益生菌发酵饲料在动物生产中的应用

赵 莹， 王君锐， 刘佳佳， 虞 洁，2

（1.四川特驱农牧科技集团有限公司，四川成都610207；2. 四川农业大学动物营养研究所，四川成都611130）

抗生素滥用会引起药物残留、 动物肠道菌群失调、细菌多重耐药性、环境污染等一系列问题。欧盟及美国等多数国家和地区相继禁止促生长类抗生素的使用，我国也于2020 年7 月1 日开始全面禁止促生长类抗生素在动物饲料中的应用（Lu等，2021；Wang 等，2021；魏越波，2020）。在此背景下，益生菌发酵饲料为生产安全、优质、绿色、健康的动物产品开辟了一条新途径。 当前我国蛋白质饲料资源短缺， 人畜争粮矛盾成为限制畜禽养殖业发展的瓶颈之一。 益生菌发酵饲料作为一种新型的生态环保饲料，其在缓解饲料资源紧缺、改善营养结构、降低饲料成本、保护环境等方面的优势日益凸显，可广泛应用于家禽、猪、反刍及水产动物养殖， 对于我国畜禽养殖业的健康可持续发展具有重要的意义。

1 益生菌的概念

益生菌是一类活的微生物，当摄入足够量时，能够赋予宿主健康益处（Araya 等，2002）。 根据益生菌与宿主的关系， 可将其分为肠道原籍菌和外源菌。肠道原籍菌是指与宿主的关系密切且稳定，易从动物体内分离得到， 并有利于维持宿主的生长和健康的优势菌群（倪学勤，2021）。相比于外源菌而言， 肠道原籍菌更易于在对应动物肠道内定植、繁殖及发挥特定的益生功效，不仅同源性高，针对性强， 而且还保证了肠道安全性 （倪学勤，2021）。常见的肠道原籍菌有乳酸菌、双歧杆菌、丁酸梭菌、粪球菌等。

2 益生菌发酵方式

根据发酵物理状态可将发酵饲料分为两大类，即固态发酵和液态发酵。固态发酵是指微生物在没有游离水的固态基质中进行的发酵。 固态发酵的优点是生产工序简单， 原料来源丰富且价格低廉；缺点是发酵时间较长，发酵条件难以控制，成品成分复杂等。 液态发酵是指将饲料与水按照1:1.5 ~ 1:4 的比例混合，经充分发酵而成。 优点是发酵时间短，发酵条件易控制；缺点是成本高，会产生废水、废渣（王佰涛等，2020）。目前，国内使用固态发酵比较广泛。

3 益生菌发酵饲料的优点

益生菌发酵饲料是指在人为可控制的条件下，对饲料原料接种益生菌菌种，进行发酵后获得的包含饲料原料、 益生菌及其代谢产物的发酵混合物（孙海彦等，2018）。应用益生菌发酵饲料有如下优点：（1）可降解饲料中硫苷、芥子碱、粗纤维等抗营养因子和霉菌毒素， 有利于饲料营养价值的发挥；（2）发酵生成大量有机酸、小肽、氨基酸、酶以及各种代谢产物，增加天然香味物质，改善饲料适口性，促进动物对营养成分的消化吸收（Jin等，2019；孙海彦等，2018）；（3）快速增殖的益生菌不仅可以抑制有害细菌生长， 防止饲料霉变，延长饲料贮存期， 在动物体内定植于肠道后，可通过维持肠道菌群平衡， 刺激宿主免疫系统，增强机体免疫力，从而降低疾病发生的几率（Wang等，2021；Jin 等，2019；孙海彦等，2018）；（4）减少动物粪便中氮、磷以及有害气体的排放，保护环境；（5）解决人畜争粮问题，降低饲料成本，可以使农作物秸秆、糠麸、蔗渣、薯渣、酒糟、甜菜渣等非常规饲料资源变废为宝， 扩大饲料原料的来源，解决我国饲料资源紧缺问题，同时降低养殖业的饲料成本（康怀艳，2019）。

4 益生菌发酵菌种

我国农业部于2013 年发布的《饲料添加剂品种目录》规定允许34 种微生物添加剂菌种可以添加到饲料中。菌种的选择是益生菌发酵的关键，也决定了发酵饲料的品质。目前，发酵饲料常用益生菌菌种主要是乳酸菌、芽孢杆菌、酵母菌以及益生霉菌（黑曲霉和米曲霉） 4 个大类。 菌种筛选在保证遗传学背景清晰与生物学特性稳定的基础上，还应遵循以下原则：（1）无毒害、无副作用，确保动物体内肠道菌群的平衡；（2）耐酸耐胆盐，生长繁殖速度快，易于存活，定植能力强，在此基础上优先选择原籍菌；（3）具有高温耐受性，在饲料加工过程当中不受影响；（4）具有较强的产酸、产酶和分泌其他生物活性物质的能力；（5） 具有稳定性，在饲料贮存及使用期间仍能维持较高的活性。 益生菌发酵菌种的筛选以及应用都必须严格遵循相应的标准和流程 （图1）（Carvalho 等，2021；Mingmongkolchai 等，2018）。

图1 益生菌发酵菌种的筛选流程

不同的益生菌菌株在发酵饲料过程中会分泌不同的酶，产生不同的代谢产物。 通常情况下，为了得到更好的发酵效果， 会将两种或两种以上的益生菌菌种按照一定比例进行混合， 通过协同作用进行饲料发酵效果更显著。 多菌联合发酵是近年来发酵饲料领域的研究重点，备受市场关注。但由于益生菌菌种的特性各不相同， 故在进行多菌联合发酵前需充分考虑发酵原材料的物理性质和化学成分、发酵工艺流程、益生菌的生长条件及代谢途径、益生菌菌种组合的发酵效果等因素（张美娟，2020；Ren 等，2019）。 鉴于益生菌菌种在发酵过程中发挥的关键作用，筛选遗传背景清晰、功能多元化、生物学特性稳定并且抗逆性强的菌株，是未来的研究趋势。 利用基因工程技术对益生菌进行定向改造， 有目的性的开发具有特定功能的菌种，使其能发挥特定的作用，是未来研究的重要方向（张美娟，2020；Ren 等，2019）。

4.1 乳酸菌 乳酸菌是一类可以发酵碳水化合物产生大量乳酸的革兰氏阳性菌的统称 （覃世奇，2021）。 乳酸菌群相当庞杂，目前至少可分为43 个属，包括373 个种和亚种，其广泛分布于自然界以及人和动物的消化道中 （胡锦鹏等，2020；张刚，2007）。 乳酸菌通过代谢活动可直接为宿主提供必需的氨基酸和各种维生素 （维生素B 族和维生素K 等），发酵生成的有机酸可以促进动物对钙、铁、磷和维生素D 的吸收，并促进胃肠蠕动，产生的纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶等多种消化酶可以调节消化道对营养物质的吸收利用，有利于动物的生长发育。 此外，乳酸菌还通过竞争黏附位点、修复肠道屏障功能、降低肠腔pH、 分泌具有抗菌活性的细菌素来抑制有害细菌的生长，从而维持肠道菌群的平衡；并通过刺激宿主免疫系统， 增强先天和适应性免疫反应，来发挥免疫调节作用。

经乳酸菌发酵的饲料一方面含有大量乳酸菌和乳酸， 能够抑制腐败菌生长， 延长饲料的贮存期；另一方面还富含有机酸和多种糖类、醇类、酯类等风味物质，可改善饲料的适口性，增加动物的采食量。 此外， 乳酸菌还能增强动物的抗氧化能力，干预脂肪酸代谢过程，显著改善肉产品的亮度和嫩度（汤悦等，2018）。 目前，使用的乳酸菌菌种大多为植物乳杆菌、嗜酸乳杆菌、乳酸片球菌、粪肠球菌和屎肠球菌。

4.2 芽孢杆菌 芽孢杆菌是一类能形成芽孢（内生孢子）的革兰氏阳性菌，需氧或兼性厌氧，可以耐酸耐胆盐，到达下消化道并定植生长，具有抗逆性强的特点，在发酵饲料加工时不易被破坏，因而应用非常广泛。 动物肠道内的优势菌群通常都是厌氧菌，而致病菌大多为需氧菌，芽孢杆菌在动物肠道内定植后会消耗大量氧气， 降低肠腔内pH，同时通过分泌多种抗菌肽如多黏菌素、 吡啶二羧酸等， 显著抑制大肠杆菌和沙门氏菌等有害菌的生长，从而改善肠道菌群。

芽孢杆菌在生长代谢过程中可产生大量胞外酶，如蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶、脂肪酶等，水解饲料中蛋白质、多糖、纤维素、脂肪等大分子物质，生成有机酸和小分子物质，促进消化吸收， 有利于发挥饲料的营养价值和提高动物的生长速度。 在芽孢杆菌发酵过程当中，会消耗许多氧气并产生热量，从而升高室内温度和湿度，促使饲料内的细胞吸收热量和湿气， 使得饲料硬度降低，发生软化，提升纤维饲料的口感（张波，2019；潘发明等，2018）。 此外，芽孢杆菌还会产生大量的酵素， 对维持动物机体的免疫力和各项机能有一定的作用， 在一定程度上能延长动物的寿命（张波，2019；潘发明等，2018）。 目前，使用的芽孢杆菌菌种大多为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和凝结芽孢杆菌。

4.3 酵母菌 酵母菌是一种单细胞生物，属兼性厌氧型真菌， 适宜生长条件大多为pH 4.0 ~ 6.0，广泛分布于自然界中。 酵母菌细胞本身可作为优质的菌体蛋白来源，据估计，酵母蛋白质约占酵母菌体的50%（刘沛，2021）。 除此之外，酵母菌还富含B 族维生素、核苷酸、消化酶、微量元素、矿物质和糖类等营养成分，由于其生长繁殖速度快，营养价值极高，可进行工业化生产，因而被广泛应用于饲料添加剂。酵母菌通过刺激机体免疫系统、导致厌氧环境、代谢产生乳酸、分泌抗菌物质等多种机制，来抑制肠道内致病菌的生长，维持肠道菌群平衡，减少甲烷的产生。 酵母细胞壁成分中的β-葡萄糖和甘露寡糖能够促进免疫反应， 增强巨噬细胞的功能，参与细胞因子如TNF-α、IL-1、IL-2、IL-6 的释放，并结合沙门氏菌等革兰氏阴性菌的甘露糖特异性凝集素， 阻止病原微生物黏附于肠上皮细胞，预防或者减少细菌感染（Broadway 等，2015；Baurhoo 等，2012）。 酵母细胞壁还可以吸附霉菌毒素如黄曲霉毒素B1，减少消化道对霉菌毒素的吸收， 保护动物免受霉菌毒素的毒性作用（Yiannikouris 等，2021）。此外，酵母细胞富含的矿物质约占细胞干重的3% ~ 10%， 在调节动物生理机能方面发挥重要作用， 发酵过程中产生的有机硒可以抑制氧化应激， 提高种公猪的精子活力和母猪的繁育性能。 酵母核苷酸约占4.5% ~8.5%，对于快速生长期的动物具有重要的营养作用和诱食效果。 无论是活性酵母还是酵母衍生物或者发酵产物都得到了广泛应用。目前，使用的酵母菌菌种大多为酿酒酵母、 产阮假丝酵母和热带假丝酵母等。

4.4 霉菌 霉菌是一种丝状子囊真菌，在自然界中分布广泛。真菌拥有比细菌更广泛的酶系。益生霉菌能产生纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、α-葡萄糖苷酶、植酸酶、菊粉酶、半纤维素酶、果胶酶等各种代谢酶，在食品、酿酒、造纸、饲料以及医药等行业均得到普遍应用。 幼龄单胃动物消化系统不健全，各种消化酶分泌不足，添加益生霉菌及其酶制剂能提高饲料消化率，预防泻痢，促进生长发育。 益生霉菌在动物肠道内经过代谢会产生多种消化酶以及维生素、氨基酸、多肽、叶酸、泛酸、烟酸、柠檬酸等营养物质，促进动物消化吸收和生长发育，减少氨、甲酚、吲哚等腐败物质的产生，有利于保护环境。益生霉菌如黑曲霉菌还可通过下调转录因子aflS/aflR 的转录水平， 引起黄曲霉毒素B1合成受阻，从而有效抑制黄曲霉菌的生长和繁殖（Xing 等，2017）。 目前，使用的霉菌菌种大多为黑曲霉和米曲霉。

5 益生菌发酵饲料在动物生产方面的应用

5.1 益生菌发酵饲料在猪生产方面的应用 益生菌发酵饲料不仅提高了饲料的营养价值， 还明显改善了猪的生长性能、肠道功能、免疫功能和繁殖性能，对仔猪、生长育肥猪、公猪和哺乳母猪均有积极影响。蓝海恩等（2020）研究发现，复合益生菌发酵饲料可显著提高断奶仔猪的日均采食量（P< 0.05）和日均增重（P< 0.05），并降低腹泻率（P< 0.05），改善断奶仔猪的生长性能。 Wang 等（2018）报道，用芽孢杆菌和肠球菌发酵玉米豆粕混合饲料饲喂泌乳母猪，15%的发酵饲料可以显著增加母猪的平均日采食量、产奶量、奶中IgA 含量以及营养物质消化率（P< 0.05），并减少母猪背膘损失（P< 0.05），并通过缩短断奶时间来促进母猪繁殖性能的提升，同时15%的发酵饲料还能显著提高后代仔猪断奶体重（P< 0.05），明显降低仔猪腹泻率（P< 0.05）。 卢军锋（2019）研究发现，益生菌发酵饲料进入育肥猪肠道能够刺激全身免疫系统， 显著提高血清中免疫球蛋白IgG 和IgM 含量（P< 0.05），以及十二指肠和结肠中免疫相关基因TLR1、TLR2、TLR4、TLR5 和PBD-1 表达水平（P< 0.05）；优化肠道微生物群落，显著降低十二指肠内容物中的拟杆菌门和疣微杆菌门的比例（P< 0.05）， 显著降低结肠内容物中拟杆菌门、变形菌门和疣微杆菌门的比例（P< 0.05），同时显著提高厚壁菌门和放线菌门的比例（P< 0.05）。 此外， 益生菌发酵饲料能够改善ABTS 和DPPH 自由基清除活性， 增强机体的抗氧化能力。 孙昌辉（2019）的研究表明，饲喂复合益生菌发酵饲料能够显著提高精子运动性能、顶体完整性、质膜完整性、 线粒体膜电位以及精液抗氧化能力 （P<0.05），减少精子发生脂质过氧化损伤（P< 0.05），改善公猪的精液品质。

5.2 益生菌发酵饲料在禽生产方面的应用 为追求利益最大化，肉鸡、蛋鸡等家禽养殖业生产规模和集约化养殖程度不断提高， 往往使得家禽处于亚健康状态， 易诱发群体性疾病。 家禽肠道较短，分泌的消化酶偏低，对饲料中营养物质的利用率低。 此外，家禽肠道菌群结构易被沙门氏菌、大肠杆菌和产气荚膜梭菌等致病菌破环， 影响肠道屏障功能，致使生产性能和产品品质下降，且这些致病菌可通过食物链感染人类， 威胁公共卫生安全。益生菌发酵饲料饲喂家禽后可促进消化吸收，并抑制致病菌的生长，维持肠道菌群平衡，减少粪便中氮磷的排放， 提高家禽的生长性能和肠道健康，确保家禽养殖业的效益（Sugiharto 等，2019）。

陈婷等（2019）用复合益生菌发酵饲料替代同质量的基础日粮来饲喂雪峰乌骨鸡，发现25%和50%替代的发酵饲料能显著提高乌骨鸡对饲料中粗蛋白质（CP）、粗脂肪（EE）表观消化率（P<0.05），促进动物对饲料的消化吸收。此外，复合益生菌发酵饲料还能显著降低雪峰乌骨鸡胸肌pH24h及蒸煮损失（P< 0.05），提高胸肌亮度（L*）和红度（a*）（P< 0.05），提升动物的肉品质，显著提高肌肉中蛋氨酸（Met）、苯丙氨酸（Phe）、丝氨酸（Ser）和精氨酸（Arg）含量（P< 0.05），从而影响肉品质风味。刘江英等（2019）探究了复合益生菌发酵饲料对肉鸡抗沙门氏菌感染的影响， 发现沙门氏菌感染导致肉鸡血清中促炎性因子（IL-1β、IL-6、TNF-α）水平和血清中内毒素（LPS）、D-乳酸（D-LA）含量显著上升， 而饲喂发酵饲料后对这些指标均有不同程度的下调， 表明沙门氏菌感染所导致的炎症反应和肠道屏障受损可通过添加发酵饲料来改善。刘艳玲等（2019）研究表明，应用发酵饲料能够显著降低蛋鸡舍内一氧化碳、一氧化二氮、氨气、甲烷的浓度（P< 0.05），改善空气质量，提高鸡蛋品质， 显著降低粪便中粗灰分和钙含量（P<0.05），减少营养物质的排出，有利于减排和健康生产。

5.3 益生菌发酵饲料在反刍动物生产方面的应用 益生菌发酵饲料在反刍动物中应用最为普遍，其醇香味浓，适口性好，营养价值高，有效地提高了反刍动物的生产性能， 并且还有利于胃肠道菌群平衡，减少了环境污染，对畜牧业的健康发展起到了重要的作用。在牛羊养殖中，全价料发酵尤其是精料发酵使用较多，另外，利用微生物发酵技术还可对青贮玉米秸秆、废弃牛奶、酒糟、玉米黄浆液、喷浆玉米纤维、酱糟、木薯渣等农副产品和食品工业废弃物进行发酵处理， 降低养殖动物的饲料成本，进而提高养殖业的经济效益。

刘思源等（2019）用30%发酵饲料替代等量的精料补充料提高了奶牛产奶量， 降低了有害气体如H2S、NH3、CO2的浓度以及奶牛粪便中氮和磷的含量。余淼等（2013）给肉牛饲喂乳酸菌、芽孢杆菌以及酵母菌混合发酵的饲料后， 发现肉牛血清中总蛋白（TP）、白蛋白（ALB）、IgA、IgG 和IgM水平显著升高 （P< 0.05）， 总抗氧化能力 （TAOC）和超氧化物歧化酶（T-SOD）水平极显著升高（P< 0.01），丙二醛（MDA）含量极显著降低（P< 0.01），提示复合益生菌发酵饲料提高了肉牛机体的免疫机能和抗氧化能力。Hu 等（2020）研究表明， 益生菌和酶制剂共同发酵的稻草代替新鲜玉米秸秆喂养肉牛，改变了瘤胃菌群结构，促使拟杆菌门和纤维杆菌门、瘤胃球菌属、产乙酸糖发酵菌属、假丁酸弧菌属、密螺旋体属、蓝绿藻菌属和瘤胃杆菌属丰度显著升高（P< 0.05），此外还显著升高了参与氨基酸、碳水化合物、辅助因子和维生素代谢的相关代谢物浓度（P< 0.05），以及瘤胃液中的乙酸盐和丙酸盐含量（P< 0.05），提高了瘤胃内饲料能量转换效率。康怀艳（2019）研究表明，经益生菌发酵处理后，饲料中粗蛋白质、钙、磷含量以及纤维素酶活性显著升高（P< 0.05），奶山羊产奶量、羊乳中乳蛋白、乳脂肪、乳糖、非脂固形物、油酸含量均显著提高（P< 0.05）。

6 菌酶协同发酵

益生菌发酵产生的酶类在实际生产中可能存在活性和数量不足、种类不够全面等问题，导致发酵饲料中的大分子物质和抗营养因子难以被充分的分解。随着酶工程技术的迅速发展，具有营养代谢功能的酶制剂应运而生， 在动物养殖中发挥着重要作用。酶制剂主要分为两类，一类为动物内分泌酶类，如蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶，这类外源添加的酶在结构和性质上与内源酶存在部分的差异，但能强化内源酶的作用，提高其活性，有助于动物对营养物质的消化吸收； 另一类是动物自身不能分泌的酶类，如纤维素酶、木聚糖酶、果胶酶、植酸酶等，这类酶大多来源于益生菌，可破坏饲料原料中的纤维并去除抗营养因子 （Lin 等，2020；Jakobsen 等，2015）。 酶制剂虽然能够特异性分解底物和抗营养因子， 但也存在口味不佳、 耐热性差、底物局限性、成本高等问题（Christensen 等，2007）。菌酶协同发酵综合了益生菌发酵和酶解的优点， 不仅增强了对饲料中大分子物质的降解程度， 缩短了发酵周期， 还提高了益生菌的发酵效率，使发酵后的饲料中含有大量益生菌。由于在市场上得到良好的反馈，近年来，大部分饲料集团、养殖集团在发酵饲料开发和市场布局上呈加速的趋势（李爽等，2020）。低端益生菌发酵饲料预计在未来几年内会进入红海，因此，具有技术壁垒、功能强大、 效果稳定的益生菌发酵产品将是扩大市场份额的一个新增长点， 而菌酶协同发酵将成为未来益生菌发酵饲料的一个重要方向， 为行业带来新的机遇（李爽等，2020）。

7 益生菌发酵饲料存在的问题

益生菌发酵有助于开发非常规的饲料，促进饲料营养价值和动物生产性能的提高， 可用于替代抗生素，日益受到人们的重视，但就目前的微生物发酵技术而言，依然存在许多不足之处，具体如下：

7.1 生产设备和生产条件不达标 国内生产发酵饲料的工厂大多为小型饲料厂， 缺乏专业的设备及技术操作人员，生产管理不规范，生产条件及环境不合格，导致生产出来的产品品质不稳定、差异大，因而对动物生产及环境都存在安全隐患。

7.2 益生菌菌种遗传背景、生物学特性以及作用机制不清晰 益生菌菌种是发酵饲料品质好坏的决定性因素。益生菌菌种的遗传背景不明确、生物学特性不稳定、作用机制不清晰，将直接影响产品的功效和货架期。许多小企业经济实力相对较弱，未从正规厂家购买菌种， 使得发酵过程中存在杂菌，对饲料产品造成了污染。

7.3 发酵饲料产品效果不稳定 微生物在加工、制粒、分装、保存等环节中，易受到高温高压的影响，导致生物活性的降低，从而影响产品功效的发挥。此外，益生菌发酵饲料的具体有效成分缺乏全面系统的研究，尤其是多菌联合发酵的饲料，难以对其有效成分和功效进行鉴定和评判。对菌种、菌种与酶制剂之间的协同能力、 发酵机理研究不透彻，导致应用效果极不稳定。

7.4 行业标准不健全 发酵饲料生产、 检测、监控都缺乏统一的技术标准， 而且菌种本身的质量就难以保证。市场监督力度不够，相关法律法规不完善，让许多非法商家钻了空子，使得产品质量参差不齐的现象屡见不鲜。 对发酵饲料产品缺乏统一的评判标准，再加上部分企业夸大宣传，对于公众容易形成误导，严重影响了行业的健康发展。

8 展望

我国是农业生产大国， 随着畜禽养殖业的不断发展，抗生素滥用、人畜争粮、食品安全等问题愈加突出。国家出台了一系列政策，在饲料端禁止添加促生长类抗生素， 在养殖端采取综合措施减少使用抗生素， 规范用药标准确保产品药物残留达标，促进畜禽养殖业绿色可持续发展。益生菌发酵饲料是一种安全、无污染的饲料，因其具有替代抗生素、资源再利用、降低饲料成本、提高养殖效益等诸多优势，逐渐受到市场的青睐，应用领域和市场不断扩大。 但同时也要看到益生菌发酵饲料的局限和不足，未来势必要优化发酵工艺，加强菌种选育工作，充分利用生物工程技术，筛选生物学特性稳定、表达量高、定植能力强、作用机制研究透彻的功能性菌株，深入挖掘菌酶协同发酵机理，还要制定行业统一的标准，加强市场监督力度，以便对产品质量进行有效的管控， 保证饲料行业的健康发展。