發(fā)酵工程在飼料工業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

摘要：發(fā)酵工程是生物工程的一個重要分支，可以分為固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵。發(fā)酵工程技術(shù)在微生物發(fā)酵飼料、微生物酶法生產(chǎn)維生素、飼料酶制劑等方面得到了廣泛運用。隨著分子生物學(xué)、微生物學(xué)、發(fā)酵工程學(xué)、儀器科學(xué)、自動化科學(xué)的發(fā)展，發(fā)酵工程必將在菌種選育、發(fā)酵工藝研究、新型發(fā)酵設(shè)備研制、發(fā)酵過程的低成本自動化控制等方面得到迅速發(fā)展。

關(guān)鍵字：發(fā)酵工程；發(fā)酵飼料；酶；維生素

中圖分類號：S816.34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1007-273X(2008)05-0034-02

飼料和糧食生產(chǎn)一直是我國國民經(jīng)濟(jì)的薄弱環(huán)節(jié)。由于受人口增長、耕地減少和肉食品消費增加的影響，我國糧食供需平衡十分脆弱。我國人均占有糧食一直在400kg以下，其中糧食總產(chǎn)量的40％左右用于飼料生產(chǎn)。在耕地和水資源長期緊缺的情況下，我國糧食產(chǎn)量已很難提高。飼料資源短缺的問題長期制約著我國畜牧業(yè)的發(fā)展，尤其是蛋白質(zhì)飼料的嚴(yán)重不足已經(jīng)成為全球性問題。發(fā)展高效飼料工業(yè)，提高糧食向畜牧產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化效率和飼料利用率、開發(fā)新型飼料原料是滿足人民對肉、禽、魚、蛋越來越大的需求量的最佳途徑。用生物技術(shù)特別是微生物發(fā)酵技術(shù)來開發(fā)新型飼料資源、生產(chǎn)蛋白質(zhì)飼料和新型添加劑越來越受到人們的重視。特別是進(jìn)入21世紀(jì)后，利用微生物生產(chǎn)的飼料蛋白、酶制劑、氨基酸、維生素、抗生素和益生菌微生物制劑等飼料產(chǎn)品的使用使發(fā)酵工程技術(shù)在飼料工業(yè)中得到了更廣泛的應(yīng)用。

1 發(fā)酵工程技術(shù)

發(fā)酵工程，又稱為微生物工程，是生物工程的一個重要分支。發(fā)酵工程主要研究微生物在發(fā)酵工程中具有普遍意義的工程技術(shù)問題，如微生物菌種的選育、活化與擴(kuò)大培養(yǎng)。培養(yǎng)基的設(shè)計與篩選，滅菌技術(shù)，發(fā)酵工藝條件的控制技術(shù)，細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng)，產(chǎn)物的分離純化和生產(chǎn)工藝的設(shè)計等內(nèi)容。發(fā)酵工程可以分為固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵。

固態(tài)發(fā)酵有著悠久的歷史，早在2500年前就有中藥神曲的固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)。廣義上講是指一類使用不溶性固體基質(zhì)來培養(yǎng)微生物的工藝過程，既包括將固態(tài)懸浮在液體中的深層發(fā)酵，也包括在沒有(或幾乎沒有)游離水的濕固體材料上培養(yǎng)微生物的工藝過程。多數(shù)情況下是指在沒有或幾乎沒有自由水存在下，在有一定濕度的不溶性固態(tài)基質(zhì)中，用一種或多種微生物發(fā)酵的生物反應(yīng)過程。與液態(tài)發(fā)酵相比固態(tài)發(fā)酵有以下優(yōu)點：①培養(yǎng)基簡單且來源廣泛，多為便宜的天然基質(zhì)或工業(yè)生產(chǎn)的下腳料，如稻草、糠、薯類、醋精等；②投資少，能耗低，技術(shù)簡單；③產(chǎn)物的產(chǎn)率較高；④不需要廢水處理。環(huán)境污染較少，后處理加工方便；⑤發(fā)酵過程一般不需要嚴(yán)格的無菌操作；⑥通氣一般可由氣體擴(kuò)散或間歇通風(fēng)完成，不需要連續(xù)通風(fēng)，空氣一般也不需嚴(yán)格的無菌空氣。但發(fā)酵工程中引起的傳熱、傳質(zhì)困難等也是固態(tài)發(fā)酵過程中所面臨的新問題。液態(tài)發(fā)酵的工藝特點是利用液態(tài)培養(yǎng)基進(jìn)行微生物的生長繁殖并形成人們所需要的代謝產(chǎn)物。液態(tài)發(fā)酵分為液體表面發(fā)酵、液體深層通氣發(fā)酵、液體厭氧發(fā)酵法3種。其中，液體深層通氣發(fā)酵是現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)普遍采用的方法，我國的抗生素發(fā)酵、氨基酸生產(chǎn)、維生素發(fā)酵、酶制劑發(fā)酵等均采用此法。

2 發(fā)酵技術(shù)在飼料工業(yè)中的應(yīng)用

2.1 微生物發(fā)酵飼料

微生物發(fā)酵飼料主要是酵母及其相關(guān)產(chǎn)品，是以酵母為主的多菌種發(fā)酵而成，所用原材料非常廣泛，涉及米糠、秸稈、血粉、餅粕和各種食品工業(yè)下腳料。微生物發(fā)酵飼料在提高飼料蛋白質(zhì)、改善適口性、提高消化吸收等方面顯示出了強(qiáng)大的優(yōu)越性。酵母培養(yǎng)物是一種獨特的酵母產(chǎn)品，由特定的酵母菌種按特定的工藝和培養(yǎng)基進(jìn)行發(fā)酵而形成。它含有一定的活性酵母。其主要的使用價值在于酵母細(xì)胞在培養(yǎng)基中產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物和胞壁甘露寡糖。甘露寡糖對蛋雞在炎熱季節(jié)可以維持其采食量，有助于種母雞增加蛋重和老年母雞維持良好的蛋殼品質(zhì)，提高飼料利用率，并可提高種母雞產(chǎn)蛋率。發(fā)酵飼料的另一個產(chǎn)品是青貯飼料，青貯技術(shù)中關(guān)于微生物青貯接種劑的研究與應(yīng)用一直處于最為重要的地位。在北美和歐洲國家，青貯飼料制作已經(jīng)廣泛使用微生物青貯添加劑，其效果已經(jīng)為研究和生產(chǎn)領(lǐng)域所證實和接受。傳統(tǒng)青貯技術(shù)在青貯過程中營養(yǎng)物質(zhì)損失大，易腐敗。但微生物青貯劑可以有效控制青貯飼料發(fā)酵模式，減少青貯飼料損失。并可以有效改善青貯飼料的適口性。

2.2 微生物酶法生產(chǎn)維生素

泛酸鈣作為維生素飼料添加劑，在畜禽養(yǎng)殖中具有重要的作用。最近國內(nèi)篩選得到了能高產(chǎn)D－泛解酸內(nèi)酯水解酶的微生物菌株，進(jìn)行了DL－泛解酸內(nèi)酯中間體拆分，產(chǎn)品質(zhì)量能滿足D－泛酸鈣的生產(chǎn)要求，技術(shù)可以產(chǎn)業(yè)化。核黃素發(fā)酵所用碳源除碳水化合物外。還有液體的油脂。美、日、英、蘇、德國已用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)核黃素。中國1960年開始用阿舒假囊酵母固體發(fā)酵法制造核黃素。作為奶糕的營養(yǎng)添加物。使用深層培養(yǎng)法，核黃素的產(chǎn)量可大大提高。

2.3 飼料酶制劑

從生物中提取的具有生物催化能力的酶，再輔以其他成分，用于加速飼料加工過程、改善飼料營養(yǎng)價值和提高飼料質(zhì)量的制品，稱為飼料酶制劑。由于從動、植物中直接提取的酶價格昂貴，所以飼用酶制劑主要是通過微生物發(fā)酵而獲得的。市場上銷售的酶制劑大體可以分為單一酶制劑和復(fù)合酶制劑。目前飼用酶制劑近20種，其中常用的酶制劑有8種，分別是：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶、植酸酶和半乳糖苷酶。

目前飼用酶制劑通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)的工藝是：通過篩選、誘變具有分泌所需酶能力的微生物菌株，或通過基因工程技術(shù)，將產(chǎn)酶基因轉(zhuǎn)移到成本低、能大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)的微生物內(nèi)，進(jìn)行菌種擴(kuò)大培養(yǎng)，接種于滅菌原料中發(fā)酵，經(jīng)后處理后包裝得到成品。我國草食動物的大規(guī)模飼養(yǎng)必須依賴于農(nóng)作物秸稈的高效利用。秸稈表面脂質(zhì)和內(nèi)部的木質(zhì)素是降解關(guān)鍵。在豆科牧草、米糠、玉米、餅粕、秸稈等，其表面脂質(zhì)是重要的抗?fàn)I養(yǎng)因子。利用微生物酶制劑，消除和降解飼料原料中的抗?fàn)I養(yǎng)因子是提高消化率、節(jié)約飼料的關(guān)鍵。在全脂米糠、高油玉米、草苜蓿粉、血粉、餅粕等的飼料中添加脂肪酶，可提高表觀消化能，提高豬禽增重速度，提高飼料利用率，并可以減少糞便排泄量。在青貯添加劑中，國外很多使用酶制劑特別是耐酸性脂肪酶來提高秸稈生物學(xué)價值，其經(jīng)濟(jì)和社會效益巨大。

飼料生物技術(shù)及微生物發(fā)酵工程的發(fā)展水平是衡量國家飼料工業(yè)高科技發(fā)展程度的重要標(biāo)志。應(yīng)用生物工程技術(shù)，特別是利用基因工程技術(shù)，開發(fā)新型飼料，提高飼料品質(zhì)，提升飼料工業(yè)的技術(shù)水平，符合經(jīng)濟(jì)全球化和競爭國際化發(fā)展戰(zhàn)略需求，是未來高科技飼料工業(yè)的發(fā)展方向。隨著分子生物學(xué)、微生物學(xué)、發(fā)酵工程學(xué)、儀器科學(xué)、自動化科學(xué)的發(fā)展，發(fā)酵工程必將在新型、高效菌種選育、發(fā)酵工藝研究、新型發(fā)酵設(shè)備研制、發(fā)酵過程的低成本自動化控制等方面得到巨大發(fā)展，造福人類。