菌酶協同發酵非常規蛋白原料在畜禽養殖中的應用研究進展

張永勝， 周曉舟， 張遨然， 周桂蓮， 李 勇，3，閆亞婷， 黃金發，3， 李 鑫，3， 王向榮*

（1.濰坊新希望六和飼料科技有限公司，山東濰坊 261100；2.新希望六和飼料股份有限公司，山東青島 266100；3.山東新希望六和集團有限公司，山東青島 266100）

為擴大蛋白飼料來源，提高非常規蛋白原料利用率，2021年4月農業農村部發布了《豬雞飼料玉米豆粕減量替代技術方案》，以菜籽粕、棉籽粕、花生粕等非常規蛋白原料替代豆粕，保證原料有效供給。非常規蛋白原料的開發應用是近幾年研究熱點之一，生物發酵、酶解是高效利用非常規蛋白原料的方法。非常規蛋白原料中抗營養因子含量高、氨基酸不平衡，經過發酵、酶解處理可提高動物的飼料消化率、降低原料中抗營養因子含量，從而提高飼料營養利用價值、改善動物生長性能、降低生產成本（Shi等，2015）。但國內外研究人員常采用豆粕為發酵基質，對以非常規蛋白原料為基質的發酵技術，特別是菌酶協同發酵技術研究相對較少。菌酶協同發酵是飼料原料發酵過程中額外添加酶制劑或飼料原料酶解過程中加入一定量的益生菌進行發酵；菌酶協同發酵可彌補單獨利用益生菌發酵產酶不足的缺點，同時酶制劑的添加可提高在發酵過程中益生菌對飼料原料大分子物質的利用率；將大分子蛋白質降解成具有特殊生理功能的小肽物質，提高蛋白質消化率，進而提高菌酶協同發酵飼料品質（Li等，2021）。研究表明，菌酶發酵菜籽粕有助于提高粗蛋白質、脂肪、粗纖維的消化率，改善動物腸道微生物群，減少抗營養物質，有利于動物健康（Olukomaiya等，2021；Grela等，2019）。因此，菌酶協同發酵對于非常規蛋白原料開發應用具有重要意義。

1 飼料蛋白原料的現狀

隨著養殖業規模化、集約化發展，我國蛋白飼料資源無法滿足畜禽生產實際需求量。優質常規蛋白原料嚴重匱乏，如大豆、魚粉等，其中大豆80%依靠進口。每年從國外進口大量飼料蛋白原料，2019年我國大豆進口量8851萬t，約為產量的4倍，2021年1～11月份我國大豆進口量8765萬t；同時2017-2019年我國魚粉進口量保持較高水平，2019年我國魚粉進口量142萬t，約為產量的2倍，2021年1～10月份我國進口魚粉數量1581703 t，同比增長27.56%（飼料行業信息網，2021）。由此可見我國大豆、魚粉供求關系緊張，對常規蛋白飼料原料進口存在依賴性。因此，充分利用好蛋白飼料資源，提高非常規蛋白飼料原料利用率是我國發展畜牧業的重要任務（Kim等，2019）。我國擁有豐富的非常規蛋白原料資源，如菜籽粕、棉籽粕、花生粕等，菜籽粕年產量約900萬t，棉籽粕約500萬t，花生粕約370萬t。菜籽粕粗蛋白質含量約36%，蛋氨酸含量高，普通菜籽粕可替代40%豆粕，雙低菜籽粕替代量可達到60%以上；棉仁完全脫殼制成的棉籽粕粗蛋白質含量達40%以上，優質棉籽粕可作為生豬飼料中良好的蛋白原料來源替代50%豆粕；花生粕營養價值較高，粗蛋白質含量高達48%以上，接近于豆粕，其代謝能是粕類飼料原料中最高的，但花生粕在生豬飼料中用量較低一般不超過10%（薛俊敬等，2019）。我國非常規蛋白原料市場廣闊，利用非常規蛋白原料替代常規蛋白原料豆粕、魚粉，可解決蛋白資源利用率低的問題，降低大豆、魚粉進口的依賴性，在一定程度上緩解蛋白飼料原料匱乏的問題，提高我國畜牧業生產效率，促進其健康可持續發展。

2 非常規蛋白原料應用存在的問題

2.1 抗營養因子含量高 我國非常規蛋白原料資源豐富，但其利用率極低；原因在于非常規蛋白原料中含有大量的抗營養因子，無法直接利用。菜籽粕含有大量的硫苷、單寧、植酸等抗營養成分，嚴重影響其利用率，限制了其在飼料中的添加量和適用范圍；抑制動物生長（Danwitza等，2020；Khajali等，2012）。棉籽粕中含有大量的游離棉酚，因其毒性限制棉籽粕的有效使用；研究表明，棉酚可與蛋白質中的賴氨酸相結合，導致賴氨酸利用率降低，從而降低棉籽粕的營養價值（Henry等，2001）。花生粕易感染黃曲霉菌產生黃曲霉毒素，花生粕還含有多種抗營養成分如植物性血球凝集素、胰蛋白酶抑制因子、植酸等，其中植酸為最主要抗營養因子，含量約為1.5%；植酸與酶的堿性氨基酸殘基結合，會抑制代謝酶活，影響機體對蛋白質的消化吸收（Sun等，2021；Zouaoui等，2018）。

消除原料中抗營養因子的影響可提高飼料利用價值；常用方法有加熱法、機械加工法、化學添加劑法、酶制劑法和生物發酵法等。物理、化學方法可降低抗營養因子含量，同時也導致了飼料原料中有效營養成分流失。生物發酵法能有效降低抗營養因子含量，兼具處理效率高、無試劑殘留、應用安全、營養物質流失少等優點，在實際畜禽生產中被廣泛使用（鄧雪娟等，2019）。

2.2 適口性差 非常規蛋白原料引起適口性差的主要原因是抗營養因子和毒性成分。菜籽粕的主要抗營養因子硫苷，在芥子酶的作用下分解產生異硫氰酸酯、惡唑烷硫酮等有毒物質，嚴重影響動物適口性和菜籽粕的利用率（Reungoat等，2021）。研究表明，長期過量使用菜籽粕會引起動物甲狀腺腫大、采食量下降、生長抑制（Fu等，2021）。非常規蛋白原料中的抗營養因子植酸也會造成適口性差，而單胃動物缺乏植酸酶，無法水解植酸。添加植酸酶將植酸中的磷酸堿基水解，破壞植酸對鈣磷等礦物質元素的親和性，可提高機體對于礦物質元素的吸收，增加采食量（郭文文等，2015）。通過菌酶協同發酵技術，可有效降低非常規蛋白原料中的抗營養因子含量，改善飼料適口性，提高動物生產性能。

2.3 氨基酸組成不平衡 非常規蛋白原料氨基酸組成不平衡，菜籽粕蛋氨酸含量高，賴氨酸、精氨酸含量相對較低；棉籽粕精氨酸含量高于豆粕，但賴氨酸含量遠低于豆粕；花生粕精氨酸含量高，但缺乏蛋氨酸、賴氨酸和色氨酸（Duodu等，2018）。益生菌和酶制劑均衡使用，其互作效應可解決非常規蛋白因氨基酸不平衡導致利用率低的問題（姚妙愛，2006）。Boroojeni等（2017）研究報道，蛋白飼料原料通過菌酶協同發酵可提高標準回腸氨基酸消化率和蛋白飼料原料的利用率。在餅粕類飼料原料中添加產蛋白酶的菌種或外源添加蛋白酶制劑協同發酵可分解原料中的大分子蛋白質，產生特定功能小肽和氨基酸，使之平衡并提高蛋白質的消化率（Kim等，2019；王詩琦等，2019）。

3 菌酶協同發酵的應用研究

3.1 菌酶協同發酵的作用 菌酶協同發酵以酶制劑和益生菌有效結合互作發酵，高效協同發揮降解飼料原料、提高營養物質包括大分子蛋白質、氨基酸、礦物質元素、特定功能性小肽等含量的作用；同時，具有改善飼料品質，提高適口性，促進動物機體對營養物質的消化吸收等功能。菌酶協同發酵能降低抗營養因子含量，提高動物生長性能和免疫力，促進腸道健康。研究表明，日糧中添加纖維素酶可顯著降低大腸桿菌數量，同時顯著增加乳酸桿菌數量，減少腸道疾病和降低腹瀉率（Long等，2020）。纖維素酶水解飼料原料中的纖維素產生單糖能為菌體合成蛋白提供能量。Li等（2020）研究發現，芽孢桿菌在發酵過程中利用基質產生纖維素酶，破壞細胞壁中主要成分纖維素，使營養物質從原料中釋放出來，有利于動物機體對營養物質的消化利用。菌酶協同發酵能改變飼料的物理性狀，益生菌在發酵過程中生長繁殖并分泌出一定量的胞外酶，胞外酶產生的醇、酯等物質可以改善飼料品質、提高適口性。飼料原料通過微生物發酵將抗營養因子和有毒成分進行降解或轉化，有效降低了抗營養因子對動物機體的不良影響，從而提高飼料原料品質。

3.2 菌酶協同發酵的工藝研究 飼料原料的菌酶協同發酵技術一般采用一次固態發酵工藝，即發酵基質中同時添加菌種和酶處理，酶將非淀粉多糖水解為單糖，為菌種生長提供能量，而菌種生長繁殖中分泌大量酶類降解飼料原料中的蛋白質、纖維等物質，同時將粗蛋白質轉化為菌體蛋白，使機體對營養物質更容易吸收利用（Heng等，2022；Zhang等，2020）。在充分研究菌種和酶協同發酵的反應條件下，獲得比單一酶制劑或益生菌發酵更好的效果。帖余等（2019）研究報道，通過黑曲霉發酵和酶解二次法處理菜籽粕，利用發酵過程中產生的多種酶進一步降解菜籽粕中抗營養因子，結果表明相比一次發酵，硫苷和植酸含量分別降低了33.20%和96.18%。石慧等（2011）以枯草芽孢桿菌好氧發酵作為前發酵，乳酸菌及酵母菌厭氧發酵作為后發酵對豆粕進行二次發酵，結果表明二次發酵豆粕中抗原蛋白的降解率大于一次發酵。二次發酵工藝是在基質中分別添加菌種、酶處理或混菌依次發酵，其優點在于考慮到不同菌種和酶的生長環境和發酵參數，為菌種、酶分別創造最佳反應條件，飼料原料中抗營養因子降解效果優于一次發酵，但二次發酵的工藝更加復雜、發酵參數差異大，對發酵設備要求極高，生產成本相較于一次發酵更高，因此對于實際生產而言，一次發酵更具有實用性。采用固態發酵工藝較液態發酵更具優勢，原因在于液態發酵在過程中易感染雜菌且后期會出現代謝產物抑制現象，而固態發酵終產物濃度高、發酵時間短、代謝產物抑制效果小（Yusuf等，2021）。研究表明，發酵時間60 h、溫度32℃、水分50%條件下棉籽粕游離棉酚含量顯著降低（P＜0.05），粗蛋白質含量顯著增加（P＜0.05），發酵時間60 h、溫度28℃、水分50%條件下菜籽粕硫代葡萄糖苷含量顯著降低（P＜0.05）（Lan等，2020）。但不同菌種和酶一次固態發酵的工藝參數差別較大，發酵工藝參數包括：菌種特性、菌種數量、發酵溫度、發酵初始pH、料水比、發酵時間、菌株接種量、酶的種類及添加劑量等，合理的工藝參數才能獲得較好的發酵效果。

3.3 菌酶協同發酵非常規蛋白原料的研究進展針對菜籽粕、棉籽粕和花生粕等非常規蛋白原料采用菌酶協同發酵技術值得探討，菌酶協同發酵能降低原料中抗營養因子含量，提高其利用率。張昆（2012）以棉籽粕、菜籽粕及麩皮為發酵基質，添加混合菌種（枯草芽孢桿菌、啤酒酵母、乳酸桿菌）、150 U/g纖維素酶、200 U/g蛋白酶，在含水量45%、溫度35℃條件下發酵48 h建立最佳發酵工藝，結果表明游離棉酚脫毒率73.75%，硫苷降解率62.7%，小肽含量比發酵前提高1.84倍，賴氨酸含量提高49.6%。楊家帥（2010）將枯草芽孢桿菌、蠟質芽孢桿菌、干酪乳桿菌三菌組合和中性蛋白酶協同發酵菜籽粕，發酵工藝參數：三菌接種量分別為1%、2%、3%，酶添加量200 U/g，料水比1：0.9，發酵溫度35℃，發酵時間48 h；與原菜籽粕相比小肽含量由56.21 mg/g提高到170.12 mg/g，粗蛋白質含量由40.52%提高到41.30%，硫苷含量由27.61 μmol/g降 低 到8.33 μmol/g。Zhu等（2021）以菜籽粕作為底物，加入10 FPU/g纖維素酶和10 U/g果膠酶在體外39℃發酵28 h后，再用3種乳酸桿菌1：1：1比例39℃接種培養48 h，結果發現試驗組硫代葡萄苷含量顯著低于不做處理的對照組（P＜0.05），降低了62%，同時提高了菜籽粕的干物質和粗蛋白質利用率，酶解增強了乳酸菌的發酵特性。菌酶協同發酵在一定程度上有效降低了棉籽粕、菜籽粕抗營養因子棉酚、硫苷含量，提高了棉籽粕、菜籽粕小肽含量，改善了棉籽粕、菜籽粕的營養價值。

3.4 菌酶協同發酵飼料在畜牧養殖中的應用Ashayerizadeh等（2018）發現肉雞日糧中添加50%和100%發酵菜籽粕與傳統豆粕日糧相比，日增重和飼料轉化率顯著提高，肌肉中膽固醇和丙二醛濃度降低，說明發酵菜籽粕替代豆粕能提高肉雞的生長性能、抗氧化性能和肉品質。發酵菜籽粕還能提高動物機體免疫力，增加肉雞腸道乳酸菌種群，降低沙門氏菌對器官的損傷，顯著降低異粒細胞與淋巴細胞的比率 （Ashayerizadeh等，2017）。Zhang等（2017）研究表明，飼喂發酵豆粕的仔豬平均日增重和采食量顯著高于抗生素組，發酵豆粕組空腸和回腸中促炎因子mRNA表達量降低，菌酶協同發酵飼料能降低仔豬的炎癥，提高仔豬生長性能。Grela等（2019）在日糧中添加4%～9%的發酵菜籽粕替代豆粕可顯著改善母豬生產性能，增加28日齡的窩產仔數和窩重，同時有助于提高粗蛋白質、脂肪和粗纖維消化率，對母豬的腸道菌群產生積極影響。發酵菜籽粕是減少抗營養物質和增加飼料中乳酸水平的有效方法，可降低腹瀉的嚴重程度和死亡率，從而改善仔豬的生長性能。馮江鑫等（2020）研究發現，添加發酵豆粕日糧的仔豬干物質、粗蛋白質、粗脂肪、粗灰分、總能、總磷的消化率顯著提高，仔豬十二指腸絨毛高度/隱窩深度和回腸絨毛高度顯著提高，空腸封閉蛋白-1（CLDN-1）、閉合小環蛋白-1（ZO-1）和回腸密閉蛋白（OLCN）基因mRNA相對表達量顯著提高，菌酶協同發酵飼糧可提高營養物質的消化率，改善腸道健康，降低腹瀉率，從而提高仔豬的生長性能，且效果相當于或優于添加金霉素飼糧。

4 小結

菌酶協同發酵是一個復雜的細菌微生物生命活動與酶共同參與的生物化學反應過程，針對非常規蛋白原料建立的菌酶協同發酵技術尚不完善，國內外研究報道較少；但相對于傳統豆粕發酵而言，菌酶協同發酵非常規蛋白原料更具有研究前景。目前，菌酶發酵作用機理尚不明確，國內外研究人員對菌種的形態、生長特性、生物學功能；酶的分子結構、酶活特性及功能有深入研究，但酶與菌種之間互作效應、菌酶協同發酵與動物機體之間作用的機理研究較少。菌酶協同發酵可提高動物生長性能、免疫力等，促進腸道健康，其效果優于單一微生物發酵或酶制劑發酵，隨著科研人員對菌酶協同發酵技術不斷探索，未來會出現更多的菌酶協同發酵非常規蛋白飼料原料的組合產品，這對緩解我國優質蛋白資源匱乏，提高非常規蛋白原料利用率有著深遠意義。