生物發酵飼料與生豬健康養殖

汪以真 王 成 靳明亮 路則慶

（生物飼料安全與污染防控國家工程實驗室，浙江大學動物科學學院飼料科學研究所，浙江杭州310058）

養豬業是關乎國計民生的重要產業，在我國占有十分重要的地位。但當前，我國生豬養殖面臨著嚴峻的挑戰。非洲豬瘟疫情嚴重影響著我國生豬養殖，導致豬肉價格大幅上升，生物安全越來越成為行業關注的重點。2020 年7 月1 日我國飼用抗生素全面禁用，短期內可能帶來豬生長性能下降、仔豬死亡率和腹瀉率上升、治療用藥物增加等一系列問題。此外，生豬養分消化吸收率低，糞污處理難度大，再加上相關環保政策壓力，進一步加劇了生豬生態養殖的難度。生物發酵飼料是一種含有益生菌及其代謝產物的生物活性飼料，微生物發酵可以通過改變飼料底物的理化特性，提高飼料的消化利用率。同時在發酵過程中，可以擴大培養益生菌菌體，并提供其中間代謝產物，進而通過益生作用，維持腸道微生物穩態，改善腸道功能和機體免疫，最終達到飼料資源開發、動物機體健康提升和優質安全畜產品生產的目的[1]。因此，使用生物發酵飼料是非洲豬瘟、飼料禁抗和環保壓力背景下實現生豬健康綠色生態養殖的重要舉措。本文主要圍繞發酵飼料進展、發酵菌株及功能、飼料資源開發利用和發酵飼料養分改善機制，以及發酵飼料對豬生產性能、腸道健康和豬肉品質的影響進行綜述。

1 生物發酵飼料應用進展

近年來生物發酵飼料發展迅速，產量從剛開始的小規模生產已經快速增長到年產量約400萬噸（2019年），目前我國從事生物發酵飼料的企業達1 000 余家。雖然微生態制劑和酶制劑的市場趨于飽和，但發酵豆粕、酵母培養物、發酵糟渣和發酵構樹葉等發酵產品呈穩定增長趨勢，在飼料和養殖行業得到廣泛應用。據生物飼料開發國家工程中心估計，2030年我國發酵飼料產量將達到8 000 萬噸，約50%豬場會使用發酵飼料。另外，以“Fermented feed”為關鍵詞在Pubmed 數據庫中搜索，可以發現發酵飼料的相關研究文獻已經從2000 年的91 篇快速增長到2020 年的671 篇，提示生物發酵飼料研發的快速發展和關注度日益提升。

生物飼料領域第1個團體標準《生物飼料產品分類》于2018 年1 月1 日發布，《發酵飼料技術通則》于2018年9月7日發布，正式結束了發酵飼料市場混亂、產品質量良莠不齊的局面。《哺乳母豬用菌酶協同發酵飼料》、《生長育肥豬用菌酶協同發酵飼料》、《飼料原料——酵母水解物》和《飼料添加劑——丁酸梭菌》等與生物發酵飼料有關的12個團體標準于2019年發布。2020 年3 月10 日，國家發展改革委員會、農業農村部聯合印發的《關于支持民營企業發展生豬生產及相關產業的實施意見》中提到，要加大本土可利用飼料資源和非糧飼料原料開發力度，加快生物飼料開發應用，調整優化飼料配方結構。發酵飼料市場需求逐年提升，發酵蛋白飼料、發酵能量飼料和發酵粗飼料產品快速增量，地源性飼料原料發酵產品快速增多。2020 年4 月15 日，農業農村部畜牧獸醫局發出“關于《養殖者自行配制飼料有關規定》公開征求意見的通知”，發酵飼料在顆粒飼料生產中添加進入了規范制備和應用時代，這些政策和標準的建立對我國生物飼料行業的規范性和健康發展做出了重要貢獻。

2 發酵菌株及功能

2013 年我國農業農村部發布的2045 號公告規定，允許用于飼料微生物添加劑的菌種有34種，主要包括酵母菌、乳酸菌、芽孢桿菌和霉菌四類。飼料發酵常用的益生菌主要有芽孢桿菌、乳酸菌、酵母菌和霉菌等，如地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、凝結芽孢桿菌、丁酸梭菌、糞腸球菌、屎腸球菌、干酪乳桿菌、植物乳桿菌、戊糖片球菌、產朊假絲酵母、釀酒酵母、黑曲霉、米曲霉等。

芽孢桿菌是一類能夠內生孢子、在有氧和無氧環境下均可存活的革蘭氏陽性菌，也有部分芽孢桿菌為革蘭氏陰性菌，出芽形成孢子的芽孢桿菌可耐高溫，孢子可在適應環境下重新形成營養體。在微生物發酵飼料過程中，芽孢桿菌的主要作用一方面是消耗發酵體系中的氧氣，為乳酸菌的繁殖以及代謝產物乳酸的產生提供合適的厭氧條件；另一方面，芽孢桿菌自身代謝產生相關酶類，參與發酵過程，從而提升發酵效果[2]。乳酸菌在自然界中廣泛分布，是最早用于生產發酵飼料的一種益生菌。研究表明，乳酸菌具有多種優良的功能，如抗菌活性、維持腸道上皮屏障、調節腸道菌群平衡以及抗氧化作用等。其作為補充劑添加到飼料中具有良好的應用效果，乳酸菌廣泛用于液體發酵和固態發酵的生產，主要因為能在飼料發酵過程中產生有機酸（主要是乳酸）以及降低底物的pH值[3]。

酵母菌是一類單細胞、兼性厭氧型真菌，細胞壁中的甘露寡糖、有機酸、酯類和醇類以及酵母內容物中的氨基酸、蛋白質、多肽、核酸、維生素、礦物質等營養物質，不僅能改善日糧口感、提高動物采食量，而且能調節動物腸道微生態平衡，增強機體免疫力并提高動物的生產性能。另外，酵母菌表面可與腸桿菌結合，阻止有害菌與腸上皮的粘附[4]。霉菌因在生長代謝過程中可分泌酶類，而廣泛用于生物發酵。目前應用于飼料行業的霉菌主要有曲霉和根霉等。育肥豬日糧中添加滅活的米曲霉，不僅提高其生長性能，而且提高背最長肌中肌內脂肪含量，改善肉品質[5]。

菌酶協同發酵飼料指的是使用《飼料原料目錄（2013）》和《飼料添加劑品種目錄（2013）》等國家相關法規允許使用的飼料原料、酶制劑和微生物，通過發酵工程和酶工程技術協同作用生產的單一飼料和混合飼料。近年來菌酶協同發酵越來越受到重視，因為菌酶組合使大分子物質降解更為徹底，發酵效率更高，其效果往往優于菌和酶的單獨使用。目前使用較多的酶主要包括如下幾類：降解抗營養因子的酶，如纖維素酶、半纖維素酶、木聚糖酶、果膠酶、中性蛋白酶、酸性蛋白酶等；抑制病原菌的酶，如溶菌酶和葡萄糖氧化酶；改善機體健康的酶，如甘露聚糖酶和葡萄糖苷酶等。

3 生物發酵飼料與飼料資源開發

目前生物發酵飼料的發酵方式包括好氧、厭氧和兼性厭氧發酵。根據固態發酵反應器的不同可以分為槽式、池式、車陣式、鏈帶式、盤式發酵。根據菌種配伍可以分為單菌、混菌和菌酶協同發酵。選擇的原料從常規的蛋白類飼料原料發酵（豆粕、菜粕、棉粕等），逐漸發展到非常規低值原料（玉米胚芽粕、米糠粕、酒糟、構樹葉等）。其中發酵豆粕是最早成熟應用的發酵飼料，2012 年發酵豆粕產品行業標準NYT2218—2012發布，標志著發酵豆粕產業進入快速發展階段。豆粕中含有多種抗營養因子，如大豆抗原蛋白、胰蛋白酶抑制因子、寡糖、植酸等，降低了畜禽對其營養物質的消化、吸收和利用率，甚至造成機體代謝紊亂和器官損傷，而生物發酵能夠顯著提高豆粕營養價值。研究表明菌酶協同發酵豆粕，可使發酵后豆粕抗原蛋白降解率達90%，小肽和乳酸含量提高到了20%和3.5%以上[6]。未來發酵豆粕的研發應重點關注于增加發酵豆粕的功能性和進一步提升大豆蛋白的消化率。菜粕和棉粕通過發酵可以轉變為優質的蛋白源飼料。枯草芽孢桿菌、產朊假絲酵母和糞腸球菌固態發酵，有效降低了菜粕中粗纖維、硫苷、異硫氰酸酯和植酸水平[7]。熱帶假絲酵母和干酪乳桿菌對棉粕進行混菌發酵，可以使其游離棉酚和粗纖維含量分別降低到0.29%和10.2%，小肽和無機磷含量提高到14.43%和0.51%[8]。

非常規飼料原料的發酵，一方面可以改善原料適口性、分解消除有毒天然物質和抗營養因子，產生益生菌及代謝產物等促生長因子，有利于營養物質的消化和吸收，促進動物健康；另一方面，極大地減少了資源浪費和環境污染，有利于資源開發、環境保護和綠色健康養殖。張會等[9]利用米曲霉固態發酵玉米胚芽粕，發酵后底物表面疏水性、游離巰基分別增加了10.3 μmol/g 和1.5 μmol/g，氨基酸和疏水性氨基酸總量提高了12.49%和6.29%，自由基清除能力也有所提高。發酵可以改善米糠粕的酚類、有機酸以及脂肪酸含量[10]。Wang等[11]用6%的芽孢桿菌和3%乳酸桿菌發酵，顯著降低黃酒糟纖維素，提高小肽、游離脂肪酸以及必需氨基酸含量。發酵使構樹葉中的復雜蛋白質降解為氨基酸、小肽，粗纖維降解產生芳香族物質[12]。芽孢桿菌、酵母菌、曲霉和纖維素酶等菌酶協同發酵能夠將以黃芪、黨參、白術、甘草等為主的中草藥中的纖維、多糖、蛋白等大分子物質降解為小分子活性因子，從而達到免疫調節、抗菌驅蟲及促生長等效果[13]。由于非常規飼料原料的產地、品種、加工和飼喂方式不同，影響發酵非常規飼料數據庫的建立。因此，在非常規飼料原料資源的調研、評估和研究基礎上，需結合現代分子生物學技術，構建發酵菌種庫，完善發酵飼料工藝，持續開發新型發酵蛋白飼料、能量飼料、地源性飼料等，建立發酵原料資源數據庫、發酵產品安全性評價體系及發酵產品標準，實現發酵原料的標準化生產以及由基礎研究向產業化的過渡。

發酵復合飼料是由兩種以上的飼料原料按一定比例混合發酵的飼料。復合飼料既可以優化飼料原料的碳氮比，加快發酵菌株增殖，同時又可以根據豬的不同生長階段搭配合適的飼料原料。目前復合飼料從玉米、豆粕、麩皮等常規飼料原料的配伍發展到常規加非常規飼料原料，或是非常規飼料原料之間的配伍。復合飼料的發酵菌株以乳酸菌、酵母菌和芽孢菌為主。此外，混菌、菌酶協同的發酵方式也將成為復合飼料的發酵趨勢。Hao等[14]研究表明采用枯草芽孢桿菌和戊糖片球菌發酵復合飼料（20%玉米、20%豆粕、48%麩皮和12%大豆皮）能夠有效降解復合飼料的抗營養因子，提高飼料酸溶蛋白水平，增加賴氨酸、蘇氨酸等必需氨基酸，谷氨酸、天冬氨酸、苯丙氨酸等鮮味氨基酸和油酸、亞油酸、亞麻酸等不飽和脂肪酸和有機酸含量，同時提高發酵復合飼料超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶等抗氧化酶活性和肌肽、葉酸等抗氧化物質含量。朱新強等[15]利用釀酒酵母菌和植物乳酸桿菌發酵豆渣、蘋果渣和葡萄渣等復合非常規原料，提高粗蛋白含量并降低纖維含量，從而開發新型優質蛋白飼料。

4 生物發酵改善飼料品質的機制

生物發酵主要目的是改變飼料理化性質，利用微生物分泌胞外酶，將大分子物質分解成小分子活性因子，改變飼料微觀物理結構，降解抗營養因子，從而提高飼料底物的營養價值。目前產酶的發酵菌株主要有芽孢桿菌和真菌等，經芽孢桿菌和真菌發酵后，飼料微觀結構變得松散，而富有孔隙，小肽和有效磷增加，抗原蛋白、植酸、胰蛋白酶抑制劑等抗營養因子降低，體外消化率提高[16-17]。發酵菌株的代謝產物賦予發酵飼料更多的生物功能，提高了發酵飼料的附加值。乳酸菌、凝結芽孢桿菌、丁酸梭菌和酵母等，可以產生有機酸、短鏈脂肪酸，降低發酵底物的pH 值，促進動物采食，延長飼料貯存時間，提高機體抗氧化能力。同時，芽孢桿菌和乳酸菌等分泌的細菌素和免疫防御肽使有害菌的生長受到抑制[18]。部分乳酸菌可以產生γ-氨基丁酸、花青素等功能性物質，有利于動物機體健康。酵母轉化的有機微量元素，如酵母硒、酵母鉻、酵母鋅、酵母銅、酵母鐵等，具有改善動物免疫功能、促進抗應激能力，提高畜禽產品品質和改善繁殖性能等多重功效[5]。發酵菌的快速增殖能夠使益生菌在發酵體系中建立優勢，抑制飼料中有害菌的生長，為產酶和其他代謝產物提供保障，提高到達動物消化道的益生菌數，進而發揮益生作用。此外，益生菌的菌體結構細胞壁和細胞內容物等，不僅能改善日糧口感、提高動物采食量，還能調節動物腸道微生態平衡，從而增強動物機體的免疫力并提高動物的生產性能[19]。

目前益生菌發酵飼料過程中的機制探討尚不深入，有研究初步解析了枯草芽孢桿菌和乳酸菌發酵玉米、豆粕和黃酒糟復合飼料過程中關鍵養分的變化規律：纖維于8～12 h發生降解，蛋白質于12～24 h降解；分泌的生物酶主要有中性蛋白酶、木聚糖苷酶和β-葡聚糖內切酶等。芽孢桿菌在好氧發酵的前12 h 快速增殖，抑制了飼料中有害菌，降低了飼料中菌群豐度，而厭氧發酵增加了乳酸菌等有益菌數量，顯著提高了飼料中細菌豐度，芽孢桿菌、乳酸菌是發酵的優勢菌屬，其主要的微生物代謝功能包括細胞生長、運動和物質轉運等細胞處理以及通路互作、轉導和細胞膜轉運等環境信息處理功能。有效磷與芽孢桿菌呈顯著正相關，而與飼料原籍菌呈顯著負相關，可能是發酵過程中的調控菌群關鍵[20]。

5 生物發酵飼料在生豬健康養殖中的應用

5.1 生物發酵飼料對豬生產性能的影響

本課題組從PubMed和Web of Science（檢索范圍為2000年1月1日至2019年4月4日）收集了3 271篇文章，根據其中30篇（3 562頭豬）的數據進行meta分析發現，發酵飼料顯著提高斷奶仔豬和生長豬的平均日增重、飼料轉化率以及干物質、氮、能量消化率，但發酵飼料對育肥豬生長性能和養分消化率無顯著影響。此外，發酵飼料可以提高豬肉亮度、紅度、大理石紋和風味，并減少滴水損失。進一步分析發現，發酵原料主要提高斷奶仔豬和生長豬的生長性能，發酵中草藥則提高了不同階段豬的生長性能。劑量效應分析發現發酵原料和發酵中草藥的最佳添加量分別為8%和0.15%[21]。

5.2 生物發酵飼料對腸道健康的影響

發酵飼料一方面使飼料物理結構變得松散，另一方面提高機體消化酶水平促進養分消化吸收效率。用枯草芽孢桿菌和糞腸球菌發酵后的玉米、豆粕混合飼料飼喂仔豬，總氨基酸和賴氨酸的回腸表觀消化率分別提高了5.32%及6.78%，同時，飼料中磷的表觀全腸道消化率和標準全腸道消化率分別提高了21.03%和19.83%[16]。添加15%玉米、豆粕混合發酵飼料可顯著提高母豬對總能、干物質和總磷的表觀全腸道消化率[11]。此外，枯草芽孢桿菌發酵豆粕，可以提高仔豬空腸蛋白酶和淀粉酶活性，促進養分吸收[17]。

發酵飼料中富含的益生菌和益生元，可以調控豬腸道微生態平衡，目前報道較多的是腸道內乳酸菌豐度的提高。在斷奶仔豬日糧中添加發酵豆粕，可在屬水平提高了糞便中乳酸菌、雙歧桿菌相對豐度，同時提高了結腸中乳酸菌的相對豐度，生長育肥豬飼喂發酵飼料，其十二指腸乳酸菌數量升高[22-23]。枯草芽孢桿菌和糞腸球菌混合發酵飼料可提高泌乳母豬腸道中的乳酸菌和琥珀酸菌含量，并增加腸道微生物的DNA 修復、蛋白質重組、糖解與糖代謝合成和線粒體修復等功能[24]。

發酵飼料中的益生菌及其代謝物可以改善豬的腸道屏障功能。Ruiz 等[25]發現益生菌和腸道上皮層的相互作用增強了腸道上皮細胞之間的緊密連接蛋白表達。Woo 等[26]對大麥、大豆等飼料原料進行了菌酶協同發酵，發現發酵飼料以劑量依賴的方式緩解DSS誘導的結腸炎癥，維持腸絨毛和腸道屏障的完整性。益生菌可以直接與腸道黏膜、腸道上皮細胞和腸道相關淋巴組織相互作用，以發揮其益生功能。生物發酵飼料中含有較為豐富的小肽等物質，而小肽可激活宿主免疫細胞發揮特異性免疫作用，增強淋巴細胞功能[27]。乳酸菌發酵飼料可通過降低促炎細胞因子的表達來減輕斷奶仔豬的沙門氏菌感染[28]。張秀林等[29]的研究也證實，芽孢桿菌、乳酸菌混菌發酵的玉米、豆粕復合飼料，可以提高斷奶仔豬腸道黏膜中免疫細胞的數目，改善腸道黏膜免疫相關基因的表達并增強結腸黏膜sIgA的水平。

5.3 生物發酵飼料對豬肉品質的影響

發酵飼料主要通過提高肉色紅度，肌內脂肪含量和肌肉嫩度，改善豬肉脂肪酸（油酸、亞油酸、亞麻酸等）、風味氨基酸（谷氨酸、天冬氨酸等）、揮發性風味物質（醇、醛、酮）等提高豬肉品質。其機制主要是發酵菌株和發酵活性因子通過提高肌肉抗氧化水平，調節脂肪代謝相關的菌群代謝產物如短鏈脂肪酸、脂多糖、氧化三甲胺、膽汁酸代謝物及色氨酸衍生物等，調控豬的脂質代謝[30]。

Hao等[14]研究發現，添加8%發酵玉米豆粕復合飼料可以提高肉色紅度、肌內脂肪含量和肌肉嫩度，改善豬肉不飽和脂肪酸，如油酸、亞油酸、二十碳二烯酸、花生四烯酸含量；增加肌肉鮮味氨基酸，如谷氨酸、絲氨酸、甘氨酸、丙氨酸、蛋氨酸和苯丙氨酸含量；提高肌肉中揮發性風味物質如異辛醇、壬醇等醇類物質含量，己醛、庚醛、辛醛、壬醛、2，4-葵二烯醛、苯甲醛等醛類物質含量，以及顯著提高苯乙酮、3-羥基-2-丁酮、甲基庚烯酮等酮類物質的含量。同時發酵飼料能提高育肥豬肌肉中酚類物質，降低肌肉中酸類和酯類化合物。此外，發酵非常規原料在生長育肥豬上應用也十分廣泛。在飼糧中補充0.4%的發酵大蒜粉可以提高生長育肥豬肉色紅度[31]；發酵蘋果渣可提高育肥豬背部脂肪組織中亞油酸、亞麻酸和花生酸水平，降低棕櫚酸、棕櫚烯酸和十七烯酸水平[32]；添加5%和10%發酵糟渣可提高肌肉中天冬氨酸、精氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、絲氨酸和賴氨酸等氨基酸含量[33]。日糧中添加0.4%發酵中草藥（石榴、銀杏、甘草）可降低豬的采食量和背膘厚，增加瘦肉產量，提高背最長肌中ω-3 脂肪酸含量，延長豬肉貨架期[34]。飼糧中添加10%和15%發酵茶渣可降低豬肉滴水損失和剪切力[35]。

6 結語

生物發酵飼料可以提高飼料利用效率，促進生豬生長性能，改善腸道健康和豬肉品質，將在生豬健康優質安全生態養殖過程中發揮重要作用。但是發酵飼料目前存在整體研發和產業化水平不高、產品質量標準不夠完善、發酵工藝和飼喂模式有待提升等問題。未來發酵飼料的研發將圍繞抗營養因子降解及定植能力強、代謝產物豐富的特色菌株篩選，針對原料消化吸收利用、機體健康改善及畜產品品質提升等生物學效價評定，發酵過程及產品品質的動態監測等方向展開。