微生物發(fā)酵降解豆粕抗?fàn)I養(yǎng)因子的應(yīng)用研究

王小明 ，楊艷艷，楊在賓，劉曉明，李兆勇

（1．山東農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，泰安 271018；2．北京市飼料工業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100193；3．北京科為博生物科技有限公司，北京 100107）

微生物發(fā)酵降解豆粕抗?fàn)I養(yǎng)因子的應(yīng)用研究

王小明1，楊艷艷2，楊在賓1，劉曉明3，李兆勇3

（1．山東農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，泰安 271018；2．北京市飼料工業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100193；3．北京科為博生物科技有限公司，北京 100107）

豆粕是飼料工業(yè)應(yīng)用最廣泛的植物性蛋白質(zhì)原料，但由于存在多種抗?fàn)I養(yǎng)因子，降低了豆粕的利用率。通過微生物發(fā)酵處理，可以去除豆粕抗?fàn)I養(yǎng)因子，提高豆粕營養(yǎng)價(jià)值。該文綜述了豆粕抗?fàn)I養(yǎng)因子種類及作用原理，重點(diǎn)論述了微生物發(fā)酵降解豆粕抗?fàn)I養(yǎng)因子的研究進(jìn)展。

豆粕；抗?fàn)I養(yǎng)因子；微生物發(fā)酵

豆粕目前是飼料工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的植物性蛋白質(zhì)飼料資源，具有粗蛋白含量高、氨基酸組成合理、動(dòng)物消化利用率高等特點(diǎn)，并且含豐富的、能夠提高動(dòng)物免疫力的大豆異黃酮[1]。然而，豆粕中含有多種抗?fàn)I養(yǎng)因子如胰蛋白酶抑制因子、尿素酶、抗原蛋白等，會(huì)降低飼料的營養(yǎng)價(jià)值和利用率，對動(dòng)物體內(nèi)的某些器官具有破壞作用，且對動(dòng)物的生理、生長、健康等造成不良影響，從而降低畜禽的生產(chǎn)性能[2]。近年來，豆粕中抗?fàn)I養(yǎng)因子的消除一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而微生物發(fā)酵處理方法成為目前研究的熱點(diǎn)。

1 胰蛋白酶抑制因子

胰蛋白酶抑制因子是對豆粕的利用影響最大的抗?fàn)I養(yǎng)因子，它是分子量為7.975～21.5 KD的多肽或蛋白質(zhì)，在豆粕中占有約2%的含量，也稱為胰蛋白酶抑制劑。到目前為止，一共發(fā)現(xiàn)7～10種不同的胰蛋白酶抑制因子，但研究比較詳細(xì)的只有2種，一種稱為Kunitz類蛋白酶抑制因子（簡稱KTI），另一種稱為Bowan-Birk類蛋白酶抑制因子（簡稱BBI）[3-4]。其中，KTI含量為1.4%左右，主要抑制動(dòng)物體內(nèi)分泌的胰蛋白酶活性；BBI含量為0.6%左右，可同時(shí)抑制胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶活性。胰蛋白酶抑制因子，一方面與蛋白酶結(jié)合成復(fù)合物，降低蛋白酶的活性，進(jìn)而降低蛋白質(zhì)的消化率；一方面，作用于動(dòng)物體的胰腺而引起補(bǔ)償性反應(yīng)，造成消化性吸收功能失調(diào)，影響消化吸收。

表1 菌種和發(fā)酵條件對發(fā)酵豆粕中胰蛋白酶抑制因子含量的影響[8]

Hackler等[5]研究認(rèn)為，大豆產(chǎn)品中胰蛋白酶抑制劑50%以上的活性被消除，才可認(rèn)為其是安全的。Stale等[6]以乳酸菌發(fā)酵豆粉，發(fā)現(xiàn)乳酸菌發(fā)酵可顯著降低大豆制品中胰蛋白酶抑制因子的含量。劉海燕等[7]在乳酸菌發(fā)酵豆粕的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在發(fā)酵72h后，豆粕中胰蛋白酶抑制劑活性僅為發(fā)酵前的1%。由表1可以看出[8]，在發(fā)酵條件不同的情況下，豆粕的胰蛋白酶抑制因子含量有明顯的不同。在優(yōu)化的發(fā)酵條件下，豆粕經(jīng)酵母菌A-1、B-1、C-1和木霉S-1發(fā)酵之后，胰蛋白酶抑制因子含量分別降低60.38%、54.11%、57.30%和24.36%，其中酵母菌A-1的降低效果最明顯；而用混合菌種發(fā)酵豆粕后發(fā)現(xiàn)，在最優(yōu)接種比例條件下，發(fā)酵豆粕中的胰蛋白酶抑制因子含量降低了69.42%[8]。劉媛媛等[9]認(rèn)為，用乳酸菌、釀酒酵母菌和枯草芽孢桿菌混合發(fā)酵豆粕，對抗?fàn)I養(yǎng)因子的降解比較徹底，其中胰蛋白酶抑制因子被完全降解。

2 植酸

植酸是植物性飼料中有機(jī)磷的主要存在形式，大豆60%～80%的磷是以植酸的形式存在。大豆中的植酸含量約為2%，是一種很強(qiáng)的絡(luò)合劑，能與腸胃中的金屬離子，形成難溶性的植酸鹽絡(luò)合物，導(dǎo)致必需礦物質(zhì)元素的利用率降低，阻礙機(jī)體對必需礦物元素的生物利用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響機(jī)體的正常代謝與生殖能力。植酸與蛋白質(zhì)結(jié)合，通過降低蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價(jià)值，減少了機(jī)體對植物蛋白質(zhì)的攝取。另外，植酸還能與大豆蛋白或一些酶結(jié)合，形成植酸蛋白質(zhì)/酶復(fù)合物，影響蛋白質(zhì)/酶的生理功能，影響營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收。

Stale等[6]以乳酸菌發(fā)酵豆粉發(fā)現(xiàn)，乳酸菌發(fā)酵對植酸含量的影響不大僅略有下降。姜丹等[8]在用酵母菌A-1、B-1、C-1和木霉S-1固體菌種發(fā)酵豆粕的研究中發(fā)現(xiàn)，在發(fā)酵條件不同的情況下，豆粕的植酸含量有明顯的不同。在優(yōu)化的發(fā)酵條件下，豆粕經(jīng)酵母菌A-1、B-1、C-1和木霉S-1發(fā)酵之后，植酸的含量分別降低了76.08%、81.27%、77.08%和58.39%，其中酵母菌B-1的降低效果最明顯；而用混合菌種發(fā)酵豆粕發(fā)現(xiàn)，在最優(yōu)接種比例條件下，發(fā)酵豆粕中的植酸含量降低 了 84.36%。Hirabayashi和 Yano等[10]研究發(fā)現(xiàn)，使用宇佐美曲霉發(fā)酵豆粕，得到的發(fā)酵豆粕植酸被全部降解。

3 大豆抗原蛋白

大豆中存在4種球蛋白具有抗原性和致敏性，其中最主要的是大豆球蛋白（11S）與三種伴大豆球蛋白（α-conglycinin、β-伴大豆球蛋白（7S）和γ-conglycinin）[11]。動(dòng)物的免疫系統(tǒng)對大豆抗原蛋白比較敏感，小部分抗原蛋白會(huì)穿過小腸上皮細(xì)胞間隙或上皮細(xì)胞內(nèi)的空隙完整地進(jìn)入血液和淋巴，刺激腸道免疫組織，可引起過敏反應(yīng)和腸黏膜的損害。過敏反應(yīng)會(huì)造成腸道的免疫損傷，引起腸絨毛萎縮、黏膜雙糖分解酶的數(shù)量及活性下降；降低木糖的吸收率，升高血清中抗大豆免疫球蛋白IgG滴度；使得營養(yǎng)物質(zhì)和礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)、吸收紊亂，導(dǎo)致消化不良、腹瀉和生長受阻。

程天德等[12]的研究結(jié)果表明，利用枯草芽孢桿菌發(fā)酵豆粕，可以降解85.39%的大豆抗原蛋白。石慧等[13]利用篩選出的降解能力較強(qiáng)的枯草芽孢桿菌，通過對發(fā)酵條件的初步優(yōu)化，大豆抗原蛋白的降解率可高達(dá)90.00%以上。此外，在利用兩步發(fā)酵法的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，最終豆粕中的主要抗原蛋白的殘留量僅為0.15%[14]。劉海燕等[7]用乳酸菌發(fā)酵豆粕的試驗(yàn)結(jié)果表明，在乳酸菌和蛋白酶的作用下，豆粕中的7S和11S抗原蛋白被降解成小分子蛋白，去除效果明顯，尤其是7S抗原蛋白，在72 h，幾乎全部被去除，去除率幾乎達(dá)到了99.77%，11S抗原蛋白去除效果稍差，但去除率也達(dá)到了90%以上。

4 其他抗?fàn)I養(yǎng)因子

存在豆粕中的還有凝集素、低聚糖、脂肪氧化酶、脲酶等抗?fàn)I養(yǎng)因子。凝集素在豆粕中的含量約為3%。凝集素是一種蛋白質(zhì)，在動(dòng)物腸道中不易被蛋白酶水解，通過與小腸壁上皮細(xì)胞表面特異性受體結(jié)合，損壞小腸壁刷狀緣黏膜結(jié)構(gòu)，干擾消化酶的分泌，降低對營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，進(jìn)而影響蛋白質(zhì)的利用，使動(dòng)物的生長受到阻礙甚至停滯[15]。另外，凝集素還對腸壁、腸道細(xì)菌及免疫機(jī)能產(chǎn)生一定影響，引起腸腔糜爛，微絨毛變短萎縮，腸細(xì)胞退化等。豆粕低聚糖是大豆可溶性寡糖的總稱，主要成分為水蘇糖(4%)、棉籽糖(1%)和蔗糖(5%)等。棉籽糖和水蘇糖是半乳糖類的非還原性糖，動(dòng)物小腸消化液中缺乏α-半乳糖苷酶，故棉籽糖和水蘇糖不能被消化而直接進(jìn)入到動(dòng)物的大腸中經(jīng)腸道產(chǎn)氣微生物作用，轉(zhuǎn)化成揮發(fā)性脂肪酸，然后再產(chǎn)生氣體，如CO2、H2、NH3[15]。脂肪氧化酶又稱抗維生素因子，約占大豆總蛋白質(zhì)的2%，是一種含非血紅素鐵的蛋白質(zhì)，能專一催化大豆中多元不飽和脂肪酸(亞油酸、亞麻酸)的加氧反應(yīng)，生成的過氧化物可以破壞與其共存的維生素A、D、E、B12和胡蘿卜素等，分解生成醇、酮和醛類等揮發(fā)性物質(zhì)而產(chǎn)生腥味，降低大豆蛋白的效價(jià)和營養(yǎng)價(jià)值[16-17]。脲酶在豆粕中的含量約為0.02～0.35 U/g，在適當(dāng)?shù)臈l件下能被激活變成有毒性的物質(zhì)，將含氮類的物質(zhì)分解為氨，從而使蛋白氮的利用率降低，同時(shí)氮的積存會(huì)引起動(dòng)物體中毒。致甲狀腺腫素在豆粕中的含量是極低的，主要通過影響碘的利用，引起甲狀腺的腫大[18-19]。

Stale等[6]以乳酸菌發(fā)酵豆粉，發(fā)現(xiàn)由于乳酸菌具有較強(qiáng)的α-半乳糖苷酶活性，在發(fā)酵過程中，能有效去除水蘇糖和棉籽糖。如圖1所示[7]，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，發(fā)酵豆粕中低聚糖的含量逐漸下降。

圖1 發(fā)酵豆粕中低聚糖含量的變化

劉媛媛等[9]認(rèn)為，用乳酸菌、釀酒酵母菌和枯草芽孢桿菌混合發(fā)酵豆粕，對抗?fàn)I養(yǎng)因子的降解較徹底，其中脂肪氧化酶、大豆凝血素和致甲狀腺腫素都被完全降解。

5 小結(jié)

綜上所述，豆粕作為飼料工業(yè)應(yīng)用最廣泛的植物性蛋白質(zhì)原料，在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮著極其重要的作用，但豆粕中存在的多種抗?fàn)I養(yǎng)因子，降低了豆粕的營養(yǎng)價(jià)值和利用率。微生物發(fā)酵法主要是利用微生物對普通豆粕進(jìn)行發(fā)酵處理，而微生物在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的眾多復(fù)雜的酶系或活性物質(zhì)，可以有效分解和破壞豆粕中的抗?fàn)I養(yǎng)因子，基本上消除抗?fàn)I養(yǎng)因子的抗?fàn)I養(yǎng)作用，并且累積有益的代謝產(chǎn)物，提高豆粕的營養(yǎng)價(jià)值和利用率，使發(fā)酵豆粕在飼料行業(yè)中有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

總之，隨著微生物學(xué)、動(dòng)物營養(yǎng)與飼料科學(xué)等學(xué)科的不斷發(fā)展，微生物發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用于飼料領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V泛，發(fā)酵飼料將是未來飼料行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的方向。

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山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系生豬創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目SDAIT-08-04

王小明（1990-），男，碩士研究生，研究方向：動(dòng)物營養(yǎng)與飼料科學(xué)，E-mail：xmwang29@163.com

楊在賓（1961-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：動(dòng)物營養(yǎng)與飼料科學(xué)，E-mail：yzb204@163.com

2017-07-14）