发酵技术在饲料行业中的应用
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摘要：畜牧业是我国重要的基础产业，饲料资源缺乏和产品安全问题已经成为影响我国畜牧业发展的重要问题。在开发新型饲料资源、改变饲料营养组成、改善动物机体健康等方面的研究中微生物发酵技术发挥了巨大作用，并在饲料行业中得到了广泛应用。秸秆、饼粕、糟渣等经过发酵处理可以作为很好的新型原料使用，不仅扩大了饲料原料的使用范围，而且降低了养殖成本；饲料中添加的各种酶制剂、氨基酸、微生物、微生态制剂，以及兽药中的某些成分也是由微生物发酵生产，这些成分提高了饲料的消化利用率，调节了动物的微生态平衡，因此发酵技术在饲料行业中的应用得到了人们的肯定，成为动物营养研究的热点。
全球经济的迅猛发展促使生活水平得到很大的提高，人们对肉类和奶等产品的需求不断增长，从而带动了畜牧养殖业的快速发展。然而人口增多和耕地减少限制了我国的粮食产量，导致人畜矛盾日益突出，蛋白饲料和能量原料都面临着供应紧张的局面，饲料资源的匮乏已经限制了畜牧业的发展，从而使人们日益增长的消费需求无法得到满足。随着发酵技术的不断发展，微生物发酵技术生产蛋白质饲料和氨基酸、维生素、酶制剂和微生物制剂等饲料添加剂，以及在开发新型饲料资源中得到广泛应用，使发酵技术在饲料行业中得到越来越多的关注和重视[1]。提高粮食转化率和饲料利用率，研究新型饲料添加剂和饲料原料资源，发展建立高效新型饲料工业成为发展畜牧业的重大课题[2]。
发酵技术是指采用工程技术手段，利用微生物的代谢活动，通过菌体细胞或酶的某些功能，将原料转化成所需要的生物产品，或直接用微生物参与调控生产过程的一种技术，现代发酵技术已经进入能够根据生产需求人为改造微生物的遗传特性来生产产品的阶段。发酵类型很多，它和发酵形态、微生物特性和生产需求有关，根据发酵形式可分为固体发酵和液体发酵；根据微生物对氧的需求可分为厌氧发酵和通风发酵；按发酵流程可分为分批发酵、连续发酵。发酵控制一般与所用的菌种、发酵温度、发酵时间等参数有关，目前微生物发酵饲料原料常用的菌种主要包括细菌、放线菌、酵母菌和霉菌。
我国的农副产品和食品工业副产品等非常规饲料资源丰富，然而这些原料具有营养价值偏低、营养成分比例不平衡、含有多种抗营养因子或有毒物质、适口性差等缺点，不经过处理不能直接使用或利用率低，从而限制了其在饲料中的使用。目前对原料处理的方法包括物理方法、化学方法和生物方法，但从稳定性、安全性和营养价值的角度考虑，采用物理法和化学法改善我国非常规饲料资源都具有很大的缺陷，而微生物发酵技术已经成为解决饲料资源短缺的有效途径[3-4]。
固体发酵技术和液体发酵技术在饲料行业中都得到了广泛的应用，发酵过程中微生物对饲料原料的处理以及产生的多种中间代谢产物不仅能够提高饲料中淀粉、蛋白质、纤维素等营养成分的消化利用率，改善饲料适口性，提高饲料的营养价值，调节动物肠道的微生态平衡，减少了抗生素等药物的添加，提高了畜禽产品的食品安全性；而且能够降解非常规原料中的抗营养因子和有害成分，改善了畜禽的机体健康，扩大饲料原料的使用范围[5]。
1· 发酵技术的功能性应用
1.1 改善原料适口性
发酵技术可以改变植物性、动物性饲料的物理性状，微生物在生长、繁殖过程中，分泌一定量的胞外酶，产生维生素、醇、酯、酸等类物质，从而使原料的品质、适口性、风味得以很大改进，显著提高在日粮中的使用比例。发酵后饲料具有天然的发酵香味，产生良好的诱食效果，刺激动物的食欲，促进消化液的分泌，提高消化酶的活性，促进营养成分的消化吸收。
1.2 降解抗营养因子和有毒成分
植物性原料一般都含有蛋白酶抑制因子、植物凝集素、单宁、非淀粉多糖、饲料抗原蛋白、胀气因子、植酸等多种抗营养因子和有毒成分，影响动物的消化吸收，并对动物机体产生毒害作用，微生物发酵技术可以降解这些物质，消除其对动物的不利影响。菜籽饼、棉饼可通过微生物的发酵作用进行脱毒，对原料中毒素进行降解或转化，微生物菌体既可以将这些毒素作为营养成分进行吸收和利用，又可以分泌胞外酶作用于这些毒素，还可以产生次级代谢产物与毒素结合而解毒[6]。研究表明，微生物代谢产物甘露聚糖可以有效地降解黄曲霉毒素B1等，曲霉属、串珠霉属等菌株能有效地降低发酵棉籽粕中游离棉酚的含量。
1.3 提高动物的消化利用率
饲料原料经过微生物的发酵处理，营养成分发生了一系列的生化反应，饲料中的淀粉、纤维素、蛋白质等复杂的大分子有机物在一定程度上降解为动物容易消化吸收的单糖、双糖、低聚糖和氨基酸等小分子物质，缩短了饲料在动物消化道内的转化链，从而提高了饲料的消化吸收率，起到了对饲料深度加工的作用。同时，在饲料发酵过程中还产生和积累了大量的微生物细胞及有机酸、醇醛酯、维生素、抗生素、激素、微量元素、特殊糖类等丰富的有益代谢产物，提高了饲料的营养价值。
饼粕类和动物性饲料是蛋白质含量较高的饲料原料，但蛋白质品质较差，不能在动物体内得到较好的利用。这些原料经过微生物发酵技术处理之后，饲料中可溶性蛋白含量可提高25%左右，原料中的蛋白质转化为活性肽、寡肽等优质蛋白质，蛋白质的含量和品质都得到很大的改善，有利于畜禽的消化吸收。有些原料中的木质素、纤维素等难以利用碳水化合物，通过细菌、丝状真菌等微生物的发酵处理，转化为可吸收利用的碳水化合物，提高饲料的利用率和适口性。同时，碳水化合物和脂类化合物等营养和能量物质，使菌体生长繁殖，从而将非蛋白质成分转化为菌体蛋白质。
1.4 调节动物的微生态平衡
健康畜禽肠道内生长着多种微生物群落，各种群落之间相互依存、相互作用，维持动物肠道微生态系统的平衡，竞争性抑制有害菌在肠黏膜的附着和繁殖。对于微生物群落形成迟缓或有缺陷的畜禽动物来说，饲喂发酵后的饲料尤其重要，其有益作用更加明显。乳酸菌代谢产生的有机酸能够改善消化系统的内环境，降低肠道pH值，抑制埃希氏大肠杆菌和沙门氏杆菌等其他致病菌附着到肠道上繁殖，为有益菌的繁殖提供了条件，减少肠道疾病的发生[7-8]。乳酸菌除了产生有机酸还能产生其他有益成分，乳酸链球素可以产生抑制革兰氏阳性细菌的细菌素，嗜酸乳杆菌和保加利亚乳杆菌可以产生抑制革兰氏阴性病原菌生长的过氧化氢，乳酸杆菌可以产生阻止细菌毒素的黏附和侵害的胞外糖苷酶。另外，肠道内的高酸度和有益微生物可以有效消除吲哚、酚、硫化氢等有害产物在肠内的积累，从而减少动物应激和亢奋[9]。
1.5 提高机体免疫力
发酵饲料中的有益微生物影响机体免疫系统的应答能力，是一种免疫调节因子，影响能力因菌体而不同，它可以非特异性地通过菌体本身或某些成分将宿主免疫细胞激活，增强吞噬细胞的免疫活力；还可以特异性地增强机体内B细胞产生抗体的能力。将微生物直接饲喂畜禽，可以提高体液免疫和细胞免疫的应答效率，增强机体抗体水平和免疫力，抵御和杀灭侵入机体内的有害微生物，降低疾病的发生率。
2· 固体发酵技术
固体发酵技术在饲料行业中的应用主要是对饲料原料的处理，包括动物性原料和植物性原料两大类，动物性原料包括皮革加工、肉食和水产品生产等工业下脚料，以及禽畜排泄物等；植物性原料主要是农作物秸秆、林业副产物、糟渣和废液等工业废料以及豆粕、棉粕、花生粕等植物饼粕类。这些原料来源广泛、价格便宜，而且淀粉或蛋白质含量较高。
2.1 秸秆原料
我国秸秆资源丰富，加工利用率很低。秸秆的主要营养成分是粗纤维，特别是木质素含量较高，但却难以被动物直接利用。利用具有一定特性的微生物可以分解农作物秸秆细胞壁，将木质素、纤维素和半纤维素释放并加以利用，菌体的生长繁殖转化为秸秆的蛋白含量，进而提高改善秸秆的营养组成和动物对秸秆的利用率[10]。青贮饲料是最常见的一种秸秆饲料，是利用原料上乳酸菌等微生物的生命活动，通过发酵作用将糖类等碳水化合物转化成乳酸等有机酸，提高青贮饲料的酸度，从而抑制有害微生物的生长，延长保存时间[11]。
2.2 糟渣原料
酒糟、酱油糟、醋糟、豆腐渣、玉米淀粉糖糟、果渣、糖蜜都是常见的糟渣，种类繁多，价格低廉，可作为很好的饲料原料。多数糟渣粗蛋白含量都在20%以上，部分含量在10%以上，果渣残糖含量在3%左右，而且还含有多种微量元素和维生素。虽然经过加工工艺使糟渣的物理性状和酸碱性质发生了很大变化，但抗营养因子和毒性物质却不能被简单的加工工艺去除。糟渣类原料通过微生物发酵处理，可使其中的营养成分含量得到很大改变，特别是提高粗蛋白含量，增加了适口性，一些高蛋白饲料添加剂可以用糟渣类原料直接生产[12]。
2.3 饼粕原料
大豆、棉籽、花生等油料作物经过压榨之后得到的副产物就是饼粕，饼粕蛋白质含量很高，而且残留一部分植物油，营养价值很高，从而作为蛋白质饲料原料得到最普遍的使用。大豆饼粕、棉籽饼粕、花生饼粕是最常用的饼粕原料，芝麻饼、菜籽饼粕及某些野生作物的饼类也是很好的蛋白原料。但这类饲料中含有胰蛋白酶抑制剂、凝集素、单宁、植酸、胀气因子等多种抗营养因子，因此必须进行脱毒处理才能作为饲料使用。通过微生物发酵技术，可将豆粕中的大豆寡糖、大豆球蛋白、胰蛋白酶抑制剂、植酸、NSP 等多种抗原因子降解，从而降低或消除它们对动物的毒害作用。采用植物乳杆菌固态发酵豆粕，抗营养因子得到有效降解，结果显示胰蛋白酶抑制剂由40.42 mg/g降至18.01 mg/g，脲酶酶活由0.373 U/g降至0.166 U/g。Hirabayashi 等使用宇佐美曲霉发酵豆粕，植酸经过微生物发酵后完全降解[13]。棉籽粕的微生物脱毒也是近年来研究的一种新技术，主要是瘤胃液微生物发酵法和活干菌脱毒法，是利用微生物在发酵过程中将棉酚毒素转化成无毒物质而达到脱毒目的，同时增加了棉籽粕的营养价值[14]。菜籽粕中的硫葡萄糖苷、植酸、单宁等有害成分也可以通过发酵脱毒，利用自然界筛选的菌种固体发酵24 h，脱毒率可达90%以上[15]。目前，豆粕、棉籽粕、菜籽粕和花生粕在饲料工业中已得到很好的利用。
2.4 动物屠宰副产物
动物屠宰副产物主要是屠宰场、水产品加工的下脚料，包括血粉、肉骨粉、猪毛水解粉、羽毛粉、鱼粉、蚕蛹等蛋白质原料以及骨粉和蛋壳等动物矿物质资源。我国每年有200多万吨的动物下脚料资源，具有巨大的开发潜力。
我国每年可生产96万吨羽毛粉，其中禽类羽毛产量占5%~7%。羽毛蛋白质含量85%以上，但分子结构中肽链间二硫键形成的网状结构使其不能被禽畜动物消化系统分解利用，必须通过特殊的加工工艺将二硫键断裂，然后才能作为蛋白饲料原料使用。高温高压水解法、酶解法和微生物发酵法是羽毛加工普遍采用的方法，每种方法都具有一定的特点，经常两种方法结合使用。酶解羽毛粉加工温度低，产品中8种必需氨基酸含量都比水解羽毛粉高，胃蛋白酶消化率可达到85%以上，改善氨基酸的平衡性，显著提高了羽毛的营养价值。生物发酵法对于提高羽毛粉的胃蛋白酶消化率、氨基酸平衡性及改善适口性也有很好的作用，分解羽毛粉角质蛋白的微生物在自然界普遍存在。从自然界筛选出的地衣芽孢杆菌BL-1能够以羽毛作为碳源和氮源，发酵3 d后可使胃蛋白酶消化率提高到90%；将地衣芽孢杆菌BL-1 和EM混合发酵，形成一种复合型蛋白原料，其中包括动物蛋白、植物蛋白和菌体蛋白，蛋白质含量达到70%，胃蛋白酶的消化率达到90%[16]。
血粉是一种非常规动物性蛋白质饲料原料，蛋白质含量高于鱼粉和肉粉，血粉中含有丰富的氨基酸，其中赖氨酸的含量居所有天然饲料之首，达7%~8%，约为鱼粉的179%；亮氨酸和缬氨酸含量分别为鱼粉的265%和279%。血粉含有丰富的免疫球蛋白和锰、磷、铁、钙、锌和硒等多种矿物质，以及可帮助消化的多种酶类及维生素。血粉与麸皮等原料混合后通过米曲霉等微生物发酵，成品具有甜香味或酒香味，蛋白质含量在55%左右，其中赖氨酸含量在3.5%以上，同时产生了大量的菌体蛋白和蛋白酶，解决了传统工艺中氨基酸不平衡和适口性差的问题，大大提高了动物对血粉的消化吸收利用率[17]。
猪、牛、鸡等畜禽屠宰后的毛、骨、内脏等废弃物，以及鱼杂碎和死畜禽等动物性蛋白原料经过除臭处理之后，与麦麸、米糠、草粉等植物原料按照一定的比例混合，然后接种特定的酵母，采用好气性微生物进行发酵处理。发酵产物不仅能够作为饲料直接饲喂动物，还可以代替配合饲料中的部分精料使用。
水产品加工废弃物绞碎后，加入一定量的酸，再加入微生物发酵后，通过鱼体自身酶产生自溶作用，使其液化成浆状制品，其营养丰富，可与鱼粉媲美，而且它的蛋白质多以氨基酸和多肽形式存在，更有利于动物消化吸收，加上赖氨酸、蛋氨酸的含量高于鱼粉，因此比鱼粉的饲喂效果更好，而且环境污染少，耗能低，工艺简单投资少。
3 ·液体发酵技术
荷兰最早将液体发酵技术应用到饲料行业中，后来被丹麦、法国、瑞典、西班牙等国家相继使用。随着生物工程和饲料工业技术的发展，液体发酵技术正朝着人工控制发酵过程的方向发展，其在饲料上的应用范围和作用效果不断扩大，发酵积累微生物菌体、氨基酸、酶制剂以及抗生素、维生素等有用的中间代谢产物或特殊代谢产物，更符合动物的消化生理特点，放大微生物发酵的作用效果，提高营养物质的消化利用率，改善动物生长性能。
3.1 发酵菌体蛋白饲料
细菌、酵母菌、霉菌等微生物在发酵过程中利用各种基质大量繁殖，发酵后的菌体蛋白也是一种很好的饲料原料。菌体蛋白(HBP)又称单细胞蛋白或微生物蛋白，不仅含有40%~80%蛋白质，还含有碳水化合物、脂肪、核酸、维生素以及多种氨基酸，特别是含量较高的赖氨酸、蛋氨酸和色氨酸，营养价值比植物蛋白原料更高。这类饲料原料主要是酵母菌，以酵母菌为生产菌种，采用现代纯种发酵技术，然后经过滤、干燥、粉碎等工艺而获得产品；有些工艺是把啤酒的下脚料酵母直接处理得到混合产物。
3.2 酶制剂
酶制剂主要用于提高饲料加工效率，改善营养价值和提高产品质量，一般是提取具有催化活性的酶，再将其与辅料结合。如果从动植物中直接提取酶，价格成本较高，饲用酶制剂都是发酵提取加工而成。市场上销售的饲用酶制剂近20种，包括单一酶制剂和复合酶制剂，其中常用的酶制剂有淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、果胶酶、植酸酶和半乳糖苷酶[18]。酶制剂不仅能够降解饲料原料中的抗营养因子，而且可提高动物增重速度和表观消化能，饲料利用率得到很大提高，从而减少了粪便排泄量。国外很多将耐酸性脂肪酶等酶制剂加入到青贮饲料中来提高秸秆营养价值，收到很大的经济和社会效益。由特异微生物发酵生产的饲用外源酶制剂β-葡聚糖酶、戊聚糖酶和植酸酶等，添加于以大麦、小麦、黑麦、燕麦和次粉为主的畜禽饲粮中，能分解这类植物中葡聚糖和木聚糖等非淀粉多糖，促进细胞壁崩解，使细胞壁包裹的各种营养物质充分释放出来，在消化道中得到充分吸收，从而提高饲粮的利用率[19]。
3.3 微生态制剂
微生态制剂是指在微生态理论指导下，运用微生态学原理，利用对宿主有益且正常活微生物或促生长物质，经特殊工艺制成的产品。微生态制剂具有无毒无害，无副作用、不含耐药性、使用无残留等诸多优点，而且使用效果显著、成本较低。微生态制剂的作用主要是维持肠道内的微生态平衡，调整肠道菌群平衡，生物拮抗，增强非特异性免疫功能，促进消化吸收，提高饲料转化率。生产上使用的微生态制剂包括单一型制剂和复合菌制剂两种，复合型在促进畜禽生长和提高饲料利用率方面的效果要比单一型制剂好。目前乳酸菌、芽孢杆菌、酵母菌、粪链球菌和双歧杆菌等都用于制备微生态制剂，但国内外的研究方向有些差异，国外的研究多是乳酸杆菌属、枯草杆菌和链球菌类，国内以芽孢杆菌、乳酸杆菌为主。聂志武认为，乳酸菌类微生态制剂能够在体内形成优势菌群，与肠道正常菌群一起形成屏障结构，通过竞争性抑制侵染菌在胃肠道黏膜上的定植和繁殖，同时产生乳酸、乙酸、丙酸等代谢产物使动物体肠道内的pH值下降，抑制有害菌的生长；有些菌制剂产生抗生素、过氧化氢可杀死病原菌或作为免疫复活物。研究表明，将0.14%的复合微生态制剂添加到肉鸡日粮中可增重7.6%，成活率可提高10%，料肉比提高6.1%，日粮能量代谢率提高4.63%和蛋白沉积率提高9.39%。国外研究报道，在蛋鸡饲料中添加一定量的活乳酸片球菌，不仅能够使生产性能和蛋重得到提高，而且蛋的品质和蛋壳硬度也得到很大的改善[20]。
3.4 微量元素
饲料添加剂是饲料的重要组成部分，其中的氨基酸、维生素等多种物质都可以由发酵法制备。饲料中添加氨基酸可节约蛋白质，提高饲料利用率和动物生产性能，改善畜禽肉质，提高消化机能，防止消化系统疾病的发生，减少动物应激。人工生产氨基酸始于蛋白质酸水解，化学合成途径的发现和应用使得氨基酸的大规模生产成为可能，但纯化率和产出率较低，使得这些方法难以被大范围推广。生物技术的发展使得氨基酸发酵作为一种新型发酵工程而迅速发展起来，随着载体、受体系统的构建及体外基因重组技术的日益完善，氨基酸生物工程菌的构建得到长足的发展。现代分子生物学的导入，令氨基酸发酵微生物的改造与应用有了更强的目的性和系统性；现代工程技术与生产工艺的发展，使超大规模发酵及与其对应的高效纯化技术得以应用，氨基酸发酵过程和产出更加稳定、高效。
3.5 药物
兽药作为预防、治疗、诊断动物疾病或者有目的地调节动物生理机能的物质，是畜牧养殖业中不可缺少的一部分，包括血清制品、疫苗、微生态制品、抗生素等很多种类。兽药成分来源很多，包括生物碱、单宁酸等植物成分，以及来自于动物体液、分泌物的氨基酸、激素等，但动植物提取成本很高，提取量较少，无法满足现代迅猛发展的畜牧业的需求。目前兽药中的抗生素类药物成分以及其他各种生物活性物质大多数都是微生物发酵后精制而成，采用发酵法生产工艺简单，生产量大，成本投入低，附加值高。
4· 展望
随着当前饲料行业的迅速发展和饲料原料短缺问题的不断加剧，开发新型原料和追求饲料的高利用率已经成为饲料行业发展的必然趋势，因此生物技术，特别是发酵技术将会得到巨大的发展。微生物种类众多，发酵原料来源广泛，通过微生物固体发酵能把大量的加工副产物转化为有用产品，可以减少环境污染，得到价格低廉的产品。随着人们对固体发酵技术的逐渐认识和应用，固体发酵的应用也由原来设备简陋、发酵条件差的状况逐渐向大规模、自动化程度较高的发酵设备方向转变，秸秆、饼粕和糟渣等多种副产物已经成功地加工利用，有效地减缓了饲料原料的紧张局势，降低了饲料的生产成本，伴随着新型原料的不断开发利用，将来会有更多质优价廉的原料应用到饲料行业中。
在发酵菌体蛋白饲料、酶制剂、微量元素和微生态制剂方面的研究与开发，也逐步成为我国高新技术研发的重点。随着动物微生态学、动物营养学和预防医学密切结合，转基因等新技术的运用，基础理论研究更加深入，不断发掘和改良纤维素酶、蛋白酶等酶类和氨基酸、维生素等元素的产生菌，以及各种有利于动物机体健康的有益菌，再加上新原料的开发和生产工艺的改进，液体发酵技术在饲料中的应用得到了越来越多的关注和重视。
我国是一个农业大国，畜牧养殖业在农业生产中比重很大，畜产品安全日益突出。作为衡量国家饲料工业高科技发展程度的标志，饲料生物技术的发展，特别是微生物发酵技术的进步尤为重要。经过发酵处理后的饲料原料具有改善饲料消化特性，提高动物生长性能，绿色安全等诸多优点，随着发酵设备的不断改进和生产工艺的不断完善，发酵技术将会在畜牧养殖业中得到更加科学化、普遍化的应用，在饲料行业中占据重要的地位。利用发酵技术开发新型饲料，提高饲料品质，提升饲料工业的技术水平，是未来高科技饲料工业的发展方向，具有巨大的社会效益和经济效益。
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