微生物與酶制劑在秸稈發酵飼料生產中的應用

趙 萍，夏文旭，趙 瑛，王 聰，芮文君，邱 悅，王 雅，舒宗美，莊 巖，宋 佳

（1.蘭州理工大學 生命科學與工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省農業科學院 生物技術研究所，甘肅 蘭州 730070）

人們一直探索如何解決動物生產產量偏低這一難題，直至20世紀50年代，人們發現在動物飼料中添加抗生素（antibiotics）可以顯著提高動物的生產率，這一發現對推進畜牧業的集約化發展做出了巨大貢獻[1]。近年來，飼喂含有抗生素飼料的危害受到社會各界的日益關注。2004年，世界貿易組織（world trade organization，WTO）、聯合國糧農組織（food and agriculture organization，FAO）和世界動物衛生組織（world organisation for animal health，OIE）聯合召開非人用抗生素使用問題的專題討論會。自2006年1月起，歐盟已全面禁止在畜禽飼料中添加抗生素，我國也在逐漸減少抗生素的使用，人們開始尋求其他方法來保證畜牧業生產的效率與效益[1]。

我國畜牧業受耕地資源的制約，其發展使人畜共糧的矛盾日益突出，因此研究與開發新型飼料資源已成為畜牧業能否可持續發展的關鍵，其中利用微生物與酶制劑發酵飼料這一途徑日益受到重視[2]。21世紀，我國糧食問題本質上就是解決畜牧業飼料資源的短缺問題[3]，而發酵飼料不僅能夠提高原料中的淀粉、蛋白質等成分的消化利用率，改善適口性，提高營養價值，調節動物腸道的微生態平衡，減少抗生素的添加，提高畜產品的食品安全性[4]，還能降解非常規原料中的抗營養因子和有害成分，改善動物的機體健康，擴大飼料原料的適用范圍[5]。發酵飼料不但具有質量好、安全性高和效果穩定的特點，而且具有原料來源廣泛和生產成本較低的優勢引起世界飼料行業的重視，并已開始產業化生產[6]。因此，開發新型飼料資源，對推動畜牧養殖業的可持續發展具有重要的意義。

1 發酵飼料的概況

1.1 發酵飼料

發酵飼料是指在人工控制條件下，微生物通過自身代謝活動或者添加酶制劑將植物性、動物性和礦物性飼料原料中的抗營養因子分解轉化為易被牲畜消化、吸收且無毒害的飼料[7-8]。經過微生物與酶制劑發酵處理的飼料，品質得到提高，對動物不僅無毒害、易吸收，同時能起到促生長、維持體內微生態的平衡、增強免疫力和防病治病的作用[9]。

1.2 發酵飼料生產中的有益微生物

近年來，微生物和酶制劑在畜牧養殖業中得到廣泛應用，用于發酵飼料生產的微生物主要包括細菌、酵母菌及部分單細胞藻類等。美國已批準40多種微生物添加劑的生產，1999年我國農業部公布了12種飼料級微生物添加劑的微生物菌種名單[10]。2013年農業部再次發布《飼料添加劑品種目錄（2013）》（公告第2045號），允許可用于飼料生產的微生物增加到了34種，包括芽孢桿菌屬（Bacillussp.）6種（地衣芽孢桿菌B.licheniformis、枯草芽孢桿菌B.subtilis、遲緩芽孢桿菌B.lentus、側孢短芽孢桿菌Brevibacillus laterosporu、短小芽孢桿菌B.pumilus、凝結芽孢桿菌B.coagulans），雙歧桿菌屬（Bifidobacteriumsp.）6種（長雙歧桿菌B.longum、短雙歧桿菌B.breve、動物雙歧桿菌B.animalis、嬰兒雙歧桿菌B.infantis、青春雙歧桿菌B.adolescentis、兩歧雙歧桿菌B.bifidum），乳桿菌屬（Lactobacillussp.）10種（羅伊氏乳桿菌L.reuterii、嗜酸乳桿菌L.acidophilu、干酪乳桿菌L.casei、乳酸乳桿菌L.delbruckii、植物乳桿菌L.plantarum、纖維二糖乳桿菌L.cellobisus、發酵乳桿菌L.fermentium、保加利亞乳桿菌L.bulgaricus、布氏乳桿菌L.buchneri、副干酪乳桿菌L.paracasei），腸球菌屬（Enterococcussp.）2種（糞腸球菌E.faecalis、屎腸球菌E.faecium），片球菌屬（Pediococcussp.）2種（乳酸片球菌P.acidilactici、戊糖片球菌P.pentosaceus），酵母屬（Saccharomycessp.）1種（釀酒酵母S.cerevisiae），假絲酵母屬（Candidasp.）1種（產朊假絲酵母C.utilis），紅假單胞菌屬（Rhodopseudomonassp.）1種（沼澤紅假單胞菌R.palustris），丙酸桿菌屬（Propionibacteriumsp.）1種（產丙酸丙酸桿菌P.acidipropionici），鏈球菌屬（Streptococcussp.）2種（乳酸腸球菌S.faecalis、嗜熱鏈球菌S.thermophilus），曲霉屬（Aspergillussp.）2種（黑曲霉A.niger、米曲霉A.oryzae），其中芽孢桿菌科梭菌屬（Clostridiumsp.）的丁酸梭菌（C.butyricum）為監測期內的新飼料添加劑[11]。目前，市場上用于飼料發酵的益生菌主要包括乳酸菌（lactic acid bacteria，LAB）、芽孢桿菌（Bacillus）、鏈球菌（Streptococcus）和霉菌（mold）等。

1.2.1 乳酸菌

乳酸菌作為微生物飼料添加劑中研究報道得最多的一類微生物，是可以轉化碳水化合物產生乳酸的一類細菌的總稱。乳酸菌（LAB）在腸道內通過代謝可產生多種抑菌物質，如細菌素（bacteriocin）、類細菌素（bacteriocin-like）、有機酸（organic acid）和過氧化氫（H2O2）等。乳酸菌產生的細菌素對許多革蘭氏陽性菌（G+）具有抑制作用[12]，產生的H2O2能夠抑制革蘭氏陰性（G-）病原菌的生長。

1.2.2 芽孢桿菌

芽孢桿菌作為零星存在于動物腸道微生物菌群中的一類好氧性生長菌，具有抗逆性強、耐高溫、耐高壓、易貯存，且能夠維持厭氧環境等特性，促進乳酸菌（LAB）、雙歧桿菌（Bifidobacteriumsp.）等厭氧益生菌的生長，抑制需氧致病菌的生長，維持腸道菌群平衡。目前主要應用在飼料添加劑生產中，且作為發酵飼料生產的芽孢桿菌屬中的微生物包括枯草芽孢桿菌（B.subtilis）和地衣芽孢桿菌（B.licheniformis）等[13]。蠟狀芽孢桿菌（B.cereus）在飼料生產中應用研究有相關報道[13-14]，但在《飼料添加劑品種目錄（2013）》中未列出，而據報道B.cereus能產生一種嘔吐毒素和多種腸毒素（enterotoxin），主要引發嘔吐和腹瀉型食物中毒[15]，因此其在飼料中應用的安全性有待考證。

1.2.3 鏈球菌

鏈球菌主要包括乳酸腸球菌（S.faecalis）和屎腸球菌（S.lactis），可產生多種抗菌物質和H2O2而起到抑制病原菌、消除代謝過程中的有毒、有害物質，從而起到整腸的效果[16]。

1.2.4 霉菌

常用的霉菌有曲霉屬（Aspergillussp.）的黑曲霉（A.niger）和米曲霉（A.oryzae）等[17]，主要用于分解飼料原料中一些動物難以消化的的纖維素、半纖維素、木質素和淀粉等大分子物質。根霉屬（Rhizopussp.）霉菌在《飼料添加劑品種目錄（2013）》中未列出，但實際生產中根霉屬（Rhizopussp.）的黑根霉（R.nigrican）和米根霉（R.oryzae）廣泛應用于食品加工和飼料生產。

1.3 發酵飼料生產中的有益酶制劑

我國對飼料酶制劑的應用有嚴格的規定，1999年，我國農業部公布允許使用飼料級酶制劑12類[10]；2013年，農業部發布《飼料添加劑品種目錄（2013）》可用于飼料生產的酶制劑歸并增加為13類，包括淀粉酶（amylase）、α-半乳糖苷酶（α-galactosidase）、纖維素酶（cellulase）、β-葡聚糖酶（β-glucanase）、葡萄糖氧化酶（glucose oxidase）、脂肪酶（lipase）、麥芽糖酶（maltase）、β-甘露聚糖酶（β-mannanase）、果膠酶（pectinase）、植酸酶（phytase）、蛋白酶（protease）、角蛋白酶（keratinase）和木聚糖酶（xylanase）。溶菌酶（lysozyme）和黃曲霉毒素B1分解酶（aflatoxin B1decomposition enzyme）為監測期內的新飼料添加劑[11]。

2 微生物與酶制劑在發酵飼料中的應用

2.1 微生物類飼料

微生物飼料就是對微生物在自身生長繁殖和新陳代謝過程中利用原料產生的對動物有用的菌體、酶、維生素和抗菌素等代謝產物，并進一步加工和調制的飼料。根據其來源和性質大致可分為4類：

東湖開發區緊鄰中心城區，依山傍水。區內地勢北高南低，湖泊密布，山巒起伏，再加上外圍風景區、森林公園等綠化和水面多達200km2。由于武漢市已經進入2015年“海綿城市”建設試點城市，東湖開發區作為武漢市未來建設的重點區域，應積極響應住建部的號召，開展“海綿城市”的建設工作。

（1）固態發酵飼料

微生物在固體狀態下發酵，使原料原有的理化性能發生改變，如將秸稈、秕殼等殘渣轉變為發酵飼料，或將有毒的餅粕脫毒、解毒為無毒、低毒的優質飼料等，這樣不僅能夠提高動物對飼料的消化吸收率，還能延長飼料的貯存期限。這一類型的飼料主要包括：微貯飼料、發酵粗飼料、擔子菌發酵飼料、下腳料發酵飼料、餅粕脫毒飼料、發酵菌體飼料（如酵母飼料等），固態發酵酶制劑、微生態制劑等[2]。

（2）菌體蛋白飼料

微生物在液態培養基質中大量繁殖生長出的菌體單細胞蛋白（single cell protein，SCP），如酵母、菌體培養液、食用菌菌絲、藻類等[5]。

（3）代謝產物飼料

利用生物技術積累微生物發酵過程中的有益代謝產物或特殊代謝物質，如氨基酸、酶、抗生素、維生素等[6]。

（4）活菌制劑飼料

生產可直接用來飼喂的微生物，又叫微生態制劑、益生素等[3]。

2.2 酶制劑類

消化性酶主要包括α-淀粉酶（α-amylase）、糖化酶（amyloglucosidase）、酸性和中性蛋白酶（acidic and neutral protease），能夠輔助動物消化，降解淀粉和蛋白質，使之成為易被消化吸收的小分子物質。

非消化性酶主要包括木聚糖酶（xylanase）、果膠酶（pectinase）、甘露聚糖酶（mannanase）、β-葡聚糖酶（β-glucanase）、纖維素酶（cellulase）等非淀粉多糖酶和植酸酶（phytase）[19]，添加外來酶系的手段促進動物特別是單胃動物對這類大分子營養物質的消化。植酸酶具有解除植酸抗營養作用的能力，在肉食仔雞、產蛋鴨、鵝和豬的飼料中補充植酸酶，具有良好的增值效果[20]。

3 微生物與酶制劑發酵飼料存在的問題

微生物與酶制劑作為飼料添加劑的價值已被眾多的飼料生產和養殖企業認可，但與抗生素（antibiotics）的生產和應用相比仍存在許多局限性[21]。

3.1 發酵飼料的菌種保存問題

微生物和酶制劑在培養、分離、純化、干燥、分裝、保存等工藝中，由于高溫、機械、制粒工序都有可能導致其活力的下降。因此，選擇一種經濟、高效地制備菌種的方法對于推廣發酵飼料使用有著重要意義。

3.2 發酵飼料的產品標準問題

微生物和酶制劑在發酵代謝中會產生各種代謝產物，由于缺乏對其有效成分的研究，導致發酵飼料品質難以統一。因此，建立健全的行業檢測標準和方法顯得十分必要。

3.3 發酵飼料的效果穩定問題

由于各種發酵飼料的菌種和酶制劑組合、篩選、培育的方法不同以及動物種類和生產水平、飼喂條件等因素的差異，導致發酵飼料的實際應用效果差異較大，難以保持穩定的效果。因此，篩選出適宜的微生物與酶制劑，進一步研究發酵飼料中的有效成分，深入探索其適用的動物種類及劑量十分必要[22]。

3.4 發酵飼料的安全問題

微生物區系平衡被打破后，益生菌在特定情況下有可能會轉變為病原菌[23]，如乳酸桿菌引起的臨床感染[24]；耐藥菌攜帶并轉移抗生素抗性基因，在宿主體內產生抗性因子，如MORELLI L等[25]在不同屬種的乳酸桿菌中發現了腸球菌的pAMβ1質粒。因此，發酵飼料的使用應充分考慮到動物、消費者以及環境等安全方面的問題，必須經嚴格的科學試驗證明其無害后才能推廣應用。

3.5 發酵飼料的監督檢驗問題

我國關于微生物飼料添加劑的標準有國標GB/T 23181—2008《微生物飼料添加劑通用要求》[26]、農業部標準NY/T 1444—2007《微生物飼料添加劑技術通則》[27]，在一定程度上規范了微生物發酵飼料的生產，但發酵飼料的生產目前仍缺乏健全的監督體制，這也是制約微生物添加劑發展的重要因素[28]。

3.6 發酵飼料的生產問題

我國大多數發酵飼料廠是小型飼料廠，基礎條件差，發酵設備和專業人員有限，對微生物、酶制劑和發酵工藝了解甚少，飼料廠缺乏相應的生產設施和生產管理監督檢驗制度，是得產品存在一定的安全隱患[29]。因此，培育大量的專業人員和增加相應的生產設施在保障發酵飼料的安全生產中起著重要作用。

3.7 發酵飼料的使用問題

發酵飼料在這幾年已經被大多數企業所認可，正在朝著好的方向發展，但養殖場人員對于發酵飼料的用法還比較模糊，還需更多的宣傳工作[30]。因此，如何正確的將微生物及酶制劑發酵飼料引入到養殖場內，讓養殖戶能夠正確、有效的使用是比較關鍵的事情。

4 微生物與酶制劑發酵飼料展望

微生物和酶制劑種類眾多，資源豐富且開發潛力巨大。為了生產質優價廉的發酵飼料，需要規模較大、自動化程度較高的固體發酵設備，提高微生物與酶制劑發酵飼料產品質量、降低生產成本，同時還需要各研究人員不斷發掘新的微生物飼料菌株或改良現有菌種，特別是能大量分泌纖維素酶、淀粉酶、蛋白酶等酶類的優良菌種[31]。

能將飼料原料中的抗營養因子分解成為更能被動物消化吸收的菌種比比皆是，但我國允許使用的微生物尚不能滿足發酵飼料的發展需求，這就需要研究人員不斷地開展發酵飼料中的微生物和酶制劑的選育工作，獲得性能優良且無毒害作用的菌株和酶制劑，從而提高發酵飼料的產品質量，降低生產成本。

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