微生物發酵飼料的特性、作用機制及應用研究

王佰濤，楊文玲，，王一雯，王繼雯，陳國參，劉德海

（1.河南省科學院生物研究所，河南鄭州 450008；2.河南省微生物工程重點實驗室，河南鄭州 450008）

隨著人民生活水平的提高，畜牧產品的需求量日益增高，因此畜牧業面臨的挑戰也越來越嚴峻。單純的糧食飼料已不能滿足畜牧業的發展需求，超劑量抗生素的使用嚴重威脅著人類健康，飼料的營養成分吸收轉化率過低，全球飼料價格不斷上漲，這些問題促使著畜牧業開始向非傳統飼料或替代飼料的方向轉化。但研究發現非傳統飼料存在著許多局限性，比如其當中的抗營養因子會降低飼料的轉化率，粗蛋白質含量過低不利于動物生長等。近年來，人們不斷尋求新型的替代飼料，通過研究發現，利用一些益生菌進行微生物發酵可生產具有改善動物健康及生產性能，提高飼料利用率的功能性飼料。微生物發酵飼料可以提高飼料中粗蛋白質含量（Sugiharto 等，2015），降低抗營養因子、 粗纖維及其他一些有毒物質的含量（Xu 等，2012）。微生物發酵飼料的良好特性與其中的大量益生菌、 高含量有機酸及較低pH 有關（Canibe 和 Jensen，2012）。這些因素能夠幫助預防飼料飼喂前的污染，利于動物的腸道健康和生長發育（Missotten 等，2013），同時有機酸可以促進胃腸蠕動，促進營養及鈣、鐵、鋅等微量元素的吸收。這些益生菌在生長過程中會產生一些抑制有害菌生長的物質，例如乳酸菌產生的細菌素對飼料當中的許多致病菌和腐敗菌都有抑制作用（劉靜等，2018）。使用微生物發酵飼料，不僅可以促進動物生長發育，提高動物的免疫力，還可以減少動物糞便中氮、磷排泄量，減少糞便中惡臭氣體的排放，降低環境污染，向綠色環保的方向發展（趙玉娥，2018）。

1 微生物發酵飼料定義與分類

1.1 微生物發酵飼料的定義 Lilly 和Stillwell（1965）在《科學》雜志上首次提出益生菌的定義，其是一種微生物產生的可以促進另一種微生物生長的物質。隨后，世界各國開始將益生菌應用在實際生產生活中，其在飼料中的應用也越來越廣泛。目前國家食品藥品監督管理局發布的 《飼料添加劑品種目錄》 中允許使用的益生菌種類已達幾十種，常見菌種類別主要是乳酸菌、酵母菌、芽孢桿菌等。發酵是一個涉及微生物的生態過程，能夠將復雜的底物轉化為我們所需要的目標產物，在生物、食品及化學領域應用廣泛。不同的發酵底物及發酵條件產生的發酵結果截然不同，而選擇良好的發酵條件和底物能夠提高發酵轉化率和吸收率。相同的底物選擇不同的微生物發酵也會產生完全不同的結果，例如乳酸菌發酵會產生乳酸，醋酸桿菌發酵會產生醋酸，酵母菌發酵會產生酒精。在人為控制條件下，將發酵應用到飼料領域中，通過利用益生菌本身的酶解或代謝將飼料中不利于動物吸收分解的成分轉化為對動物有利的飼料營養成分，最終得到的產品稱為微生物發酵飼料。微生物發酵飼料的簡易工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 微生物發酵飼料的簡易工藝流程圖

1.2 微生物發酵飼料分類 微生物發酵飼料根據發酵物理狀態的不同分為固體發酵飼料和液體發酵飼料。固態發酵飼料常選用的益生菌菌種是乳酸菌、酵母菌、芽孢桿菌。目前國外常用酵母菌和芽孢桿菌，而國內最常用的是乳酸菌（付弘赟，2008），其優點是原料來源豐富、成本較低、生產過程簡單等，缺點是發酵時間較長、發酵條件難以控制、 成品成分復雜、 后期處理較難等。張沛等（2015）以堿液處理的稻殼粉為原料分別通過乳酸菌、酵母菌進行發酵生產蛋白飼料，工藝簡單，發酵飼料蛋白質含量較高。液態發酵飼料常選用的菌種是乳酸菌和芽孢桿菌，其優點是發酵時間較短、發酵條件易控制、發酵產品飼喂效果較好等，缺點是對設備及工藝要求較高等。Canibe 和Jensen（2003）研究液體發酵飼料對仔豬的影響發現，飼喂低 pH（pH＜4.5）、高乳酸菌、高乳酸液體發酵飼料的仔豬比飼喂非發酵飼料的仔豬生長狀況及其他指標都要好。

2 微生物發酵飼料的特性

2.1 增加飼料營養 微生物發酵包含了復雜的微生物代謝過程，通過發酵會提高飼料中粗蛋白質、低分子量肽及總氨基酸等營養成分的含量，降低其中粗脂肪的含量，提高飼料的營養價值。張益民等（2008）研究構樹葉發酵飼料中營養成分的變化發現，以酵母菌和米曲霉作為發酵菌種，粗蛋白質含量分別增加了16.3%和23.9%。吳逸飛等（2016） 研究固態發酵對飼料營養特性的影響發現，經過發酵之后，粗蛋白質、總磷、低分子量肽及總氨基酸含量均顯著升高，粗脂肪含量顯著下降。但是發酵也會導致一些必需氨基酸的損失，比如發酵會導致飼料中賴氨酸的含量下降（Missotten等，2013）。B 族維生素主要包括維生素 B1、維生素B2、維生素B6等，機體無法自行合成，需從外界攝取，研究表明微生物發酵飼料可以增加其中的B族維生素含量，吳妍妍等（2013）研究棉籽粕發酵飼料中B 族維生素的含量變化，利用嗜酸乳桿菌S5 進行發酵發現，維生素 B1、B2、B6的含量分別提高了28.53%、50.91%、89.47%。此外，微生物發酵過程還能夠增加飼料中的有機酸含量，抑制致病菌的生長，Ranjitkar 等（2016）研究發現，微生物發酵能夠增加飼料中有機酸含量，使得飼料酸度值從pH 5.5 降至pH 4.2，導致一些致病菌如大腸桿菌、霉菌的數量從6 lg cfu/g 降至3 lg cfu/g 左右。

2.2 促進生長 微生物發酵飼料能夠促進動物生長發育，提高日增重，降低料肉比。嚴念東等（2010）研究發酵飼料對育肥豬生長性能及血清生化指標的影響發現，飼喂微生物發酵飼料的試驗組與對照組相比，平均日增重增加了46.15%，料肉比降低了15.24%。梁睿等（2012）研究發酵飼料對蛋雛雞生長性能的影響發現，與對照組相比，試驗組雞的采食量和日增重顯著增加，料肉比顯著降低。此外，通過對肉雞飼喂發酵飼料發現，其可以改善雞肉的脂肪酸組成，提高雞肉脂肪中不飽和脂肪酸的含量，改善肉質。Marcin 等（2018）在飼料中添加10%的深黃傘形霉菌發酵的玉米粉發現，雞肉脂肪中γ-亞麻酸、α-亞麻酸和油酸的比例提高。微生物發酵飼料還能提高動物的存活率，黃世金等（2011）研究微生物發酵飼料對羅非魚生長性能及存活率的影響發現，與對照組相比，試驗組日增重提高22.14%，存活率提高可達98.07%。這些研究結果表明微生物發酵飼料確實能促進動物的生長。

2.3 增強免疫 養殖業中濫用抗生素的問題已經發展成為社會關注的焦點問題，其不僅威脅著人類的健康，也會對人類的生存環境帶來風險。目前國家開始限制抗生素在動物中的應用，鼓勵更多地使用替代飼料更新傳統飼料來降低飼料中抗生素的添加量。研究發現微生物發酵飼料可以增強動物的免疫力，提高機體的抗病能力，降低動物的死亡率。林標聲等（2012）研究微生物發酵飼料對育肥豬免疫功能的影響發現，與添加抗生素的對照組相比，飼喂發酵飼料的試驗組免疫能力和抗氧化性能均顯著提高。張寶榮等（2018）研究微生物發酵飼料對斷奶仔豬血液生化指標及免疫功能的影響發現，在斷奶仔豬日糧中添加微生物發酵飼料能夠提高機體的免疫力，表明微生物發酵飼料可以增強動物免疫力。

2.4 降低毒素毒性 飼料在生產加工及運輸的過程中很容易污染霉菌，這些霉菌在代謝過程中會產生霉菌毒素，嚴重危害著動物及人類的健康。研究發現微生物發酵飼料可以降低飼料中黃曲霉毒素B1、玉米赤霉烯酮（鐮刀菌毒素）等的含量。黃曲霉毒素B1是嚴重的致癌物，玉米赤霉烯酮具有強烈的雌激素效應，能夠引起生殖毒性，降低這些毒素含量，不僅可以改善飼料的適口性，還能促進動物的生長，利于人類的健康。李加友等（2016）利用產朊假絲酵母固態發酵條件去除飼料中黃曲霉毒素 B1，去除率達到了 96%。Yang 等（2018）研究發現通過發酵可以抑制霉菌生長，降解飼料中的鐮刀菌毒素含量，提升飼料品質，保持動物健康。此外，飼料當中還存在一些有毒物質，例如生氰糖苷化合物、異硫氰酸酯等，這些有毒物質對動物及人類的健康非常不利，而微生物發酵飼料能夠降低飼料中這些有毒化合物的毒性作用（Kobawila 等，2005）。

綜上，微生物發酵飼料對動物的生長性能及健康特別有益，且發酵飼料也具有抗菌特性，可以減少抗生素的使用，然而在微生物發酵飼料的生產過程中也會出現一些困難需要我們克服，例如在發酵過程中會產生生物胺或者醋酸等物質，這些物質會影響到飼料的適口性，不利于動物飼喂。通過不斷探索發現，在發酵過程中添加酸化劑或者一些酶能夠解決這一問題，不僅能夠改善飼料的適口性，還可以加快發酵進程 （Canibe 和Jensen，2012）。

3 微生物發酵飼料的作用機制

3.1 增加飼料營養機制 微生物發酵飼料能夠增加飼料的營養價值，促進消化吸收，利于動物生長。首先，發酵過程中微生物產生的蛋白酶可以分解蛋白質，增加低分子量肽的含量，促進動物腸道對營養因子的消化吸收（Canibe 和 Jensen，2003）。其次，研究表明發酵過程中微生物可以降解飼料中的抗營養因子，提高飼料的營養價值和吸收轉化率（Sugiharto 和 Ranjitkar，2019）。飼料中的抗營養因子主要是可溶性非淀粉多糖，其作為粗纖維的主要成分，位于植物細胞的細胞壁中，在腸道中會增加食糜的黏稠度，阻礙腸道消化酶對營養成分的消化。經過微生物發酵之后，可溶性非淀粉多糖被降解成易吸收的營養成分，這是發酵飼料能夠增加飼料營養成分的主要因素之一。例如菜籽餅的粗蛋白質含量較高，但其非淀粉多糖含量達到了200 g/kg，如若其不能被消化完全，將大大降低飼料的吸收轉化率，嚴重影響飼料的營養價值（Jakobsen 等，2015）。有研究發現大麥和燕麥經過發酵之后，可溶性非淀粉多糖含量分別降低了62%和 40%（Svihus 等，1997）。以上表明微生物發酵飼料可以提高飼料的營養品質，增加飼料的營養價值。

3.2 促進生長機制 微生物發酵飼料能夠改善飼料的適口性，增加動物的采食量，促進動物的生長。首先，研究發現微生物發酵飼料可以增加動物血清中堿性磷酸酶的活性，后者與動物的骨骼發育及生長代謝密切相關（王秉棟和經榮斌，1984），發酵飼料可以將動物血清中的堿性磷酸活性提高10% 以上（嚴念東等，2010）。其次，飼喂發酵飼料可以降低動物的血清氮濃度，血清氮濃度的降低表明動物機體蛋白質合成大于蛋白質代謝，因此表明其可以促進蛋白質的合成及動物的生長發育（嚴念東等，2010）。此外，通過研究發現，腸道的消化能力與消化道的絨毛高度及隱窩深度密切相關，而微生物發酵飼料能夠提高腸道絨毛高度，降低腸道隱窩深度，增強動物腸道的消化能力，進而改善動物的生長及生產性能（Zhang 等，2016）。其中一些發酵飼料對肉雞腸道形態的改善效果如表1 所示。同時微生物發酵飼料中的短鏈脂肪酸可以作為腸道益生菌的能量來源，促進益生菌的生長，競爭性抑制有害微生物的生長，維持腸道微生態平衡，減少腸道炎癥反應，保持動物健康，促進動物生長（丁國棟等，2016）。

表1 微生物發酵飼料對肉雞腸道形態的影響

3.3 增強免疫機制 微生物發酵飼料能夠提高動物的免疫力，刺激機體的特異和非特異性免疫功能，減少抗生素的使用。首先，研究發現微生物發酵飼料能夠刺激機體產生抗體，例如對肉雞飼喂發酵飼料，可以降低肉雞的死亡率，提升免疫反應，其機制是飼喂發酵飼料可提高動物的黏膜免疫功能，從而促進機體產生抗體（Gao 等，2009）。其次，微生物發酵飼料會產生一些小分子多肽，后者也能夠提高機體的免疫功能，Tang 等（2012）研究發現飼料發酵過程中形成的小分子多肽能夠刺激動物體內免疫球蛋白水平的升高。Wang 等（2003）在仔豬的飼料中添加3 g/kg 的小分子多肽發現，仔豬的血清中免疫球蛋白水平明顯升高。另外，有研究發現微生物發酵飼料提高免疫力可能與其刺激機體產生細胞因子相關。Kabir（2009）認為發酵飼料中的益生菌可以刺激不同的免疫細胞亞群產生細胞因子，例如乳酸菌能夠誘導產生Th2 細胞因子：白細胞介素-4 和白細胞介素-10，二者能夠促進B 細胞發育和產生抗體相關的同種類別轉換，并且這些細胞因子在免疫應答的誘導和調節中起著關鍵作用。最后，免疫器官的大小能直接反映出體液免疫和細胞免疫的狀態，而飼喂發酵飼料可以增加免疫器官的重量，梁睿等（2012）通過對蛋雛雞飼喂發酵飼料，結果發現蛋雛雞胸腺及脾臟等免疫器官的重量均有所增加。

3.4 降低毒素毒性機制 黃曲霉毒素B1是香豆素類化合物，其結構中末端的呋喃環可以發生環氧化反應，生成黃曲霉毒素B1-2，3-環氧化物，后者能夠與DNA 的N 端相結合，引發DNA 合成異常，引起強烈的致癌毒性（Groopmanh 和Kensler，2005）。首先，發酵飼料中的乳酸菌可以吸附黃曲霉毒素B1并與其相結合，進而抑制其發生環氧化反應，降低黃曲霉毒素 B1毒性（Zhao 等，2018），研究發現不同的乳酸菌對黃曲霉毒素B1的吸附能力也不盡相同（陳漪汶等，2018）。此外，乳酸菌代謝產生的乳酸能夠將黃曲霉毒素B1轉變為黃曲霉毒素B2a，而后者的毒性遠遠低于前者，以此來達到降毒的目的（Hafez 和 Megalla，1982）。

玉米赤霉烯酮因其與雌激素的結構相似，可以與雌激素受體結合產生毒性，微生物發酵飼料中的乳酸菌表面通過疏水作用能與玉米赤霉烯酮相結合，形成乳酸菌和玉米赤霉烯酮的復合物，使其不能與機體的雌激素受體相結合，減少雌激素效應，降低毒性 （鄧友田和袁慧，2007；Elnezami等，2004）。此外，微生物發酵飼料中的芽孢桿菌可以利用自身的酶對玉米赤霉烯酮進行降解，使其結構中的酯鍵發生水解，進而發生脫羧，空間結構的改變使其不能與雌激素受體結合，失去毒性作用（Tinyiro 等，2011）。微生物發酵飼料中還存在一些其他的有毒化合物，例如生氰糖苷化合物、異硫氰酸酯等，發酵飼料中微生物產生的羥腈裂解酶和氰化物水合酶是將這些化合物解毒的重要機制之一（Tefera 等，2014）。

4 微生物發酵飼料的應用

4.1 微生物發酵飼料在家畜中的應用 微生物發酵飼料能夠促進家畜生長，減少抗生素使用，降低飼料成本，提高經濟效益。涂小麗等（2015）研究發酵飼料對育肥豬生產性能及營養物質利用率的影響，結果發現育肥豬的平均日增重提高近5%，料肉比降低近6%，對粗蛋白質及粗脂肪的利用率顯著提高，已經達到添加抗生素飼料的飼喂效果。謝開春等（2009）將含有酵母菌、乳酸菌、芽孢桿菌的發酵飼料飼喂仔豬發現，其能提高仔豬的生長性能，節約飼喂成本，增加經濟效益。張乃峰等（2003）選用38 頭荷斯坦奶牛，試驗組采用蘋果發酵飼料替換10%精料，結果發現試驗組比沒有添加發酵飼料的對照組產奶量增加了0.58 kg/d，表明發酵飼料可以促進奶牛增產，增加牛奶產量。余淼等（2013）對90 頭西雜牛飼喂不用水平發酵飼料替代的精料，結果表明與對照組相比，試驗組中免疫蛋白含量顯著升高，抗氧化能力和超氧化物歧化酶活力顯著增強，表明發酵飼料可以提高肉牛的免疫力，減少抗生素的使用。彭忠利等（2013）研究微生物發酵飼料對山羊生產性能的影響發現，其能顯著提高山羊的生產性能及健康狀況，提高山羊的消化能力及抗病力，具有較好的應用價值。閆建義等（2013）通過對家兔飼喂花生殼粉發酵飼料發現，與對照組相比，飼喂發酵飼料的試驗組生長性能及免疫性能均顯著提高，死亡率顯著下降。

4.2 微生物發酵飼料在家禽中的應用 在生產的總成本中，家禽飼料成本占據50%以上，因此微生物發酵飼料的應用與提高家禽養殖業的經濟效益息息相關。微生物發酵飼料可以改善家禽肉質、提高生長及生產性能、維持腸道微生態平衡和增強動物機體的免疫應答。朱風華等（2015）通過用乳酸菌發酵飼料替換蛋雞配合飼料，探討其對蛋雞產蛋性能及蛋品質的影響，結果發現替換之后，產蛋性能明顯提高，料蛋比明顯下降，經濟效益增加近四成。Chiang 等（2010）通過將菜籽餅用乳酸桿菌和枯草芽孢桿菌發酵之后對肉雞進行飼喂發現，肉雞的生長性能及飼料吸收轉化率明顯得到改善。此外，胸肉產量和腹部脂肪沉積是評價肉雞品質的關鍵衡量標準，胸肉產量越高，腹部脂肪含量越低，肉雞品質越高（Supriyati，2012）。張偉偉等（2011）在肉雞飼料中添加發酵飼料探索其對生長性能及雞肉品質的影響，結果表明發酵飼料能夠增加肉雞雞肉中的蛋白質含量，顯著提高肉雞的雞肉品質。Zhang 等（2016）研究發現，在肉雞飼料中添加6%的熱帶假絲酵母和釀酒酵母發酵的棉籽粕可以降低肉雞的腹脂率，并且添加的發酵飼料比例不同，肉雞的腹脂率也不同。楊春花和方希修（2012）研究不同水平海藻發酵飼料對肉鴨生長性能的影響，結果發現與對照組相比，試驗組肉鴨采食量和日增重明顯提高。

5 前景與展望

微生物發酵是提高飼料營養價值的一種有效技術手段，其會對動物的生長性能及腸道生態系統產生有益影響，并且微生物發酵飼料可以提高動物免疫功能，減少動物胃腸道病原菌的侵襲，可作為一種減少抗生素使用的替代品。雖然目前還有許多困難需要克服，比如發酵技術需要進一步改進等，但總的來說微生物發酵飼料應用價值極大，使用當地可獲得的發酵飼料成分，特別是在發展中國家，不僅可以降低飼料成本，提高經濟效益，確保畜牧養殖業有利可圖，還能發展綠色生態，降低環境污染，這對促進飼料產業的可持續發展意義重大。