微生物发酵饲料的特性、作用机制及应用研究

王佰涛，杨文玲，，王一雯，王继雯，陈国参，刘德海

（1.河南省科学院生物研究所，河南郑州 450008；2.河南省微生物工程重点实验室，河南郑州 450008）

随着人民生活水平的提高，畜牧产品的需求量日益增高，因此畜牧业面临的挑战也越来越严峻。单纯的粮食饲料已不能满足畜牧业的发展需求，超剂量抗生素的使用严重威胁着人类健康，饲料的营养成分吸收转化率过低，全球饲料价格不断上涨，这些问题促使着畜牧业开始向非传统饲料或替代饲料的方向转化。但研究发现非传统饲料存在着许多局限性，比如其当中的抗营养因子会降低饲料的转化率，粗蛋白质含量过低不利于动物生长等。近年来，人们不断寻求新型的替代饲料，通过研究发现，利用一些益生菌进行微生物发酵可生产具有改善动物健康及生产性能，提高饲料利用率的功能性饲料。微生物发酵饲料可以提高饲料中粗蛋白质含量（Sugiharto 等，2015），降低抗营养因子、 粗纤维及其他一些有毒物质的含量（Xu 等，2012）。微生物发酵饲料的良好特性与其中的大量益生菌、 高含量有机酸及较低pH 有关（Canibe 和 Jensen，2012）。这些因素能够帮助预防饲料饲喂前的污染，利于动物的肠道健康和生长发育（Missotten 等，2013），同时有机酸可以促进胃肠蠕动，促进营养及钙、铁、锌等微量元素的吸收。这些益生菌在生长过程中会产生一些抑制有害菌生长的物质，例如乳酸菌产生的细菌素对饲料当中的许多致病菌和腐败菌都有抑制作用（刘静等，2018）。使用微生物发酵饲料，不仅可以促进动物生长发育，提高动物的免疫力，还可以减少动物粪便中氮、磷排泄量，减少粪便中恶臭气体的排放，降低环境污染，向绿色环保的方向发展（赵玉娥，2018）。

1 微生物发酵饲料定义与分类

1.1 微生物发酵饲料的定义 Lilly 和Stillwell（1965）在《科学》杂志上首次提出益生菌的定义，其是一种微生物产生的可以促进另一种微生物生长的物质。随后，世界各国开始将益生菌应用在实际生产生活中，其在饲料中的应用也越来越广泛。目前国家食品药品监督管理局发布的 《饲料添加剂品种目录》 中允许使用的益生菌种类已达几十种，常见菌种类别主要是乳酸菌、酵母菌、芽孢杆菌等。发酵是一个涉及微生物的生态过程，能够将复杂的底物转化为我们所需要的目标产物，在生物、食品及化学领域应用广泛。不同的发酵底物及发酵条件产生的发酵结果截然不同，而选择良好的发酵条件和底物能够提高发酵转化率和吸收率。相同的底物选择不同的微生物发酵也会产生完全不同的结果，例如乳酸菌发酵会产生乳酸，醋酸杆菌发酵会产生醋酸，酵母菌发酵会产生酒精。在人为控制条件下，将发酵应用到饲料领域中，通过利用益生菌本身的酶解或代谢将饲料中不利于动物吸收分解的成分转化为对动物有利的饲料营养成分，最终得到的产品称为微生物发酵饲料。微生物发酵饲料的简易工艺流程图如图1 所示。

图1 微生物发酵饲料的简易工艺流程图

1.2 微生物发酵饲料分类 微生物发酵饲料根据发酵物理状态的不同分为固体发酵饲料和液体发酵饲料。固态发酵饲料常选用的益生菌菌种是乳酸菌、酵母菌、芽孢杆菌。目前国外常用酵母菌和芽孢杆菌，而国内最常用的是乳酸菌（付弘赟，2008），其优点是原料来源丰富、成本较低、生产过程简单等，缺点是发酵时间较长、发酵条件难以控制、 成品成分复杂、 后期处理较难等。张沛等（2015）以碱液处理的稻壳粉为原料分别通过乳酸菌、酵母菌进行发酵生产蛋白饲料，工艺简单，发酵饲料蛋白质含量较高。液态发酵饲料常选用的菌种是乳酸菌和芽孢杆菌，其优点是发酵时间较短、发酵条件易控制、发酵产品饲喂效果较好等，缺点是对设备及工艺要求较高等。Canibe 和Jensen（2003）研究液体发酵饲料对仔猪的影响发现，饲喂低 pH（pH＜4.5）、高乳酸菌、高乳酸液体发酵饲料的仔猪比饲喂非发酵饲料的仔猪生长状况及其他指标都要好。

2 微生物发酵饲料的特性

2.1 增加饲料营养 微生物发酵包含了复杂的微生物代谢过程，通过发酵会提高饲料中粗蛋白质、低分子量肽及总氨基酸等营养成分的含量，降低其中粗脂肪的含量，提高饲料的营养价值。张益民等（2008）研究构树叶发酵饲料中营养成分的变化发现，以酵母菌和米曲霉作为发酵菌种，粗蛋白质含量分别增加了16.3%和23.9%。吴逸飞等（2016） 研究固态发酵对饲料营养特性的影响发现，经过发酵之后，粗蛋白质、总磷、低分子量肽及总氨基酸含量均显著升高，粗脂肪含量显著下降。但是发酵也会导致一些必需氨基酸的损失，比如发酵会导致饲料中赖氨酸的含量下降（Missotten等，2013）。B 族维生素主要包括维生素 B1、维生素B2、维生素B6等，机体无法自行合成，需从外界摄取，研究表明微生物发酵饲料可以增加其中的B族维生素含量，吴妍妍等（2013）研究棉籽粕发酵饲料中B 族维生素的含量变化，利用嗜酸乳杆菌S5 进行发酵发现，维生素 B1、B2、B6的含量分别提高了28.53%、50.91%、89.47%。此外，微生物发酵过程还能够增加饲料中的有机酸含量，抑制致病菌的生长，Ranjitkar 等（2016）研究发现，微生物发酵能够增加饲料中有机酸含量，使得饲料酸度值从pH 5.5 降至pH 4.2，导致一些致病菌如大肠杆菌、霉菌的数量从6 lg cfu/g 降至3 lg cfu/g 左右。

2.2 促进生长 微生物发酵饲料能够促进动物生长发育，提高日增重，降低料肉比。严念东等（2010）研究发酵饲料对育肥猪生长性能及血清生化指标的影响发现，饲喂微生物发酵饲料的试验组与对照组相比，平均日增重增加了46.15%，料肉比降低了15.24%。梁睿等（2012）研究发酵饲料对蛋雏鸡生长性能的影响发现，与对照组相比，试验组鸡的采食量和日增重显著增加，料肉比显著降低。此外，通过对肉鸡饲喂发酵饲料发现，其可以改善鸡肉的脂肪酸组成，提高鸡肉脂肪中不饱和脂肪酸的含量，改善肉质。Marcin 等（2018）在饲料中添加10%的深黄伞形霉菌发酵的玉米粉发现，鸡肉脂肪中γ-亚麻酸、α-亚麻酸和油酸的比例提高。微生物发酵饲料还能提高动物的存活率，黄世金等（2011）研究微生物发酵饲料对罗非鱼生长性能及存活率的影响发现，与对照组相比，试验组日增重提高22.14%，存活率提高可达98.07%。这些研究结果表明微生物发酵饲料确实能促进动物的生长。

2.3 增强免疫 养殖业中滥用抗生素的问题已经发展成为社会关注的焦点问题，其不仅威胁着人类的健康，也会对人类的生存环境带来风险。目前国家开始限制抗生素在动物中的应用，鼓励更多地使用替代饲料更新传统饲料来降低饲料中抗生素的添加量。研究发现微生物发酵饲料可以增强动物的免疫力，提高机体的抗病能力，降低动物的死亡率。林标声等（2012）研究微生物发酵饲料对育肥猪免疫功能的影响发现，与添加抗生素的对照组相比，饲喂发酵饲料的试验组免疫能力和抗氧化性能均显著提高。张宝荣等（2018）研究微生物发酵饲料对断奶仔猪血液生化指标及免疫功能的影响发现，在断奶仔猪日粮中添加微生物发酵饲料能够提高机体的免疫力，表明微生物发酵饲料可以增强动物免疫力。

2.4 降低毒素毒性 饲料在生产加工及运输的过程中很容易污染霉菌，这些霉菌在代谢过程中会产生霉菌毒素，严重危害着动物及人类的健康。研究发现微生物发酵饲料可以降低饲料中黄曲霉毒素B1、玉米赤霉烯酮（镰刀菌毒素）等的含量。黄曲霉毒素B1是严重的致癌物，玉米赤霉烯酮具有强烈的雌激素效应，能够引起生殖毒性，降低这些毒素含量，不仅可以改善饲料的适口性，还能促进动物的生长，利于人类的健康。李加友等（2016）利用产朊假丝酵母固态发酵条件去除饲料中黄曲霉毒素 B1，去除率达到了 96%。Yang 等（2018）研究发现通过发酵可以抑制霉菌生长，降解饲料中的镰刀菌毒素含量，提升饲料品质，保持动物健康。此外，饲料当中还存在一些有毒物质，例如生氰糖苷化合物、异硫氰酸酯等，这些有毒物质对动物及人类的健康非常不利，而微生物发酵饲料能够降低饲料中这些有毒化合物的毒性作用（Kobawila 等，2005）。

综上，微生物发酵饲料对动物的生长性能及健康特别有益，且发酵饲料也具有抗菌特性，可以减少抗生素的使用，然而在微生物发酵饲料的生产过程中也会出现一些困难需要我们克服，例如在发酵过程中会产生生物胺或者醋酸等物质，这些物质会影响到饲料的适口性，不利于动物饲喂。通过不断探索发现，在发酵过程中添加酸化剂或者一些酶能够解决这一问题，不仅能够改善饲料的适口性，还可以加快发酵进程 （Canibe 和Jensen，2012）。

3 微生物发酵饲料的作用机制

3.1 增加饲料营养机制 微生物发酵饲料能够增加饲料的营养价值，促进消化吸收，利于动物生长。首先，发酵过程中微生物产生的蛋白酶可以分解蛋白质，增加低分子量肽的含量，促进动物肠道对营养因子的消化吸收（Canibe 和 Jensen，2003）。其次，研究表明发酵过程中微生物可以降解饲料中的抗营养因子，提高饲料的营养价值和吸收转化率（Sugiharto 和 Ranjitkar，2019）。饲料中的抗营养因子主要是可溶性非淀粉多糖，其作为粗纤维的主要成分，位于植物细胞的细胞壁中，在肠道中会增加食糜的黏稠度，阻碍肠道消化酶对营养成分的消化。经过微生物发酵之后，可溶性非淀粉多糖被降解成易吸收的营养成分，这是发酵饲料能够增加饲料营养成分的主要因素之一。例如菜籽饼的粗蛋白质含量较高，但其非淀粉多糖含量达到了200 g/kg，如若其不能被消化完全，将大大降低饲料的吸收转化率，严重影响饲料的营养价值（Jakobsen 等，2015）。有研究发现大麦和燕麦经过发酵之后，可溶性非淀粉多糖含量分别降低了62%和 40%（Svihus 等，1997）。以上表明微生物发酵饲料可以提高饲料的营养品质，增加饲料的营养价值。

3.2 促进生长机制 微生物发酵饲料能够改善饲料的适口性，增加动物的采食量，促进动物的生长。首先，研究发现微生物发酵饲料可以增加动物血清中碱性磷酸酶的活性，后者与动物的骨骼发育及生长代谢密切相关（王秉栋和经荣斌，1984），发酵饲料可以将动物血清中的碱性磷酸活性提高10% 以上（严念东等，2010）。其次，饲喂发酵饲料可以降低动物的血清氮浓度，血清氮浓度的降低表明动物机体蛋白质合成大于蛋白质代谢，因此表明其可以促进蛋白质的合成及动物的生长发育（严念东等，2010）。此外，通过研究发现，肠道的消化能力与消化道的绒毛高度及隐窝深度密切相关，而微生物发酵饲料能够提高肠道绒毛高度，降低肠道隐窝深度，增强动物肠道的消化能力，进而改善动物的生长及生产性能（Zhang 等，2016）。其中一些发酵饲料对肉鸡肠道形态的改善效果如表1 所示。同时微生物发酵饲料中的短链脂肪酸可以作为肠道益生菌的能量来源，促进益生菌的生长，竞争性抑制有害微生物的生长，维持肠道微生态平衡，减少肠道炎症反应，保持动物健康，促进动物生长（丁国栋等，2016）。

表1 微生物发酵饲料对肉鸡肠道形态的影响

3.3 增强免疫机制 微生物发酵饲料能够提高动物的免疫力，刺激机体的特异和非特异性免疫功能，减少抗生素的使用。首先，研究发现微生物发酵饲料能够刺激机体产生抗体，例如对肉鸡饲喂发酵饲料，可以降低肉鸡的死亡率，提升免疫反应，其机制是饲喂发酵饲料可提高动物的黏膜免疫功能，从而促进机体产生抗体（Gao 等，2009）。其次，微生物发酵饲料会产生一些小分子多肽，后者也能够提高机体的免疫功能，Tang 等（2012）研究发现饲料发酵过程中形成的小分子多肽能够刺激动物体内免疫球蛋白水平的升高。Wang 等（2003）在仔猪的饲料中添加3 g/kg 的小分子多肽发现，仔猪的血清中免疫球蛋白水平明显升高。另外，有研究发现微生物发酵饲料提高免疫力可能与其刺激机体产生细胞因子相关。Kabir（2009）认为发酵饲料中的益生菌可以刺激不同的免疫细胞亚群产生细胞因子，例如乳酸菌能够诱导产生Th2 细胞因子：白细胞介素-4 和白细胞介素-10，二者能够促进B 细胞发育和产生抗体相关的同种类别转换，并且这些细胞因子在免疫应答的诱导和调节中起着关键作用。最后，免疫器官的大小能直接反映出体液免疫和细胞免疫的状态，而饲喂发酵饲料可以增加免疫器官的重量，梁睿等（2012）通过对蛋雏鸡饲喂发酵饲料，结果发现蛋雏鸡胸腺及脾脏等免疫器官的重量均有所增加。

3.4 降低毒素毒性机制 黄曲霉毒素B1是香豆素类化合物，其结构中末端的呋喃环可以发生环氧化反应，生成黄曲霉毒素B1-2，3-环氧化物，后者能够与DNA 的N 端相结合，引发DNA 合成异常，引起强烈的致癌毒性（Groopmanh 和Kensler，2005）。首先，发酵饲料中的乳酸菌可以吸附黄曲霉毒素B1并与其相结合，进而抑制其发生环氧化反应，降低黄曲霉毒素 B1毒性（Zhao 等，2018），研究发现不同的乳酸菌对黄曲霉毒素B1的吸附能力也不尽相同（陈漪汶等，2018）。此外，乳酸菌代谢产生的乳酸能够将黄曲霉毒素B1转变为黄曲霉毒素B2a，而后者的毒性远远低于前者，以此来达到降毒的目的（Hafez 和 Megalla，1982）。

玉米赤霉烯酮因其与雌激素的结构相似，可以与雌激素受体结合产生毒性，微生物发酵饲料中的乳酸菌表面通过疏水作用能与玉米赤霉烯酮相结合，形成乳酸菌和玉米赤霉烯酮的复合物，使其不能与机体的雌激素受体相结合，减少雌激素效应，降低毒性 （邓友田和袁慧，2007；Elnezami等，2004）。此外，微生物发酵饲料中的芽孢杆菌可以利用自身的酶对玉米赤霉烯酮进行降解，使其结构中的酯键发生水解，进而发生脱羧，空间结构的改变使其不能与雌激素受体结合，失去毒性作用（Tinyiro 等，2011）。微生物发酵饲料中还存在一些其他的有毒化合物，例如生氰糖苷化合物、异硫氰酸酯等，发酵饲料中微生物产生的羟腈裂解酶和氰化物水合酶是将这些化合物解毒的重要机制之一（Tefera 等，2014）。

4 微生物发酵饲料的应用

4.1 微生物发酵饲料在家畜中的应用 微生物发酵饲料能够促进家畜生长，减少抗生素使用，降低饲料成本，提高经济效益。涂小丽等（2015）研究发酵饲料对育肥猪生产性能及营养物质利用率的影响，结果发现育肥猪的平均日增重提高近5%，料肉比降低近6%，对粗蛋白质及粗脂肪的利用率显著提高，已经达到添加抗生素饲料的饲喂效果。谢开春等（2009）将含有酵母菌、乳酸菌、芽孢杆菌的发酵饲料饲喂仔猪发现，其能提高仔猪的生长性能，节约饲喂成本，增加经济效益。张乃峰等（2003）选用38 头荷斯坦奶牛，试验组采用苹果发酵饲料替换10%精料，结果发现试验组比没有添加发酵饲料的对照组产奶量增加了0.58 kg/d，表明发酵饲料可以促进奶牛增产，增加牛奶产量。余淼等（2013）对90 头西杂牛饲喂不用水平发酵饲料替代的精料，结果表明与对照组相比，试验组中免疫蛋白含量显著升高，抗氧化能力和超氧化物歧化酶活力显著增强，表明发酵饲料可以提高肉牛的免疫力，减少抗生素的使用。彭忠利等（2013）研究微生物发酵饲料对山羊生产性能的影响发现，其能显著提高山羊的生产性能及健康状况，提高山羊的消化能力及抗病力，具有较好的应用价值。闫建义等（2013）通过对家兔饲喂花生壳粉发酵饲料发现，与对照组相比，饲喂发酵饲料的试验组生长性能及免疫性能均显著提高，死亡率显著下降。

4.2 微生物发酵饲料在家禽中的应用 在生产的总成本中，家禽饲料成本占据50%以上，因此微生物发酵饲料的应用与提高家禽养殖业的经济效益息息相关。微生物发酵饲料可以改善家禽肉质、提高生长及生产性能、维持肠道微生态平衡和增强动物机体的免疫应答。朱风华等（2015）通过用乳酸菌发酵饲料替换蛋鸡配合饲料，探讨其对蛋鸡产蛋性能及蛋品质的影响，结果发现替换之后，产蛋性能明显提高，料蛋比明显下降，经济效益增加近四成。Chiang 等（2010）通过将菜籽饼用乳酸杆菌和枯草芽孢杆菌发酵之后对肉鸡进行饲喂发现，肉鸡的生长性能及饲料吸收转化率明显得到改善。此外，胸肉产量和腹部脂肪沉积是评价肉鸡品质的关键衡量标准，胸肉产量越高，腹部脂肪含量越低，肉鸡品质越高（Supriyati，2012）。张伟伟等（2011）在肉鸡饲料中添加发酵饲料探索其对生长性能及鸡肉品质的影响，结果表明发酵饲料能够增加肉鸡鸡肉中的蛋白质含量，显著提高肉鸡的鸡肉品质。Zhang 等（2016）研究发现，在肉鸡饲料中添加6%的热带假丝酵母和酿酒酵母发酵的棉籽粕可以降低肉鸡的腹脂率，并且添加的发酵饲料比例不同，肉鸡的腹脂率也不同。杨春花和方希修（2012）研究不同水平海藻发酵饲料对肉鸭生长性能的影响，结果发现与对照组相比，试验组肉鸭采食量和日增重明显提高。

5 前景与展望

微生物发酵是提高饲料营养价值的一种有效技术手段，其会对动物的生长性能及肠道生态系统产生有益影响，并且微生物发酵饲料可以提高动物免疫功能，减少动物胃肠道病原菌的侵袭，可作为一种减少抗生素使用的替代品。虽然目前还有许多困难需要克服，比如发酵技术需要进一步改进等，但总的来说微生物发酵饲料应用价值极大，使用当地可获得的发酵饲料成分，特别是在发展中国家，不仅可以降低饲料成本，提高经济效益，确保畜牧养殖业有利可图，还能发展绿色生态，降低环境污染，这对促进饲料产业的可持续发展意义重大。