中藥渣固態發酵生產功能飼料的研究現狀

袁明貴，向 蓉，彭新宇，余丹妮，舒柄垚，鄧森榮，吳裕紅，徐志宏*

（廣東省農業科學院 動物衛生研究所 廣東省畜禽疫病防治研究重點實驗室 農業部獸用藥物與診斷技術廣東科學觀測實驗站廣東省中獸藥工程技術研究中心，廣東 廣州 510640）

對于中藥渣固態發酵，按菌種不同可以分為單一菌種固態發酵和復合菌種固態發酵；按接種次數不同，可以分為單次接種固態發酵和多次接種固態發酵。該文重點對有關中藥渣固態發酵生產飼料的發酵菌種、發酵工藝以及產品功效等方面內容進行綜述，并對產業化發展緩慢的原因加以探討，旨在為中藥渣固態發酵生產功能性飼料的深入研究和產業化發展提供參考。

1 中藥渣固態發酵菌種

菌種的選擇或菌種組配對于固態發酵中藥渣生產飼料至關重要，選擇的菌種必須具有耐酸、耐高溫、繁殖力強、生長速度快、抗污染能力強、纖維素降解能力強、蛋白質合成能力強等優良特性[2]。

中藥渣的纖維素含量普遍較高[3]，降低纖維素含量和提高蛋白質含量是中藥渣固態發酵的重要目標。霉菌是真菌門的亞門，有的霉菌會產生霉菌毒素，對人和動物危害較大，而有的霉菌是安全的。黑曲霉和米曲霉等可以產生纖維素酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果膠酶、植酸酶、葡萄糖氧化酶等大量的酶系，這些酶能夠破壞植物細胞壁，降解粗纖維、植酸等難吸收的物質，消除抗營養因子，提高營養價值。芽孢桿菌生命力強，可以耐高溫低溫、強酸強堿、高氧低氧；繁殖快，能抑制有害菌的生長；代謝快，能產生豐富的代謝產物，如有機酸、生物活性物質，及其它多種容易被利用的養份。芽孢桿菌發酵時也產生大量的酶系。因此，黑曲霉等真菌[3-4]以及芽孢桿菌[5]可以作為單一菌種對中藥渣進行固態發酵。

復合菌種的發酵效果普遍優于單一菌種[2，6]。主要因為單一菌種發酵時產生酶系單一，不能較好地降解纖維素等大分子物質；而且單一菌種發酵時，產物對菌種及其產生的酶具有反饋抑制作用。如果利用多菌種之間的互補和協同作用，可以更好地對中藥渣進行固態復合發酵。酵母菌是一種典型的異養兼性厭氧單細胞真菌，適合在偏酸性潮濕的含糖環境中生長。由于酶解產物單糖或寡糖對纖維素酶具有反饋抑制作用，而酵母能夠利用單糖或寡糖，將其發酵成酒精和二氧化碳，所以酵母是一種較好的組合發酵菌種之一。一般來說，將纖維素降解能力強的絲狀真菌與發酵能力強的酵母菌進行組配[7-8]，或選擇芽孢桿菌與酵母菌進行組配，聯合進行中藥渣的固態發酵[9-10]。

真菌是好氧菌，發酵時需要相對較低的溫度，而乳桿菌以及丁酸梭菌等益生菌需要在較高含量的速效碳源和速效氮源，較高溫度和較高含水量的條件下才能更好地生長，二者發酵條件差異較大，如果利用絲狀真菌或芽孢桿菌第一階段的發酵產物，作為乳桿菌、丁酸梭菌以及酵母菌等菌種二次發酵的基質，會取得更好的發酵效果[11-13]。

2 中藥渣固態發酵工藝

2.1 含水量

中藥渣固態發酵的基質含水量對發酵的結果和效率影響較大。基質的含水量影響著胞外酶的分泌和轉移，影響氧的傳遞以及菌體生長。如果起始含水量太低，使菌種正常生長受到限制，同時由于發酵過程中的通風和生物熱使基質含水量進一步降低，更不利于菌種生長；含水量過高，基質密度過大，透氣性和傳熱性較差，也不利于菌種生長。總體上，細菌比真菌對基質要求更高的含水量，多數細菌在營養充分的液體中更容易生長[14]。在利用植物乳桿菌、酵母菌等細菌菌種進行復合發酵含有香菇、茯苓、銀耳等組成的中藥渣時，直接使用高濕的鮮藥渣，此時的含水量高于80%[15-16]；而在利用黑曲霉對三七渣進行固態發酵時[4]，和利用中國擬青霉對黃芪渣進行固態發酵時[14]，含水量為60%，在利用黑曲霉和產朊假絲酵母發酵三七渣時，含水量低至50%[17]。由于測定方法或判定標準不同，文獻報道的含水量差異較大，但是多數為60%～80%[14，18]。

2.2 接種量

接種量對中藥渣的固態發酵效果有顯著影響。接種量過低，菌種增殖緩慢，影響發酵進程，發酵效率低，雜菌污染幾率大；當接種量過大時，在發酵初期菌種迅速生長，會造成菌種之間相互競爭，對營養成分消耗過快，使菌體細胞老化較快，從而影響后期發酵。應該根據菌種濃度來確定接種量，當菌種濃度為107～108CFU/mL時，接種量通常為藥渣干質量的5%～20%[5，12，19]，僅用基質與菌液的體積比或質量比不能夠全面反映接種量。

2.3 氮源

氮元素是蛋白質、核酸合成的重要元素，微生物細胞中含有大約5%～13%氮元素。絕大多數微生物都可以利用氨基酸態氮和硝態氮以及簡單的有機氮（如尿素）為氮源，而大多數寄生性微生物和一部分腐生性微生物以有機氮（如蛋白質、氨基酸）為氮源。氮源不足時，不利于微生物生長；而氮源過多時，使系統的滲透壓過大，也不利于菌種生長。中藥渣中氮源相對缺乏，固態發酵時應該補充氮源。常用的無機氮源為硫酸銨[4，6]，常用的有機氮源為尿素[3]，豆粕[20]等。

2.4 碳源

碳源是微生物的重要營養物質，其主要作用是構成微生物細胞的碳架和供給微生物生長繁殖所需要的能量。在發酵時，絲狀真菌和芽孢桿菌可以產生纖維素酶，降解纖維素，生成單糖或寡糖，供自身生長以及增殖的需要。纖維素酶是一種誘導酶，當培養基中含有大量的單糖或寡糖時，將對維素酶產生反饋抑制作用，不利于纖維素的降解[6]。因此，利用黑曲霉[17-18，21]、康寧木霉[6]以及芽孢桿菌[10，22-25]等作為菌種發酵中藥渣時，可以不需要外加碳源。一些菌種如酵母菌，乳桿菌等，對纖維素的降解能力較弱，如果利用這兩類菌種進行固態發酵時，應該添加一定量的碳源作為補充[15]。常見的碳源為葡萄糖[14]、蔗糖[15]、蔗渣[26]、玉米漿[27]等。

“我們兩個老的，邊走邊看吧。那四個孩子，能不能爬出一行和尚與司徒一一設下的迷宮一般的隧道，還是未定之天。就是由隧道里爬過去，進入了萬花谷，憑他們四個新人，真的能將萬花谷攪動起來？”

2.5 初始pH

大部分的微生物都有一個適宜生長的pH 范圍。如果pH不合適，不僅會妨礙微生物菌體細胞的正常生長，還會改變微生物的代謝途徑及其代謝產物，如黑曲霉生長的pH范圍為2.5～6.5，酵母菌生長的pH范圍為3.0～7.5。多數文獻的起始pH值均是中性[10，20]或弱酸性[6，17]。由于固態發酵體系的pH值無法隨時調節，通常在發酵前利用緩沖劑，如磷酸二氫鉀和磷酸氫二鉀將基質的pH值調節為弱酸性[2，6]，使發酵能夠順利進行。事實上，中藥渣多數是酸性的，低濃度的磷酸緩沖溶液并不足以決定加入菌種前的發酵體系pH，當起始溶液為中性乃至弱堿性時，發酵仍然可以正常進行，如黃芪渣本身的pH值為4.8，當用1 mol/mL NaOH將起始溶液pH調節至5.5和8.5時，中國擬青霉仍可以正常發酵黃芪渣，且二者對纖維素降解率無顯著差異[14]。

2.6 發酵溫度

發酵溫度對發酵效果和效率都有比較大的影響。在固態發酵初期，溫度需要達到一定的條件，才可以保證發酵菌種正常生長；在發酵過程中，由于菌體代謝，會釋放大量的熱，使基質溫度升高，容易造成物料板結，影響發酵正常進行。真菌的發酵溫度一般比細菌的發酵溫度低，如黑曲霉最適宜生長溫度為28 ℃左右[2，4]，康寧木霉的發酵溫度為30 ℃[6]，中國擬青霉的發酵溫度低至20 ℃[14]；枯草芽孢桿菌的發酵溫度為37 ℃[5]，枯草芽孢桿菌與酵母菌等細菌組成的混合菌種發酵溫度在35 ℃以上[10，20，28]。

2.7 發酵時長

發酵時長并不是獨立的發酵工藝條件，受菌種和其他發酵工藝條件的影響較大。發酵時間太短，發酵不完全；發酵時間過長，菌種老化，產生有害的次級代謝產物，甚至造成菌體自溶[20]，如黑曲霉在35 ℃發酵48 h時，獲得最佳的生物量和催化活力[29]。中藥渣固態發酵的時長差異很大，利用植物乳桿菌等混合菌種對含有香菇的中藥渣發酵僅2 d，菌體濃度就達到109CFU/g[15]，而利用中國擬青霉對黃芪渣發酵35 d時，纖維素降解率達到最大值23.76%[14]。一般情況下，應該根據生產實際需要和發酵效果，選擇合適的發酵時長，以提高生產效率。

除了以上主要發酵工藝條件以外，原料的預處理，輔料的選擇等對發酵的效果也有一定的影響。

3 中藥渣固態發酵產品功效

3.1 中藥渣固態發酵產品在生豬養殖上的應用

將由黃芪等組成的中藥渣經固態發酵后，按0.2%的比例添加到飼料中，飼喂妊娠85 d的健康二元母豬，結果發現，發酵中藥渣可使初生仔豬的堿性磷酸酶活性、抗氧化活性顯著升高，丙二醛濃度顯著降低[30-33]，可以顯著提高窩質量和日增質量[23]。中藥渣經過兩步固態發酵后，按照0.5%的比例添加到妊娠90 d的母豬飼糧中，飼喂3周，可以顯著提升母豬腸道有益菌數量，提高功能性短鏈脂肪酸和生物胺含量[13]。發酵中藥渣同樣的功能也得到了李華偉等[34-35]的證實。

在飼料中添加0.5%芪楂口服液的固態發酵藥渣，飼喂斷奶仔豬，對仔豬肝臟無不利影響[9]，對腸道菌群穩態無影響[28]，可以改善腸道形態結構，調節血脂濃度，提高生長性能、抗氧化能力和免疫力[36]。經過固態發酵的熟地等中藥渣可在一定程度上提高斷奶仔豬的生長性能和養分消化率[24-25]。固態發酵的中藥渣高低劑量組的生豬料肉比均低于對照組，而且肉質得到顯著改善[16]。

3.2 中藥渣固態發酵產品在肉雞養殖上的應用及對實驗動物的影響

在肉仔雞的基礎日糧中添加4%經固態發酵的黃芪藥渣，飼喂26 d后，與空白組和未發酵藥渣組相比，日增質量、日采食量顯著提高，而料肉比顯著降低。飼喂33 d后，新城疫抗體滴度、血清超氧歧化酶活性顯著高于空白組[37]。將固態發酵的紅參藥渣飼喂雄性SD大鼠2周后，可以增強大鼠的抗氧化能力，改善脂質代謝，提高脾臟、胸腺指數[5]。固態發酵中藥渣對小鼠有不同程度的增質量、抗疲勞、保肝護肝、增強機體免疫力的作用[10]，對脾虛型小鼠腸道菌群具有一定的調節作用[11]。

4 中藥渣固態發酵生產功能性飼料產業化發展緩慢的原因

盡管初步研究已經顯示，中藥渣固態發酵物具有顯著的調節免疫力、抗氧化、促生長等功能，但是產業化程度還很低，很多中藥企業依然選擇焚燒、填埋的方式處理中藥渣，甚至無法處理，只能停止生產活動。中藥渣固態發酵生產功能性飼料產業化發展緩慢的原因，可能主要有以下幾點。

對中藥渣沒有建立相應的分類分級體系。由于中藥組方的多樣性，以及中藥的提取目的和工藝不同，導致中藥渣復雜多樣。這給建立穩定的固態發酵工藝帶來較大的挑戰，因此應該首先根據中藥組方的功效、提取工藝，藥渣來源等進行合理分類，挑出不適合作為飼料原料或添加劑以及不適宜微生物發酵的中藥渣后，根據主要營養成分進行綜合評價分級，再根據分類分級結果，篩選合適的發酵菌種，優化發酵工藝。

對發酵產品沒有建立相應的評價標準。現有文獻對發酵效果的評價方法差異很大，有些文獻評價指標并不是發酵效果的主要指標；有些文獻沒有評價活菌數等重要指標。既使對同一指標進行評價時，評價方法也有較大差異。同時對產品的有毒有害成分沒有評價。沒有穩定的品質保證是阻礙固態發酵中藥渣在養殖業推廣的主要障礙之一。

對于發酵菌種與發酵工藝沒有進行深入研究。從現有的文獻看來，我國對中藥渣固態發酵生產功能性飼料的研究還處于初級階段。對于菌種的選用主要限于數種絲狀真菌、酵母菌以及芽孢桿菌等，沒有深入篩選、改造中藥渣固態發酵的專用高效菌種。缺乏標準化的固態發酵工藝規程。一些研究團隊僅利用同種發酵工藝研究對不同中藥渣的發酵效果，而沒有對特定中藥渣的發酵工藝進行持續深入研究。

對發酵產品的活性成分和功能沒有深入研究。對食品、飲料、中藥材等發酵前后的活性成分、風味成分的研究非常多，然而至今很少文獻報道中藥渣發酵前后活性成分和風味成分的變化，僅有少量的文獻報道了發酵前后中藥渣營養成分的變化。對于中藥渣固態發酵后的功效研究僅停留在生產性能、肝臟功能、腸道菌群等方面，至于對免疫、抗炎、抗氧化等功能的報道比較缺乏。

5 結語

對中藥渣固態發酵生產功能性飼料的研究滯后或不足，可能與社會的認識程度有關。如果認為固態發酵中藥渣僅是處理廢棄物的手段，順便為養殖業提供飼料的部分替代品，那么固態發酵中藥渣依然是“渣”，依然未體現中藥渣的高附加值利用，而只有深度發掘并提高中藥渣固態發酵后的功能，重視發酵后的益生菌、生物酶、活性肽等功能性成分，才能夠實現中藥渣的真正價值。