益生菌发酵豆粕降解抗营养因子的研究进展

徐舒怡，肖佳怡，朱嘉璐，孙 玲*，孙巍巍

(1.徐州工程学院，江苏 徐州 221008；2.徐州海大合新饲料有限公司，江苏 徐州 221000)

中国是一个畜牧业大国，近年来畜牧业的快速发展促使对饲料资源的需求进一步增加，但是我国饲料资源尤其是优质饲料资源严重短缺，如豆粕、鱼粉、肉骨粉等，必须大量依赖进口。但由于中美贸易战的持续发酵，限制了大豆的进口，进一步加剧了我国大豆资源利用的严峻性，严重制约了饲料业和养殖业的发展。

豆粕是目前使用量很大的一种优质蛋白源，豆粕中的粗蛋白质、赖氨酸含量高，富含多种生物活性成分，消化率高，适口性好，且不易被病原菌污染，不易氧化腐败，含毒害物质少，安全系数高，具有产量大、成本低、便于储存的优点。但豆粕中含有的多种抗营养因子如胰蛋白酶抑制因子、抗原蛋白、植酸、寡糖等，影响了动物机体对营养物质的吸收和利用，对动物机体的某些器官造成影响和损害，特别是幼龄动物[1]。因此，降低或钝化豆粕中的抗营养因子，提高豆粕的消化率，降低饲料成本成为急需解决的问题。

1 豆粕的营养特性及其抗营养因子

1.1 豆粕的营养特性

豆粕是大豆提取豆油后得到的一种副产品，在棉籽粕、花生粕、菜籽粕等植物油粕饲料产品中为产量最大，用途最广的一种。豆粕主要成分中蛋白质占比40%～48%，赖氨酸2.5%～3.0%，色氨酸0.6%～0.7%，蛋氨酸0.5%～0.7%。研究发现，豆粕经益生菌发酵水解，可产生大量具有独特生理活性功能的活性肽，具有易消化、吸收快、抗原性低等特点，有效刺激肠道内有益菌的增殖，调节体内微生态菌群的结构，增加整个消化道对饲料营养物质的分解、合成、吸收和利用。发酵豆粕中大量的高效益生菌在动物体内可抑制大肠杆菌、沙门氏菌等有害菌的生长繁殖，保持肠道内微生态环境处于平衡、稳定状态，避免肠道疾病发生。同时发酵豆粕中富含多种微生物酶类如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等，可补充机体内源酶不足，加强了营养物质的消化，提高动物对饲料蛋白质和能量的利用率。此外发酵豆粕含有多种营养物质如乳酸、维生素、氨基酸、未知促生长因子等，具有特有的发酵香味，适口性好，可增加动物的采食量。乳酸还可调节幼畜肠道pH值，节省饲料中酸化剂的费用，参与机体的新陈代谢，促进生长。

1.2 豆粕中主要的抗营养因子

豆粕中含有很多种抗营养因子，抗营养因子的存在会影响其营养价值和利用效率。根据对热敏感性可将其分为两类，一类包括抗原蛋白、寡糖、植酸等热稳性因子，另一类包括脲酶、胰蛋白酶抑制因子、凝集素等热不稳性因子。其中，胰蛋白酶抑制因子会抑制蛋白酶活性，使胰腺增生，小肠对蛋白质的消化吸收能力下降，从而导致猪、鸡家畜禽的胰腺肿大，生长迟缓。抗原蛋白主要包括大豆球蛋白以及β-伴球蛋白，通常会引起过敏反应，破坏肠道形态。大豆球蛋白是11S球蛋白，在大豆蛋白质中占比最多，是大豆的主要储藏蛋白，占大豆总球蛋白的40%左右。其分子量为300～380 kDa，由6个亚基组成，每个亚基由一条酸性多肽链（An）和一条碱性多肽链（Bn）组成，并通过二硫键（An-S-S-Bn）连接在一起，形成两个比较稳定的环状六角形结构，且酸性多肽链比碱性多肽链容易水解。β-伴球蛋白为7S球蛋白，占大豆总蛋白球的30%,是热稳定抗原蛋白。其分子量约为180kDa，是由疏水作用相互缔结的α、α’和β三个亚基组成的，并以α、α’亚基的抗原性最强[2]。

2 消除豆粕中抗营养因子的方法

2.1 物理方法

物理方法主要有加热法、膨化法、浸泡法等来去除抗营养因子。其中加热法的原理是豆粕中的胰蛋白酶抑制因子、凝集素、脲酶等抗营养因子对热敏感，不稳定，因此可通过加热方式使其变性或去除，而低聚糖、大豆球蛋白、植酸等对热不敏感，此方法并不适用。在进行热处理时，对强度必须严格把控，如加热不足则抗营养因子不能被完全破坏，加热过度则会引发美拉德反应和焦糖化导致氨基酸利用率下降，降低了蛋白质的生物学效率[3]。膨化加工可降低大豆的脲酶活性，破坏大豆中胰蛋白酶抑制因子，随着膨化温度的升高及加热时间的延长，原料中抗营养因子活性会下降，并呈正相关的趋势。秦毅等[4]人的研究表明，与大豆膨化前相比，膨化大豆的脂肪含量降低1.26%，蛋白质含量提高1.23%，蛋白溶解度降低12.12%，热敏蛋白含量降低94.65%，脲酶活性降低97.46%，植酸磷含量降低6.25%，总磷含量提高3.39%。

虽说传统的热处理法对大豆球蛋白和β-伴球蛋白免疫原性降低效果并不理想，但目前研究较多的超高压加工技术作为一种非热加工技术，可修饰蛋白质结构中的非共价键，从而改变抗原结构，降低致敏性[5-7]，结果表明超高压处理可改变其空间结构，过程中可能通过破坏或掩盖原有抗原表位来降低抗原性[8]。此方法虽有效但操作条件苛刻，难以规模化生产，如何在实际生活中有效应用仍是未来的一大问题。

2.2 化学方法

化学方法的主要原理是向豆粕中加入化学试剂与抗营养因子相结合，通过某种化学反应，来改变抗营养因子的分子结构，使其活性降低或失活。常用的化学试剂有尿素、硫酸钠、硫酸亚铁等。彭胜等[9]使用浓度为3%的硫酸按照料液比1∶20（g/mL）,脱毒温度90℃，振荡浸提90 min，脱毒2次，菜籽粕中单宁、植酸、硫甙的脱除率分别为68.21%、71.03%、72.46%。虽然化学方法相较于物理方法有更好的钝化或消除豆粕中的抗营养因子的效果，但产品中会有大量化学物质残留，去除这些残留会产生新的生产成本，同时也会对环境和动物造成伤害。

2.3 生物学方法

生物学方法消除豆粕中抗营养因子相较于物理和化学方法，具有高效、环境友好、适口性良好以及能够提高豆粕中营养物质等优点，目前常用的生物学方法有育种法、酶解法和微生物发酵法。

育种法主要采用植物育种的方式来培养一批低抗营养因子或无抗营养因子的植物品种，但是此种方法培育周期较长，成功率低，产量不高，且投入的人力物力较大，因此育种法推广难度较大，不能广泛应用于生产。酶解法是指在向动物投喂饲料时添加酶制剂来降解不同的抗营养因子以此提高饲料的利用率，抑制制霉菌生长和增强动物机体的免疫能力，目前使用最广泛的是植酸酶。陈思等[10]采用中性蛋白酶、酸性蛋白酶、纤维素酶和木聚糖酶的不同组合对豆粕进行酶解，研究发现，中性和酸性蛋白酶组合时蛋白质水解度最高，与纤维素酶三者组合时还原糖释放量有所增加，为1%。微生物发酵法主要利用发酵时微生物产生的酶来分解豆粕中的抗营养因子，降低其抗原性并累计有益的代谢产物，具有可加工处理，条件工艺设备要求简单的特点。杨慧等[11]探讨微生物发酵对豆粕抗原性的影响，结果表明：选用枯草芽孢杆菌在固态条件下发酵12 h，大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白的抗原性分别降低20.62%和50.12%。Kim[12]等用发酵豆粕代替大豆粉和脱脂乳粉饲喂671头育龄仔猪，结果显示发酵豆粕可以取代豆粕和脱脂乳粉作为另一种饲料蛋白质来源。这说明微生物发酵法可以强化动物的吸收效率，增加家畜的食用量。

3 益生菌发酵豆粕的优势

益生菌发酵豆粕是指以豆粕为原料，利用单一或多种益生菌复合发酵进行酶解作用。经益生菌发酵处理的豆粕，不仅降解了抗营养因子，还可以把大分子蛋白质和碳水化合物降解成有利于动物消化吸收的多肽类和糖类，在发酵过程中，还会产生一些维生素、有机酸及生长因子等，促进了动物的消化吸收。

3.1 发酵豆粕的概念

发酵豆粕是指在一定条件下，利用一种或者多种益生菌进行发酵处理，利用其在豆粕中的生长增值以及代谢作用，累计有益代谢产物而产生的成品。通过益生菌的发酵，豆粕中大分子蛋白降解为多肽、小肽等游离氨基酸，除去了多种抗营养因子，平衡了其中的氨基酸比例，提高了营养以及使用价值。

3.2 益生菌的功能

3.2.1 减少抗营养因子及有害微生物数量，提高饲料营养水平。经益生菌发酵处理，可以消除一些饲料中的某些抗营养因子，如蛋白酶抑制剂、植酸、单宁、棉酚等。此外，益生菌发酵可使饲料的pH降到4.5以下，能够抑制潜在病原菌的生长，减少有害微生物的数量。发酵过程中的一系列生物化学反应使饲料中的淀粉、纤维素、蛋白质等复杂大分子有机物降解为动物易消化吸收的单糖、双糖、低聚糖和氨基酸等小分子物质，从而改善饲料的适口性并提高了营养水平。

3.2.2 促进营养物质的消化与吸收，产生多种有益代谢物。益生菌在动物肠道内能合成多种维生素、氨基酸、核酸，能促进动物对蛋白质、糖分、脂肪以及各种离子的吸收。酵母细胞在发酵过程中可以将无机硒转化为有机硒，降低硒的毒性然后转移到有机大分子物质上，经过益生菌的转化可使人体吸收比率提高20倍，还可以提高粗蛋白、钙、磷和其他一些营养物质的消化。同时，益生菌发酵过程中会产生营养丰富的微生物菌体蛋白及有益代谢产物，如氨基酸、有机酸、酯、醇、醛、抗生素、维生素、激素、活化的微量元素等，改变了饲料的品质。

3.2.3 维持动物菌肠道菌群平衡。益生菌在肠道中能够产生氨基氧化酶、氨基转移酶或分解硫化物的酶等有害物质利用酶，从而降低肠道中游离的氨及吲哚等有害物质，使排泄物和体液中的氨减少，改善了环境的污染。而且粪物中也存在大量活菌体可以继续利用剩余氨从而改善饲养环境。Sheng等[13]在母猪饲料中添加乳酸菌及枯草芽孢杆菌后进行厌氧发酵,和未发酵饲料相比,发酵饲料还原态的铜、铁含量显著增加,氧化态的铜、铁含量显著减少(P＜0.05),猪粪pH值显著升高(P＜0.05),猪粪粪臭素浓度极显著降低(P＜0.01),饲料发酵改变了饲料和猪粪中铜、铁、锌、锰的化学形态,从而减少了猪粪臭味。益生菌还能粘附到肠壁细胞上起到屏障作用，竞争性抑制排斥病原菌。多种益生菌在胃肠道中能抑制有害菌的繁殖和生长。

3.2.4 增强免疫力，提高动物生产性能。益生菌能有效提高干扰素和巨噬细胞的活性，并分泌产生特异性免疫调节因子来激发机体免疫功能，及时杀灭入侵的致病菌，增强机体免疫力，大幅度降低发病率和死淘率。而且经益生菌发酵过的饲料带有特殊香味，适口性好，可以刺激食欲，提高采食量，同时产生的有益代谢物转化利用率高，可以提高动物的生产性能。益生菌发酵饲料对反刍动物也有良好的改善生产性能的作用,吴小燕等[14]研究证实益生菌发酵饲料能提高泌乳奶牛的产奶量和饲粮各养分的表观消化率、改善乳品质。

3.2.5 改善环境。使用益生菌发酵饲料喂养动物，益生菌可以抑制肠道内腐败菌，减少氨、生物胺、吲哚等有害物质产生，芽孢杆菌产生的氨基氧化酶及分解硫化氢的酶类，可将吲哚类物质降解，从而降低畜禽舍内氨气、硫化氢的浓度和臭味，减少污染，改善环境。

3.3 益生菌发酵豆粕的营养特性

豆粕发酵后不仅可以提高其适口性，其蛋白质含量也有所增加，同时对其所含的猪主要限制性氨基酸也没有任何影响。发酵豆粕中所含多肽会有所下降，这对断奶仔猪促进胃肠道内蛋白质消化所需的胃酸分泌极其有益,发酵豆粕中的多肽分子量通常都小于10 kDa，而普通豆粕分子量一般在20～250 kDa。豆粕发酵后可消除大豆蛋白质中的脲酶、大豆球蛋白、β-伴球蛋白、植酸等抗营养因子，降低蛋白质分子量为小分子蛋白质和小肽，并产生大量益生菌、寡肽、乳酸、维生素等物质，发酵豆粕的适口性和消化吸收率均较普通豆粕高。豆粕经过发酵处理可以显著提高豆粕中游离大豆异黄酮含量，同时，异黄酮经发酵后抗氧化活性也显著增强，对畜禽生长有积极的作用。

4 益生菌发酵法降解豆粕抗营养因子的作用机理

4.1 发酵豆粕的益生菌种类

国内外常用益生菌大致分为三类，第一类为厌氧的乳杆菌属，如干酪乳杆菌、嗜酸乳杆菌等；第二类为严格厌氧的双歧杆菌属，如短双歧杆菌、长双歧杆菌等；第三类为兼性厌氧的球菌属，如粪肠球菌、乳肠球菌等。还有一些酵母菌与需氧菌等也可归入益生菌范畴。目前市场上用于饲料发酵的益生菌种类主要是乳酸菌、芽孢杆菌、酵母菌和霉菌。胡新旭等[15]研究发现，仔猪饲喂乳酸菌发酵饲料后，其睡眠时间显著增长，且毛色更加光亮。吴逸飞等[16]采用酵母菌发酵玉米、豆粕、麸皮混合饲料，结果表明粗蛋白、磷以及小肽均显著提高。

4.2 益生菌发酵法降解豆粕抗营养因子的作用机理

按发酵所用微生物种类进行划分，可分为单一菌种发酵和复合菌种发酵。

单一菌种发酵一般使用丝状真菌，利用丝状真菌分泌大量水解酶可达到降解豆粕中抗营养因子和提高蛋白质、多肽含量的目的。张佳斌等[17]以枯草芽孢杆菌作为单一菌种发酵豆粕,在最佳发酵条件下：料水比（m/V)为1∶1，接种量为5%，发酵温度为37℃，发酵时间为48 h，发现豆粕中的粗蛋白质量分数达62.3%;以酿酒酵母菌作为单一菌种发酵豆粕,在料水比（m/V)为1∶1，接种量为5%，发酵温度为31℃，发酵时间为60 h的条件下，粗蛋白质量分数可达53.8%;以乳酸菌作为单一菌种,在料水比（m/V)为1∶1.2，接种量为5%，发酵温度为37℃，发酵时间为72 h的条件下，粗蛋白质量分数达48.6%。魏曼琳等[18]按豆粕质量4%、5%、6%的量添加乳酸菌作为3个处理，在37℃条件下发酵，分别在48、72 h对各组试样粗蛋白含量和脲酶活性进行测定，结果显示，乳酸菌添加量以4%为宜,既不会显著降低豆粕的粗蛋白含量,又可有效降低其脲酶活性。毛银等[19]研究发现,利用植物乳杆菌发酵豆粕显著提高了有机酸含量,改善了豆粕品质。

单一菌种虽可对豆粕中的抗营养因子进行部分降解，但几种益生菌复配在一起联合发酵的效果优于单一菌种，所以常采用多菌种联合发酵降解豆粕抗营养因子。张煜等[20]研究了选用枯草芽孢杆菌和复合酶制剂对玉米-豆粕型饲料进行菌酶协同发酵后其营养价值的改善，结果表明：通过菌酶协同发酵可有效降低饲料原料中大豆抗原蛋白免疫原性。侯楠楠等[21]利用乳酸菌和酿酒酵母等组成发酵豆粕与玉米粉和麸皮粉混合物（38∶1∶1），料水比5∶4，接种量2.0%。经过32℃恒温密封发酵72 h，发现乳酸菌和酵母菌数量显著提高，粗蛋白质、酸溶蛋白和总酸的含量提高，其中粗蛋白质含量高出6.07%，酸溶蛋白含量和总酸含量分别是对照组的3.87倍和5.23倍，且豆粕经复合益生菌发酵后，大肠杆菌和霉菌的数量降低。王国强等[22]的研究表明，在最佳复合微生物发酵条件下，枯草芽孢杆菌∶异常汉逊酵母菌∶干酪乳杆菌=2∶2∶1，微生物总接种数量为5%，发酵时间为48 h,发酵豆粕中酸溶蛋白含量达到12.0%,高于未发酵豆粕73.9%。

5 益生菌发酵法降解豆粕抗营养因子的发酵工艺

5.1 益生菌固态发酵

益生菌固态发酵是指有益微生物在有少量游离水的固态湿培养基上，在适当条件下经厌氧或好氧发酵而成的饲料，发酵过程不需要严格无菌，具有无废水排除、生产成本低和产出率高等优点。益生菌固体发酵饲料的种类大致可分为全价益生菌发酵饲料、益生菌发酵浓缩饲料、发酵豆粕、酵母培养物和其他发酵产品。

5.2 益生菌液态发酵

益生菌液体发酵是指在生化反应器中，将微生物在生产过程中所需的糖类、碳源、无机盐、微量元素及其他营养物质溶解在水中作为培养基，通入无菌空气并加以搅拌，提供微生物菌种生长代谢所需的氧气，并控制适宜的外界条件进行微生物大量培养繁殖的过程。液体发酵饲料有改善饲料的消化特性、提高饲料利用率和预防腹泻等优点。液体发酵饲料国外使用较多，制作时一般不添加菌种，普遍采用天然存在的乳酸菌、酵母发酵，在发酵好的液体发酵饲料微生物菌群中占主导地位的是乳酸菌。目前被广大研究者认可的液体发酵饲料指标为：pH＜4.5、LAB＞9 g 10 CFU/mL、乳酸含量＞150 mmol/L、乙酸含量＜40 mmol/L、酒精含量＜0.8 mmol/L。

固体发酵底物不仅能提供微生物生长所需的营养物质,还提供微生物生长的场所，但固体发酵产量低，劳动强度大，且易受杂菌污染，不利于工业化生产。可与液体发酵相比，其培养基具有含水量少，废渣废液少易处理，且能源消耗低，设备和技术简便，投入成本低等优点。

6 展望

发酵豆粕作为目前应用最多的一种植物性蛋白饲料，是饲料行业的一个主要技术突破口，更加深入及扩展其在畜牧业生产中的应用是未来发展趋势。虽然发酵豆粕技术日渐完善，但仍存在一些问题。目前,对微生物发酵饲料的研究发酵菌株种类繁多、性质不稳定且耐受性差，极易受保藏条件、发酵工艺、生产环境的影响而发生变异或退化，甚至产生安全性问题。而且现在国内外关于益生菌发酵饲料的研究仍主要停留在应用效果的层面上,而对发酵饲料中的活性有效成分如何对动物的生长及免疫等进行调控的机理还缺乏系统和深入的研究。因此，加大对菌种和工艺条件参数的研究仍将是未来发酵饲料原料研究的重点，致力于筛选出保存性能优秀且稳定的发酵菌株并系统深入地开展在动物体内作用机制的研究。我国的益生菌发酵饲料在生产工艺、保藏运输及养殖应用过程均缺乏统一的国家标准和监督管理机制，因此建立完善国家标准和监督管理机制也是急需解决的问题。