃以上時，菌體數(shù)有所下降，同時適宜的環(huán)境溫度也可以有效地使發(fā)酵周期縮短。李龍[17]利用復(fù)合益生菌，對以一定比例混合的菜籽粕、玉米、小麥粉和豆粕進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵時，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，乳酸菌的菌體數(shù)同樣表現(xiàn)出升高的趨勢，pH則相應(yīng)降低。與溫度較低時相比，溫度適宜時飼料的顏色、氣味、質(zhì)地更為良好，最終確定發(fā)酵適宜溫度為35 ℃。

發(fā)酵溫度會對微生物的正常生長代謝以及酶的活性產(chǎn)生影響，適宜的發(fā)酵溫度可以有效地提高發(fā)酵產(chǎn)量。因此，在飼料發(fā)酵時，需要控制體系的溫度，避免其過高或者過低。

2 pH

發(fā)酵體系的pH同樣會對發(fā)酵產(chǎn)生一定的作用[18]。在飼料進(jìn)行發(fā)酵的過程中，pH會影響酶的活性。同時，由于pH會影響某些中間代謝產(chǎn)物的解離，進(jìn)而會抑制發(fā)酵產(chǎn)物的形成[19]。

馮鎮(zhèn)等[20]在不同pH條件下培養(yǎng)乳酸球菌，發(fā)現(xiàn)控制發(fā)酵體系pH為6.0時，菌體的發(fā)酵活力表現(xiàn)為最高。湯小朋等[21]在利用黑曲霉對木薯渣進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵時，將pH控制在3～4之間，可以保證羧甲基纖維素酶的活性顯著高于其他pH處理組，且粗蛋白質(zhì)含量也同時顯著高于其他pH處理組。孫林[22]在利用微生物對菜籽粕進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵時，發(fā)現(xiàn)過低的pH抑制了各種菌體的生長，阻礙了發(fā)酵的正常進(jìn)行，最終確定該復(fù)合菌種在pH為6.0時對菜籽粕進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵效果最好。

因此，在發(fā)酵體系中適宜的pH更有利于菌體進(jìn)行正常的生長代謝，保持較高的發(fā)酵活力，使發(fā)酵高效率的進(jìn)行，從而提高發(fā)酵產(chǎn)量。

3 含水量

大量的試驗證明水分的含量同樣也是影響發(fā)酵效果的一個主要因素。水含量過低或者過高都會對發(fā)酵的正常進(jìn)行產(chǎn)生影響。

胡瑞等[23]利用優(yōu)化復(fù)合益生菌發(fā)酵豆粕時，隨著水分的含量不斷增加，發(fā)酵體系中的溫度、pH和真蛋白的含量均呈現(xiàn)遞增趨勢。林標(biāo)聲等[24]進(jìn)行常規(guī)飼料的密封發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)物料的含水量越高，則菌株生長越快，發(fā)酵效果越好。周夢佳等[25]利用乳酸桿菌對基礎(chǔ)飼料進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，研究結(jié)果表明水分過高或過低均不利于pH的降低，隨著水分的含量不斷升高，發(fā)酵飼料的干物質(zhì)回收率逐漸降低。劉強等[26]在進(jìn)行菜籽粕的發(fā)酵試驗時，隨水分含量的升高，pH逐漸下降。趙華等[27]在進(jìn)行甘薯渣的固態(tài)發(fā)酵時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水料比為1.3∶1時，發(fā)酵效果最好。

因此在發(fā)酵過程中，如果含水量過低不能滿足微生物的需求，會使微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的攝入受到抑制，微生物的生長代謝不能正常進(jìn)行。而過多的水，可能會使基質(zhì)的通透性變差，影響通氣，同樣會抑制微生物的生長，同時由于水分過多，可能會使烘干成本增高，也增加了被雜菌污染的可能性。因此在發(fā)酵過程中合理地控制水分的含量，避免過高或者過低，可以有效地保證發(fā)酵的進(jìn)行。

4 發(fā)酵時間

發(fā)酵時間指發(fā)酵從開始到結(jié)束的時間。發(fā)酵時間同樣在發(fā)酵過程中需要良好的控制，過長或者過短的發(fā)酵時間都是不可取的。

高愛琴等[28]在豆粕飼料的發(fā)酵試驗中發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵進(jìn)行至第6天后，由于豆粕中的蛋白質(zhì)、纖維素等已經(jīng)被大量降解，底物濃度下降，使得其水解速度趨于緩慢；同時由于非淀粉多糖被降解產(chǎn)生大量的酸，微生物的正常生長代謝也受到影響。張沛等[29]利用稻殼粉進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)蛋白質(zhì)飼料時，發(fā)現(xiàn)第3天到第4天時，蛋白質(zhì)含量增加的幅度最大，第5天時，蛋白質(zhì)含量達(dá)到最大值，第5天后，蛋白質(zhì)含量出現(xiàn)下降趨勢，這可能與菌種進(jìn)入衰亡期出現(xiàn)自溶現(xiàn)象有關(guān)，同時營養(yǎng)物質(zhì)的消耗可能也會抑制蛋白質(zhì)的形成。孫林等[22]在利用混合菌種對菜籽粕進(jìn)行發(fā)酵時，發(fā)酵第24～48 h為混合菌種發(fā)酵活動的最活躍時期，此后硫甙、單寧等抗?fàn)I養(yǎng)因子含量降低趨勢逐漸趨于緩慢。

在發(fā)酵過程中，發(fā)酵前期的底物飼料含有充足的微生物發(fā)酵所需營養(yǎng)物質(zhì)，微生物可以充分地利用所提供的營養(yǎng)物質(zhì)，生長旺盛，如果過早的結(jié)束發(fā)酵，會使發(fā)酵產(chǎn)量降低；但當(dāng)發(fā)酵時間過長，發(fā)酵體系中的大部分營養(yǎng)被消耗，使得微生物的生長速度趨于緩慢，微生物還可能出現(xiàn)自噬現(xiàn)象，發(fā)酵成本也因此提高，因此確定適宜的發(fā)酵時間，對于實現(xiàn)高發(fā)酵產(chǎn)量有重要的作用。

5 接種量

在發(fā)酵過程中，過大的發(fā)酵微生物接種量可能會引起氧氣消耗量增加，導(dǎo)致氧氣供應(yīng)相對不足，影響微生物的正常生長代謝，同時也會造成物料的浪費。而過小的接種量可能會使微生物生長緩慢，使發(fā)酵效率降低。

許云賀等[30]利用枯草芽孢桿菌固態(tài)發(fā)酵豆粕，接種量變大，菌株對蛋白質(zhì)的水解能力則也表現(xiàn)出增強。祁宏山等[31]在進(jìn)行混菌固態(tài)發(fā)酵玉米秸稈的研究中，發(fā)現(xiàn)接種量為8%時，所得到的發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量最高。嚴(yán)鶴松[32]在利用黑曲霉發(fā)酵豆粕的試驗中，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵產(chǎn)物中蛋白質(zhì)隨接種量的升高而逐漸升高，但是接種量增至1%，其蛋白質(zhì)產(chǎn)量趨于飽和。

因此太小的接種量，會使發(fā)酵周期延長，發(fā)酵效率降低；接種量過大，所生成的過多產(chǎn)物可能會對發(fā)酵體系中微生物的正常生長代謝產(chǎn)生抑制作用，使發(fā)酵提前結(jié)束。

關(guān)于優(yōu)化發(fā)酵工藝技術(shù)的參數(shù)除上述幾點之外，還存在底物飼料粒度、發(fā)酵菌株配比、菌體密度、通氣量等許多其他影響因素。在進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵的過程中，底物飼料粒度小，可以使其與原料的接觸面積增大，但是粒度過小，易出現(xiàn)結(jié)團現(xiàn)象，不利于傳熱，影響微生物的正常生長，因此底物飼料粒度的大小也可能會影響發(fā)酵的效果[33]。祁宏山等[31]在進(jìn)行復(fù)合菌固態(tài)發(fā)酵玉米秸稈的研究中發(fā)現(xiàn)，不同菌種之間的配比以及固態(tài)培養(yǎng)基的原料比，均對所得到的發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)生影響。Kim等[34]發(fā)現(xiàn)在液體發(fā)酵過程中，菌體密度隨著發(fā)酵體系中的通氣量的增加而增加。張沛等[29]在利用稻殼粉固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)蛋白質(zhì)飼料時，發(fā)現(xiàn)尿素的添加可使稻殼粉中的蛋白質(zhì)含量增加，對發(fā)酵結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響。喬力[35]在進(jìn)行豆粕的固態(tài)發(fā)酵試驗中發(fā)現(xiàn)，添加適量的玉米粉對發(fā)酵效果有改善作用，這可能與玉米粉促進(jìn)發(fā)酵體系中微生物的生長代謝有關(guān)。

隨著發(fā)酵技術(shù)越來越成熟，發(fā)酵將被越來越廣泛地應(yīng)用在豬飼料與飼養(yǎng)的生產(chǎn)實踐中。生長育肥豬飼喂發(fā)酵飼料后，日增重以及日采食量均有提高[36]。趙正興[37]利用發(fā)酵飼料飼喂育肥豬，發(fā)現(xiàn)日增重以及飼料報酬均有所提高，同時發(fā)酵飼料對豬肉質(zhì)的改善有明顯的作用。魏金濤等[38]利用發(fā)酵飼料飼喂斷奶仔豬后，發(fā)現(xiàn)仔豬的生長性能有所提高，同時由于斷奶所引起的應(yīng)激有所緩解。大量試驗研究證明，發(fā)酵飼料在實際養(yǎng)豬生產(chǎn)中表現(xiàn)出良好的效果，尤其在斷奶仔豬和育肥豬飼養(yǎng)過程中效果顯著。

雖然發(fā)酵技術(shù)在飼料生產(chǎn)中的應(yīng)用仍存在一些問題，相關(guān)工藝的優(yōu)化仍需要進(jìn)行大量的探索，但是發(fā)酵飼料已表現(xiàn)出巨大的發(fā)展前景?？梢愿鶕?jù)發(fā)酵工藝的關(guān)鍵點，針對不同的菌種、底物飼料以及不同生長階段的豬確立更為詳細(xì)有效的發(fā)酵工藝方案。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)酵技術(shù)的不斷成熟，發(fā)酵飼料的工藝體系將會越來越完善，而這必將對豬業(yè)的高效可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生巨大的意義。

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2017-08-21）

北京市科委課題（D161100006116001）

王劍（1996—），女，遼寧省凌源市，碩士研究生，從事豬的營養(yǎng)研究

*通訊作者：WangChL98@163.com