發酵工程在飼料工業中的應用及發展趨勢

摘要：發酵工程是生物工程的一個重要分支，可以分為固態發酵和液態發酵。發酵工程技術在微生物發酵飼料、微生物酶法生產維生素、飼料酶制劑等方面得到了廣泛運用。隨著分子生物學、微生物學、發酵工程學、儀器科學、自動化科學的發展，發酵工程必將在菌種選育、發酵工藝研究、新型發酵設備研制、發酵過程的低成本自動化控制等方面得到迅速發展。

關鍵字：發酵工程；發酵飼料；酶；維生素

中圖分類號：S816.34 文獻標識碼：B 文章編號：1007-273X(2008)05-0034-02

飼料和糧食生產一直是我國國民經濟的薄弱環節。由于受人口增長、耕地減少和肉食品消費增加的影響，我國糧食供需平衡十分脆弱。我國人均占有糧食一直在400kg以下，其中糧食總產量的40％左右用于飼料生產。在耕地和水資源長期緊缺的情況下，我國糧食產量已很難提高。飼料資源短缺的問題長期制約著我國畜牧業的發展，尤其是蛋白質飼料的嚴重不足已經成為全球性問題。發展高效飼料工業，提高糧食向畜牧產品的轉化效率和飼料利用率、開發新型飼料原料是滿足人民對肉、禽、魚、蛋越來越大的需求量的最佳途徑。用生物技術特別是微生物發酵技術來開發新型飼料資源、生產蛋白質飼料和新型添加劑越來越受到人們的重視。特別是進入21世紀后，利用微生物生產的飼料蛋白、酶制劑、氨基酸、維生素、抗生素和益生菌微生物制劑等飼料產品的使用使發酵工程技術在飼料工業中得到了更廣泛的應用。

1 發酵工程技術

發酵工程，又稱為微生物工程，是生物工程的一個重要分支。發酵工程主要研究微生物在發酵工程中具有普遍意義的工程技術問題，如微生物菌種的選育、活化與擴大培養。培養基的設計與篩選，滅菌技術，發酵工藝條件的控制技術，細胞的大規模培養，產物的分離純化和生產工藝的設計等內容。發酵工程可以分為固態發酵和液態發酵。

固態發酵有著悠久的歷史，早在2500年前就有中藥神曲的固態發酵生產。廣義上講是指一類使用不溶性固體基質來培養微生物的工藝過程，既包括將固態懸浮在液體中的深層發酵，也包括在沒有(或幾乎沒有)游離水的濕固體材料上培養微生物的工藝過程。多數情況下是指在沒有或幾乎沒有自由水存在下，在有一定濕度的不溶性固態基質中，用一種或多種微生物發酵的生物反應過程。與液態發酵相比固態發酵有以下優點：①培養基簡單且來源廣泛，多為便宜的天然基質或工業生產的下腳料，如稻草、糠、薯類、醋精等；②投資少，能耗低，技術簡單；③產物的產率較高；④不需要廢水處理。環境污染較少，后處理加工方便；⑤發酵過程一般不需要嚴格的無菌操作；⑥通氣一般可由氣體擴散或間歇通風完成，不需要連續通風，空氣一般也不需嚴格的無菌空氣。但發酵工程中引起的傳熱、傳質困難等也是固態發酵過程中所面臨的新問題。液態發酵的工藝特點是利用液態培養基進行微生物的生長繁殖并形成人們所需要的代謝產物。液態發酵分為液體表面發酵、液體深層通氣發酵、液體厭氧發酵法3種。其中，液體深層通氣發酵是現代發酵工業普遍采用的方法，我國的抗生素發酵、氨基酸生產、維生素發酵、酶制劑發酵等均采用此法。

2 發酵技術在飼料工業中的應用

2.1 微生物發酵飼料

微生物發酵飼料主要是酵母及其相關產品，是以酵母為主的多菌種發酵而成，所用原材料非常廣泛，涉及米糠、秸稈、血粉、餅粕和各種食品工業下腳料。微生物發酵飼料在提高飼料蛋白質、改善適口性、提高消化吸收等方面顯示出了強大的優越性。酵母培養物是一種獨特的酵母產品，由特定的酵母菌種按特定的工藝和培養基進行發酵而形成。它含有一定的活性酵母。其主要的使用價值在于酵母細胞在培養基中產生的代謝產物和胞壁甘露寡糖。甘露寡糖對蛋雞在炎熱季節可以維持其采食量，有助于種母雞增加蛋重和老年母雞維持良好的蛋殼品質，提高飼料利用率，并可提高種母雞產蛋率。發酵飼料的另一個產品是青貯飼料，青貯技術中關于微生物青貯接種劑的研究與應用一直處于最為重要的地位。在北美和歐洲國家，青貯飼料制作已經廣泛使用微生物青貯添加劑，其效果已經為研究和生產領域所證實和接受。傳統青貯技術在青貯過程中營養物質損失大，易腐敗。但微生物青貯劑可以有效控制青貯飼料發酵模式，減少青貯飼料損失。并可以有效改善青貯飼料的適口性。

2.2 微生物酶法生產維生素

泛酸鈣作為維生素飼料添加劑，在畜禽養殖中具有重要的作用。最近國內篩選得到了能高產D－泛解酸內酯水解酶的微生物菌株，進行了DL－泛解酸內酯中間體拆分，產品質量能滿足D－泛酸鈣的生產要求，技術可以產業化。核黃素發酵所用碳源除碳水化合物外。還有液體的油脂。美、日、英、蘇、德國已用微生物發酵法生產核黃素。中國1960年開始用阿舒假囊酵母固體發酵法制造核黃素。作為奶糕的營養添加物。使用深層培養法，核黃素的產量可大大提高。

2.3 飼料酶制劑

從生物中提取的具有生物催化能力的酶，再輔以其他成分，用于加速飼料加工過程、改善飼料營養價值和提高飼料質量的制品，稱為飼料酶制劑。由于從動、植物中直接提取的酶價格昂貴，所以飼用酶制劑主要是通過微生物發酵而獲得的。市場上銷售的酶制劑大體可以分為單一酶制劑和復合酶制劑。目前飼用酶制劑近20種，其中常用的酶制劑有8種，分別是：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶、植酸酶和半乳糖苷酶。

目前飼用酶制劑通過微生物發酵生產的工藝是：通過篩選、誘變具有分泌所需酶能力的微生物菌株，或通過基因工程技術，將產酶基因轉移到成本低、能大規模發酵生產的微生物內，進行菌種擴大培養，接種于滅菌原料中發酵，經后處理后包裝得到成品。我國草食動物的大規模飼養必須依賴于農作物秸稈的高效利用。秸稈表面脂質和內部的木質素是降解關鍵。在豆科牧草、米糠、玉米、餅粕、秸稈等，其表面脂質是重要的抗營養因子。利用微生物酶制劑，消除和降解飼料原料中的抗營養因子是提高消化率、節約飼料的關鍵。在全脂米糠、高油玉米、草苜蓿粉、血粉、餅粕等的飼料中添加脂肪酶，可提高表觀消化能，提高豬禽增重速度，提高飼料利用率，并可以減少糞便排泄量。在青貯添加劑中，國外很多使用酶制劑特別是耐酸性脂肪酶來提高秸稈生物學價值，其經濟和社會效益巨大。

飼料生物技術及微生物發酵工程的發展水平是衡量國家飼料工業高科技發展程度的重要標志。應用生物工程技術，特別是利用基因工程技術，開發新型飼料，提高飼料品質，提升飼料工業的技術水平，符合經濟全球化和競爭國際化發展戰略需求，是未來高科技飼料工業的發展方向。隨著分子生物學、微生物學、發酵工程學、儀器科學、自動化科學的發展，發酵工程必將在新型、高效菌種選育、發酵工藝研究、新型發酵設備研制、發酵過程的低成本自動化控制等方面得到巨大發展，造福人類。