張愛忠 許 威 趙芳芳 姜 寧

(黑龍江八一農墾大學動物科技學院，黑龍江省寒區(qū)飼料資源高效利用與營養(yǎng)調控重點實驗室，農業(yè)農村部東北平原農業(yè)綠色低碳重點實驗室，大慶 163319)

微生物發(fā)酵飼料是應用現(xiàn)代發(fā)酵技術手段，根據微生物的特性生產出富有生物活性的飼料產品?，F(xiàn)如今這項技術已被歐盟等發(fā)達國家普遍應用，其優(yōu)勢也逐漸凸顯。發(fā)酵飼料作為一種新型飼料，對畜禽生產的可持續(xù)發(fā)展意義深遠。為此，本文重點綜述了微生物發(fā)酵飼料在動物生產上的應用，以期為微生物發(fā)酵飼料的進一步開發(fā)和大規(guī)模使用提供參考。

1 微生物發(fā)酵飼料

1.1 微生物發(fā)酵飼料的概述

微生物發(fā)酵飼料是由某種飼料原料經過微生物代謝作用產生的一類飼料，具有降低原料中抗營養(yǎng)因子含量、產生有機酸和可溶性小肽等有益代謝產物、改善飼糧適口性和動物對飼糧營養(yǎng)物質消化和吸收等特性和作用[1]。微生物發(fā)酵飼料使用的原料分為常規(guī)飼料(玉米、豆粕等)和非常規(guī)飼料(餅粕類、糟渣類和秸稈秕殼類等)；常用于發(fā)酵飼料的益生菌種類包括酵母菌、芽孢桿菌、乳酸菌和霉菌[2]。采用微生物發(fā)酵技術能夠改善飼料特性，既可擴大飼料來源，也有利于緩解我國飼料原料不足的現(xiàn)狀。

1.2 微生物發(fā)酵飼料的發(fā)酵方式

發(fā)酵飼料的生產有多種發(fā)酵形式。當前，工業(yè)生產發(fā)酵飼料的常用方式為固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵2種。

1.2.1 固態(tài)發(fā)酵

固態(tài)發(fā)酵是指沒有自由水的條件下，在具有足夠相對濕度的水不溶性固態(tài)基質中，用單一或多種微生物進行的生物反應過程。自20世紀中葉以來，利用固態(tài)發(fā)酵生產抗菌肽、酶制劑、蛋白質、氨基酸和維生素等飼料添加劑已經形成了工業(yè)化生產模式[3]。使用固態(tài)發(fā)酵方式發(fā)酵飼料可以按照生產飼料的類型分為兩大類：第一類是通過微生物的發(fā)酵作用改變飼料原料的特性，主要包括全價料、豆粕、雜粕以及粗飼料的發(fā)酵；第二類是微生物利用工業(yè)殘渣或副產物來生產單細胞蛋白質飼料，發(fā)酵時還會產生益生菌和生長因子等特殊性物質，這為生產優(yōu)質蛋白質類飼料提供了新思路。

1.2.2 液態(tài)發(fā)酵

液態(tài)發(fā)酵與固態(tài)發(fā)酵在發(fā)酵條件方面相類似，不同的是液態(tài)發(fā)酵需要一定比例的自由水。液態(tài)發(fā)酵產生的乙酸和乳酸等能夠使飼料的pH在一定程度上降低。液態(tài)發(fā)酵過后的飼料通常帶有酸香氣味，在發(fā)酵的過程中，隨著微生物的繁殖及發(fā)酵底物的逐步降解，還能增加飼料中益生菌、氨基酸等活性成分[4]。

2 微生物發(fā)酵飼料品質的影響因素

發(fā)酵是將復雜的底物轉化為簡單化合物的動態(tài)過程，其產物主要受微生物種類、發(fā)酵底物特性和發(fā)酵參數(shù)的影響[5]。

2.1 微生物種類

微生物種類多且生物學特性不盡相同，目前常用于發(fā)酵飼料的微生物包括細菌和真菌2類[2]。乳酸菌屬作為公認安全的益生菌，其被廣泛用于液態(tài)發(fā)酵飼料和固態(tài)發(fā)酵飼料的生產，它可以促進有機酸(尤其是乳酸)的產生，并降低飼料的pH[1]。酵母菌是一類單細胞真菌，在動物飼料添加劑中釀酒酵母的應用最為廣泛[6]。芽孢桿菌通過發(fā)酵可產生淀粉酶、纖維素酶和脂肪酶等活性較高的酶，它起初被用于食品發(fā)酵[7]，后來也被用于發(fā)酵飼料[8-9]。曲霉菌屬也可用于發(fā)酵飼料，如米曲霉和黑曲霉[10-11]。

菌種的合理選擇是提高發(fā)酵效率的關鍵。如今，微生物發(fā)酵技術已由單一菌種向混合菌種發(fā)展。相對于單菌種發(fā)酵，混合菌種發(fā)酵優(yōu)勢在于多個菌種可以發(fā)揮協(xié)同作用。以生產蛋白質飼料為例，龔仁[12]以葵花盤粉為原料，分別經黑曲霉、米曲霉、產朊假絲酵母和枯草芽孢桿菌單獨發(fā)酵后粗蛋白質含量由8.31%增加至10.47%、10.18%、9.78%和10.78%；將這4種菌株按最佳的比例混合發(fā)酵后，原料中粗蛋白質含量高達13.17%。Teng等[13]分別用枯草芽孢桿菌和米曲霉發(fā)酵豆粕，最終粗蛋白質含量由34.46%分別增至37.43%、37.36%，粗蛋白質分別增量8.61%和8.42%。郭萌萌等[14]用枯草芽孢桿菌、植物乳桿菌和釀酒酵母聯(lián)合發(fā)酵豆粕的研究中發(fā)現(xiàn)，混合菌種發(fā)酵可顯著提高豆粕中粗蛋白質含量，最高可將豆粕中粗蛋白質含量由45.58%提高至55.58%，粗蛋白質增量21.94%。由此可見，混合菌種協(xié)同發(fā)酵對發(fā)酵飼料的品質具有正向調控作用，但截止目前，混合菌種的互作機制研究相對缺乏。

2.2 發(fā)酵原料

微生物發(fā)酵飼料早期主要以富含粗纖維的作物為原料，如玉米秸稈、稻草等，隨著微生物發(fā)酵技術的廣泛研究，豆粕、谷物、全價飼料等也被用作發(fā)酵飼料的原料。發(fā)酵底物為微生物提供營養(yǎng)和生存環(huán)境，發(fā)酵底物的特性會直接影響微生物的生長，進而影響產生的代謝產物[5]。目前發(fā)酵飼料底物的選擇主要包括單一或幾種單一飼料原料的混合和全價飼料2種。液態(tài)發(fā)酵的底物主要是谷物和全價飼料2種，與發(fā)酵谷物相比，發(fā)酵全價飼料是較為便捷的方式，但這種發(fā)酵方式會損失較多賴氨酸等氨基酸[15]。

2.3 發(fā)酵參數(shù)

發(fā)酵過程是在酶的催化下進行的，而溫度則是保證酶活性的重要因素。適當?shù)陌l(fā)酵溫度有利于縮短反應穩(wěn)定時間。Dujardin等[16]試驗結果表明，將液體發(fā)酵飼料溫度從15 ℃提高至30 ℃時，飼料pH降至4.0的時間縮短約6倍。從酶動力學角度理解，提高溫度可加快微生物生長和代謝速度[17]。微生物發(fā)酵飼料過程中，微生物的生長和代謝也會產生熱量。這些熱量一部分用作合成化合物，而一部分則通過熱能的形式散發(fā)到基質中。固態(tài)發(fā)酵底物熱傳導效率低會導致微生物快速生長時發(fā)酵底物溫度驟增，如果多余的熱量不能及時散失，微生物的生長代謝會受到限制。

在發(fā)酵早期階段營養(yǎng)物質充足，隨著發(fā)酵時間的延長營養(yǎng)物質逐漸被消耗，因此，發(fā)酵不完全會導致發(fā)酵目標產物濃度過低[18]。然而，發(fā)酵時間過長，微生物會消耗發(fā)酵體系中的營養(yǎng)物質，微生物還可能發(fā)生自噬現(xiàn)象，不利于高品質發(fā)酵飼料的生產。發(fā)酵底物濕度也是微生物發(fā)酵的重要因素之一，因固態(tài)發(fā)酵體系不存在自由水，所以與液態(tài)發(fā)酵相比，發(fā)酵底物濕度對固態(tài)發(fā)酵而言更為重要[19]。已有研究證明，最優(yōu)的底物濕度與發(fā)酵體系中，底物特性、微生物發(fā)酵類型以及發(fā)酵溫度和時間等因素密不可分[20]?？傊?，微生物發(fā)酵是個復雜的動態(tài)發(fā)酵過程，發(fā)酵最終產物受其影響因素的互作調控。為獲得理想的發(fā)酵產物，精準優(yōu)化發(fā)酵條件勢在必行。

3 微生物發(fā)酵飼料在動物生產上的應用

3.1 家禽

微生物發(fā)酵飼料對家禽生產上的影響，主要體現(xiàn)在改善生長性能和腸道微生態(tài)等方面[21-27]。家禽體內缺乏內源性非淀粉多糖(NSP)水解酶，飼糧中可溶性NSP會增加腸道食糜黏度，降低營養(yǎng)物質消化率。菜籽粕中含較高水平的NSP，復合酶發(fā)酵可使菜籽粕中NSP總量減少31%～42%[28]。Chiang等[29]報道，飼喂乳桿菌和枯草芽孢桿菌發(fā)酵的菜籽餅粕可提高肉雞增重和飼料轉化效率。Ashayerizadeh等[21]研究也發(fā)現(xiàn)，嗜酸乳桿菌、枯草芽孢桿菌和黑曲霉菌發(fā)酵的菜籽餅粕，可提高肉雞平均日增重和飼料轉化效率。這意味著發(fā)酵過程提高飼糧的營養(yǎng)價值和養(yǎng)分的消化率可能是改善肉雞生長性能的關鍵因素。

Jazi等[23]報道，嗜酸乳桿菌、植物乳桿菌、枯草芽孢桿菌和米曲霉菌發(fā)酵豆粕可以顯著減少感染沙門氏菌肉雞腸道中的沙門氏菌數(shù)量，同時乳酸菌數(shù)量增加。發(fā)酵玉米蛋白粉(酵母菌、乳酸菌、黑曲霉和地衣芽孢桿菌)能夠減少黃羽肉雞腸道內大腸桿菌的數(shù)量，增加乳酸桿菌的數(shù)量[24]。發(fā)酵棉籽餅粕(枯草芽孢桿菌、黑曲霉菌和米曲霉菌)也被發(fā)現(xiàn)可以降低肉雞腸道中大腸桿菌的數(shù)量[25]。發(fā)酵飼料中的益生菌不僅能降低家禽腸道pH，還能夠通過競爭排除腸道病原體[30]。因此，發(fā)酵飼料被視為減少肉雞腸道病原體的有效策略。此外，發(fā)酵飼料還可以改善家禽腸道形態(tài)，提高家禽生產性能(如蛋品質等)[26-27]。

3.2 豬

微生物發(fā)酵飼料在豬生產中已被廣泛應用，它可降低腹瀉、提高生長性能、促進腸道有益菌增長、提高仔豬初生重、改善肉品質等[31-39]?，F(xiàn)代化養(yǎng)豬生產中，仔豬早期斷奶技術已被普遍采用，但早期斷奶仔豬極易出現(xiàn)腹瀉，進而影響仔豬的生長和發(fā)育。Huang等[31]研究發(fā)現(xiàn)，飼喂斷奶仔豬枯草芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌聯(lián)合發(fā)酵的酒糟可降低料重比和腹瀉率。飼喂斷奶仔豬發(fā)酵豆粕可提高粗蛋白質和氨基酸的表觀消化率和標準回腸消化率[32]，另外，枯草芽孢桿菌和黑曲霉聯(lián)合發(fā)酵的豆粕能夠提高大腸桿菌K88感染仔豬的平均日增重，增強其糞便黏稠度[33]。這些作用效果主要在于發(fā)酵過程中微生物能夠降解抗營養(yǎng)因子和飼料中大分子物質，并提供益生菌及其代謝產物[40]。

Yin等[41]研究發(fā)現(xiàn)，乳酸菌發(fā)酵飼料可通過減少促炎因子的表達，減緩斷奶仔豬的沙門氏菌感染。Price等[42]報道，給感染沙門氏菌的仔豬補充酵母發(fā)酵產品能增加其擬桿菌和乳酸桿菌的數(shù)量。此外，在產仔母豬飼糧中添加植物乳桿菌發(fā)酵的液體飼料可減少糞便大腸菌群數(shù)量，增強宿主免疫力[37]。這些研究都表明，微生物發(fā)酵飼料有益于改善豬腸道微生物群落結構。多數(shù)研究者認為，益生元、益生菌及其代謝產物是微生物發(fā)酵飼料影響宿主腸道微生物和健康的重要因素。微生物發(fā)酵飼料發(fā)揮其積極作用包括2個重要方面：一方面，接種在飼料中的益生菌定植在腸道的不同部位發(fā)揮作用，其代謝產物如有機酸、短鏈脂肪酸等也可發(fā)揮抗菌、抗氧化等作用；另一方面，益生元促進腸道有益菌的繁殖，并可能增強其有益的代謝途徑[43]。

3.3 反芻動物

粗飼料是反芻動物飼糧中的重要組分，除粗纖維外其他養(yǎng)分含量相對較少，適口性差。利用微生物發(fā)酵技術處理粗飼料，可有效改善其營養(yǎng)特性[44]，提高動物生產性能[45]。青貯飼料是反芻動物能量、營養(yǎng)物質和可消化纖維的主要來源。在奶牛粗飼料中使用一定量青貯玉米，可增加奶牛采食量、產奶量和乳蛋白含量[46-47]。另有研究報道，構樹青貯可提高奶牛機體免疫和抗氧化能力，增加牛奶中多不飽和脂肪酸含量[48]。胡張濤等[49]在肉牛上的研究發(fā)現(xiàn)，青貯燕麥和發(fā)酵雜交構樹能提高肉牛免疫性能，降低背最長肌肌纖維橫截面積，增加背最長肌肌纖維密度。由此可見，青貯飼料已然成為高產反芻動物飼糧中不可或缺的組分。

隨著發(fā)酵飼料技術的廣泛應用，微生物發(fā)酵精飼料在反芻動物生產中也取得了一定進展。豆粕的主要抗營養(yǎng)因子可被瘤胃微生物所降解，然而發(fā)酵豆粕中的小肽可以直接被動物機體吸收，且易被組織利用。Wang等[50]研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵豆粕可通過增加產琥珀酸絲狀桿菌、反芻獸新月形單胞菌和普雷沃氏菌的拷貝數(shù)來改善泌乳奶牛瘤胃微生態(tài)環(huán)境。Kim等[51]報道，發(fā)酵豆粕還可降低犢牛的腹瀉率。

玉米是我國主產糧之一，深加工過程中可產生龐大數(shù)量的玉米蛋白粉。玉米蛋白粉因蛋白溶解性、氨基酸不平衡和適口性差限制其在動物飼糧中的應用。隨著微生物發(fā)酵飼料技術不斷深入，已有研究將目標聚焦在玉米發(fā)酵蛋白粉上。姜鑫[52]用乳酸菌聯(lián)合酸性蛋白酶發(fā)酵的玉米蛋白粉部分替代犢牛和泌乳奶牛飼糧中的豆粕，研究發(fā)現(xiàn)發(fā)酵玉米蛋白粉能夠改善犢牛和泌乳牛的生產性能、瘤胃發(fā)酵模式和細菌群落的組成，證明了發(fā)酵玉米蛋白粉替代豆粕在牛生產中的可行性。本實驗室探究了發(fā)酵玉米蛋白粉在羔羊和育肥羊上的應用效果，研究結果顯示，用發(fā)酵玉米蛋白粉替代飼糧中20%、40%和60%的豆粕對羔羊生長性能無負面影響；發(fā)酵玉米蛋白粉替代飼糧中25%豆粕為最適替代量，該替代量能夠增強瘤胃發(fā)酵，提高育肥羊抗氧化能力，改善羊肉品質。研究結果為發(fā)酵玉米蛋白粉在反芻動物生產中的應用提供了可行性參考。

4 小結與展望

微生物發(fā)酵可降低飼料原料中的抗營養(yǎng)因子、增加有益的代謝產物、改善動物對飼料營養(yǎng)物質的消化和吸收及維持腸道菌群平衡等，具有廣闊的應用空間。雖然微生物發(fā)酵飼料的優(yōu)勢逐漸被認可，但由于我國微生物發(fā)酵飼料的研究起步較晚，且整體研發(fā)和產業(yè)化水平相對滯后，有許多不足之處需加以改進。在飼料原料選擇上，要擴大來源，充分利用非常規(guī)飼料，探索符合我國飼料資源特點的微生物發(fā)酵飼料。在生產制備方面，挖掘高效發(fā)酵菌種，探索發(fā)酵過程中菌種的作用機制及混合菌發(fā)酵的互作機制，精準優(yōu)化發(fā)酵工藝，以期獲得品質穩(wěn)定型的微生物發(fā)酵飼料。在應用方面，研究不同發(fā)酵飼料飼喂效果的同時需深入探究其作用機理，為進一步開發(fā)高效精準型的微生物發(fā)酵飼料提供基礎?？傮w上看，微生物發(fā)酵飼料在畜禽生產中已取得了一定成效，未來隨著微生物發(fā)酵技術研究不斷深入，其在動物生產中將會發(fā)揮更大的效用。