发酵对饲料原料中抗营养因子的影响

陈丽军， 王忠艳

（东北林业大学野生动物与自然保护地学院，黑龙江哈尔滨150040）

抗营养因子是饲料中含有的一系列阻碍动物对营养物质消化、 吸收和利用以及对动物生产性能产生不利影响的物质（姜倩倩等，2012）。抗营养因子在植物中普遍存在， 是植物本身长期自然进化自我保护的一种机制。但在饲料中，抗营养因子不但会影响饲料的适口性， 还会降低动物的生产性能，影响其健康状况。

随着研究的不断深入， 发现的抗营养因子的种类也越来越多，如胰蛋白酶抑制因子、抗维生素因子、植物凝集素、单宁、植酸等。 目前，降低或灭活饲料中抗营养因子的方法主要包括： 物理方法（加热、机械加工、水浸泡法、膨化法）、化学方法（酸碱处理法、氨处理法、醇类溶液处理法、盐处理法、添加特殊物质处理法）、生物学方法（酶水解法、微生物发酵法、萌发处理、育种法） （徐汉盛等，2016）。其中物理方法操作繁琐，导致生产成本较高，难以大范围推广使用；化学方法虽能减少加工机械设备的购买和能源的消耗， 但化学试剂或多或少都会残留在饲料中， 造成动物的采食量下降，饲料中营养物质被破坏，并且排放多余的化学试剂还会污染土壤和水源， 容易出现安全和环保问题； 酶水解法中酶制剂结构的稳定性和耐受性容易在饲料加工生产过程中遭到破坏； 萌发处理只针对可发芽的饲料原料，具有局限性；育种法育种时间长，植物成熟晚，虽可培育出低抗品种，但也降低了植物的抗病能力和产量； 微生物发酵法不但能有效去除有毒物质， 还能产生诸多活性因子改善采食动物的消化道微生物环境， 并且体外发酵所需要的设备和加工工艺并不复杂，成本低，营养物质损失较少，可以大量加工处理，因此成为国内外研究的热点。 本文主要对固态发酵和液态发酵技术、 发酵对几种常见饲料原料中抗营养因子的影响及其在动物生产上的应用进行了综述。

1 发酵技术

发酵技术又称微生物发酵法， 是指在发酵过程中微生物通过生成一些可以降低抗营养作用的蛋白酶类或者消耗一些非蛋白类的抗营养因子而使微生物自身大量繁殖， 从而降低抗营养因子含量的方法。

1.1 固态发酵 固态发酵主要是微生物在潮湿、不溶于水的固态基质上进行的发酵， 固态基质中有气、液、固三相（申远航等，2018）。其优势在于培养基简单，发酵原料成本较低，前期处理较少，后期处理简便， 基本上没有废弃物的问题。 但也存在可选择的菌种较少，发酵速度慢，发酵周期较长等缺点。固态发酵历史悠久，但因无法满足现代发酵技术对菌种的培养和大规模生产而一度不被使用，现如今随着科学技术的发展，固态发酵又被广大研究人员重视和研究。

1.2 液态发酵 液态发酵主要是将菌株在生长过程中所需要的营养物质溶解在水中作为液体培养基，灭菌后接入菌种，提供适量的氧气和适宜的外界环境，使菌种大量繁殖。其优势在于发酵原料来源广泛，菌种生长速度快，生产周期短，能有效降低菌种污染率， 可以工业化生产且不会受到季节的限制。但也存在一定的缺点，如液态发酵会使饲料中的游离氨基酸分解成大量的生物胺和酸性物质， 从而降低饲料的适口性和pH 等 （暴风，2020），这仍需要进一步研究。

2 发酵对常见饲料原料中抗营养因子的灭活情况分析

2.1 菜籽粕 菜籽粕中的抗营养因子主要是硫葡萄糖苷及其代谢产物，如芥子碱、单宁、植酸等。其中硫葡萄糖苷可在芥子酸水解酶的作用下生成噁唑烷硫酮、异硫氰酸酯、腈等有毒的水解产物，可导致采食动物甲状腺肿大、内脏器官受损，从而影响动物的生长发育和生产性能的发挥 （王飒爽等，2019）。 芥子碱有苦味，适口性差，会降低动物的采食量， 并影响动物对饲料中蛋白质的消化和吸收，引起其生长缓慢。 单宁味道苦涩，导致饲料适口性差，动物采食量下降，并且含量过高还会损伤采食动物的肝脏和肾脏。

李莉娜等（2019）选用枯草芽孢杆菌、植物乳杆菌等菌种， 通过单菌株与混合混菌株固体发酵试验发现， 菜籽粕经过植物乳杆菌、 黑曲霉处理后，其抗营养因子含量大幅度下降，并且黑曲霉的降解率高于植物乳杆菌。 于新颖等（2020）用粗壮脉纹孢菌固态发酵菜籽粕， 发酵过程中单宁、植酸、 硫甙的降解率分别达到 24.98%、10.20%、14.79%，均显著下降，说明发酵可降低菜籽粕中抗营养因子的含量，且可提高菜籽粕的营养价值。另外，周晓容等（2020）通过短乳杆菌和短小芽孢杆菌双菌固态发酵菜籽粕发现， 双菌对异硫氰酸酯和噁唑烷硫酮有很好的降解效果， 降解率可高达92.20%和100%， 但对单宁和植酸的降解率不高， 分别为 35.81%和 24.22%。 同时， 管维等（2020） 以菜籽粕为原料， 采用固态发酵法接种6%的纳豆杆菌、侧胞杆菌、凝结芽孢杆菌、枯草杆菌组成的混合菌种， 在35 ℃、pH 6.5 的条件下发酵5 d，最高可降解93.74%的植酸、36.59%的纤维素、14.75%的单宁。

研究发酵菜籽粕在动物生产中的使用情况时发现， 用发酵菜籽粕代替少量豆粕喂养仔猪和育肥猪，猪的采食量和日增重有所提高，料重比和腹泻率有所下降，但应注意发酵菜籽粕的添加量。比如在母猪、 仔猪饲料中菜籽饼粕的用量不高于5%，在生长育肥猪饲料中菜籽饼粕的用量不高于15%。生产实践证明，通过微生物方法灭活抗营养因子的菜籽粕在各种动物生产中的使用效果都显著好于未经任何处理的菜籽粕， 不但可以使采食动物能较好地利用饲料中的营养物质， 还可以显著提高动物的生产性能。

2.2 豆粕 豆粕中的抗营养因子主要是胰蛋白酶抑制剂、大豆抗原蛋白、大豆凝集素、植酸、大豆低聚糖、脂肪氧化酶、脲酶等。 胰蛋白酶抑制剂主要影响采食动物体内的胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶，导致动物对蛋白质的吸收率和利用率下降，影响动物的生长速度，严重者会出现恶心、呕吐等中毒症状，并且其对幼龄动物的影响比较大。 此外，其还会使胰腺变的肿大，分泌过多的胰腺酶，引起内源性必需氨基酸的分泌量减少， 影响消化道的正常生理功能。 大豆抗原蛋白会导致幼龄动物过敏，使血清中特异性抗体浓度增加，引起小肠绒毛萎缩、结构受损，出现腹泻、生长发育缓慢、体重下降等症状，严重时还可引起动物的突然死亡（张立伟，2009）。脲酶在适宜条件下可分解含氮化合物，使其利用率下降， 并且当氨的含量过高时还会引发氨中毒。

李莹等（2019）采集10 种豆粕与发酵豆粕样品与未发酵的豆粕相比， 发现发酵豆粕中胰蛋白酶抑制因子、水苏糖、棉籽糖、脲酶的平均含量分别降低90%、86%、82%、67%，由此表明发酵会降低豆粕中的抗营养因子含量。 李锡阁等（2019）将枯草芽孢杆菌和米根霉按2：1 的接种比例，10%的发酵总接种量，同时接入到豆粕中，在发酵温度40 ℃，料水比 1.0：1.4 的条件下发酵 96 h，发现发酵后豆粕中的胰蛋白酶抑制因子、 大豆球蛋白、β-伴大豆球蛋白的含量均显著低于未发酵豆粕。Zheng 等（2017）以芽孢杆菌发酵豆粕 24 h 后，大豆球蛋白、β-伴大豆球蛋白、 胰蛋白酶抑制因子显著降低86.0%、70.3%、95.01%，表明发酵可以降低豆粕中的抗营养因子。

在反刍动物生产中， 发酵后的豆粕会有特殊的香味，吸引动物采食，并且发酵可使豆粕中的大分子蛋白质分解为小肽和游离氨基酸， 更利于动物胃肠道的吸收，增加料重比，提高产奶性能和肉的品质。在水产养殖中，发酵豆粕可代替一些动物性蛋白质，节省部分动物性蛋白质饲料原料。比如发酵豆粕代替鱼粉的比例因鱼的种类而异， 添加比例过高会降低鱼的增重和存活率， 而发酵可提高传统豆粕的添加比例，提高蛋白质的利用率，降低饲料成本。 在家禽生产中，相比于普通豆粕，发酵豆粕可提高肉鸡和肉鸭的生产性能、屠宰性能、免疫功能和抗氧化能力， 提高蛋鸡的产蛋率和蛋的品质。

2.3 棉籽粕 棉籽粕中的抗营养因子主要是游离棉酚，其危害主要有以下几点：（1）可与蛋白质结合， 造成一些功能蛋白失活； 还可与铁离子结合，造成动物缺铁性贫血。（2）可损伤胃肠道黏膜，导致胃肠道出现炎症或出血；还可损伤心脏，导致动物心力衰竭。 （3）影响雄性动物的生殖机能，破坏睾丸生精上皮细胞，造成精子数量减少，品质不佳，受精率下降，性激素含量降低；还会影响雌性动物的生殖机能，造成卵巢萎缩，卵子破裂，甚至不育（王春梅，2017）。

王晓玲等（2016）选用在液体培养条件下棉酚脱除率90%以上的枯草芽孢杆菌与酿酒酵母N5对棉籽粕在30 ℃的条件下固态发酵48 h，结果显示棉籽粕中的游离棉酚脱除率达48.5%。杨文婷等（2019） 用热带假丝酵母ZD-3 固态发酵棉籽粕48 h 后发现，游离棉酚的降解率为88.21%。 李园成等（2020）用枯草芽孢杆菌和酿酒酵母固态发酵棉籽仁30 h 后发现，游离棉酚的含量显著降低。

通过降解棉酚可显著提高棉籽粕使用范围和在配合饲料中的添加比例。如在猪生产中，棉籽粕可代替部分豆粕， 而发酵棉籽粕可提高添加量至15%，并且不会对猪的生产性能造成不良影响。在反刍动物生产中，瘤胃能分解部分棉酚，耐受力会更强，使用发酵棉籽粕可从10%的棉籽粕添加量提高到20%。 在家禽生产中，用10%的发酵棉籽粕代替豆粕不会影响蛋鸡产蛋的品质。

2.4 禾本科籽实类 禾本科籽实即谷物中的抗营养因子， 目前研究比较多的是非淀粉多糖和植酸。 其中非淀粉多糖会增加采食动物肠道内食糜的黏性， 阻碍肠道蠕动， 造成内源氮的排放量增加。 此外，非淀粉多糖还会使微生物大量增殖，破坏肠道菌群平衡，损伤肠道黏膜上的绒毛（王艳，2017）。 植酸可与蛋白质结合生成稳定的复合物，降低动物对其消化率；还能抑制胰酶、胃蛋白酶和淀粉酶的活性，影响动物对营养物质的吸收。

Tanaskovicú等（2020）用芽孢杆菌TMF-2 固态发酵麦麸时发现植酸被部分降解， 且随着发酵的进行， 最大降解率达到34%， 并确认芽孢杆菌TMF-2 能产生有效水解植酸的植酸酶。 谷物中60% ~ 90%的磷是以植酸磷的形式存在，而猪、家禽等动物胃肠道中不存在植酸水解酶， 所以无法利用谷物饲料中的磷。对于水产动物而言，不能被利用的磷会随着动物粪便排出， 导致水体富营养化。 而外界的植酸酶会使植酸水解产生无机磷酸盐， 因此发酵麦麸会成为一种很有前途的饲料原料。 Amit 等（2019）利用米根霉固态发酵脱油米糠，可使其中的植酸活性降低3.12%，胰蛋白酶抑制剂活性降低 24.8%。 另外 Degnet 等（2018）利用画眉草和小麦自发发酵72 h，其中的抗营养因子植酸和单宁会达到最大的降解率。

在家禽生产中， 添加发酵玉米蛋白粉可促进仔鸡生长，提高抗氧化能力，改善肠道菌群平衡。在猪生产中，添加发酵玉米、麸皮和米糠的混合饲料可增加母猪的平均日增重， 降低料肉比和腹泻率，缩短育肥时间；添加发酵麦麸可提高仔猪的平均日增重和采食量，降低腹泻率和淘汰率。

3 小结

总体来说发酵技术有以下几个优点：（1）发酵使饲料更具风味，具有特殊的酸香味，吸引动物采食，提高饲料的适口性和动物的采食量。（2）发酵所含的有益微生物可改善动物胃肠道环境，促进营养物质的消化、吸收和利用。 同时还会减少有害物质的排放，降低对生产环境的污染程度。（3）微生物发酵后产生的代谢物质能有效抑制采食动物肠道内有害微生物的增长繁殖，提高动物机体免疫力和抗病力。 （4）发酵会降低饲料原料中抗营养因子和抗生素的含量，提高营养物质的利用率和饲料原料之间的代替比例，从而节约饲料原料，降低饲料成本。（5）发酵会提高饲料的利用率，促进动物生长，提高动物的生产性能，提升动物产品的品质。

目前， 发酵技术仍存在一些问题或不足：（1）在菌种的选择、发酵条件的控制，以及处理后饲料对动物的饲喂方式、 成本等方面没有完善而规范的行业标准。（2）发酵饲料在生产过程中以及对饲料成品质量的监管仍有待提高。（3）发酵过程中微生物的存活需要一定的条件， 因此对发酵环境要求较高，同时还需注意存放环境，防止腐烂变质而影响动物的健康安全。（4）发酵后的废物要注意无害化处理，防止污染环境。

研究发现，发酵技术应用于反刍动物、家禽、生猪、 水产动物的生产实践中， 对动物无不利影响。研究人员大多选用固态发酵技术，而液态发酵技术使用较少，有待于进一步的研究。 此外，发酵时间、温度、含水量、接种量也是制约抗营养因子消除率的重要因素。 研究表明， 混菌发酵比单菌发酵能更好地降低饲料原料中抗营养因子的含量，并且酶菌共同发酵也比单菌发酵的效果好。另外， 饲料中粗蛋白质的含量和蛋白质体外消化率与发酵时间呈正相关，但并不是时间越长越好，因为微生物发酵会利用部分饲料，消耗能量，因此还需考虑成本和发酵周期等问题， 这也是将来需深入研究的内容。