菌酶協(xié)同發(fā)酵非常規(guī)蛋白原料在畜禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究進(jìn)展

張永勝， 周曉舟， 張遨然， 周桂蓮， 李 勇，3，閆亞婷， 黃金發(fā)，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(tuán)有限公司，山東青島 266100）

為擴(kuò)大蛋白飼料來(lái)源，提高非常規(guī)蛋白原料利用率，2021年4月農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布了《豬雞飼料玉米豆粕減量替代技術(shù)方案》，以菜籽粕、棉籽粕、花生粕等非常規(guī)蛋白原料替代豆粕，保證原料有效供給。非常規(guī)蛋白原料的開發(fā)應(yīng)用是近幾年研究熱點(diǎn)之一，生物發(fā)酵、酶解是高效利用非常規(guī)蛋白原料的方法。非常規(guī)蛋白原料中抗?fàn)I養(yǎng)因子含量高、氨基酸不平衡，經(jīng)過發(fā)酵、酶解處理可提高動(dòng)物的飼料消化率、降低原料中抗?fàn)I養(yǎng)因子含量，從而提高飼料營(yíng)養(yǎng)利用價(jià)值、改善動(dòng)物生長(zhǎng)性能、降低生產(chǎn)成本（Shi等，2015）。但國(guó)內(nèi)外研究人員常采用豆粕為發(fā)酵基質(zhì)，對(duì)以非常規(guī)蛋白原料為基質(zhì)的發(fā)酵技術(shù)，特別是菌酶協(xié)同發(fā)酵技術(shù)研究相對(duì)較少。菌酶協(xié)同發(fā)酵是飼料原料發(fā)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(jìn)行發(fā)酵；菌酶協(xié)同發(fā)酵可彌補(bǔ)單獨(dú)利用益生菌發(fā)酵產(chǎn)酶不足的缺點(diǎn)，同時(shí)酶制劑的添加可提高在發(fā)酵過程中益生菌對(duì)飼料原料大分子物質(zhì)的利用率；將大分子蛋白質(zhì)降解成具有特殊生理功能的小肽物質(zhì)，提高蛋白質(zhì)消化率，進(jìn)而提高菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料品質(zhì)（Li等，2021）。研究表明，菌酶發(fā)酵菜籽粕有助于提高粗蛋白質(zhì)、脂肪、粗纖維的消化率，改善動(dòng)物腸道微生物群，減少抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)，有利于動(dòng)物健康（Olukomaiya等，2021；Grela等，2019）。因此，菌酶協(xié)同發(fā)酵對(duì)于非常規(guī)蛋白原料開發(fā)應(yīng)用具有重要意義。

1 飼料蛋白原料的現(xiàn)狀

隨著養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模化、集約化發(fā)展，我國(guó)蛋白飼料資源無(wú)法滿足畜禽生產(chǎn)實(shí)際需求量。優(yōu)質(zhì)常規(guī)蛋白原料嚴(yán)重匱乏，如大豆、魚粉等，其中大豆80%依靠進(jìn)口。每年從國(guó)外進(jìn)口大量飼料蛋白原料，2019年我國(guó)大豆進(jìn)口量8851萬(wàn)t，約為產(chǎn)量的4倍，2021年1～11月份我國(guó)大豆進(jìn)口量8765萬(wàn)t；同時(shí)2017-2019年我國(guó)魚粉進(jìn)口量保持較高水平，2019年我國(guó)魚粉進(jìn)口量142萬(wàn)t，約為產(chǎn)量的2倍，2021年1～10月份我國(guó)進(jìn)口魚粉數(shù)量1581703 t，同比增長(zhǎng)27.56%（飼料行業(yè)信息網(wǎng)，2021）。由此可見我國(guó)大豆、魚粉供求關(guān)系緊張，對(duì)常規(guī)蛋白飼料原料進(jìn)口存在依賴性。因此，充分利用好蛋白飼料資源，提高非常規(guī)蛋白飼料原料利用率是我國(guó)發(fā)展畜牧業(yè)的重要任務(wù)（Kim等，2019）。我國(guó)擁有豐富的非常規(guī)蛋白原料資源，如菜籽粕、棉籽粕、花生粕等，菜籽粕年產(chǎn)量約900萬(wàn)t，棉籽粕約500萬(wàn)t，花生粕約370萬(wàn)t。菜籽粕粗蛋白質(zhì)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(dá)到60%以上；棉仁完全脫殼制成的棉籽粕粗蛋白質(zhì)含量達(dá)40%以上，優(yōu)質(zhì)棉籽粕可作為生豬飼料中良好的蛋白原料來(lái)源替代50%豆粕；花生粕營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高，粗蛋白質(zhì)含量高達(dá)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(guó)非常規(guī)蛋白原料市場(chǎng)廣闊，利用非常規(guī)蛋白原料替代常規(guī)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(jìn)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(guó)畜牧業(yè)生產(chǎn)效率，促進(jìn)其健康可持續(xù)發(fā)展。

2 非常規(guī)蛋白原料應(yīng)用存在的問題

2.1 抗?fàn)I養(yǎng)因子含量高 我國(guó)非常規(guī)蛋白原料資源豐富，但其利用率極低；原因在于非常規(guī)蛋白原料中含有大量的抗?fàn)I養(yǎng)因子，無(wú)法直接利用。菜籽粕含有大量的硫苷、單寧、植酸等抗?fàn)I養(yǎng)成分，嚴(yán)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(dòng)物生長(zhǎng)（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(zhì)中的賴氨酸相結(jié)合，導(dǎo)致賴氨酸利用率降低，從而降低棉籽粕的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值（Henry等，2001）?；ㄉ梢赘腥军S曲霉菌產(chǎn)生黃曲霉毒素，花生粕還含有多種抗?fàn)I養(yǎng)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?fàn)I養(yǎng)因子，含量約為1.5%；植酸與酶的堿性氨基酸殘基結(jié)合，會(huì)抑制代謝酶活，影響機(jī)體對(duì)蛋白質(zhì)的消化吸收（Sun等，2021；Zouaoui等，2018）。

消除原料中抗?fàn)I養(yǎng)因子的影響可提高飼料利用價(jià)值；常用方法有加熱法、機(jī)械加工法、化學(xué)添加劑法、酶制劑法和生物發(fā)酵法等。物理、化學(xué)方法可降低抗?fàn)I養(yǎng)因子含量，同時(shí)也導(dǎo)致了飼料原料中有效營(yíng)養(yǎng)成分流失。生物發(fā)酵法能有效降低抗?fàn)I養(yǎng)因子含量，兼具處理效率高、無(wú)試劑殘留、應(yīng)用安全、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失少等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際畜禽生產(chǎn)中被廣泛使用（鄧雪娟等，2019）。

2.2 適口性差 非常規(guī)蛋白原料引起適口性差的主要原因是抗?fàn)I養(yǎng)因子和毒性成分。菜籽粕的主要抗?fàn)I養(yǎng)因子硫苷，在芥子酶的作用下分解產(chǎn)生異硫氰酸酯、惡唑烷硫酮等有毒物質(zhì)，嚴(yán)重影響動(dòng)物適口性和菜籽粕的利用率（Reungoat等，2021）。研究表明，長(zhǎng)期過量使用菜籽粕會(huì)引起動(dòng)物甲狀腺腫大、采食量下降、生長(zhǎng)抑制（Fu等，2021）。非常規(guī)蛋白原料中的抗?fàn)I養(yǎng)因子植酸也會(huì)造成適口性差，而單胃動(dòng)物缺乏植酸酶，無(wú)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(duì)鈣磷等礦物質(zhì)元素的親和性，可提高機(jī)體對(duì)于礦物質(zhì)元素的吸收，增加采食量（郭文文等，2015）。通過菌酶協(xié)同發(fā)酵技術(shù)，可有效降低非常規(guī)蛋白原料中的抗?fàn)I養(yǎng)因子含量，改善飼料適口性，提高動(dòng)物生產(chǎn)性能。

2.3 氨基酸組成不平衡 非常規(guī)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(duì)較低；棉籽粕精氨酸含量高于豆粕，但賴氨酸含量遠(yuǎn)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(yīng)可解決非常規(guī)蛋白因氨基酸不平衡導(dǎo)致利用率低的問題（姚妙愛，2006）。Boroojeni等（2017）研究報(bào)道，蛋白飼料原料通過菌酶協(xié)同發(fā)酵可提高標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)蛋白酶的菌種或外源添加蛋白酶制劑協(xié)同發(fā)酵可分解原料中的大分子蛋白質(zhì)，產(chǎn)生特定功能小肽和氨基酸，使之平衡并提高蛋白質(zhì)的消化率（Kim等，2019；王詩(shī)琦等，2019）。

3 菌酶協(xié)同發(fā)酵的應(yīng)用研究

3.1 菌酶協(xié)同發(fā)酵的作用 菌酶協(xié)同發(fā)酵以酶制劑和益生菌有效結(jié)合互作發(fā)酵，高效協(xié)同發(fā)揮降解飼料原料、提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)包括大分子蛋白質(zhì)、氨基酸、礦物質(zhì)元素、特定功能性小肽等含量的作用；同時(shí)，具有改善飼料品質(zhì)，提高適口性，促進(jìn)動(dòng)物機(jī)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收等功能。菌酶協(xié)同發(fā)酵能降低抗?fàn)I養(yǎng)因子含量，提高動(dòng)物生長(zhǎng)性能和免疫力，促進(jìn)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(shù)量，同時(shí)顯著增加乳酸桿菌數(shù)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(chǎn)生單糖能為菌體合成蛋白提供能量。Li等（2020）研究發(fā)現(xiàn)，芽孢桿菌在發(fā)酵過程中利用基質(zhì)產(chǎn)生纖維素酶，破壞細(xì)胞壁中主要成分纖維素，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)從原料中釋放出來(lái)，有利于動(dòng)物機(jī)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化利用。菌酶協(xié)同發(fā)酵能改變飼料的物理性狀，益生菌在發(fā)酵過程中生長(zhǎng)繁殖并分泌出一定量的胞外酶，胞外酶產(chǎn)生的醇、酯等物質(zhì)可以改善飼料品質(zhì)、提高適口性。飼料原料通過微生物發(fā)酵將抗?fàn)I養(yǎng)因子和有毒成分進(jìn)行降解或轉(zhuǎn)化，有效降低了抗?fàn)I養(yǎng)因子對(duì)動(dòng)物機(jī)體的不良影響，從而提高飼料原料品質(zhì)。

3.2 菌酶協(xié)同發(fā)酵的工藝研究 飼料原料的菌酶協(xié)同發(fā)酵技術(shù)一般采用一次固態(tài)發(fā)酵工藝，即發(fā)酵基質(zhì)中同時(shí)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(zhǎng)提供能量，而菌種生長(zhǎng)繁殖中分泌大量酶類降解飼料原料中的蛋白質(zhì)、纖維等物質(zhì)，同時(shí)將粗蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為菌體蛋白，使機(jī)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)更容易吸收利用（Heng等，2022；Zhang等，2020）。在充分研究菌種和酶協(xié)同發(fā)酵的反應(yīng)條件下，獲得比單一酶制劑或益生菌發(fā)酵更好的效果。帖余等（2019）研究報(bào)道，通過黑曲霉發(fā)酵和酶解二次法處理菜籽粕，利用發(fā)酵過程中產(chǎn)生的多種酶進(jìn)一步降解菜籽粕中抗?fàn)I養(yǎng)因子，結(jié)果表明相比一次發(fā)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(fā)酵作為前發(fā)酵，乳酸菌及酵母菌厭氧發(fā)酵作為后發(fā)酵對(duì)豆粕進(jìn)行二次發(fā)酵，結(jié)果表明二次發(fā)酵豆粕中抗原蛋白的降解率大于一次發(fā)酵。二次發(fā)酵工藝是在基質(zhì)中分別添加菌種、酶處理或混菌依次發(fā)酵，其優(yōu)點(diǎn)在于考慮到不同菌種和酶的生長(zhǎng)環(huán)境和發(fā)酵參數(shù)，為菌種、酶分別創(chuàng)造最佳反應(yīng)條件，飼料原料中抗?fàn)I養(yǎng)因子降解效果優(yōu)于一次發(fā)酵，但二次發(fā)酵的工藝更加復(fù)雜、發(fā)酵參數(shù)差異大，對(duì)發(fā)酵設(shè)備要求極高，生產(chǎn)成本相較于一次發(fā)酵更高，因此對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)而言，一次發(fā)酵更具有實(shí)用性。采用固態(tài)發(fā)酵工藝較液態(tài)發(fā)酵更具優(yōu)勢(shì)，原因在于液態(tài)發(fā)酵在過程中易感染雜菌且后期會(huì)出現(xiàn)代謝產(chǎn)物抑制現(xiàn)象，而固態(tài)發(fā)酵終產(chǎn)物濃度高、發(fā)酵時(shí)間短、代謝產(chǎn)物抑制效果小（Yusuf等，2021）。研究表明，發(fā)酵時(shí)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(zhì)含量顯著增加（P＜0.05），發(fā)酵時(shí)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(tài)發(fā)酵的工藝參數(shù)差別較大，發(fā)酵工藝參數(shù)包括：菌種特性、菌種數(shù)量、發(fā)酵溫度、發(fā)酵初始pH、料水比、發(fā)酵時(shí)間、菌株接種量、酶的種類及添加劑量等，合理的工藝參數(shù)才能獲得較好的發(fā)酵效果。

3.3 菌酶協(xié)同發(fā)酵非常規(guī)蛋白原料的研究進(jìn)展針對(duì)菜籽粕、棉籽粕和花生粕等非常規(guī)蛋白原料采用菌酶協(xié)同發(fā)酵技術(shù)值得探討，菌酶協(xié)同發(fā)酵能降低原料中抗?fàn)I養(yǎng)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(fā)酵基質(zhì)，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(fā)酵48 h建立最佳發(fā)酵工藝，結(jié)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(fā)酵前提高1.84倍，賴氨酸含量提高49.6%。楊家?guī)洠?010）將枯草芽孢桿菌、蠟質(zhì)芽孢桿菌、干酪乳桿菌三菌組合和中性蛋白酶協(xié)同發(fā)酵菜籽粕，發(fā)酵工藝參數(shù)：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(fā)酵溫度35℃，發(fā)酵時(shí)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(zhì)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(fā)酵28 h后，再用3種乳酸桿菌1：1：1比例39℃接種培養(yǎng)48 h，結(jié)果發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)組硫代葡萄苷含量顯著低于不做處理的對(duì)照組（P＜0.05），降低了62%，同時(shí)提高了菜籽粕的干物質(zhì)和粗蛋白質(zhì)利用率，酶解增強(qiáng)了乳酸菌的發(fā)酵特性。菌酶協(xié)同發(fā)酵在一定程度上有效降低了棉籽粕、菜籽粕抗?fàn)I養(yǎng)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(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

3.4 菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料在畜牧養(yǎng)殖中的應(yīng)用Ashayerizadeh等（2018）發(fā)現(xiàn)肉雞日糧中添加50%和100%發(fā)酵菜籽粕與傳統(tǒng)豆粕日糧相比，日增重和飼料轉(zhuǎn)化率顯著提高，肌肉中膽固醇和丙二醛濃度降低，說(shuō)明發(fā)酵菜籽粕替代豆粕能提高肉雞的生長(zhǎng)性能、抗氧化性能和肉品質(zhì)。發(fā)酵菜籽粕還能提高動(dòng)物機(jī)體免疫力，增加肉雞腸道乳酸菌種群，降低沙門氏菌對(duì)器官的損傷，顯著降低異粒細(xì)胞與淋巴細(xì)胞的比率 （Ashayerizadeh等，2017）。Zhang等（2017）研究表明，飼喂發(fā)酵豆粕的仔豬平均日增重和采食量顯著高于抗生素組，發(fā)酵豆粕組空腸和回腸中促炎因子mRNA表達(dá)量降低，菌酶協(xié)同發(fā)酵飼料能降低仔豬的炎癥，提高仔豬生長(zhǎng)性能。Grela等（2019）在日糧中添加4%～9%的發(fā)酵菜籽粕替代豆粕可顯著改善母豬生產(chǎn)性能，增加28日齡的窩產(chǎn)仔數(shù)和窩重，同時(shí)有助于提高粗蛋白質(zhì)、脂肪和粗纖維消化率，對(duì)母豬的腸道菌群產(chǎn)生積極影響。發(fā)酵菜籽粕是減少抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)和增加飼料中乳酸水平的有效方法，可降低腹瀉的嚴(yán)重程度和死亡率，從而改善仔豬的生長(zhǎng)性能。馮江鑫等（2020）研究發(fā)現(xiàn)，添加發(fā)酵豆粕日糧的仔豬干物質(zhì)、粗蛋白質(zhì)、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(huán)蛋白-1（ZO-1）和回腸密閉蛋白（OLCN）基因mRNA相對(duì)表達(dá)量顯著提高，菌酶協(xié)同發(fā)酵飼糧可提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化率，改善腸道健康，降低腹瀉率，從而提高仔豬的生長(zhǎng)性能，且效果相當(dāng)于或優(yōu)于添加金霉素飼糧。

4 小結(jié)

菌酶協(xié)同發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的細(xì)菌微生物生命活動(dòng)與酶共同參與的生物化學(xué)反應(yīng)過程，針對(duì)非常規(guī)蛋白原料建立的菌酶協(xié)同發(fā)酵技術(shù)尚不完善，國(guó)內(nèi)外研究報(bào)道較少；但相對(duì)于傳統(tǒng)豆粕發(fā)酵而言，菌酶協(xié)同發(fā)酵非常規(guī)蛋白原料更具有研究前景。目前，菌酶發(fā)酵作用機(jī)理尚不明確，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)菌種的形態(tài)、生長(zhǎng)特性、生物學(xué)功能；酶的分子結(jié)構(gòu)、酶活特性及功能有深入研究，但酶與菌種之間互作效應(yīng)、菌酶協(xié)同發(fā)酵與動(dòng)物機(jī)體之間作用的機(jī)理研究較少。菌酶協(xié)同發(fā)酵可提高動(dòng)物生長(zhǎng)性能、免疫力等，促進(jìn)腸道健康，其效果優(yōu)于單一微生物發(fā)酵或酶制劑發(fā)酵，隨著科研人員對(duì)菌酶協(xié)同發(fā)酵技術(shù)不斷探索，未來(lái)會(huì)出現(xiàn)更多的菌酶協(xié)同發(fā)酵非常規(guī)蛋白飼料原料的組合產(chǎn)品，這對(duì)緩解我國(guó)優(yōu)質(zhì)蛋白資源匱乏，提高非常規(guī)蛋白原料利用率有著深遠(yuǎn)意義。