菌酶协同发酵菜籽粕在动物生产中的应用及存在问题

李梦吉，沙 萍，曹佩佩，冀思同，马燕芬

（宁夏大学农学院/宁夏回族自治区反刍动物分子细胞育种重点实验室，宁夏 银川 750021）

近年来，随着大豆粕价格持续上涨，菜籽粕作为仅次于大豆粕的第二大生产最广泛和最便宜的副产品， 在为畜禽提供蛋白质方面发挥着至关重要的作用。我国菜籽粕资源丰富，菜籽粕的高效利用是迫切需要解决的问题。 目前大多数可用品种的菜籽粕由于芥酸和芥子酸含量低而被注册为“双零”， 但是菜籽粕中的非淀粉多糖和植酸含量很高［1］，难以消化的非淀粉多糖［2］和抗营养因子如植酸［3］会降低菜籽粕替代其他蛋白质饲料的比例。 利用微生物发酵可提高菜籽粕品质［4］，酶制剂能改善菜籽粕的纤维结构，提高消化率［5］，菌酶协同发酵技术结合了两者的优点， 既可以降解非淀粉多糖，分解植酸和硫苷等抗营养因子，提高菜籽粕饲料品质， 又能增加具有抗氧化性的菜籽粕多肽含量，提高饲料营养价值，促进畜禽消化吸收粗饲料［6］。 基于此，该文对菜籽粕菌酶协同发酵的技术和应用效果进行了概述， 为菜籽粕作为饲料资源的进一步开发提供参考。

1 菜籽粕的处理方法

近年来，有关菜籽粕利用率的研究日益增多，许多研究发现物理化学方法能够降解菜籽粕中硫苷和纤维素含量，提高营养物质含量。如使用微波加热可一步处理菜籽粕， 并且不会产生额外的化学物质或酶。 通过微波加热，57%的菜籽粕原料在短短几分钟内就能得到溶解， 同时加热所消耗的能量最少［7］。 相比于微波加热，挤压处理菜籽粕也是提升菜籽粕利用率的一种方式， 与未挤压处理菜籽粕相比， 经挤压处理菜籽粕的硫苷含量极显著降低［8］。 此外，经挤压处理的菜籽粕中的中性洗涤纤维含量也显著下降， 中性洗涤纤维属于不溶性纤维， 含量降低可能是因为挤压处理破坏了纤维分子中的共价键和非共价键。以上结果与Yagci等［9］得到的结果相同。 在挤压过程中，菜籽粕游离氨基酸减少， 主要是因为在挤压过程中发生了美拉德反应， 美拉德反应的原材料之一就是游离氨基酸。 超声波是制备具有高生物利用度的酶水解物的一种有前途的预处理技术， 利用超声波处理菜籽粕酶水解产物， 可实现油菜籽粕蛋白的最大利用［10］。此外，采用超临界二氧化碳萃取和冷压己烷萃取的油料回收方法， 最大限度地减少菜籽粕暴露于热处理，并通过添加蛋白酶，可改善肉鸡日粮中菜籽粕的营养价值， 提高其在现代家禽生产中的利用率［11］。

菜籽粕因含有各种抗营养因子（硫苷、单宁、植酸等）而限制了其在饲料中的应用［12］。目前主要采用微生物发酵法和酶解法改善菜籽粕品质。 酶解法是通过在菜籽粕中加入酶制剂， 将菜籽粕中难以消化的碳水化合物水解为有利于消化吸收的小分子物质， 同时抗营养因子在菜籽粕中的含量也会有所降低。 但由于菜籽粕中的碳水化合物结构较为复杂，添加单一的酶往往效果不好，因此需要添加多种酶，这使得添加酶制剂的成本提高。微生物发酵是菜籽粕上原本存在的微生物或接种的特定微生物在合适的环境条件下生长繁殖发酵，其产生的代谢物可以减少菜籽粕中抗营养因子含量，在提高饲料质量的同时，还能抑制各种有害菌的生长繁殖， 从而提高饲料的安全性， 延长保质期。然而微生物发酵中的某些菌种（如霉菌），在饲料发酵过程中可能会产生霉菌毒素， 因此在饲料发酵中要考虑是否酌情添加。 以上两种方法都能改善菜籽粕品质，但都有各自的缺点和局限性，因此， 寻找综合两种方法优点的新方案对提升菜籽粕的利用率， 缓解微生物发酵和酶解法各自存在的问题会产生积极作用。

菌酶协同发酵是指在酶解法处理的前提下，在菜籽粕中加入一定量的微生物， 使其发酵的一种方式。 先加入的酶能够降解菜籽粕中的大分子营养物质，为微生物的发酵提供底物，正好弥补了微生物发酵前期需要额外添加的营养物质的缺陷，间接降低了成本。如将纤维降解酶和乳酸杆菌相结合，通过酶的分解和菌的发酵，使菜籽粕中纤维利用率和蛋白质营养价值提高［13］。 菌酶协同发酵结合了微生物发酵和酶解法的优点，能降解菜籽粕中的抗营养因子， 减少抗营养因子对酶的影响。蛋白酶是菜籽粕饲料获得具有抗氧化活性的小分子肽的首选酶， 但是抗营养因子的存在降低了蛋白酶活性，限制了小分子肽的释放。微生物发酵可以去除抗营养因子并使蛋白酶重新恢复活性［14］，增加小分子肽的含量。因此，运用菌酶协同发酵菜籽粕优于单一的酶解法或单一的微生物发酵法。

2 菌酶协同发酵菜籽粕饲料

菌酶协同发酵菜籽粕， 其大分子蛋白被降解为小肽，纤维素被分解为还原糖，改善了菜籽粕饲料适口性，降低了抗营养因子含量，增加了菜籽粕在畜禽日粮中的添加比例［15］。

2.1 菌酶协同发酵菜籽粕饲料的菌种和酶

2.1.1 菌种

运用菌种和酶协同发酵饲料， 选择微生物对发酵十分关键， 标准取决于蛋白质水解和抗营养因子降解的能力。发酵菌种不同，所产生的酶不一样，对底物的发酵能力也会产生差异，甚至不同的发酵菌种间还可能存在着相互抑制的作用。因此，根据发酵底物和菌种自身特性来选择合适的发酵菌种就显得尤为重要。

2.1.1.1 单一菌种

①酵母菌：酵母菌是一种特征良好的发酵剂，可产生多种酶， 对发酵底物的结构和生物活性产生较大的影响［16］，张秋华等［17］研究发现，与未发酵的菜籽粕混合物相比， 经酵母菌发酵后的菜籽粕混合物粗蛋白含量提高48.33%， 甚至提高到57.76%。酵母菌能降解菜籽粕中的纤维素类物质，使其充分转化为高附加值的饲料还原糖，且在发酵过程中并未产生影响菜籽粕品质的有毒物质［18］。此外， 酵母菌发酵菜籽粕还可以有效地降低抗营养因子植酸的水平［19］。 嵇乐乐［4］研究发现，88.89%酿酒酵母对菜籽粕的植酸和单宁降解率最高，分别为36.31%和23.01%。

②芽孢杆菌： 枯草芽孢杆菌发酵的特征是将不同的蛋白质水解成肽和氨基酸， 并伴随释放游离酚类物质，从而增加抗氧化活性［20］。 嵇乐乐［4］研究发现枯草芽孢杆菌对菜籽粕粗纤维降解率在几种菌中最高（37.48%），同时，芽孢杆菌可以降解硫苷［21］。孙林等［19］研究发现，枯草芽孢杆菌能有效去除菜籽粕中的植酸，去除率达63.20%。 同时在饲料中添加枯草芽孢杆菌能对饲料的气味产生积极的影响［22］。

③乳酸菌：乳酸菌发酵菜籽粕，可提高蛋白质含量，降低pH 值，增加酸度，改善饲料风味，降低抗营养因子含量。 研究发现， 乳酸菌发酵菜籽粕72 h 能有效降低抗营养因子异硫氰酸脂和噁唑烷硫酮含量，降解率分别为78.24%和88.44%［23］。 但乳酸菌对菜籽粕中的纤维降解能力有限［24］。 将乳酸菌添加到动物饲料中， 能够显著抑制致病菌增殖，提高动物自身的免疫力，降低免疫疾病发生的概率，防止宿主因氧化应激诱发疾病［25］。

2.1.1.2 混合菌种

混菌发酵菜籽粕效果往往比单一菌种好。 研究发现，解淀粉芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和酿酒酵母混合发酵菜籽粕后，粗蛋白含量由33.16%增加至38.56%，氨基酸含量提高18.35 个百分点，其中抗营养因子硫苷的降解率达到99.04%，几乎全部降解，菜籽粕的品质大大提升，优于单一菌种发酵［4］。 Wu 等［26］研究发现，嗜酸乳杆菌、枯草芽孢杆菌和酿酒酵母菌混菌发酵菜籽粕降低了葡糖酸盐的浓度，增加了粗蛋白、多肽和乳酸的浓度，由于混菌发酵菜籽粕能分泌多种酶， 因此其效果强于单一菌种发酵。在降低菜籽粕中硫苷含量方面，植物乳杆菌、 酵母菌和芽孢杆菌混合菌剂发酵显著强于其中任意单一菌种发酵［27］。

2.1.2 酶

菌酶协同发酵中所使用的酶能减少纤维、有害物质（如单宁、芥酸、植酸）和霉菌毒素，增加饲料营养价值。 由于酶在黏性谷物饲料中的成功应用， 现在已开始将酶用于其他成分如非淀粉多糖含量高的菜籽粕的研究［28］。

①纤维素酶：纤维素酶是一组复合酶，并非单一酶类。 纤维素酶能降解菜籽粕中的纤维素并释放出单糖和部分二糖［29］。 未经任何预处理的菜籽粕中的天然纤维素转化为糖的速度极慢， 因为纤维素受到纤维中木质素和半纤维素主链的良好保护，因此，必须对菜籽粕原料进行预处理以提高纤维素的水解率，使其转化为可发酵的糖［30］。菜籽粕经过预处理后，再经纤维素酶降解，可增加饲料中单糖含量，提高饲料品质。

②果胶酶：菜籽粕中纤维成分以果胶为主，其次为纤维素和半纤维素， 由于植物细胞中的果胶阻碍了纤维素和半纤维素的水解［31］，因此在降解植物纤维时，果胶酶的作用至关重要，果胶酶可以减少菜籽粕中纤维含量，释放出单糖。 同时，加工技术和果胶酶相结合可用于修改细胞壁结构并改善非淀粉多糖降解特性。 可通过机械力打开细胞壁结构，减小颗粒尺寸，从而增加果胶酶所获得的表面积［32］。 热处理同样能促进果胶酶对菜籽粕果胶的分解， 热处理可以破坏多糖之间的弱键，但过度加热可能会增加蛋白质和游离氨基酸的损伤［33］。 此外，热处理通常会增加消化液的黏度［32］，这将对营养物质的消化吸收造成不利的影响［34］，因此，控制好热处理的温度和时间非常重要。湿磨（一种将颗粒直径减小与保湿相结合的技术）和挤出（一种结合水热处理和剪切的技术）与果胶溶解酶相结合的研究发现，菜籽粕在湿磨、挤出后加入果胶溶解酶，经过体外消化后，剩余的非淀粉多糖下降到36%， 与未经过处理的菜籽粕相比下降了14%，这表明经过这两种预处理后，非淀粉多糖部分变得更容易被果胶溶解酶利用［35］。

③蛋白酶：含粗蛋白较多的菜籽粕，氨基酸含量丰富，是植物蛋白资源的一种，可供利用。 但因为菜籽粕中含有多种抗营养因子， 蛋白质的质量也不高，无法大量添加到畜禽的日粮中，降低了菜籽粕的使用价值。为了改善菜籽粕的品质，通常使用蛋白酶将菜籽粕中的大分子蛋白降解为易分解、易吸收的小肽。油菜籽肽是从油菜籽粕或油菜籽蛋白降解而来的一种小分子肽， 具有快速吸收和高吸收率两种优异的营养生理学特性， 营养价值优于油菜籽蛋白， 油菜籽肽是来自油菜籽粕的高价值的重要经济资源［36］。 中性蛋白酶是蛋白质酶解法中常见的酶，具有分解蛋白速度快、无污染等优点，表现出优异的降解蛋白质的能力，可降解菜籽粕中部分抗营养因子， 提高菜籽粕蛋白的利用率［37］。同时，通过水解蛋白获得肽的酶解法因其反应条件温和、安全、可控以及特异性肽的大规模生产能力而受到相当大的关注［38］。

④植酸酶： 植酸是植物发育的几个调节过程中必需的信号分子。 然而，由于其螯合能力强，能分别与金属离子和蛋白质形成难以溶解化合物和复合物，而被称为抗营养化合物［39］。 植酸酶在世界各地的家禽饲料中经常使用，以改善饲料磷营养，并减轻植酸的负面影响，特别在幼稚畜禽中。此外，超剂量植酸酶的额外磷效应能使抗营养因子植酸得到更完全的破坏， 释放低肌醇磷酸盐，并在消化道中产生肌醇［40］，其中量子蓝是一种增强型大肠杆菌植酸酶，专门设计用于释放植酸［1］。菜籽粕中含有大量的植酸， 使其在饲料中的应用受到一定阻碍，在菜籽粕中添加适量的植酸酶能够降低饲料中植酸的含量，饲喂添加了植酸酶的菜籽粕能提高饲料利用效率，提高菜籽粕营养价值［1］。

2.2 菌酶协同发酵菜籽粕饲料的功效

2.2.1 提高营养价值和品质

菌酶协同发酵菜籽粕的产物中含有丰富的益生菌、消化酶、维生素和氨基酸等，对改善动物肠道菌群结构，消化吸收营养物质有好处；菌酶协同发酵菜籽粕还能降低胃肠道pH 值、抑制胃肠道有害菌的生长繁殖和腐败物质的产生［41］。 黑曲霉发酵和酶解处理菜籽粕的产物能提高饲料粗蛋白含量，同时改善饲料的气味和适口性，提高畜禽对饲料的消化率［41］。与原菜籽粕和枯草芽孢杆菌、蜡质芽孢杆菌和干酪乳杆菌混菌发酵菜籽粕相比，枯草芽孢杆菌、 蜡质芽孢杆菌和干酪乳杆菌混菌与中性蛋白酶协同酵解菜籽粕， 小肽含量分别提高了303.60%和118.00%， 粗蛋白含量分别提高了1.07%和0.29%［42］。 因此，菌酶协同发酵具有提升饲料蛋白含量、营养物质含量和饲料品质等特性。

2.2.2 有效降解抗营养因子

菜籽粕中的抗营养因子主要有硫苷类和植酸类两种， 抗营养因子过高会妨碍畜禽消化吸收饲料。 菌酶协同发酵饲料结合了酶解法和微生物发酵的优点，可减少菜籽粕中的硫苷和植酸含量，提高菜籽粕中小肽含量。相比单步骤发酵，黑曲霉发酵和酶解处理菜籽粕两步骤后， 硫苷含量减少32.89%，植酸含量减少96.09%，饲料中小肽含量（质量分数）达到21.07%［41］。 Zhu 等［13］先在菜籽粕中添加纤维素酶和果胶酶， 体外50 ℃酶解28 h后，再接种乳酸菌，体外37 ℃发酵48 h。 结果发现菜籽粕经过菌酶协同发酵后，产物中的硫苷含量显著低于未处理的菜籽粕，降低了62%；此外，菌酶协同发酵还增加了菜籽粕中的氮和蛋白质含量。

2.3 菌酶协同发酵菜籽粕饲料在动物生产中的应用

2.3.1 菌酶协同发酵菜籽粕饲料在猪生产中的应用

与豆粕、棉籽粕相比，藏猪对未经过菌酶协同发酵的菜籽粕粗蛋白质和17 种氨基酸表观消化率最低， 其原因可能是菜籽粕中粗纤维和中性洗涤纤维含量高， 分别达到了26.63%和57.37%［43］。菜籽粕经菌酶协同发酵后转化为优质饲料， 在猪生产中应用可提高猪的生产性能， 显著降低其所含的硫苷、单宁、植酸等有毒有害物质和抗营养因子含量，缓解抗营养因子导致的各种病症，显著改善蛋白质品质，大幅提高饲用价值，降低猪的发病率，通常可作为豆粕的替代物使用［44］。菌酶协同发酵菜籽粕可等氮替代50%左右的断奶仔猪日粮中的膨化豆粕，仔猪免疫球蛋白IgA 水平显著提高，增强仔猪对疾病的抵抗力，而对断奶仔猪腹泻率无显著影响［45］。因此，菌酶协同发酵技术在提高猪生产性能和提高仔猪免疫力等方面具有积极作用。

2.3.2 菌酶协同发酵菜籽粕饲料在鸡生产中的应用

玉米和豆粕是鸡生产中的常见日粮， 但其价格较高，因此，寻找能替代豆粕型日粮的替代品就显得迫在眉睫。 菌酶协同发酵菜籽粕用于等氮替代豆粕对崇仁麻鸡肉品质、风味均无明显影响，且未引起肝细胞发生明显的病理损伤， 说明菌酶协同发酵菜籽粕可以替代鸡日粮中的豆粕［46］。 当畜禽摄入含大量抗营养因子的菜籽粕饲料时， 会对机体产生损害，出现产蛋率下降、血浆尿酸盐水平降低等危害， 菌酶协同发酵菜籽粕能降低饲料中抗营养因子的含量， 提高菜籽粕中抗营养因子的脱毒率，缓解抗营养因子引起的各种病症，增加菜籽粕饲料替代鸡日粮中玉米和豆粕的比例。

2.3.3 菌酶协同发酵菜籽粕饲料在反刍动物中的应用

近年来，随着遗传育种的改良，我国所生产的双低菜籽粕中硫苷与芥酸含量降低， 但由于我国种植技术的不完善，很大一部分菜籽粕达不到“双低”的标准，所以通过菌酶协同发酵进一步降低硫苷与芥酸含量就显得十分重要［47］。

菌酶协同发酵菜籽粕在反刍动物中的应用主要体现在提高生产性能。菌酶协同发酵菜籽粕，能增加菜籽粕中的蛋白质含量， 产出更为优质的双低（硫苷和芥酸）菜籽粕，Patterson 等［48］人的研究表明，使用双低菜籽粕替代肉牛日粮中的豆粕，能增加犊牛出生体重， 是肉牛日粮中比较优质的蛋白质补饲料。菌酶协同发酵菜籽粕，可降低抗营养因子的含量， 产出硫苷与芥酸含量更少的双低菜籽粕，相比豆粕，双低菜籽粕在瘤胃中的累积产气量和理论最大产气量显著降低， 这降低了反刍动物发生瘤胃臌气的可能性［49］。因此，菌酶协同发酵菜籽粕在替代其他植物蛋白和预防瘤胃臌气方面发挥着重要的作用。

2.3.4 菌酶协同发酵菜籽粕饲料在鱼养殖中的应用

作为优良的蛋白饲料， 鱼粉被广泛应用在鱼的养殖中，但由于近几年鱼粉产量不足，价格水涨船高，限制了鱼养殖业的发展。发酵菌和相关酶协同处理菜籽粕导致菜籽粕成分变化， 粗纤维分解为还原糖，粗蛋白分解为易吸收的小肽，同时，菜籽粕中的抗营养因子含量也随之减少， 这些使得菜籽粕饲料在鱼养殖中应用的比例升高。 菌酶协同发酵菜籽粕饲料能部分替代鱼日粮中的鱼粉，但要适量添加到日粮中，过量使用时，氨基酸的缺乏、鱼肠道缺少消化粗纤维的酶、抗营养因子过多，这些都是阻碍鱼生长繁殖和利用饲料的原因［50］，因此在鱼养殖中应用菜籽粕饲料应适量。

3 菌酶协同发酵菜籽粕饲料存在的问题

3.1 发酵原料研究不平衡

菌酶协同发酵所需的菌种和酶制剂随着发酵原料的改变而改变， 发酵过程一般包含一种或多种菌种和酶制剂，相互间的作用机制复杂，这就意味着要根据发酵原料来选择菌种和酶制剂， 如果选择不当可能会影响畜禽胃肠道微生物稳定［51］。但由于国内对发酵原料的研究不平衡， 往往对一种发酵原料研究多， 而对另一种发酵原料研究较少；对发酵蛋白原料研究多，而对发酵饲料的副产物研究较少。因而对菜籽粕研究不充分、不平衡是制约菌酶协同发酵菜籽粕发展的原因之一。

3.2 缺乏统一评价标准

菌酶协同发酵饲料目前尚未形成统一的评价标准，因为菌酶协同发酵所采用的原料不同，所选用的菌种和酶制剂不一致，发酵时间、温度、器械以及操作人员的素质有差异， 界定和检测酶活性的措施也不统一， 这就导致菌酶协同发酵效果评价标准的制定有一定难度。 同时许多发酵饲料厂缺乏对菌种发酵和酶解工艺的深入了解， 外界菌种容易进厂、 没有从源头控制污染、 防控能力不足、饲料储存条件差、没有建立酶活性标准等也是制约菌酶协同发酵评价标准的原因之一［52］。

3.3 作用机理不明确

目前， 尽管有大量实验室对多种酶制剂和菌种协同发酵菜籽粕进行了多项研究， 如纤维素酶和果胶酶能够将菜籽粕中的纤维素和果胶降解为单糖， 黑曲霉发酵菜籽粕能降解硫苷并改善菜籽饼的营养质量［7］，但对酶制剂、菌种与动物机体之间的相互作用及机理等方面的研究，则相对较少。

4 小结与展望

未经处理的菜籽粕饲料直接饲喂动物， 因其具有硫苷和植酸等抗营养因子和高纤维含量，不仅饲料的利用率和品质低， 甚至还会紊乱胃肠道菌群。 菌酶协同发酵技术能够提高菜籽粕饲料营养价值和利用率、缩短发酵周期、改善饲料品质、减少抗营养因子含量、降低生产成本、增加养殖效益、促进畜禽生长、减少机体异常情况发生、拓宽饲料原料来源、有效缓解饲料原料短缺的问题。菌酶协同发酵比使用单一菌种或酶的效果更好，是未来生物饲料研发的核心。 同时对减少饲料生产副产品污染、开发新型饲料、改善食品安全具有深远的影响。