菌酶协同发酵饲料及其在动物生产中应用的研究进展

孙智媛，梅力文，黄兴国，李颖慧

（湖南农业大学动物科学技术学院，湖南家禽安全生产工程技术研究中心，湖南畜禽安全生产协同创新中心，湖南长沙 410128）

近年来，随着我国饲料中抗生素的使用被全面禁止，人们对优质肉蛋奶的需求日渐提升，如何保障畜禽健康成为我国畜牧业的一大挑战，安全高效、环境友好的抗生素替代品成为研究焦点。以发酵饲料和酶解饲料为代表的生物饲料是推行无抗养殖的有效手段，也是解决畜牧业可持续发展的重要途径。大量研究表明，菌酶协同对饲料和饲料原料的作用效果优于单独的菌或酶处理效果，且前者在改善饲料营养价值和饲喂效果方面表现出明显的优势。2018 年初发布的团体标准《生物饲料产品分类》（T/CSWSL001—2018）将菌酶协同发酵饲料定义使用饲料原料目录和饲料添加剂品种目录等国家相关法规允许使用的饲料原料、酶制剂和微生物，通过发酵工程和酶工程技术协同作用生产的单一饲料和混合饲料[1]。采用菌酶协同处理饲料一方面可提高发酵过程中微生物对饲料中大分子物质的利用效率，改善饲料的营养价值，并缩短发酵周期；另一方面，也可以利用某些菌种的抗菌作用改变动物肠道内微生态环境，增强动物抵抗力，减少抗生素的使用[2]。因此，利用菌酶协同作用对于饲料资源尤其是非常规饲料资源的开发和应用意义重大。本文综述了菌酶协同发酵饲料的分类和酵解机制，概括了菌酶协同发酵的优势及其在动物生产中的应用进展，为其今后在养殖业中更广泛地应用提供科学依据。

1 菌酶协同发酵饲料

1.1 菌酶协同发酵饲料的分类 菌酶协同发酵饲料按照基质种类差异可分为菌酶协同发酵蛋白饲料、菌酶协同发酵能量饲料和菌酶协同发酵粗饲料。菌酶协同发酵蛋白饲料的基质主要为豆粕、大豆蛋白、菜籽粕和棉籽粕等；所用菌种为植物乳杆菌、枯草芽孢杆菌和酿酒酵母等，具有清除植物饲料中抗营养因子的重要作用[3]；所用的酶以蛋白水解酶为主，用以分解蛋白基质中的大分子蛋白质，提高其消化率或提高特定功能肽含量[4]。菌酶协同发酵能量饲料的基质包括谷物副产物、马铃薯渣等能量饲料；目前报道的菌种有假丝酵母、酿酒酵母、乳杆菌等，可提高饲料中蛋白质含量、降低粗纤维含量，增加饲料的适口性[5]；酶类包括淀粉酶、纤维素酶等，用来降解饲料原料，将饲料中难降解组分转化为容易被吸收的小分子物质，从而提高饲料的吸收利用率[6]。菌酶协同发酵粗饲料的基质包括玉米青贮饲料、玉米芯、玉米秸秆、棉花秸秆等；可用菌种包括地衣芽孢杆菌、植物乳杆菌和酵母菌，用来去除木质素，使纤维组织松散；可用酶种类以纤维素酶和木聚糖酶为主，用来酶解木质纤维，提高酶解率和木聚糖产量[7-9]。

菌酶协同发酵饲料按照饲料原料数目差异分为菌酶协同发酵单一饲料和菌酶协同发酵混合饲料。菌酶协同发酵单一饲料是仅以一种主要饲料原料作为底物，接种微生物进行发酵获得的饲料产品，常见菌酶协同发酵单一饲料有发酵豆粕、发酵玉米、发酵酒糟和发酵秸秆等[10-11]；菌酶协同发酵混合饲料是指以多种饲料原料作为底物进行发酵得到的发酵饲料，基料的选择需要考虑动物所需营养物质种类及其含量，同时应创建发酵体系中微生物生长所适宜的环境[12]。与单一饲料相比，发酵混合饲料营养更均衡、适口性更好，与全价配合饲料的营养组成更接近[13]。

此外，菌酶协同发酵饲料还可按照微生物需氧程度分为好氧性菌酶协同发酵饲料、厌氧性菌酶协同发酵饲料和兼性厌氧菌酶协同发酵饲料。其中，好氧菌酶协同发酵适用于单一原料的发酵，常用的发酵菌种为曲霉菌、芽孢杆菌、酵母菌等好氧或兼性厌氧菌[14]；厌氧菌酶协同发酵适用于单一或混合原料的发酵，常用的发酵菌种为乳酸菌、芽孢杆菌和酵母菌；而兼性厌氧菌酶协同发酵目前尚处于研发阶段。

1.2 发酵和酶解作用及菌酶协同发酵机制 在发酵过程中，微生物能够产生酶来酶解底物中的大分子物质，降低抗营养因子的抗原性，并通过产生有机酸和抑菌物质发挥其抑菌活性，维持动物肠道稳态，还能改善饲料的适口性，从而提高动物的生产性能。但微生物发酵饲料存在菌株性能不稳定、耐受性低、不易保存的问题[15-17]。酶解法能够特异性酶解底物和底物中的抗营养因子，在短时间内破坏植物细胞壁，从而节省能量并促进营养物质的消化吸收，提高动物的生产性能，但酶解后会促使饲料产生苦涩味道，影响口感，且存在耐热性差、成本较高、酶解不彻底等问题[18]。在协同发酵体系中，酶能够加速底物的分解，通过调节乳酸的生成和pH 的变化影响微生物的发酵效率[19-20]。菌种能够降解底物并为酶解反应提供分解后的小分子物质，加快酶解反应进程，部分微生物还能够生成相应功能酶，与体系内酶发挥协同作用，共同促进底物酵解过程[21]。近几年的研究表明，菌酶协同发酵不仅可将饲料中抗营养因子水解的更加彻底，缩短发酵周期，并且更有利于提高微生物的发酵效率，使发酵后的饲料存留大量益生菌，被家畜食用后可维持肠道稳态[22]。

菌酶协同作用是微生物参与的生命活动过程和酶参与的生物化学过程的有机结合，在协同过程中涉及到多种基质、菌株和酶，菌株类型和发酵参数的改变均会对酶活产生影响。龚剑明等[23]利用黄孢原毛平革菌、香菇菌、虫拟蜡菌、槭射脉革菌4 种真菌分别接种油菜秸秆，发现香菇菌处理组锰过氧化物酶活性显著高于其他3 组。Li 等[24]采用纤维素酶和酵母菌，分别在26、28、30、32、34℃下同步糖化发酵法制备饮料，发现在34℃下纤维素酶活性最高，对纤维素分解的促进作用最强，饮料中酒精浓度最高。赵华等[25]研究发现，影响木薯渣发酵系统中羧甲基纤维素酶活的因素依次为发酵时间、初始pH、发酵温度、料水比。此外，菌种和酶之间还存在着双向影响关系，如菌种影响酶发挥最大活性时的pH，而酶又以通过改变pH 影响菌种发酵。Da Silva 等[21]研究发现，木霉菌生产的壳聚糖酶在pH为5.0 时表现出最大活性，而康氏木霉菌所产的壳聚糖酶在pH 为5.5 时活性最大。Nadeau 等[26]研究证明，纤维素水解酶能够加快可溶性碳水化合物的转化效率，减少降低发酵体系pH 的时间，进而促进乳酸菌发酵，提高青贮饲料的发酵效率。可见，只有合理考虑微生物和功能酶的合理配伍问题，通过试验将发酵体系中的菌株和酶进行筛选，找到最佳的配比并不断优化发酵条件，才有望实现发酵效率最大化。刘显琦[22]研究发现，在用枯草芽孢杆菌和胃蛋白酶协同发酵制备低抗原性豆粕过程中，得到最佳的发酵条件为发酵时间17.52 h、酶解时间88.2 min、酶添加量0.825%，此时豆粕中大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白抗原性在6～12 h 的降解速率最高，这可能与枯草芽孢杆菌的生长曲线有关。毛银等[27]在选取产酸和分解蛋白能力较强的植物乳杆菌DY6 为发酵菌种后，对比了酸性蛋白酶、碱性蛋白酶和中性蛋白酶分解大分子蛋白的能力，最终选取植物乳杆菌DY6 和中性蛋白酶为处理菌酶协同发酵豆粕饲料的菌酶组合，且发现体系中小肽含量随菌液接种量和加酶量的上升而提高，在菌液接种量为5%、加酶量为1 250 U/g 时趋于稳定。需要注意的是，发酵菌株的选择和种类差异直接影响了菌酶协同体系中最终酵解工艺的选择。

2 菌酶协同发酵效果

2.1 提高发酵效率，缩短发酵周期 在发酵体系中添加相应的水解酶有利于提高产物的产量并缩短发酵时间，且酶解反应能够促进有益菌增殖，改善微生物发酵效果。刘江英等[28]研究发现，在益生菌混合发酵体系中添加0.2、0.4、0.8 g/kg 的酸性蛋白酶，发现不同剂量水平的酸性蛋白酶均能够加快发酵进程，缩短发酵周期，即在相同时间内，体系内芽孢杆菌和乳酸菌繁殖数量较空白组明显增加，其中乳酸菌最高可增加11.74%。Su 等[29]研究表明，与益生菌具有协同作用的外源蛋白酶能够在2 d 内提升近1 CFU 发酵豆粕中有益菌的存活率，并且加速大豆蛋白的降解率。微生物和功能酶之间的协同作用也是提高发酵效率的重要因素。Nadeau 等[26]研究证明，纤维素水解酶能够作为发酵体系的激活剂，可促进纤维降解和乳酸菌发酵，与对照组相比可降低青贮饲料中17%半纤维素，提高青贮饲料的发酵效率。

2.2 加速底物降解，促进原料利用 在菌酶协同发酵体系中，菌株本身对底物具有高效降解能力，通过发酵还能够促进酶的活力，使整个体系的水解能力进一步提升，从而提高底物的降解程度和饲料原料的利用率[30]。Liu 等[31]研究报道，玉米秸秆生产蛋白饲料的最佳发酵剂为纤维素酶和酵母菌混合物，且酶和菌的发酵比例为8:15，发酵48 h 后发酵饲料的粗蛋白质含量高达29.71%，较未发酵组提高了4.67 倍。Muck 等[32]在青贮饲料中添加布式乳杆菌，乳酸能够缓慢转化为乙酸和1,2-丙二醇，提高了青贮饲料的有氧稳定性；而将纤维素酶和半纤维素酶添加到青贮饲料中，植物细胞壁被快速分解，青贮饲料发酵程度增强的同时其营养价值也得到提高。张煜等[33]通过发酵试验筛选了能够高效降解抗原蛋白的枯草芽孢杆菌BS12 和产乳酸能力较强的粪肠球菌EF，将两者按菌量比8:1 接种，同时加入1%的复合酶制剂（纤维素酶、甘露糖酶和果胶酶），固态发酵后检测到饲料的中性洗涤纤维降解率超过40%，粗蛋白质消化率提高近7%。林芝等[12]研究发现，将绿汁发酵液和木聚糖酶、纤维素酶进行复合添加，一方面能够有效分解巨菌草细胞壁，降低粗纤维含量，还能够促进乳酸发酵，提高青贮饲料中的碳水化合物含量，并增加干物质回收率，使青贮饲料的营养价值得到改善。与酶或菌单独处理相比，菌酶协同处理提高底物利用率上更有优势。Li 等[34]研究发现，狼尾草青贮酶解过程中应用可分解纤维素的微生物可显著提高底物碳水化合物利用率，其中里氏木霉和粪肠球菌对于底物中葡萄糖和木糖的促进作用最为显著。Colombatto 等[35]研究发现，酶混合物可以提高发酵罐中青贮饲料的中性洗涤纤维降解率，在高pH 和低pH 环境下可分别提高43%、25%。

2.3 降低抗营养因子水平，改善饲料品质 植物性饲料中的抗营养因子水平是影响其营养物质消化、吸收和代谢利用率的一个重要因素，而通过菌酶协同发酵技术能够有效降低植物原料中抗营养因子和毒素的含量。豆粕是动物饲料中主要的植物蛋白来源，豆粕中含有多种抗营养因子，直接阻碍了大豆蛋白质的消化吸收，降低了饲料营养价值，影响了动物生长性能[29]。近年来，外源酶补充剂已广泛应用于益生菌发酵豆粕中，用以消除豆粕中的抗营养因子并促进大豆蛋白质的降解[36]。张煜等[33]在总菌量为1×107CFU/g 的枯草芽孢杆菌和乳酸菌混合菌中添加0.5%的复合酶制剂，固态发酵72 h 后饲料中大豆球蛋白和β-伴球蛋白的降解率均达到80%以上。刘显琦等[22]研究发现，豆粕在枯草芽孢杆菌和胃蛋白酶协同发酵后，其大豆球蛋白和β-伴球蛋白的最大降解率可以分别达到78.6%和40.5%。菌酶协同发酵豆粕降低豆粕抗原的效果好于菌和酶单独处理。菌酶协同协同发酵不仅可以将豆粕中的大豆抗原蛋白水解的更加彻底，还可以弥补微生物单一处理后产品品质不稳定的不足，提高饲料的适口性，并使其在进入动物肠道后还可以发挥维持肠道稳态的作用[22]。

3 菌酶协同发酵饲料在动物生产中的应用

3.1 猪 菌酶协同发酵饲料有利于提高猪的生长性能，同时对猪的肠道健康也有着明显改善作用。张煜等[33]研究表明，与抗生素组相比，使用混菌（枯草芽孢杆菌、酿酒酵母和乳酸菌）和复合酶制剂处理的玉米-豆粕型菌酶协同发酵饲料替代10% 的基础日粮后，断奶仔猪的耗料增重比和腹泻率无明显差异，而平均日增重和采食量却明显提高，生产性能有所改善。Huang 等[37]研究发现，复合益生菌和霉菌毒素降解酶协同固态发酵饲料对猪空肠上皮细胞的活力有协同促进作用，减缓霉菌毒素对肠上皮细胞的毒性，促进紧密连接蛋白和B淋巴细胞瘤-2 的表达，从而抑制了肠上皮细胞的凋亡。冯江鑫等[38]研究发现，菌酶协同发酵饲料能够显著提高干物质、粗蛋白质、粗脂肪、粗灰分等营养物质的消化率；使仔猪十二指肠隐窝深度从425.38 μm 降低至336.92 μm，绒毛高度从433.44 μm 提高至540.39 μm，空肠杯状细胞数量增加至9.53 个，回肠绒毛高度增加至426.71 μm；与对照组相比，菌酶协同饲料饲喂组仔猪的空肠封闭蛋白-1 和闭合小环蛋白-1 以及回肠闭合蛋白表达量均增加约1 倍；将对照组24.40%的腹泻率降低至6.55%，改善了仔猪肠道健康和生长性能。

3.2 鸡 菌酶协同发酵饲料能够促进鸡肠上皮细胞的形成，提高营养物质的消化率，维持肠道微生态平衡，改善鸡的肠道健康并预防肠道病原菌感染[39]。Goodarzi等[40]给肉鸡饲喂菌酶协同发酵的豌豆饲料，当菌酶协同发酵饲料添加到300 g/kg 时，其回肠粗蛋白质和粗脂肪的消化率得到改善，饲料转化率提高。此外，菌酶协同发酵饲料对肉鸡的免疫功能也有调控作用。Yeong等[41]研究表明，在日粮中添加10%的枯草芽孢杆菌和蛋白酶协同发酵饲料可促进肉鸡β-伴球蛋白的α和β亚基的分解，降低肉鸡血清中大豆过敏原抗体IgG 水平，抑制肉鸡的过敏性免疫反应，从而改善肉鸡的免疫功能。另有研究证明，益生菌和酶的混合培养物能够促进肉鸡对禽流感病毒和新城疫病毒的免疫反应，提高淋巴器官-脾脏的重量，降低抗体滴度[42]。

3.3 其他动物 目前，菌酶协同发酵饲料在反刍等其他动物饲养中的研究相对较少，其应用效果主要体现在提高肠道消化率和改善生长性能等方面。拉加[43]研究表明，用多酶益生素喷洒青稞秸秆，发酵2～3 d 后饲喂羔羊能够提高采食量、饲料转化率和增重等生长性能，且对降低饲料成本有一定作用。李远林等[44]将木薯渣先经淀粉酶和纤维素酶双酶解处理后，用酵母菌和霉菌混菌种发酵，得到了一类菌酶协同发酵饲料，在处理过程中产生了大量微生物菌体蛋白及其他有用的代谢产物，含有多种消化酶和促营养分子，能够提高羊的抗病能力并促进其生长发育。

4 小 结

微生物和酶之间有着很好的协同作用，不仅可以加速大分子物质的降解、提高微生物的发酵效率、降低抗营养因子水平，还能改善动物的生产性能和免疫机能，特别是在维持畜禽肠道健康方面有着独特的优势。然而，菌酶协同作用是微生物参与的生命活动过程和酶参与的生物化学过程的有机结合，在协同过程中涉及到多种基质、菌种和酶，其机理极其复杂，绝不是简单的生物处理工艺所能实现的，需充分考虑添加的菌酶种类的特性，以确定为达到最佳酵解所需的菌酶接种比、料水比、发酵温度、发酵时间等。菌酶协同过程中所用菌种的规范性和工艺质量的稳定性有待更深入地研究，全面提高生物技术水平并加快发酵饲料的标准建设，以更好地将菌酶协同发酵饲料进行全面应用和推广。