菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料研究進(jìn)展

徐偉佳，王智偉，袁凱鑫，楊雨鑫*

(1. 希杰尤特爾(上海)生物科技有限公司，上海 200003；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，陜西 楊凌 712100；3. 陜西楊凌富仕特生物科技有限公司，陜西 楊凌712100)

2018年1月1日，我國(guó)生物飼料開發(fā)國(guó)家工程研究中心發(fā)布了首個(gè)生物飼料產(chǎn)品定義和分類團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)(TCSWSL 001-2018)，將生物飼料(Biological feed)定義為：使用《飼料原料目錄(2013)》和《飼料添加劑品種目錄(2013)》等國(guó)家相關(guān)法規(guī)允許使用的飼料原料和添加劑，通過(guò)發(fā)酵工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程和基因工程等生物工程技術(shù)開發(fā)的飼料產(chǎn)品總稱，包括發(fā)酵飼料、酶解飼料、菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料和生物飼料添加劑等[1]。從而結(jié)束了生物飼料、發(fā)酵飼料等概念和分類混亂的局面，在我國(guó)生物飼料發(fā)展歷程中具有里程碑的意義。

生物飼料大類下的菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料(microbia coupling with enzyme fermented feed)是指使用《飼料原料目錄(2013)》和《飼料添加劑品種目錄(2013)》等國(guó)家相關(guān)法規(guī)允許使用的飼料原料、酶制劑和微生物，通過(guò)發(fā)酵工程和酶工程技術(shù)協(xié)同作用生產(chǎn)的單一飼料和混合飼料[1]。菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料中的酶制劑的主要分類和功能有以下四個(gè)方面：(1)降解飼料原料中難以消化吸收的物質(zhì)，如纖維素酶、半纖維素酶、木聚糖酶、植酸酶、果膠酶、葡萄糖苷酶等；(2)能夠抑制有害菌生長(zhǎng)，促進(jìn)益生菌繁殖，如溶菌酶、葡萄糖氧化酶、淬滅酶等；(3)能夠提高動(dòng)物機(jī)體免疫，維持腸道健康，如甘露聚糖酶、葡萄糖苷酶等[2]；(4)能夠減少飼料原料中的有害物質(zhì)，如降解霉菌毒素的酶、降解棉酚的酶等[3]。

2013年我國(guó)農(nóng)業(yè)部發(fā)布的2045號(hào)公告規(guī)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、霉菌和光合細(xì)菌五類菌種，目前常用于菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料的菌種主要包括前四種。菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料能夠?qū)⒚钢苿┖臀⑸锕πв袡C(jī)結(jié)合，兩者協(xié)同發(fā)揮作用高效降解飼料原料，提高有效成分含量；在動(dòng)物胃腸道兩者能夠共同抑制有害菌生長(zhǎng)，促進(jìn)益生菌生長(zhǎng)，進(jìn)而提高機(jī)體生長(zhǎng)速度，減少疫病發(fā)生。研究表明，菌酶協(xié)同發(fā)酵效果優(yōu)于菌和酶單獨(dú)使用時(shí)的效果[4]。目前，我國(guó)科研院所和市場(chǎng)上對(duì)于菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料的研究和應(yīng)用主要集中在對(duì)蛋白原料、農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物、工業(yè)副產(chǎn)物等三類原料的降解和利用。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料降解蛋白原料研究現(xiàn)狀

長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)蛋白原料缺乏，通過(guò)發(fā)酵和酶解蛋白原料的技術(shù)高效、安全利用蛋白原料逐漸成為近年研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)[3]。目前，菌酶協(xié)同發(fā)酵蛋白原料的主要目的有三個(gè)方面：(1)提高特定產(chǎn)物含量，如小肽、氨基酸、粗蛋白、生物酶、抗菌肽等；(2)減少抗?fàn)I養(yǎng)因子、苦味因子、霉菌毒素等不利因素含量，提高原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[5]，如胰蛋白酶抑制因子，黃曲霉毒素、玉米素毒烯酮毒素等；(3)提高飼料原料品質(zhì)，延長(zhǎng)青綠原料保質(zhì)期。常見的發(fā)酵蛋白原料主要有豆粕[6]、大豆蛋白[7]、棉籽粕[8]、菜籽粕[9]、麩皮[10]、青貯原料[11]、豌豆[12]、棕櫚粕[13]、脫脂薏米[14]、大米等[15]。方樂等[16]使用芽孢桿菌、酵母菌和中性蛋白酶協(xié)同發(fā)酵豆粕，優(yōu)化后的工藝粗蛋白質(zhì)含量由47.62%提高至56.72%，小肽含量從11.40 mg/g提高至199.65 mg/g；韓麗等[7]用堿性蛋白酶、枯草芽孢桿菌、植物乳桿菌、釀酒酵母菌協(xié)同發(fā)酵大豆皮中的抗?fàn)I養(yǎng)因子，結(jié)果發(fā)現(xiàn)抗原蛋白降解率達(dá)80%以上；張恒[13]用高產(chǎn)纖維素酶的曲霉、釀酒酵母菌和枯草芽孢桿菌協(xié)同發(fā)酵棕櫚粕和麩皮，通過(guò)響應(yīng)面分析法優(yōu)化發(fā)酵工藝，粗蛋白質(zhì)含量提高了58.20%，粗脂肪降低了52.27%，中性洗滌纖維含量降低了13.00%，半纖維含量降低了24.66%；徐磊等[14]發(fā)現(xiàn)，菌酶協(xié)同發(fā)酵可顯著提高脫脂薏米水提取液的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)； Chen等[17]研究發(fā)現(xiàn)，相比使用單菌或單酶降解效果，菌酶協(xié)同發(fā)酵青貯pH更低、乳酸含量更高、丙酸含量更低、可溶蛋白含量更高?？梢?，菌酶協(xié)同發(fā)酵可以顯著提高蛋白含量、小肽含量、降低粗纖維含量，提高蛋白原料品質(zhì)，增強(qiáng)抗氧化能力。

1.2 菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料降解農(nóng)副產(chǎn)品原料研究現(xiàn)狀

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，各種農(nóng)副產(chǎn)品產(chǎn)量居世界首位，其中秸稈資源每年產(chǎn)量在7×108t以上，而目前對(duì)各種農(nóng)副產(chǎn)品的利用率極低，部分農(nóng)副產(chǎn)品甚至已成為我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)污染源[18]。而近年來(lái)逐步發(fā)展起來(lái)的菌酶協(xié)同發(fā)酵農(nóng)副產(chǎn)品對(duì)于高效利用農(nóng)副產(chǎn)物具有重要的意義，目前研究較多的農(nóng)副產(chǎn)品原料主要有玉米秸稈[19]、玉米芯[20]、金槍魚副產(chǎn)物[21]、馬鈴薯漿[22]、棉花秸稈[18]、蝦殼[23]等。劉輝等[19]曾使用纖維素酶和酵母菌協(xié)同發(fā)酵玉米秸稈，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)優(yōu)化發(fā)酵工藝，發(fā)酵產(chǎn)品中的粗蛋白質(zhì)含量高達(dá)29.71%，相比發(fā)酵前提高了4.67倍；包慧芳等[18]曾使用乳桿菌L2、芽孢桿菌C3和纖維素酶協(xié)同降解棉花秸稈飼料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加0.1%纖維素酶可以加快發(fā)酵基質(zhì)pH下降速度，更有利于保存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；李永強(qiáng)[23]曾使用蛋白酶K和凝結(jié)芽孢桿菌協(xié)同發(fā)酵蝦殼，優(yōu)化后的工藝蝦殼蛋白質(zhì)去除率可達(dá)82.62%，紅外光譜掃描分析發(fā)現(xiàn)發(fā)酵所得物是甲殼素。綜合多項(xiàng)研究可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)農(nóng)副產(chǎn)品原料特點(diǎn)、發(fā)酵目標(biāo)產(chǎn)物特點(diǎn)，發(fā)酵菌種和酶制劑使用差異較大，但是相比單一使用酶制劑預(yù)處理或者菌種發(fā)酵，菌酶協(xié)同發(fā)酵工藝可以更快捷、更高效的獲得目標(biāo)產(chǎn)物。

1.3 菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料降解工業(yè)副產(chǎn)品原料研究現(xiàn)狀

目前，研究較多的菌酶協(xié)同發(fā)酵降解的工業(yè)副產(chǎn)品原料主要包括辣木[24]、中草藥藥渣(黨參藥渣、甘草藥渣、益母草藥渣、黃芪藥渣)[25]等。王田田等[24]研究發(fā)現(xiàn)，雙菌混合發(fā)酵更有利于降解銨態(tài)氮和單寧，枯草芽孢桿菌降解多酚效果更好，黑曲霉能夠高效降解黃酮，且能夠保留較多的粗蛋白，菌酶協(xié)同發(fā)酵能夠提高多糖和氨基酸的含量。李亞新[25]用乳酸菌、酵母菌、芽孢桿菌、里氏木霉和富含纖維素酶的復(fù)合酶制劑發(fā)酵多個(gè)中草藥藥渣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相比單一使用混合菌種發(fā)酵效果，使用菌酶協(xié)同發(fā)酵中草藥藥渣，NDF和ADF含量顯著降低。

2 存在問(wèn)題

2.1 菌酶協(xié)同相互作用機(jī)理不清晰

目前，雖然很多科研機(jī)構(gòu)對(duì)多種酶制劑和菌種進(jìn)行了深入的研究，酶制劑的分子結(jié)構(gòu)、酶活、酶學(xué)特性、功能[26]，以及菌種的形態(tài)特點(diǎn)、生長(zhǎng)特點(diǎn)、產(chǎn)物特點(diǎn)均得到了深入的研究[27]，但是酶制劑和菌種之間的相互作用，以及菌種、酶制劑與動(dòng)物機(jī)體之間的相互作用和機(jī)理研究尚較少。

2.2 菌酶協(xié)同降解效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚不統(tǒng)一

由于菌酶協(xié)同發(fā)酵目的不一，所使用的酶制劑、菌種、發(fā)酵基質(zhì)差異較大，酶活定義和檢測(cè)方法不統(tǒng)一，導(dǎo)致菌酶協(xié)同發(fā)酵效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)難以制定，不同機(jī)構(gòu)研究成果無(wú)法通過(guò)數(shù)據(jù)直接對(duì)比，目前亟需權(quán)威性機(jī)構(gòu)制定標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)此行業(yè)進(jìn)行規(guī)范和引導(dǎo)。

2.3 菌酶協(xié)同發(fā)酵原料研究不平衡

雖然菌酶協(xié)同發(fā)酵相比單菌種或單酶制劑發(fā)酵具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，但由于該行業(yè)尚處于起步階段，國(guó)內(nèi)研究較少，且研究重點(diǎn)多集中在發(fā)酵蛋白原料，對(duì)于發(fā)酵農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品的研究則相對(duì)較少，對(duì)于發(fā)酵工業(yè)副產(chǎn)品的研究則非常稀缺。

3 展 望

菌酶協(xié)同既能夠縮短發(fā)酵周期，而且能夠充分利用活菌制劑優(yōu)化動(dòng)物機(jī)體環(huán)境，促進(jìn)機(jī)體生長(zhǎng)，減少疫病發(fā)生，降低生產(chǎn)成本，提高養(yǎng)殖效益。菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料的發(fā)酵效果優(yōu)于單菌種或者酶制劑處理效果，未來(lái)將會(huì)有越來(lái)越多的新型原料被挖掘和利用，發(fā)酵效果也會(huì)逐步提升，這對(duì)于我國(guó)減少工農(nóng)業(yè)廢棄物污染、開發(fā)新型飼料原料、提升養(yǎng)殖效率、改善食品安全將會(huì)產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響。