微生物發酵飼料的技術調研及關鍵技術分析

寧艷春，陳希海，杜寶軍，屈海峰，岳 軍，李 平

（1.中國石油吉林石化公司研究院，吉林 吉林 132021；2.吉林燃料乙醇有限公司，吉林 吉林 132101；3.中國石油吉林石化公司物資采購公司，吉林 吉林 132022；4.廣東省農業科學院動物科學研究所，廣州 510640）

發酵飼料是以有益微生物為發酵菌種，將飼料原料轉化為微生物菌體蛋白、生物活性小肽類氨基酸、微生物活性益生菌為一體的生物發酵飼料。其優點在于通過微生物的發酵作用，降低抗營養因子，提高飼料的營養價值，使飼料原料的理化性狀得到改善，從而提高動物的消化利用率和適口性[1]。微生物發酵飼料中的益生菌一般處于高活性水平，進入腸道后不存在復蘇萌發過程，又含有豐富的益生代謝產物，使腸道調節和免疫保健功能體現得更充分，并且不需要大比例添加，對于緩解目前飼料原料價格高漲、人畜爭糧局面具有重要意義。

1 國內外發酵飼料的現狀

微生物發酵飼料是在人為控制條件下，應用酵母、霉菌或細菌對一種或多種常規或非常規飼料原料進行好氧或厭氧發酵，消除抗營養因子，提高營養物質的利用效率，同時富集大量活性益生菌和功能性初級/次級代謝產物，而獲得的一種新型生物飼料。

目前，歐美國家和地區生物飼料的使用技術已經較為成熟，德國和法國使用液體生物飼料的比例達到15%以上，荷蘭、芬蘭、丹麥等國規模化豬場的生物飼料飼喂比例已經達到60%～80%。中國目前液體生物飼料的生產和飼喂技術尚不成熟，但是固體發酵飼料從早期的有益微生物群（EM）發酵飼料、飼用酵母、發酵粕類（豆粕、棉粕、菜粕等）等，到近年出現的發酵全價料、發酵濃縮料、飼料伴侶等產品形式，獲得了飼料企業和養殖者的高度關注。

2 技術調研情況

2.1 中國農業大學（農業部飼料工業中心）技術調研

2.1.1 發酵飼料生產工藝

為了解決原料消毒和成品干燥等困難，課題組成功開發了呼吸膜技術[2]。該技術的核心在于開發出帶有一個平衡膜的包裝袋，平衡膜可以調節氣壓。原料接種后就可以直接裝入包裝袋中，封口后在常溫條件下，進行儲存發酵[1,3-6]。

微生物在發酵過程中，會產生二氧化碳等氣體，使得包裝袋內的氣壓大于外界常壓，氣壓平衡膜可以解決發酵這個氣體控制問題，當袋內氣壓達到某一臨界值時，氣體會通過這個平衡膜排到外界。另外，外界的氣體始終沒有機會進入包裝袋，即杜絕了外界雜菌的進入，從而解決了染菌這一技術難題。該工藝既省略了消毒及干燥這兩個高耗能環節，又減少了發酵過程中的翻拌及散熱等煩瑣操作。這種新型工藝，發酵過程不受環境溫度影響，也不需要調節溫度，發酵成熟所需時間與物料組成和環境溫度相關，如果包裝袋不破損，保質期可達3年。

2.1.2 發酵飼料菌種篩選

課題組研制出特定的微生物菌種組合，包括釀酒酵母、乳酸菌（以腸球菌為主）以及枯草芽孢桿菌MAl39等。MAl39能產生一種以脂肽類物質為主要成分的細菌素，該細菌素對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌以及沙門氏菌具有強烈的殺滅作用，但是對乳酸菌、酵母菌、以及腸球菌的生長代謝沒有影響。該組合可以使乳酸菌迅速繁殖，占據數量優勢，且綜合了好氧菌和厭氧菌發酵的優點，原料不需要消毒，可以直接用于接種培養[4-5]。

2.1.3 技術成果

“高活菌無抗生素飼養用飼料呼吸膜固態發酵技術”大幅度降低了微生物發酵飼料的生產成本。與傳統發酵技術相比，該技術成品不需要干燥，保質期長，適合在中國廣大農村推廣使用。可以以廉價的豆渣、玉米漿和果渣等高水分含量的農業或輕工副產物為原料，最大可以達到30%的使用比例。采用大比例添加高活菌含量的微生物發酵飼料，在未增加生豬飼養成本的條件下，實現了生豬（20 kg～出欄）無抗生素飼養，其豬肉品質經檢驗符合歐盟有關安全肉的相關要求[3-5]。

2.2 大北農集團飼用微生物工程國家重點實驗室技術調研

飼用微生物工程國家重點實驗室成立于2010年12月，是由中華人民共和國科學技術部批準，依托于北京大北農科技集團股份有限公司籌建的企業國家重點實驗室，2013年9月通過科技部驗收。實驗室主要研究方向涵蓋飼用微生物菌種資源創新、微生物發酵工藝與制劑工程、飼用微生物產品標準與技術規范、飼用微生物產品應用基礎研究、微生物發酵新產品創制等多個領域。實驗室搭建了微生物培養、細胞培養、分子生物學、蛋白質組學、免疫學及各類分析檢測、發酵小試、中試及后處理工藝與制劑等多個現代化專業化實驗檢測平臺。

乳酸菌（益生菌制劑）包埋技術：乳酸菌在應用過程中遇到的最大困難是不容易保存，一般情況下，烘干后就會導致沒有活菌。乳酸菌包埋技術可以實現1 g中含乳酸菌107個，烘干后可以保留80%的活菌。包埋的關鍵技術在于包埋材質是否可以在腸道中釋放，活菌的擴繁方面也不存在問題。包埋的菌劑都是液態發酵的出料。包埋的乳酸菌保質期可以達到6個月。

2.3 中國農業科學院飼料研究所技術調研

該研究室主要開展抗菌肽及抗生素替代品創新，飼用抗菌肽/蛋白研發；飼用益生菌研制；蛋白飼料原料的生物發酵處理等方面的研究。研究方向與成果：緊扣食物安全，應用生物技術研制功能飼料、食品、藥品等新產品——抗菌蛋白、葡聚糖酶、菊粉酶基因工程菌，微生態制劑和新飼料蛋白產品。

3 發酵飼料研究的關鍵技術

開發發酵飼料，主要涉及發酵基質的選擇、發酵菌種的選擇以及發酵過程的控制3個方面的關鍵技術。

3.1 發酵基質的選擇

發酵飼料在選擇發酵基料時，既要考慮動物日常所需營養物質的種類及含量，如能量、氨基酸、維生素、微量元素等，又要考慮微生物生長所需的碳氮比、pH、水分、可發酵碳水化合物、滲透壓等，同時還要在劑型上兼顧后期混合使用相關的顆粒度、流散性等因素。常見可發酵基料分析見附表。

附表 常見可發酵基料分析

3.2 發酵菌種選擇

生產菌種是發酵過程的核心。發酵飼料的生產菌種很多，主要有乳酸菌、芽孢菌、酵母菌和霉菌等4類。中國農業部2003年12月發布的第318號公告“飼料添加劑品種目錄”中包括：地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、兩歧雙歧桿菌、糞腸球菌、屎腸球菌、乳酸腸球菌、嗜酸乳桿菌、干酪乳桿菌、乳酸乳桿菌、植物乳桿菌、乳酸片球菌、戊糖片球菌、產朊假絲酵母、釀酒酵母、沼澤紅假單胞菌等15種可直接飼喂動物、允許使用的飼料級微生物飼料添加劑菌種。在目前應用的主要菌種中，乳酸桿菌屬和糞鏈球菌屬為腸道正常存在的微生物，而芽孢桿菌屬和酵母菌僅零星存在于腸道中。所有菌屬中芽孢桿菌是最理想的微生物添加劑，具有較高的蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶活性，對植物性碳水化合物具有較強的降解能力[7-11]。

鑒于生產成本和菌種穩定性所限，傳統飼料加工中能夠廣泛使用的只有枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、糞腸球菌、屎腸球菌、釀酒酵母等少數幾種。益生功能更顯著的乳酸桿菌和雙歧桿菌，因其抗逆性和穩定性較差，并不能在生產實踐中廣泛應用。

然而，發酵飼料中的游離水和可溶性營養成分可使乳酸菌濃度提高2～3個數量級，并維持數月甚至1年以上。在發酵飼料中既可以選擇芽孢桿菌和酵母菌，亦可使用抗逆性較差但益生功能更為顯著的乳酸菌類發酵菌株。

不同菌種因各自性質不同，作用效果不一。如乳酸桿菌耐高溫、耐高壓的性能差，在粉料中使用效果較好，而在顆粒料中使用效果較差。芽孢桿菌能耐受較高溫度、高壓及酸性環境，在顆粒料中多應用以芽孢桿菌為主制成的微生態制劑，或選用經過特殊材料包被的其他菌劑。因此，發酵飼料完全解除了高活性乳酸桿菌和雙歧桿菌的使用限制，在腸道健康調節、畜舍環境改善方面的效果也體現得更為顯著，這也是發酵飼料獲得認可并快速推廣的主要原因。

3.3 發酵過程控制

發酵飼料通常是好氧或厭氧固態淺層發酵工藝，影響發酵過程的主要因素有碳氮比、含水量、溫度、物料粒度等，其微生物的生長規律、代謝調節和控制非常重要。

3.3.1 碳氮比

最適碳氮比因微生物種類差異，在10～100的范圍內變化，其中可發酵的碳源和氮源的質量比更為重要，更多情況下，氮源的種類決定了發酵過程。

3.3.2 含水量

含水量是決定發酵成功與否的關鍵因素。含水量過低，會造成物料膨脹程度降低、水張力增高、空氣殘留過多，從而導致前期好氧階段過長，乳酸菌發酵階段延后，發酵結束時間不易控制。含水量過高，會造成氧氣擴散受限制，酵母等好氧菌的代謝產物積累不夠，并且會導致物料黏性增加、流散性差，后期飼喂時不易混勻。

3.3.3 溫度

發酵過程會產生大量的熱，固體發酵的溫度控制比液體發酵要困難得多，實際生產中一般通過降低發酵單元的體積和料層厚度控制料溫。

3.3.4 物料粒度

固定相基質的有限擴散，導致發酵過程中物料交換不充分，因此物料的粒度決定了發酵程度的高低。微生物是附著在物料顆粒表面重疊地生長繁殖，直接和物料接觸的細胞，與在此細胞上再生長的細胞會有所不同。從攝取營養的角度看，在外層生長的細胞是通過貼近細胞之間的孔隙來獲得營養的，這也有利于某些微生物的自組織行為，分泌特殊的功能性次級代謝產物。

4 發酵飼料的研究開發思路

開發發酵飼料，應先確定原料中有哪些動物和有益菌可利用營養成分（粗蛋白質、粗纖維、粗脂肪等）。根據主要可以利用的成分，再考慮需要外加哪些基質，進一步分析和研究，最后確定產品定位。需要討論和確定適宜的菌種，如何獲得或篩選發酵菌種（菌種來源必須清楚和安全），發酵的菌種如何組合。在研發過程中還需要考慮如何降低微生物發酵飼料的生產成本，如何符合國家的相關要求和標準。在選擇液態發酵還是固態發酵工藝時還需要考慮工程放大、設備和運行成本等問題。

5 展 望

微生物發酵飼料是未來飼料產品的發展趨勢。技術調研更加明確了發酵飼料是實施無抗生素動物養殖的重要部分。大劑量使用高活菌含量的微生物發酵飼料可以明顯地改善動物的生產性能，提高動物的健康水平。

“回歸自然，倡導綠色”，是未來畜牧業發展的必然趨勢，微生物發酵飼料新技術已經成為支撐中國特色生態循環養殖的關鍵技術。發酵飼料作為國家“十三五”期間戰略性新興產業重點產品，將成為飼料產業供給側改革的重要突破口。