发酵饲料在反刍动物中的应用技术研究进展

成思源,马 涛,杨 东,郭福锁,王文义,马书林,马友记,刁其玉*

(1. 中国农业科学院饲料研究所,农业农村部饲料生物技术重点实验室,北京 100081; 2. 甘肃农业大学动物科学技术学院,甘肃 兰州 730070; 3. 内蒙古巴彦淖尔市农牧业科学研究所,内蒙古 巴彦淖尔 015000;4. 内蒙古磴口县畜牧工作站,内蒙古 巴彦淖尔 015200; 5. 河北省农林科学院粮油作物研究所,河北 石家庄 050000)

我国是农业大国,畜牧业是农业的支柱产业,饲料业是畜牧业发展的基础[1]。近年来,养殖动物数量急剧上升,对饲料原料的依赖也随之增加,导致畜牧业的饲料生产成本大幅提高[2]。与传统饲料相比,生物饲料的出现扩大了我国饲料资源,它的研发与应用降低了饲料的生产成本,保障了饲料和畜产品安全,在促进减排、降低环境污染以及降低饲料成本等诸多方面都显示了优势前景[3]。生物饲料是通过发酵工程、酶工程、蛋白质工程和基因工程等生物工程技术开发的饲料产品的总称[4]。发酵饲料是生物饲料的重要组成部分,饲料在发酵过程中,可减少饲料原料中的抗营养因子浓度,从而提高饲料营养水平,可同时产生多种有益代谢物,提高动物肠道健康,改善菌群平衡[5]。自2019年7月以来,我国禁止抗生素作为饲料添加剂使用,寻找抗生素替代品已成为饲料行业亟需解决的问题。而发酵饲料、酶制剂、菌酶协同饲料等因具有提高动物饲料利用效率、改善饲料适口性、维持肠道菌群平衡、产生有益代谢产物的优势,进一步凸显了其在常规饲料替代和减少抗生素使用中的重要作用,极大推动了我国养殖饲料企业的战略转型发展[6]。

1 发酵饲料的定义与分类

发酵饲料是一类在人工控制条件下,以动植物副产品为原料,接种益生菌经过发酵而成的更适合被动物采食和吸收营养物质的饲料[7]。通过微生物代谢活动,将常规饲料原料中的大分子营养成分转化为各种可利用的营养因素以及各种小分子成分(菌体蛋白、小肽类氨基酸、活性益生菌等),从而得到多种微生物代谢产物,弥补了传统饲料原料中容易缺乏的活性物质、氨基酸等,提高了饲料原料营养成分转化率[8]。发酵饲料是生物饲料四大主要类型之一。一般,发酵饲料可以分为六类:(1)按饲料原料组成的不同分为发酵单一饲料和发酵混合饲料;(2)按添加的菌种组成的不同分为单菌种发酵饲料和多菌种发酵饲料;(3)按照主要营养特性不同分为发酵蛋白饲料、发酵能量饲料和发酵粗饲料等[3];(4)按发酵底物不同分为原料发酵、全价料发酵、植物秸秆类发酵。原料发酵方面,豆粕和棉粕在各畜禽养殖中都有较多应用;而全价料发酵和植物秸秆类发酵则在牛羊上的应用较多[9];(5)按照发酵方式可以分为固态发酵饲料与液态发酵饲料[10];(6)按照发酵类型又可以分为好氧发酵、厌氧发酵以及兼性发酵(两段式发酵)[11],其中应用最为广泛的是好氧发酵,主要优势在于发酵周期短,对于饲料原料的综合转化率高。而厌氧发酵的优势主要在于发酵中呼吸耗损少、生产的发酵饲料香味醇厚,为吸收两者各自的优势可以采用兼性发酵,即先进行好氧发酵,再进行厌氧发酵。目前,常见的发酵饲料主要有青贮饲料、黄贮饲料、发酵豆粕饲料以及发酵玉米秸秆饲料等。

2 发酵饲料的发展历程

2.1 国外对发酵饲料研究的发展历程

国外对发酵饲料的研究主要分两个阶段[12]: 第一阶段是1950年-1993年,Garner等[13]通过研究在发酵饲料和瘤胃液中发现的类抗生素物质和纤维素消化促进剂,说明发酵饲料有可以替代抗生素的潜质;同时,也证明发酵饲料可以分解抗营养因子,从此对发酵饲料的研究大量增加。但此时人们对微生物的认知欠缺, 对微生物产品的生产以及安全性都有没有足够的了解。只是意识到益生微生物能促进动物生长, 因此在饲料生产和畜牧养殖中不能做到科学养殖,盲目性较大。第二阶段:1993-至今, 这一阶段,随着科技的进步,国外对微生物菌种有了更深入的了解,开始对微生物菌株进行全面监管, 同时对菌株的安全性和有效性等进行全面评估,对益生菌发挥作用的机理以及与宿主的作用方式等都进行了深层次的研究。

2.2 国内对发酵饲料研究的发展历程

我国对发酵饲料的研究主要经历三个阶段[14]:第一阶段,上世纪80年代,主要有糖化饲料、青贮饲料等。这两种饲料加工工艺简单,发酵环节主要是通过密闭容器或空间制造无氧环境,再通过厌氧菌自然作用形成。对底物的开发程度较低,主要利用的底物有麦麸、玉米以及玉米秸秆。第二阶段,上世纪90年代,科技迅速发展,研究开始介入到微生物层次,可将益生菌菌株制成菌剂作为饲料添加剂掺在基础饲料中,如单细胞蛋白(酵母粉)等。与青贮饲料、糖化饲料相比,益生菌作为饲料添加剂极大提高了动物的生产水平,但对微生物利用的研究还是不够成熟。第三阶段,我国进入微生物发酵饲料研发阶段,向底物中加入有益菌,如酵母菌、枯草芽孢杆菌等菌种,通过发酵罐等更加简易的手段来制备发酵饲料,实现发酵饲料制备的普及化。

3 发酵饲料的菌种

中华人民共和国农业部公告第2045号《饲料添加剂品种目录2013》的微生物细目中列出了乳酸菌类、酵母菌类等33个菌种,其中,被广泛应用的主要有乳酸菌、芽孢杆菌、酵母菌以及霉菌四类。利用不同的菌种制备的发酵饲料的功能也有所不同。

3.1 乳酸菌

乳酸菌能促进营养物质利用、激活或增强机体免疫力、平衡肠道菌群,是最早应用在发酵饲料中的菌种之一[15]。发酵过程中,乳酸菌在乳酸菌蛋白酶的作用下,将饲料中的大分子蛋白质分解为小分子活性肽和氨基酸,从而对饲料的营养水平以及动物对饲料的利用率有明显提升作用[16]。此外,乳酸菌能激活巨噬细胞的吞噬作用,使肠道内免疫细胞产生免疫应答;而其分泌的细菌素能抑制饲料或动物肠道中致病微生物的生长,不但能提高饲料的安全性,对动物的抗病能力也有较大改善[17]。

3.2 芽孢杆菌

芽孢杆菌是目前公认的最安全菌种,以最常用的枯草芽孢杆菌为例,该菌属革兰氏阳性菌,能控制不同类细胞的发育。在发酵过程中能产生淀粉酶、蛋白酶以及植酸酶等酶类[18],这些酶类能水解植物的细胞壁以及消除饲料原料中的抗营养因子,从而提高饲料的利用率。此外,芽孢杆菌有很强的吸氧能力, 能消除肠道中的氧气, 为肠道中微生物的正常繁殖营造一个良好的厌氧环境。同时芽孢杆菌能产生乙酸、丙酸等, 降低肠道pH,抑制病原菌生长和繁殖[19],对动物免疫力也有较大改善作用。如今芽孢杆菌已经被广泛应用于生产[20]。

3.3 酵母菌

酵母菌属于单细胞真菌,因能发酵糖类而被广泛应用。作为酶、游离核苷酸、B族维生素和氨基酸的丰富来源,酵母菌能平衡瘤胃微生物区系,稳定瘤胃pH[21];同时还能减少甲烷等有害气体的产生以及排放、促进动物的生长发育、改善机体的消化机能。在发酵过程中,酵母菌一方面通过自身繁殖增加饲料中的营养物质,另一方面通过自身释放的酶将饲料中不易吸收的大分子营养物质酶解为小分子营养物质,促进饲料的利用率[22],从而改善动物的生长性能。

3.4 霉菌

霉菌是丝状真菌的总称,发酵饲料中常用的霉菌有米曲霉、黑曲霉等有益霉菌,自身能分泌蛋白酶、纤维素酶、植酸酶及果胶酶等。研究表明,黑曲霉在发酵过程中能抑制大肠杆菌及黄曲霉素的生长与繁殖,同时可以调节动物肠道菌群平衡,促进免疫器官的发育[23]。发酵过程中,米曲霉菌通过消耗脂肪中的碳水化合物来作为生长的碳源,同时通过自身分泌的蛋白酶将大分子蛋白质降解为小分子游离态氨基酸,促进动物对饲料营养物质的吸收利用[24]。

4 发酵饲料的作用特点

4.1 消除抗营养因素,降低原料毒性

我国主要的饲料来源为植物性饲料原料。其中能量原料主要有玉米、麸皮、小麦、大麦等;蛋白原料包括豆粕、棉籽粕、菜籽粕等。蛋白饲料原料均含有部分抗营养因子,例如豆粕中的胰蛋白酶抑制因子、大豆凝集素、脲酶、植酸、大豆抗原等;棉籽粕中存在游离棉酚、单宁和植酸等多种抗营养因子;菜籽粕中含有硫代葡萄糖苷、单宁、植酸、芥子碱。这些抗营养因子极大程度上限制了动物对饲料的利用效率[25]。将豆粕、棉粕、菜籽粕等通过生物发酵技术处理后,不但能够降低饲料原料中的抗营养因子,还能够减少其中的毒素,从而充分开发可利用的饲料资源[26]。例如,Mohankumar等[27]和Thanyarat等[28]研究发现,通过采用杂色曲霉CJS-98固态发酵法和微生物发酵法能有效降低饲料中的植酸、胰蛋白酶抑制剂和外源凝集素等抗营养物质。在对比枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌的固态和液态发酵效果后,发现地衣芽孢杆菌液体深层发酵法能有效降低饲料的毒性和抗营养因子;发酵后佛波醇酯、肌醇六磷酸和胰蛋白酶抑制剂等毒性物质剂分别减少了62%、42%和75%。同时,Rizzello等[29]利用植物乳杆菌LB1和乳杆菌LB5对小麦胚芽进行发酵, 结果表明, 发酵后的小麦胚芽中游离氨基酸浓度增加了50%,抗营养因子棉子糖含量减少, 蛋白质体外消化率、总酚含量、植酸酶以及抗氧化活性均明显增加。综上所述,发酵饲料在提高饲料适口性的同时,提高了饲料的营养价值并降低或者消除了饲料中的毒性,增加了饲喂的安全性。

4.2 改善饲料原料的营养价值,提高饲料的利用率

饲料发酵的过程中,酵母、乳酸菌等有益菌对饲料中的纤维物质进行降解产生多种不饱和脂肪酸和芳香酸,产生特殊的香味从而提高饲料的适口性[30],如粗饲料降解剂可以分解粗饲料中的的粗纤维,适当增加可利用能量,蛋白得到适当分解,并可产生小肽、曲香、酸香以及大量的乳酸菌活菌,饲料的适口性更好。同时微生物在发酵过程中能产生各种酶以及B族维生素,而B族维生素可以提高动物生产性能并改善产品品质[31]。研究表明,在断奶羔羊的饲料中添加叶酸(维生素B9)时,羔羊的采食量随叶酸添加量的增加而上升[32],说明饲料经发酵后产生的物质可提高动物的采食量。除B族维生素外,其它营养物质在饲料发酵后也有显著的改变,研究表明微生物发酵以湿豆渣为主要原料的饲料,发酵饲料的粗纤维含量显著降低。发酵后,酸度趋于合理,粗纤维素减少,粗脂肪增加,蛋白质等其它营养素的组成发生改变,更利于消化利用[33]。

除提高营养价值和增加饲喂安全性之外,发酵饲料相较传统饲料还有很大的优势,体现在能提高饲料的利用率,提高营养物质的表观消化率和沉积率。刘栩州等[34]研究发现,饲料中添加发酵豆粕可提高28～56日龄断奶仔猪的营养物质表观消化率,从而提高饲料利用率。魏炳栋等[35]以发酵玉米秸秆替代50%的未发酵玉米秸秆发现,复合微生物发酵秸秆能够显著提高肉羊平均日增重及营养物质消化率。在乐至黑山羊饲料中利用50%微生物发酵饲料替代基础精料后,饲料干物质消化率由71.7%提升至73.9%,粗蛋白质消化率由56.5%提升至62.2%,粗纤维消化率由64.8%提升至67.4%[36]。不同底物的发酵饲料对动物的营养物质表观消化率均有积极的影响,说明通过饲喂发酵饲料可以提高饲料的利用率,改善动物吸收营养物质的速率。

4.3 调节肠道微生物环境

肠道菌群在宿主营养物质消化、机体免疫和健康等方面起着非常重要的导向作用,尤其是与宿主腹泻、乳房炎、副结核病和炎症性肠病等疾病的发生关系密切[37]。发酵饲料可以改善动物的肠道微生物环境,沈学怀等[38]研究发现,饲喂复方中草药发酵饲料可以提高母猪肠道微生物的多样性和稳定性,显著提高克里斯滕森氏菌属R-7群、乳杆菌属、瘤胃菌科UCG-002、拟杆菌属等有益菌的相对丰度,并且显著降低密螺旋体属、链球菌属、副拟杆菌属和大肠杆菌-志贺氏菌属等有害菌群的丰度,从而提高母猪的泌乳性能,降低仔猪腹泻率,提高血清抗氧化指标。吴道义等[39]研究发现,饲喂发酵饲料可以通过改善肠道微生物环境降低仔猪腹泻率,减少仔猪早期死亡率过高的问题。张孟阳等[40]研究发现,饲喂发酵饲料能显著增加乳杆菌丰度, 同时降低肠道中脱硫弧菌属、螺杆菌等致病菌的数目,抑制脱硫弧菌增殖, 预防肠道疾病,同时能够增加厚壁菌门丰度, 显著降低拟杆菌门/厚壁菌门的比例, 促进仔鸡的生长。

5 发酵饲料在反刍动物生产中的应用

反刍动物与猪以及家禽的消化方式有极大的区别,关于发酵饲料在反刍动物的研究已作了大量积累,但由于制作发酵饲料使用的菌种、底物不同,添加方式以及添加剂量不同,各个研究得出的结论也不尽相同。根据表1可以看出,无论是国内还是国外,发酵菌种大多数都是酵母菌、乳酸菌、枯草芽孢杆菌以及霉菌,但大部分采用多菌混合发酵的方式,说明多菌混合发酵能够整合各个菌种的优势发挥更完善的作用;发酵底物不尽相同,其中包含大部分非常规饲料,对反刍动物有正向的促进作用,说明发酵饲料的研发开拓了饲料资源,但对于不同底物的作用研究还需要进一步研究整理。

5.1 发酵饲料对反刍动物生长、生产性能的影响

生长性能是评判动物生长状态的最直观标准,采食量的高低直接影响动物的生长性能。大多数研究表明,动物日粮中直接添加发酵饲料或利用发酵饲料等量替代普通饲料能够提升动物的干物质采食量(DMI)及平均日增重(ADG)[45-46,48,50-53,56,58-59],从而改善动物的生长性能。但是对动物生长性能的改善程度不一,可能与发酵饲料所饲喂的品种不同、发酵饲料添加(替代)比例不同及发酵底物不同有关。生产性能与动物的经济价值呈正相关,饲喂发酵饲料能改善肉牛、肉羊的眼肌面积、胴体率及屠宰率[41,53-54],还能提高奶牛、奶山羊的产奶量[48-57],提高动物的饲喂价值与经济价值。

5.2 发酵饲料对血清生化指标和免疫功能的影响

血清生化指标可以反映动物机体的免疫功能,而给动物饲料中添加发酵饲料可以通过改善血清生化指标进而增强免疫功能。研究发现,饲喂益生菌发酵饲料后,奶山羊血清中的葡萄糖含量、血清总蛋白、白蛋白和球蛋白含量都有所提高,而血清尿素氮含量、血清胆固醇、谷丙转氨酶、谷草转氨酶、碱性磷酸酶含量均有所降低[57-58],试验羊的发病率明显下降。同时利用微生物发酵饲料能提高肉牛免疫力[44],饲喂微生物发酵饲料后,肉牛血清总蛋白、白蛋白、免疫球蛋白A、G、M浓度显著提高,谷草转氨酶、谷丙转氨酶活性及丙二醛浓度均显著下降,且总抗氧化能力和总超氧化物歧化酶的活性极显著增强,极大程度的降低了肉牛生长过程中的患病几率。王定发[60]也通过试验证明,饲料经微生物发酵后可以增加犊牛血液中免疫球蛋白含量,提高动物免疫力。这可能是由于发酵饲料中含有的益生菌可以保护肠壁,并刺激巨噬细胞产生免疫球蛋白,对机体免疫力具有重要作用,而免疫水平的高低间接反映了机体对疾病的抵抗能力[57]。综上,饲喂发酵饲料可以增加动物血液中免疫球蛋白含量,且能改善血清生化指标(降低血清尿素氮含量、血清胆固醇含量),在不对动物造成负面影响的情况下,提高动物的免疫能力,有望解决集体养殖动物免疫力下降问题,提高动物的经济效益与饲喂价值。

5.3 发酵饲料对瘤胃发酵与营养物质消化的影响

瘤胃是反刍动物独具的身体结构,瘤胃中的多种微生物细菌与原虫共同构成独特的瘤胃发酵内环境,使得反刍动物能有效的利用粗饲料,但对粗纤维的利用效率仍相对较低[61-62]。瘤胃内良好的发酵环境是反刍动物健康的基础,研究证明,发酵饲料可以改善反刍动物瘤胃的发酵环境,从而提高对营养物质的吸收[42,46,48-50,52,56],提高饲料利用率。徐子萱等[47]发现,微生物发酵饲料可促进瘤胃发酵功能,促进底物发酵产生更多的挥发性脂肪酸,提高饲料营养物质体外消化率。通过给杜寒杂交肉羊饲喂发酵秸秆饲料不但提升了肉羊瘤胃的发酵水平,还相对提升了肉羊对粗饲料的利用率,说明发酵饲料能通过改善瘤胃微生物数量改善瘤胃微生物环境,同时改善反刍动物对粗饲料的利用[63]。郝凌魁[64]研究发现,微生物发酵饲料显著促进了黄色瘤胃球菌、产琥珀酸丝状杆菌、栖瘤胃普雷沃氏菌、牛链球菌、溶纤维丁酸弧菌和埃氏巨球型菌等有益菌的生长繁殖,降低了反刍兽甲烷短杆菌的数量,并降低了瘤胃细菌的多样性。综上所述,发酵饲料可以通过改善瘤胃发酵环境、增加瘤胃有益菌群数量、抑制(减少)有害菌群繁殖的方式来促进瘤胃功能,从而提高反刍动物对营养物质的表观消化率,提高动物的生长性能。

6 存在的问题与展望

目前发酵饲料的研究仍然存在一些问题,其一,发酵菌种和发酵底物的不同可能对不同品种动物的饲喂效果不一致,而且对菌种在发酵过程中的具体机制研究还不够深入;其二,不同研究对发酵饲料的添加量(替代量)的报道不同,在同一品种动物的研究上也有各种饲喂方式,尚无统一标准,给大面积推广发酵饲料增加了难度;其三,微生物之间也存在基因的横向传递,即一个微生物的耐药基因可以通过质粒或其它载体转移到另一个微生物,因此,发酵用的菌种自身携带某种或多种耐药基因,可能会转移到动物肠道微生物当中,其对肠道微生物的耐药性影响仍未可知。

发酵饲料的研究与推广具有十足的必要性,其未来发展方向可能包括以下几个方面:第一,发酵的菌种或亚种对发酵效果至关重要。对发酵饲料的研究需要突破更微观的层次,可以从微生物、分子代谢的层面来研究。更加精准的把控发酵饲料的作用方式及作用机理,从而更加精准的了解发酵饲料的作用规律及其在不同底物上的作用效果,制定一个标准化的添加(等量替代)规程,降低养殖端操作难度,实现大面积推广;第二,发酵饲料原料的选用,应选择潜在营养价值高的原料发酵。目前,我国使用最多的还是豆粕,通过发酵规律的掌握可以考虑底物的替代,从豆粕变为棉粕、菜籽粕。同时也可以考虑对饲料原料中玉米的替代,实现对粮食资源的节约;第三,发酵饲料的研究方向。目前,涉及发酵饲料的研究大多集中在猪、鸡方面,一方面是因为猪和鸡的生长周期短,育肥效果明显;另一方面,我国对猪肉和鸡肉的需求量远远超过牛羊肉。但随着生活水平提高,人们对牛羊肉的需求必定会逐渐增大。因此,需要对发酵饲料对反刍动物的影响的研究投入更多精力。第四,发酵饲料的使用技术。在技术方面有待于进一步研究改进、控制发酵饲料加工成本,提高产品质量以及产品安全。还可以通过与其它工程结合的方式提高发酵饲料的利用范围,例如与酶工程的结合,可先通过酶的转化作用将饲料原料中的糖分提取、转化,再通过发酵饲料吸附多糖,进一步提高发酵饲料的营养价值。