生物發酵飼料在水產應用中最新研究進展

李志強,楊代勤,易提林,裴夢婷

(1.長江大學 動物科學學院,湖北 荊州 434025;2.湖北省黃鱔工程技術研究中心,湖北 荊州 434025;3.荊州職業技術學院,湖北 荊州 434020)

中國是一個農林牧副漁產業體系完善的農業大國,同時漁業在農業經濟中占有重要的地位[1]。但是在過去的幾年中,傳統的抗生素飼料的使用導致水產動物體內的病原菌和有害微生物產生抗性。此外,腸道殘留的飼料降解速度較慢,代謝廢物會富集并污染水體環境。與之相比,微生物發酵飼料是一種利用配合飼料作為發酵底物的飼料,其主要特點是通過選用經過人工鑒定、分析和純化的微生物菌株,然后在人工控制溫度、水分、需氧量等條件下進行培養,使飼料中接種的微生物進行繁殖和新陳代謝過程,從而產生富含高活性益生菌及其代謝產物的飼料。研究表明,微生物發酵飼料易于降解抗營養因子,如Refstie[2]等研究表明,乳酸發酵可以消除飼喂大西洋鮭的豆粕中的不可消化的碳水化合物和抗營養因子,同時可以將大分子化合物分解為小分子化合物,例如將蛋白質分解為多肽,使其更容易消化。此外,微生物發酵飼料由于其營養豐富、易于消化吸收且價格較低等優點,其在水產養殖業應用廣泛,如它可以改善養殖環境、提高養殖效率和減少飼料成本。同時,發酵的飼料還可以產生一定的抗菌物質,提高水產養殖動物的抗病能力,減少病害的發生。綜上所述,生物發酵飼料在水產養殖業中的應用前景廣闊,值得深入研究和探討[3]。

1 生物發酵飼料研究現狀

2012年,全球70%的水產養殖產量依賴于外部飼料的輸入。然而,到2017年,水產養殖飼料的使用量已經增加了87%,達到了5 123萬噸,預計到2025年還會再增加70%。傳統的飼料原料,如玉米和大豆等,產量有限,無法滿足人和動物的需求。此外,傳統飼料含有抗營養因子,對動物的消化和吸收有害。因此,采用生物發酵飼料來替代傳統飼料是解決人畜爭糧、抗營養因子等問題的有效方法[4]。與此同時,飼料原料如魚粉和魚油供應量有限,無法滿足飼料需求。這些挑戰促進了生物發酵飼料取代傳統飼料的研究和發展。在國外,由于飼料原料短缺,養殖水生動物的總成本也不斷上升。因此,一些替代策略被采用,例如利用熱處理和微生物發酵技術以消除抗營養因子[5];Hong Kee-Jong[6]使用曲霉菌Oryzae GB-107對大豆進行發酵,改善其營養質量;Saade E[7]則使用不同的發酵罐組合對海藻和卡波海魚進行發酵,用作增稠劑以改善尼羅羅非魚日糧的凝膠強度、吸引力和口感。在國內,自1965年在廣西定容首次推廣使用黑曲霉糖化飼料后,全國范圍內掀起了發酵飼料關注的高潮[8]。隨著生物工程技術和現代水產動物營養與飼料學的不斷發展,越來越多的飼料企業開始采用生物發酵技術生產新型飼料,以在市場上獲得競爭優勢。這種新型飼料能夠從不同程度上提高水產動物的生長和生產性能[9],因此備受關注。目前,在畜禽和漁業行業,較為廣泛應用的是發酵豆粕、發酵添加劑、益生素、酶制劑和生物發酵飼料。在此之前,也經歷了青貯飼料和單細胞蛋白探索階段。發酵豆粕和發酵添加劑主要用于畜禽飼料,但在水產養殖中也有應用。豆粕中含有多種抗營養因子,如胰蛋白酶抑制因子和凝集素等。通過添加枯草芽孢桿菌、酵母菌等益生菌進行發酵,飼料中的蛋白質等營養物質會得到較大提高,同時抗營養因子也得到有效清除,難以消化的物質也會被降解和降低,從而提高飼料的適口性[10-13]。酶制劑是生物工程領域的重要組成成分,廣泛應用于20多個領域。但生物發酵是目前發展最迅速,最受關注的技術,因為生物發酵飼料是一種生態型健康飼料,能起到促進動物生長,平衡腸道菌群作用。生物發酵飼料應用范圍越來越廣泛,并深受研究者與企業家們關注。近年來,國內外專家將生物發酵飼料不僅應用于畜禽、水產養殖,還在食品發酵等領域進行探索應用[14-17]。

2 生物發酵飼料工藝

發酵飼料工藝按照不同標準劃分會有不同的分類,如按需氧類型分為厭氧發酵、兼性厭氧發酵、有氧發酵;按添加種類有單一和復合菌種發酵。從整體發酵工藝看,生物發酵飼料根據水分的含量分為液態和固態發酵兩種。液態生物發酵飼料主要指天然存在的乳酸菌和酵母菌發酵,而這些菌源廣且容易獲取。同時,這些常見益生菌培養成本低,容易培養,農戶也善于培養這些益生菌。但因技術規范不完善,無法廣泛商用。固態發酵飼料大多采用益生菌或益生菌種發酵,可參照農業農村部發布的替抗微生物種類名錄進行發酵飼料菌類或菌種的選擇(見表1)。在實際生產中,要根據實際養殖情況選擇合適的發酵工藝以及生物發酵飼料原料。

表1 農業部2045號公告《飼料添加劑品種

2.1 液態生物發酵飼料

液態生物發酵飼料是經過充分發酵并達到穩定狀態的飼料,采用水1∶1.4～1∶4的混合比例。這種新型飼料早在20世紀80年代荷蘭就開始使用,用于生產豬濕拌料,其中20%以上為濕性拌料。經多年優化實踐,這種飼料現在的使用量已達到50%以上。它依靠飼料中的天然益生菌發酵,能夠提高畜禽動物的生長性能。然而,盡管國外應用廣泛,但國內由于缺乏液態發酵和液態發酵飼料飼喂設備,其應用和推廣受到限制[18-23]。要推動生物發酵飼料的進一步發展并探索其發展方向,需要將液態生物發酵飼料的開發利用與配套設備的研究開發列為生物發酵飼料發展的重點研究項目。

2.2 固態生物發酵飼料

將常用的全價飼料作為基礎,在混合時加入34種益生菌名錄中的一種或多種益生菌和水,然后在適宜的溫度下進行厭氧發酵。這種飼料能夠增加多種消化酶,并且含有復合的益生菌。它有助于維護水產動物的腸道健康,提高生長性能和免疫力,還能夠預防某些疾病[24-28]。美國已經審批的工藝發酵菌種已經達到50種之多,發現和應用優良發酵菌種是發酵飼料的重要條件和最基本的條件之一。例如,利用固態發酵技術以啤酒糟為原料生產菌體蛋白飼料,其發酵后啤酒糟粗蛋白含量達到45%,比原啤酒糟提高60%,多肽含量可提高6.6倍。發酵后飼料中富含維生素、多種活性物質和生長調節劑,能夠提升蛋白質含量,利于動物消化吸收和營養平衡,解決抗逆性差等問題。營養物質在飼料中的占比會因不同的提取工藝而不同,例如常用的堿提法和醇溶法,醇溶法主要提取發酵飼料的醇溶蛋白,而堿提法則提取如啤酒糟中的麥谷蛋白。生物發酵技術能夠提高被遺棄的農副產品的利用率,擴充飼料來源,降低生產成本,提高生物發酵飼料的質量[9,29-34]。這些應用實例利于學者們研究開發能量均衡、提高利用效率、集眾多功效于一體的新型飼料,以滿足市場需求。

3 生物發酵飼料在水產中應用

3.1 高蛋白促進營養吸收和提高生長性能

常用的飼料原料通常包括植物性原料,如大豆、棉粕等,以及動物性原料,如魚粉、蝦肉和蚯蚓等。這些原料中存在抗營養因子和潛在毒素,需要采用物理法、化學法和溶劑浸出法等方法去除。然而,這些方法的去除效果不理想,時間周期較長。相比之下,生物發酵法能夠有效降解抗營養因子,提高飼料的營養物質利用水平,同時還能降低環境污染[10,35-38]。趙云龍等[25]的研究表明,在1 kg基礎飼料中添加12 mL蜜環菌菌液發酵后,可以顯著提高花鰍的生長性能、消化酶活性、免疫力和抗氧化能力,相較于對照組和其他兩個實驗組,改善效果更為顯著。在大面積養殖的四大家魚青魚、草魚、鰱和鳙的實驗中,使用生物發酵飼料飼喂可以顯著提高魚苗體重,增產量可達10%以上,其中鳙的畝產量也可增加40%以上[1,38]。在人們喜愛的鯽魚中,使用生物發酵飼料飼喂,增重率和增產量可以分別提高15.38%和12%以上。劉廣豐[38-41]等的實驗結果也表明,使用生物發酵飼料飼喂后,魚的腹部脂肪會減少,體色好,消化吸收和生長性能有所提高,應用效果明顯。因此,生物發酵飼料飼喂被視為一種有效的方法,能提高飼料利用效率,增強飼喂動物的抵抗力,減少環境污染,有助于提高動物生長性能。

3.2 提高機體免疫能力和形成腸道防御屏障

通過將單一或多種益生菌添加到發酵飼料原料中進行發酵,可以產生有益的代謝產物。這些物質是重要的免疫調節因子,能夠提高腸道消化能力、維持腸道形態和增加腸道菌落的多樣性。益生菌在腸道中定植和生長,形成腸道防御屏障,刺激動物免疫細胞的活力,抑制外源有害物質,自身也能夠產生抗菌活性物質,如細菌素以及釀酒酵母細胞壁上的β-葡聚糖等,能夠增強溶菌酶、補體活性,對免疫系統具有顯著的作用[1,2]。例如,將發酵的菜粕替代基礎飼料中的5%蛋白質,可以增強鯉血漿中的免疫相關酶活力,提高機體免疫能力[41]。如果飼料中的脂肪含量過高,可能會導致動物患上肝膽綜合征、其他營養性疾病等,以及細菌、病毒、寄生蟲感染后引起的疾病,為預防這些疾病可將30%至50%的飼料替換為生物發酵飼料,在使用3至5天后,動物的發病率可以下降到60%以下。添加益生菌(Rummeliibllusstabekisii)可以顯著提高尼羅羅非魚(Oreochromisniloticus)的腸道菌群豐度和多樣性,從而增強其免疫力和抗病力[42]。生物發酵飼料還可以提高水產動物體內的溶菌酶、酸性磷酸酶和酚氧化酶等免疫相關酶的活性,提高吞噬細胞的吞噬作用,并增加動物血清中免疫球蛋白的含量。例如,Opiyo Mary等[43]在一項研究中,在飼料中添加枯草芽孢桿菌和釀酒酵母,顯著提高了尼羅羅非魚的免疫力,調節了腸道菌群,同時也增強了魚肉質量。因此,生物發酵飼料在水產養殖中提高機體免疫能力和形成腸道防御屏障具有重要作用。

3.3 改善水體環境

生物發酵飼料相比普通飼料的優點是其在水中溶解速率較慢,因此不僅可以降低殘余餌料和動物糞便對水質的污染,還可以利用其中的益生菌及其代謝產物來降解有害物質。此外,光合細菌、醋酸菌、乳酸菌、酵母菌、大腸桿菌等益生菌可以通過自身的營養代謝氧化、硝化、氨化、固氮等作用將水中的亞硝胺、H2S、有機物等轉化為植物可利用的物質,達到凈化水質的目的。這兩方面的共同作用不僅可以提高飼料的消化率,減少殘餌和代謝廢物在水中積累,而且可以直接作用于水體,補充大量有益菌并為水體提供可吸收的營養素,刺激菌藻的生長和繁殖。它們能夠將無機和有機物質轉化為可以再次被益生菌和藻類利用的營養物質,從而保持菌藻的生態平衡[4,44-45]。研究發現益生菌可作用于水體,使水體保持充足的溶氧水平,降低水體夜間耗氧量,調節水體pH值至正常水平,給水產動物提供良好的生態生長環境。良好的生長環境對于生產高質量的水產動物食品至關重要[4]。它可以提高水產動物的體質,同時生產具有口感好、含肉率高、膠原蛋白等營養豐富的食品。此外,高質量的水質環境還可以減少寄生蟲和致病菌的數量,使消費者更喜歡購買這些食品。如表2所示,研究也會給予反饋,促進生物發酵料和水產養殖業的發展。例如,Ho Hsieh-Hsun等[34]在魚飼料中添加乳酸菌發酵可以抑制潛在的水生及水域病原體的生長,并提高飼料轉化率。因此,養殖業者應注重養殖水質,以提高水產動物的生長效果和食品品質,同時也保障消費者的健康和安全。

表2 生物發酵飼料對不同水產動物的飼喂應用與影響

目前發酵原料的主要來源獲得途徑較多,具備較大的開發與應用潛力。其中,農產品種植階段形成的廢棄物、動物屠宰風干的邊角料等被認為是廢棄的基質,可以通過發酵將其變廢為寶,明顯提升資源利用效率并減少對生態環境的污染。例如,植物方面,農副產品如棉粕、豆粕、玉米粕等可作為畜禽、水產飼料發酵的主要來源。 張來榮[47]的研究發現,使用含有主要農副產品的配合飼料作為發酵底物,對克氏原螯蝦的生長和肌肉營養成分有一定的促進作用,但不顯著。然而,它對消化酶活性有顯著影響,與對照組相比分別增加了56.6%和84.2%。動物方面,蝦、魚、蚯蚓等高蛋白肉糜也是重要的發酵原料。Nugraha Tito Aria等[36]的研究發現,使用芽孢桿菌屬和拉菲乳球菌的細菌混合物進行發酵,蚯蚓作為發酵原料,在2.5%的替代水平時,能顯著增強革胡子鲇的非特異性免疫反應。在自然界中,微生物資源極為豐富,而菌種則是決定飼料發酵成功的關鍵因素。根據農業農村部發布的飼料添加劑名錄,已有34種微生物被允許作為替代抗生素的飼料添加劑,其中包括常用的乳酸菌、酵母菌和芽孢桿菌等。隨著發酵技術的不斷成熟,可利用的微生物種類也將會增多。

總的來說,綠色、安全、無污染的飼料是未來水產養殖業發展的主要趨勢,也符合政策導向。目前,生物發酵飼料是研究的熱點之一。生物發酵飼料利用自然益生菌或人工篩選的優良有益菌進行發酵,它可以滿足環境保護的要求,有效緩解水產養殖中存在的問題(如普通飼料其抗營養因子較多、溶解分散快、營養不均衡、飼料系數較高等)。生物發酵飼料具有多種優勢,必定成為水產養殖業不可或缺的產品,并能夠得到企業、個體養殖戶等從業人員的青睞。

4 現狀分析及對未來展望

近年來,中國面臨著抗生素殘留和耐藥微生物產生等問題日益嚴峻的局面。為了引導未來發展方向,并探索替代飼料的方向,中國實施了少抗、無抗、替抗飼料政策。微生物發酵飼料因其可以提高動物生長性能、加強機體免疫能力、改善水體環境等優點而成為國內外學者研究的熱點[48-51]。然而,從發酵原料、發酵菌種、發酵工藝、儲存及運輸管理、質量安全管理、政策及行業發展規范等方面來看,都需要進行完善。

目前,發酵工藝主要分為固體發酵和液體發酵兩種,但隨著研究的不斷深入,發酵工藝也會有更細分的分類。為了使生物發酵飼料成為優質、綠色的經濟發酵飼料,需要積極研發、推廣規模化和智能化的發酵裝置,同時建立統一的技術標準和專業技術團隊進行監測管理。在專業技術團隊和政府規章制度指導下,需要做好存儲、運輸和管理,以防止飼料霉變,從而獲得更好的效益。同時,質量監測需要嚴格把關,以高質量、高效益和綠色經濟為導向。此外,還需注重學習國內外應用經驗和研究前沿,掌握現代生物發酵技術和管理相關科學知識,結合市場需求和政策導向,不斷探索新方向和新應用。例如,復合微生物發酵飼料的研究開發與利用也正在如火如荼地進行著[21,23,27-29,35-39]。

生物發酵飼料是飼料行業的一項創新,它能夠提高飼料的營養價值和消化率,降低飼料成本和環境污染。生物發酵飼料的研究和應用已經取得了一定的成果,但還有很多需要完善和提高的方面。例如,如何選擇合適的發酵菌種和混合菌種,如何實現菌酶協同發酵,如何控制發酵質量和速度,如何建立專業化的數據庫和監測評價體系,如何深入了解發酵飼料的作用機理和防范風險,以及如何拓展發酵飼料的應用領域等。這些都是生物發酵飼料未來發展的重要課題,需要各方面的共同努力和支持。生物發酵飼料已成為飼料行業突破的重點,其效用已被眾多學者、專家、政府農業部門、企業以及大農戶有目共睹,但仍需努力繼續深入研究生物發酵飼料作用機理和做好防范措施規范,以及繼續深入探索發酵飼料的優勢,推動生物發酵飼料的長期可持續發展,力爭能夠廣泛應用到更多領域如食品、醫療等。