益生菌發酵飼料在動物生產中的應用

趙 瑩， 王君銳， 劉佳佳， 虞 潔，2

（1.四川特驅農牧科技集團有限公司，四川成都610207；2. 四川農業大學動物營養研究所，四川成都611130）

抗生素濫用會引起藥物殘留、 動物腸道菌群失調、細菌多重耐藥性、環境污染等一系列問題。歐盟及美國等多數國家和地區相繼禁止促生長類抗生素的使用，我國也于2020 年7 月1 日開始全面禁止促生長類抗生素在動物飼料中的應用（Lu等，2021；Wang 等，2021；魏越波，2020）。在此背景下，益生菌發酵飼料為生產安全、優質、綠色、健康的動物產品開辟了一條新途徑。 當前我國蛋白質飼料資源短缺， 人畜爭糧矛盾成為限制畜禽養殖業發展的瓶頸之一。 益生菌發酵飼料作為一種新型的生態環保飼料，其在緩解飼料資源緊缺、改善營養結構、降低飼料成本、保護環境等方面的優勢日益凸顯，可廣泛應用于家禽、豬、反芻及水產動物養殖， 對于我國畜禽養殖業的健康可持續發展具有重要的意義。

1 益生菌的概念

益生菌是一類活的微生物，當攝入足夠量時，能夠賦予宿主健康益處（Araya 等，2002）。 根據益生菌與宿主的關系， 可將其分為腸道原籍菌和外源菌。腸道原籍菌是指與宿主的關系密切且穩定，易從動物體內分離得到， 并有利于維持宿主的生長和健康的優勢菌群（倪學勤，2021）。相比于外源菌而言， 腸道原籍菌更易于在對應動物腸道內定植、繁殖及發揮特定的益生功效，不僅同源性高，針對性強， 而且還保證了腸道安全性 （倪學勤，2021）。常見的腸道原籍菌有乳酸菌、雙歧桿菌、丁酸梭菌、糞球菌等。

2 益生菌發酵方式

根據發酵物理狀態可將發酵飼料分為兩大類，即固態發酵和液態發酵。固態發酵是指微生物在沒有游離水的固態基質中進行的發酵。 固態發酵的優點是生產工序簡單， 原料來源豐富且價格低廉；缺點是發酵時間較長，發酵條件難以控制，成品成分復雜等。 液態發酵是指將飼料與水按照1:1.5 ~ 1:4 的比例混合，經充分發酵而成。 優點是發酵時間短，發酵條件易控制；缺點是成本高，會產生廢水、廢渣（王佰濤等，2020）。目前，國內使用固態發酵比較廣泛。

3 益生菌發酵飼料的優點

益生菌發酵飼料是指在人為可控制的條件下，對飼料原料接種益生菌菌種，進行發酵后獲得的包含飼料原料、 益生菌及其代謝產物的發酵混合物（孫海彥等，2018）。應用益生菌發酵飼料有如下優點：（1）可降解飼料中硫苷、芥子堿、粗纖維等抗營養因子和霉菌毒素， 有利于飼料營養價值的發揮；（2）發酵生成大量有機酸、小肽、氨基酸、酶以及各種代謝產物，增加天然香味物質，改善飼料適口性，促進動物對營養成分的消化吸收（Jin等，2019；孫海彥等，2018）；（3）快速增殖的益生菌不僅可以抑制有害細菌生長， 防止飼料霉變，延長飼料貯存期， 在動物體內定植于腸道后，可通過維持腸道菌群平衡， 刺激宿主免疫系統，增強機體免疫力，從而降低疾病發生的幾率（Wang等，2021；Jin 等，2019；孫海彥等，2018）；（4）減少動物糞便中氮、磷以及有害氣體的排放，保護環境；（5）解決人畜爭糧問題，降低飼料成本，可以使農作物秸稈、糠麩、蔗渣、薯渣、酒糟、甜菜渣等非常規飼料資源變廢為寶， 擴大飼料原料的來源，解決我國飼料資源緊缺問題，同時降低養殖業的飼料成本（康懷艷，2019）。

4 益生菌發酵菌種

我國農業部于2013 年發布的《飼料添加劑品種目錄》規定允許34 種微生物添加劑菌種可以添加到飼料中。菌種的選擇是益生菌發酵的關鍵，也決定了發酵飼料的品質。目前，發酵飼料常用益生菌菌種主要是乳酸菌、芽孢桿菌、酵母菌以及益生霉菌（黑曲霉和米曲霉） 4 個大類。 菌種篩選在保證遺傳學背景清晰與生物學特性穩定的基礎上，還應遵循以下原則：（1）無毒害、無副作用，確保動物體內腸道菌群的平衡；（2）耐酸耐膽鹽，生長繁殖速度快，易于存活，定植能力強，在此基礎上優先選擇原籍菌；（3）具有高溫耐受性，在飼料加工過程當中不受影響；（4）具有較強的產酸、產酶和分泌其他生物活性物質的能力；（5） 具有穩定性，在飼料貯存及使用期間仍能維持較高的活性。 益生菌發酵菌種的篩選以及應用都必須嚴格遵循相應的標準和流程 （圖1）（Carvalho 等，2021；Mingmongkolchai 等，2018）。

圖1 益生菌發酵菌種的篩選流程

不同的益生菌菌株在發酵飼料過程中會分泌不同的酶，產生不同的代謝產物。 通常情況下，為了得到更好的發酵效果， 會將兩種或兩種以上的益生菌菌種按照一定比例進行混合， 通過協同作用進行飼料發酵效果更顯著。 多菌聯合發酵是近年來發酵飼料領域的研究重點，備受市場關注。但由于益生菌菌種的特性各不相同， 故在進行多菌聯合發酵前需充分考慮發酵原材料的物理性質和化學成分、發酵工藝流程、益生菌的生長條件及代謝途徑、益生菌菌種組合的發酵效果等因素（張美娟，2020；Ren 等，2019）。 鑒于益生菌菌種在發酵過程中發揮的關鍵作用，篩選遺傳背景清晰、功能多元化、生物學特性穩定并且抗逆性強的菌株，是未來的研究趨勢。 利用基因工程技術對益生菌進行定向改造， 有目的性的開發具有特定功能的菌種，使其能發揮特定的作用，是未來研究的重要方向（張美娟，2020；Ren 等，2019）。

4.1 乳酸菌 乳酸菌是一類可以發酵碳水化合物產生大量乳酸的革蘭氏陽性菌的統稱 （覃世奇，2021）。 乳酸菌群相當龐雜，目前至少可分為43 個屬，包括373 個種和亞種，其廣泛分布于自然界以及人和動物的消化道中 （胡錦鵬等，2020；張剛，2007）。 乳酸菌通過代謝活動可直接為宿主提供必需的氨基酸和各種維生素 （維生素B 族和維生素K 等），發酵生成的有機酸可以促進動物對鈣、鐵、磷和維生素D 的吸收，并促進胃腸蠕動，產生的纖維素酶、蛋白酶、脂肪酶等多種消化酶可以調節消化道對營養物質的吸收利用，有利于動物的生長發育。 此外，乳酸菌還通過競爭黏附位點、修復腸道屏障功能、降低腸腔pH、 分泌具有抗菌活性的細菌素來抑制有害細菌的生長，從而維持腸道菌群的平衡；并通過刺激宿主免疫系統， 增強先天和適應性免疫反應，來發揮免疫調節作用。

經乳酸菌發酵的飼料一方面含有大量乳酸菌和乳酸， 能夠抑制腐敗菌生長， 延長飼料的貯存期；另一方面還富含有機酸和多種糖類、醇類、酯類等風味物質，可改善飼料的適口性，增加動物的采食量。 此外， 乳酸菌還能增強動物的抗氧化能力，干預脂肪酸代謝過程，顯著改善肉產品的亮度和嫩度（湯悅等，2018）。 目前，使用的乳酸菌菌種大多為植物乳桿菌、嗜酸乳桿菌、乳酸片球菌、糞腸球菌和屎腸球菌。

4.2 芽孢桿菌 芽孢桿菌是一類能形成芽孢（內生孢子）的革蘭氏陽性菌，需氧或兼性厭氧，可以耐酸耐膽鹽，到達下消化道并定植生長，具有抗逆性強的特點，在發酵飼料加工時不易被破壞，因而應用非常廣泛。 動物腸道內的優勢菌群通常都是厭氧菌，而致病菌大多為需氧菌，芽孢桿菌在動物腸道內定植后會消耗大量氧氣， 降低腸腔內pH，同時通過分泌多種抗菌肽如多黏菌素、 吡啶二羧酸等， 顯著抑制大腸桿菌和沙門氏菌等有害菌的生長，從而改善腸道菌群。

芽孢桿菌在生長代謝過程中可產生大量胞外酶，如蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶、脂肪酶等，水解飼料中蛋白質、多糖、纖維素、脂肪等大分子物質，生成有機酸和小分子物質，促進消化吸收， 有利于發揮飼料的營養價值和提高動物的生長速度。 在芽孢桿菌發酵過程當中，會消耗許多氧氣并產生熱量，從而升高室內溫度和濕度，促使飼料內的細胞吸收熱量和濕氣， 使得飼料硬度降低，發生軟化，提升纖維飼料的口感（張波，2019；潘發明等，2018）。 此外，芽孢桿菌還會產生大量的酵素， 對維持動物機體的免疫力和各項機能有一定的作用， 在一定程度上能延長動物的壽命（張波，2019；潘發明等，2018）。 目前，使用的芽孢桿菌菌種大多為枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和凝結芽孢桿菌。

4.3 酵母菌 酵母菌是一種單細胞生物，屬兼性厭氧型真菌， 適宜生長條件大多為pH 4.0 ~ 6.0，廣泛分布于自然界中。 酵母菌細胞本身可作為優質的菌體蛋白來源，據估計，酵母蛋白質約占酵母菌體的50%（劉沛，2021）。 除此之外，酵母菌還富含B 族維生素、核苷酸、消化酶、微量元素、礦物質和糖類等營養成分，由于其生長繁殖速度快，營養價值極高，可進行工業化生產，因而被廣泛應用于飼料添加劑。酵母菌通過刺激機體免疫系統、導致厭氧環境、代謝產生乳酸、分泌抗菌物質等多種機制，來抑制腸道內致病菌的生長，維持腸道菌群平衡，減少甲烷的產生。 酵母細胞壁成分中的β-葡萄糖和甘露寡糖能夠促進免疫反應， 增強巨噬細胞的功能，參與細胞因子如TNF-α、IL-1、IL-2、IL-6 的釋放，并結合沙門氏菌等革蘭氏陰性菌的甘露糖特異性凝集素， 阻止病原微生物黏附于腸上皮細胞，預防或者減少細菌感染（Broadway 等，2015；Baurhoo 等，2012）。 酵母細胞壁還可以吸附霉菌毒素如黃曲霉毒素B1，減少消化道對霉菌毒素的吸收， 保護動物免受霉菌毒素的毒性作用（Yiannikouris 等，2021）。此外，酵母細胞富含的礦物質約占細胞干重的3% ~ 10%， 在調節動物生理機能方面發揮重要作用， 發酵過程中產生的有機硒可以抑制氧化應激， 提高種公豬的精子活力和母豬的繁育性能。 酵母核苷酸約占4.5% ~8.5%，對于快速生長期的動物具有重要的營養作用和誘食效果。 無論是活性酵母還是酵母衍生物或者發酵產物都得到了廣泛應用。目前，使用的酵母菌菌種大多為釀酒酵母、 產阮假絲酵母和熱帶假絲酵母等。

4.4 霉菌 霉菌是一種絲狀子囊真菌，在自然界中分布廣泛。真菌擁有比細菌更廣泛的酶系。益生霉菌能產生纖維素酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、α-葡萄糖苷酶、植酸酶、菊粉酶、半纖維素酶、果膠酶等各種代謝酶，在食品、釀酒、造紙、飼料以及醫藥等行業均得到普遍應用。 幼齡單胃動物消化系統不健全，各種消化酶分泌不足，添加益生霉菌及其酶制劑能提高飼料消化率，預防瀉痢，促進生長發育。 益生霉菌在動物腸道內經過代謝會產生多種消化酶以及維生素、氨基酸、多肽、葉酸、泛酸、煙酸、檸檬酸等營養物質，促進動物消化吸收和生長發育，減少氨、甲酚、吲哚等腐敗物質的產生，有利于保護環境。益生霉菌如黑曲霉菌還可通過下調轉錄因子aflS/aflR 的轉錄水平， 引起黃曲霉毒素B1合成受阻，從而有效抑制黃曲霉菌的生長和繁殖（Xing 等，2017）。 目前，使用的霉菌菌種大多為黑曲霉和米曲霉。

5 益生菌發酵飼料在動物生產方面的應用

5.1 益生菌發酵飼料在豬生產方面的應用 益生菌發酵飼料不僅提高了飼料的營養價值， 還明顯改善了豬的生長性能、腸道功能、免疫功能和繁殖性能，對仔豬、生長育肥豬、公豬和哺乳母豬均有積極影響。藍海恩等（2020）研究發現，復合益生菌發酵飼料可顯著提高斷奶仔豬的日均采食量（P< 0.05）和日均增重（P< 0.05），并降低腹瀉率（P< 0.05），改善斷奶仔豬的生長性能。 Wang 等（2018）報道，用芽孢桿菌和腸球菌發酵玉米豆粕混合飼料飼喂泌乳母豬，15%的發酵飼料可以顯著增加母豬的平均日采食量、產奶量、奶中IgA 含量以及營養物質消化率（P< 0.05），并減少母豬背膘損失（P< 0.05），并通過縮短斷奶時間來促進母豬繁殖性能的提升，同時15%的發酵飼料還能顯著提高后代仔豬斷奶體重（P< 0.05），明顯降低仔豬腹瀉率（P< 0.05）。 盧軍鋒（2019）研究發現，益生菌發酵飼料進入育肥豬腸道能夠刺激全身免疫系統， 顯著提高血清中免疫球蛋白IgG 和IgM 含量（P< 0.05），以及十二指腸和結腸中免疫相關基因TLR1、TLR2、TLR4、TLR5 和PBD-1 表達水平（P< 0.05）；優化腸道微生物群落，顯著降低十二指腸內容物中的擬桿菌門和疣微桿菌門的比例（P< 0.05）， 顯著降低結腸內容物中擬桿菌門、變形菌門和疣微桿菌門的比例（P< 0.05），同時顯著提高厚壁菌門和放線菌門的比例（P< 0.05）。 此外， 益生菌發酵飼料能夠改善ABTS 和DPPH 自由基清除活性， 增強機體的抗氧化能力。 孫昌輝（2019）的研究表明，飼喂復合益生菌發酵飼料能夠顯著提高精子運動性能、頂體完整性、質膜完整性、 線粒體膜電位以及精液抗氧化能力 （P<0.05），減少精子發生脂質過氧化損傷（P< 0.05），改善公豬的精液品質。

5.2 益生菌發酵飼料在禽生產方面的應用 為追求利益最大化，肉雞、蛋雞等家禽養殖業生產規模和集約化養殖程度不斷提高， 往往使得家禽處于亞健康狀態， 易誘發群體性疾病。 家禽腸道較短，分泌的消化酶偏低，對飼料中營養物質的利用率低。 此外，家禽腸道菌群結構易被沙門氏菌、大腸桿菌和產氣莢膜梭菌等致病菌破環， 影響腸道屏障功能，致使生產性能和產品品質下降，且這些致病菌可通過食物鏈感染人類， 威脅公共衛生安全。益生菌發酵飼料飼喂家禽后可促進消化吸收，并抑制致病菌的生長，維持腸道菌群平衡，減少糞便中氮磷的排放， 提高家禽的生長性能和腸道健康，確保家禽養殖業的效益（Sugiharto 等，2019）。

陳婷等（2019）用復合益生菌發酵飼料替代同質量的基礎日糧來飼喂雪峰烏骨雞，發現25%和50%替代的發酵飼料能顯著提高烏骨雞對飼料中粗蛋白質（CP）、粗脂肪（EE）表觀消化率（P<0.05），促進動物對飼料的消化吸收。此外，復合益生菌發酵飼料還能顯著降低雪峰烏骨雞胸肌pH24h及蒸煮損失（P< 0.05），提高胸肌亮度（L*）和紅度（a*）（P< 0.05），提升動物的肉品質，顯著提高肌肉中蛋氨酸（Met）、苯丙氨酸（Phe）、絲氨酸（Ser）和精氨酸（Arg）含量（P< 0.05），從而影響肉品質風味。劉江英等（2019）探究了復合益生菌發酵飼料對肉雞抗沙門氏菌感染的影響， 發現沙門氏菌感染導致肉雞血清中促炎性因子（IL-1β、IL-6、TNF-α）水平和血清中內毒素（LPS）、D-乳酸（D-LA）含量顯著上升， 而飼喂發酵飼料后對這些指標均有不同程度的下調， 表明沙門氏菌感染所導致的炎癥反應和腸道屏障受損可通過添加發酵飼料來改善。劉艷玲等（2019）研究表明，應用發酵飼料能夠顯著降低蛋雞舍內一氧化碳、一氧化二氮、氨氣、甲烷的濃度（P< 0.05），改善空氣質量，提高雞蛋品質， 顯著降低糞便中粗灰分和鈣含量（P<0.05），減少營養物質的排出，有利于減排和健康生產。

5.3 益生菌發酵飼料在反芻動物生產方面的應用 益生菌發酵飼料在反芻動物中應用最為普遍，其醇香味濃，適口性好，營養價值高，有效地提高了反芻動物的生產性能， 并且還有利于胃腸道菌群平衡，減少了環境污染，對畜牧業的健康發展起到了重要的作用。在牛羊養殖中，全價料發酵尤其是精料發酵使用較多，另外，利用微生物發酵技術還可對青貯玉米秸稈、廢棄牛奶、酒糟、玉米黃漿液、噴漿玉米纖維、醬糟、木薯渣等農副產品和食品工業廢棄物進行發酵處理， 降低養殖動物的飼料成本，進而提高養殖業的經濟效益。

劉思源等（2019）用30%發酵飼料替代等量的精料補充料提高了奶牛產奶量， 降低了有害氣體如H2S、NH3、CO2的濃度以及奶牛糞便中氮和磷的含量。余淼等（2013）給肉牛飼喂乳酸菌、芽孢桿菌以及酵母菌混合發酵的飼料后， 發現肉牛血清中總蛋白（TP）、白蛋白（ALB）、IgA、IgG 和IgM水平顯著升高 （P< 0.05）， 總抗氧化能力 （TAOC）和超氧化物歧化酶（T-SOD）水平極顯著升高（P< 0.01），丙二醛（MDA）含量極顯著降低（P< 0.01），提示復合益生菌發酵飼料提高了肉牛機體的免疫機能和抗氧化能力。Hu 等（2020）研究表明， 益生菌和酶制劑共同發酵的稻草代替新鮮玉米秸稈喂養肉牛，改變了瘤胃菌群結構，促使擬桿菌門和纖維桿菌門、瘤胃球菌屬、產乙酸糖發酵菌屬、假丁酸弧菌屬、密螺旋體屬、藍綠藻菌屬和瘤胃桿菌屬豐度顯著升高（P< 0.05），此外還顯著升高了參與氨基酸、碳水化合物、輔助因子和維生素代謝的相關代謝物濃度（P< 0.05），以及瘤胃液中的乙酸鹽和丙酸鹽含量（P< 0.05），提高了瘤胃內飼料能量轉換效率。康懷艷（2019）研究表明，經益生菌發酵處理后，飼料中粗蛋白質、鈣、磷含量以及纖維素酶活性顯著升高（P< 0.05），奶山羊產奶量、羊乳中乳蛋白、乳脂肪、乳糖、非脂固形物、油酸含量均顯著提高（P< 0.05）。

6 菌酶協同發酵

益生菌發酵產生的酶類在實際生產中可能存在活性和數量不足、種類不夠全面等問題，導致發酵飼料中的大分子物質和抗營養因子難以被充分的分解。隨著酶工程技術的迅速發展，具有營養代謝功能的酶制劑應運而生， 在動物養殖中發揮著重要作用。酶制劑主要分為兩類，一類為動物內分泌酶類，如蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶，這類外源添加的酶在結構和性質上與內源酶存在部分的差異，但能強化內源酶的作用，提高其活性，有助于動物對營養物質的消化吸收； 另一類是動物自身不能分泌的酶類，如纖維素酶、木聚糖酶、果膠酶、植酸酶等，這類酶大多來源于益生菌，可破壞飼料原料中的纖維并去除抗營養因子 （Lin 等，2020；Jakobsen 等，2015）。 酶制劑雖然能夠特異性分解底物和抗營養因子， 但也存在口味不佳、 耐熱性差、底物局限性、成本高等問題（Christensen 等，2007）。菌酶協同發酵綜合了益生菌發酵和酶解的優點， 不僅增強了對飼料中大分子物質的降解程度， 縮短了發酵周期， 還提高了益生菌的發酵效率，使發酵后的飼料中含有大量益生菌。由于在市場上得到良好的反饋，近年來，大部分飼料集團、養殖集團在發酵飼料開發和市場布局上呈加速的趨勢（李爽等，2020）。低端益生菌發酵飼料預計在未來幾年內會進入紅海，因此，具有技術壁壘、功能強大、 效果穩定的益生菌發酵產品將是擴大市場份額的一個新增長點， 而菌酶協同發酵將成為未來益生菌發酵飼料的一個重要方向， 為行業帶來新的機遇（李爽等，2020）。

7 益生菌發酵飼料存在的問題

益生菌發酵有助于開發非常規的飼料，促進飼料營養價值和動物生產性能的提高， 可用于替代抗生素，日益受到人們的重視，但就目前的微生物發酵技術而言，依然存在許多不足之處，具體如下：

7.1 生產設備和生產條件不達標 國內生產發酵飼料的工廠大多為小型飼料廠， 缺乏專業的設備及技術操作人員，生產管理不規范，生產條件及環境不合格，導致生產出來的產品品質不穩定、差異大，因而對動物生產及環境都存在安全隱患。

7.2 益生菌菌種遺傳背景、生物學特性以及作用機制不清晰 益生菌菌種是發酵飼料品質好壞的決定性因素。益生菌菌種的遺傳背景不明確、生物學特性不穩定、作用機制不清晰，將直接影響產品的功效和貨架期。許多小企業經濟實力相對較弱，未從正規廠家購買菌種， 使得發酵過程中存在雜菌，對飼料產品造成了污染。

7.3 發酵飼料產品效果不穩定 微生物在加工、制粒、分裝、保存等環節中，易受到高溫高壓的影響，導致生物活性的降低，從而影響產品功效的發揮。此外，益生菌發酵飼料的具體有效成分缺乏全面系統的研究，尤其是多菌聯合發酵的飼料，難以對其有效成分和功效進行鑒定和評判。對菌種、菌種與酶制劑之間的協同能力、 發酵機理研究不透徹，導致應用效果極不穩定。

7.4 行業標準不健全 發酵飼料生產、 檢測、監控都缺乏統一的技術標準， 而且菌種本身的質量就難以保證。市場監督力度不夠，相關法律法規不完善，讓許多非法商家鉆了空子，使得產品質量參差不齊的現象屢見不鮮。 對發酵飼料產品缺乏統一的評判標準，再加上部分企業夸大宣傳，對于公眾容易形成誤導，嚴重影響了行業的健康發展。

8 展望

我國是農業生產大國， 隨著畜禽養殖業的不斷發展，抗生素濫用、人畜爭糧、食品安全等問題愈加突出。國家出臺了一系列政策，在飼料端禁止添加促生長類抗生素， 在養殖端采取綜合措施減少使用抗生素， 規范用藥標準確保產品藥物殘留達標，促進畜禽養殖業綠色可持續發展。益生菌發酵飼料是一種安全、無污染的飼料，因其具有替代抗生素、資源再利用、降低飼料成本、提高養殖效益等諸多優勢，逐漸受到市場的青睞，應用領域和市場不斷擴大。 但同時也要看到益生菌發酵飼料的局限和不足，未來勢必要優化發酵工藝，加強菌種選育工作，充分利用生物工程技術，篩選生物學特性穩定、表達量高、定植能力強、作用機制研究透徹的功能性菌株，深入挖掘菌酶協同發酵機理，還要制定行業統一的標準，加強市場監督力度，以便對產品質量進行有效的管控， 保證飼料行業的健康發展。