發酵日糧纖維在動物生產中的應用研究進展

馬 健，季海峰，蔣萬春*，張董燕*

（1.河北工程大學生命科學與食品工程學院，河北邯鄲 056038；2.北京市農林科學院畜牧獸醫研究所，北京 100097）

日糧中的纖維成分具有促進動物腸道蠕動、增加機體免疫力及清除生物體內自由基等作用[1-2]，尤其隨著腸道微生物逐漸被人們關注，日糧纖維在改善腸道菌群平衡等方面的有益作用越來越受到重視[3-4]。在實際養殖生產過程中，日糧纖維在動物日糧配方中的添加量一般在10% 以下，這主要是由于動物對日糧纖維的消化能力差，日糧纖維不僅很難被動物體內的消化酶分解，還會在一定程度上阻礙動物對其他營養物質的吸收利用，因此，提高日糧纖維的應用價值使其合理應用于動物生產具有重要意義。近年來研究發現，微生物發酵法能夠提高日糧纖維的利用效率，如秸稈經微生物發酵后其粗纖維含量降低，真蛋白含量提高，在保證豬的生產性能情況下降低了飼料成本[5]，納豆芽孢桿菌發酵能夠顯著提高麩皮抗氧化活性等[6]。目前已有動物試驗表明，發酵纖維在增加飼料的營養成分、減少環境污染、降低飼料成本、提高畜禽生長性能及增加經濟效益等方面發揮著積極作用[7-8]，有著廣闊的應用前景。為此，本文綜述了日糧纖維及其結構、微生物發酵纖維的研究現狀與機理及其在動物生產中的應用進展，以期為發酵日糧纖維在動物生產中的高效利用提供依據。

1 日糧纖維的定義及結構

日糧纖維是植物細胞壁成分和細胞內容物成分，按其溶解性可分為可溶性纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF）和不可溶性纖維（Insoluble Dietary Fiber，IDF）。SDF 可溶于水又可被大腸微生物分解，包括β-葡聚糖、可溶性阿拉伯木聚糖（SAOA）、果膠和多聚果糖等；IDF 不溶于水但可以被大腸微生物酶分解，包括木質素、纖維素、半纖維素。從結構上分析，SDF中低聚糖和葡聚糖都是由D-葡萄糖以β-1，4 糖苷鍵連接成短的纖維多糖片段，再通過β-1，3 糖苷鍵組成線性多聚糖，其中果膠凝膠性在維持可溶性纖維的結構中起著重要作用，乳聚糖、阿拉伯半乳聚糖及阿拉伯聚糖是組成果膠類物質的主要成分，其主鏈是由聚半乳糖醛酸組成，連接鍵為α-1，4 糖苷鍵，且經常會有部分半乳糖醛酸被甲基酯化[9]。IDF 的組成和結構都比較復雜，如纖維素是由β-D吡喃葡萄糖以β-1，4 糖苷鍵聚合形成的線形高分子聚合物，自身含有與水分子和自身混合形成的氫鍵，還有致密的結晶結構且非常難溶于水[10]。日糧纖維的半纖維素部分由不同的單糖（如木糖殘基、葡萄糖殘基、甘露糖殘基等）以β-1，4 糖苷鍵連接成線形主鏈，在不同的側鏈基團上連接不同的其他的單糖殘基、低聚糖和糖醛酸等，既有α構象也有β構象。木質素是一類由苯丙烷單元通過醚鍵或碳-碳鍵連接的復雜芳香性高聚物，基本結構由松柏醇、芥子醇、5-羥基松柏醇和對香豆醇4 種醇單體組成，具有不同數量官能團以及不均勻的側鏈結構，使木質素組成結構復雜多樣[11]。

2 發酵后纖維結構變化及對相關營養物質的影響

微生物可以通過β-1，4 糖苷鍵酶、木聚糖酶和甘露糖酶等作用，將IDF 消化分解成短鏈的SDF，從而在免疫、抗菌、改善腸道環境等方面發揮重要作用。霉菌類、芽孢類和酵母類均可產生具有較高活性的纖維素酶來降解纖維素，改變纖維結構，增加IDF 含量及其可利用性。Kim 等[12]研究結果表明，以黑曲霉發酵蘋果渣為底物添加CuSO4、藜蘆基醇和乳酸不同的誘導劑后產生的濾紙纖維素酶、羧甲基纖維素酶、葡萄糖苷酶和木聚糖酶活性較對照組均顯著提高。Chu 等[13]研究表明，使用納豆芽孢桿菌發酵米糠后，米糠表面結構由致密變得更加疏松多孔，呈現蜂窩結構，具有更強的持水力、持油力和更強的膽固醇、膽酸鈉和亞硝酸鹽離子吸附力，因為結構的破壞，使纖維末端更多游離氫離子暴露在外以及多酚含量增加使發酵后的米糠具有更高的抗氧化能力。付躍等[14]用綠色木霉和米曲霉混合發酵麩皮生產羧甲基纖維素酶（CMC）、濾紙酶（FPA）及β-葡萄糖苷酶（β-G），經測定發酵麩皮中3 種酶酶活性分別為22.46、5.234、16.38 U/mL，較單菌發酵產生的纖維素酶具有更高的活性。燕紅等[15]研究結果表明，用地衣芽孢桿菌發酵麥麩的發酵產物中纖維素酶和半纖維素酶的活性分別在96 h 和48 h 時達到最大，總糖含量在4 h 達到最大后開始下降，發酵產生的酶對纖維素、半纖維素和木質素降解率分別為37.03%、15.86%和17.03%。林燕等[16]用從李氏木霉菌中提取的纖維素酶來分解小麥秸稈，并在電子顯微鏡下觀察其麥秸結構變化，發現在反應的前24 h 小麥秸稈的緊湊平滑表面逐漸剝落破裂坍塌，反應至48 h 和96 h 時，小麥秸稈表面持續崩塌碎裂，但是速率有所降低，所以微生物產生的纖維素酶可以有效破壞纖維結構，使細胞內容物釋放出來。閔鐘熳等[17]研究表明，米糠粕經過黑曲霉發酵后其SDF 含量增加，并且發酵后米糠粕SDF 結構從致密的大顆粒變成了疏松多孔的小顆粒，這一結構改變可以使腸道內消化酶更充分地接觸SDF，提高動物體對日糧纖維的利用率。Shi 等[18]研究結果表明，經黑曲霉固態發酵后油菜籽粉的表面結構被破壞，由緊致光滑變為粗糙不規則，其中的營養物質被釋放出來，發酵產物中有更高含量的蛋白質和氨基酸，發酵時黑曲霉分泌的15 種胞外水解酶可分解油菜籽粉，在木質素纖維素酶、酸性蛋白酶和植酸酶等酶的共同作用下菜籽粉的中性洗滌纖維、硫苷、異硫氰酸鹽、噁唑烷二酮和植酸類等抗營養物質含量顯著降低。

單菌種發酵飼料在飼料功能和營養成分組成上有很多相似之處，但也有單獨的優勢，采用混合菌種發酵可以增強相似功能的同時取長補短，改善飼料營養成分和提高飼料功能。菌種、發酵日糧纖維工藝參數、發酵后體外及體內效果的總結見表1。

3 微生物發酵日糧纖維的作用機理

目前發酵飼料常用的菌種通常分為3 大類：①乳酸菌類，如片球菌屬（Pediococcus）、乳酸桿菌（Lactobacilli）等；②芽孢桿菌類，如枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、凝結芽孢桿菌（Bacillus coagulans）等；③真菌，如曲霉類（Aspergillu）和酵母類（Saccharomyces）等。

微生物主要作用方式是分泌不同的代謝酶類分解飼料營養成分的結構，使大分子營養物質降解以利于畜禽吸收利用，根據其不同的代謝酶活性，在飼料中添加的菌種也不同，如乳酸菌具有能分解利用纖維二糖但較難利用蛋白質的特點，其發酵纖維可以產生乳酸等多種有機酸，降低飼料pH，抑制雜菌生長，使飼料具有獨特的酸香味，促進畜禽采食，降低抗營養因子植酸含量，提高飼料阿拉伯木聚糖和酚酸含量，具有較高的抗氧化活性[28-30]。芽孢桿菌類可產生蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶、脂肪酶等多種代謝酶，將飼料纖維中的大分子蛋白質、碳水化合物、脂肪等降解為容易被腸道消化吸收的小肽、氨基酸、低聚糖及游離脂肪酸等，也可以消除植酸等抗營養因子，并且其產生的芽孢具有耐熱抗逆性強的特點，可以適應各種飼料加工工藝（如高溫制粒）并存活于胃腸道，競爭性抑制有害菌生長，維護胃腸道安全[31-32]。酵母菌也可分泌多種代謝酶，有效降解飼料纖維，降低纖維含量，減少植酸含量，經酵母發酵改善后的飼料纖維其抗氧化劑含量活性顯著提高，飼料中蛋白含量等也顯著提高[33-34]。真菌（如黑曲霉等）發酵飼料纖維，主要是利用霉菌高產蛋白酶、淀粉酶及纖維素酶特點，降解發酵底物中的蛋白質及纖維素等成分，提高發酵麩皮的營養特性及適口性[35-36]。

表1 微生物發酵日糧纖維所用菌種及效果

4 微生物發酵纖維飼料在動物生產中的應用

4.1 提高生產性能 纖維飼料經微生物發酵后能夠提高原料中的營養物質含量，減少抗營養因子，增加畜禽的對飼料的吸收利用率，提高生長性能。發酵纖維飼料飼喂豬可降低腹瀉率，提高平均采食量。如張文克等[37]研究表明，在基礎日糧中添加30% 發酵花生殼能顯著提高育肥豬平均日采食量，降低腹瀉率，增加平均日增重。劉春雪等[38]研究結果表明，5%發酵麩皮等量替代未發酵麩皮組育肥豬的平均日增重顯著高于對照組，增加了13.49%，耗料增重比顯著降低11.73%。發酵可改善纖維飼料的營養物質成分組成，降低抗營養物質含量，提高畜禽生長性能。Shi 等[18]研究結果表明，發酵菜籽粉替代10% 豆粕組中性洗滌纖維、芥子油苷、異硫氰酸鹽、噁唑烷二酮和植酸類等抗營養物質顯著低于未發酵菜籽粉替代10% 豆粕組，并且顯著提高了豬群的平均日增重、干物質、蛋白質、鈣吸收率、磷吸收率、飼料轉化率和小肽含量。Zhang 等[39]研究指出，在肉雞1～21 日齡添加0.35%發酵銀杏葉、在肉雞22～42 日齡添加0.7%發酵銀杏葉的效果最好，顯著提高了肉雞增重耗料和空腸堿性磷酸酶活性等。Teng 等[40]研究表明，在肉雞基礎日糧中添加10% 淀粉芽孢桿菌和釀酒酵母混合固態發酵的麩皮對1～35 日齡肉雛雞總體耗料增重比有顯著降低的作用。Loh 等[41]研究表明，在蛋雞日糧中添加植物乳桿菌發酵的米糠可以在不影響蛋雞正常生理狀態下提高平均蛋重。Xie 等[42]研究發現，橄欖葉殘渣經產朊假絲酵母和黑曲霉混合發酵后氨基酸總含量提高了22%，肉雞飼料中添加10% 發酵橄欖葉殘渣的肉雞28 d 體重比對照組增加了20%。孟子琪[43]研究了釀酒酵母和枯草芽孢桿菌混合發酵麩皮對肉羔羊生產性能影響，結果表明飼喂發酵對肉羔羊日增重有促進作用。

4.2 維護腸道健康 健康的腸道功能對家畜的生長性能和健康至關重要，腸黏膜在日糧營養的消化和吸收中起著重要作用，它保護機體內部環境不受有害物質的侵害，防御有害物質和病原體侵入體內，腸道菌群在動物營養物質消化吸收、機體代謝、宿主免疫功能和維護腸道屏障功能中起著至關重要的作用[44-46]，圖1 為腸道屏障示意圖。

圖1 腸道屏障示意圖[47]

高纖維飲食可改善腸道形態，促進黏蛋白分泌和有益細菌的生長[48-50]，這歸因于腸道短鏈脂肪酸如乙酸、丙酸和丁酸含量的提高，它們是腸道菌群發酵的膳食纖維的最終產物[51]，也是結腸上皮的能量底物，在機體免疫調節系統中也發揮著重要作用[52-53]。動物日糧纖維中的纖維二糖和木聚糖可以作為腸道中乳酸菌的主要能量來源，在微生物發酵過程中可提前破壞日糧纖維結構，更多的低聚糖及其它營養物質暴露在外，進一步為動物腸道益生菌提供能量來維持腸道微生物穩態[54]，并且可能通過日糧組分來調控腸道菌群結構。有研究表明，纖維多糖中的阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖和阿魏酰低聚糖具有的益生活性能夠促進益生菌如雙歧桿菌和乳酸菌等的生長，抑制桿菌類和梭菌類等有害菌增殖[55]。趙夢麗[56]研究6 種小麥阿拉伯木聚糖的益生活性，發現小麥麩皮阿拉伯木聚糖可以有效促進雙歧桿菌的生長，但對乳酸桿菌生長沒有顯著影響。張紅梅[57]研究5 種加工工藝發酵小麥麩皮產生的阿拉伯木聚糖的益生活性，結果表明，5 種小麥麩皮中阿拉伯木聚糖均能促進雙歧桿菌增殖，酶解堿提小麥麩皮中阿拉伯木聚糖對乳酸桿菌增殖具有顯著的促進效果。Liu 等[58]比較了基礎日糧、添加10%玉米麩的基礎日糧和添加10%枯草芽孢桿菌+糞腸球菌+釀酒酵母發酵玉米麩的基礎日糧對育肥豬腸道微生物的影響，飼喂21d 后，育肥豬糞便中細菌種類因飼料添加物的不同而有不同的菌群組成，以枯草芽孢桿菌+糞腸球菌+釀酒酵母發酵玉米麩（10%）組淀粉分解菌更豐富。添加發酵纖維不僅可以促進有益菌的共同生長，還能改善腸道形態，維護腸道健康。Teng等[40]研究發現肉仔雞飼料中添加10%淀粉芽孢桿菌和釀酒酵母混合發酵的麩皮可顯著提高35 日齡肉仔雞回腸乳酸菌數量，對其他有益菌無負面作用，并且可以有效降低回腸絨毛高度和隱窩深度。Kraler 等[59]研究表明，在仔豬飼料中添加150 g/kg 副干酪乳桿菌和植物乳桿菌發酵纖維可提高腸道中短鏈脂肪酸和乳酸含量，提高腸絨毛長度，增加隱窩深度，對腸道杯狀細胞生長具有促進作用，可降低腸道pH，提高乳酸菌數量，降低大腸桿菌數量，改善腸道菌群平衡。

4.3 提高免疫力 日糧纖維經微生物發酵后能產生多糖類物質，可以促進免疫細胞產生多種免疫因子如IL-1β（白細胞介素-1）、IL-2（白細胞介素-2）、IL-4（白細胞介素4）、IL-6（白細胞介素-6）、和IFN-γ（干擾素γ）等，起到促進體內免疫細胞增殖活性及增強動物機體抵抗力的作用。Estrada 等[60]研究了不同的燕麥β-葡聚糖接種量和接種時間對體外培養的腹膜巨噬細胞和p338d1 巨噬細胞活性的影響，結果顯示，在燕麥β-葡聚糖刺激后2 種巨噬細胞增殖活性增強，IL-1、IL-2、IFN-γ和IL-4 含量顯著提高，并且在大鼠腹膜內單次注射500 mg 的燕麥β-葡聚糖可增加小鼠在感染金黃色葡萄菌后的存活率。史俊祥[61]用微生物發酵制備的小麥麩皮多糖飼喂敵草快誘導的氧化應激 Wistar 大鼠，結果表明發酵麩皮多糖可以有效緩解由氧化應激造成的高炎性因子IL-6、IL-2 和 IL-1β水平。Ahmed 等[62]研究了植物乳桿菌和釀酒酵母混合發酵石榴、銀杏和甘草混合草料對育肥豬免疫性能的影響，結果表明，飼喂混合發酵草料組的育肥豬血清免疫球蛋白G 抗體濃度顯著高于對照組和未發酵組，從而具有較好的免疫增強作用。Xie 等[42]研究表明肉雞飼料中添加10%產朊假絲酵母和黑曲霉混合發酵橄欖葉殘渣可以明顯提高血清中血清球蛋白和血清白蛋白含量，增加肉雞的免疫能力。

4.4 提高抗氧化能力 斷奶、更換飼料、更換生活環境及進行規模疫苗注射時均能導致仔動物應激，導致動物機體產生過氧消耗，機體內的抗氧化系統不能及時的清除ROS（活性氧），導致機體氧化損傷，造成動物腸道絨毛脫落、縮短、腸道黏膜屏障損傷和腸道功能紊亂從而提高動物腹瀉率，降低飼料報酬[63]。纖維多糖是一種有效地協助生物體清除自由基的物質，有多種抗氧化途徑：多糖結構上的游離氫原子與自由基反應生成水；與脂質反應中生成的自由基結合；與自由基生成所必須的金屬離子螯合；促進總抗氧化能力（T-AOC）和超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）等抗氧化酶的活性；調節機體免疫等直接或間接達到抗氧化效果。Xu 等[64]從蕨菜中分離提純獲得多糖，含有阿拉伯糖、鼠李糖和甘露糖等多種單糖，經還原鐵抗氧化能力（FRAP）、DPPH 自由基清除能力、超氧自由基和鄰苯三酚自氧化測定，結果表明提純的多糖具有強大的還原能力，FRAP 值為827.6 μmol/ L，DPPH 清除率為83.1%，超氧自由基清除率為60.5%，其對鄰苯三酚的自氧化具有中等抑制能力。齊希光等[65]測定了從麥麩中提取的阿魏酰低聚糖的抗氧化性，結果表明低聚糖（FOS）可比2，2'-聯吡啶優先螯合Fe2+，對H2O2、-OH 和DPPH-具有很強的清除作用，顯著抑制紅細胞脂膜過氧化，具有良好的體外抗氧化效果。發酵后使纖維中的芬酸含量增加，改善動物機體抗氧化性。發酵纖維可提高動物體內的抗氧化酶活性，提高抗氧化性能。Marco 等[30]研究了鼠李糖乳桿菌發酵對麩皮抗氧化性影響，結果表明發酵后的麩皮游離酚含量和總酚含量顯著提高，對自由基的清除效率顯著上升。孟子琪[43]研究結果表明，釀酒酵母和枯草芽孢桿菌混合發酵的比例為80.36:9.32:10.22 的麩皮、豆粕粉和玉米粉多糖組肉羊羔羊血液中的SOD、GSH-Px 和過氧化氫酶活性提高，丙二醛含量顯著降低，T-AOC 顯著提高。段元霄[66]研究結果表明，經過釀酒酵母和枯草芽孢桿菌混合發酵的麥麩低聚果糖（FOS）可顯著提高敵草快致氧化應激大鼠體內的T-AOC，提高SOD 和GSH-Px 活性，對ROS 具有明顯的清除效果。

4.5 改善肉品質 動物肉品質一般由肉色、瘦肉率、肌間脂肪和理化性質來評定，脂肪酸直接影響肉品質，而動物日糧是調控脂肪酸含量的重要因素。在動物日糧中添加發酵纖維飼料能有效改善動物肉品質[67]。張文克等[37]研究表明，在飼料中添加發酵花生殼可以顯著提高豬肉細胞的細胞質濃度，提高豬肉的系水能力和降低豬肉的失水率，提高豬肉品質。劉春雪等[38]研究表明，發酵麩皮等量代替普通麩皮改善了育肥豬肌間脂肪含量，提高豬肉的多汁性和嫩度，降低滴水損失，改善肉品質。Ramli 等[68]研究了米曲霉、大豆曲霉和泡盛曲霉混合發酵發酵的甘蔗渣和麩皮混合草料對山羊肉品質的影響，結果表明發酵草料組山羊腿肉風味和腰肉風味、香氣和綜合品質均顯著高于普通草料組。宋獻藝等[69]研究發現，飼喂發酵蘋果渣增加了兔肉中的蛋白質含量，并且改善了兔肉酸堿度，增強其口味。張旭暉等[70]研究了產朊假絲酵母和黑曲霉混合發酵元寶楓葉代替基礎日糧中12% 麩皮對育肥豬肉品質的影響，結果表明發酵組育肥豬肌肉色澤和吸水率顯著提高，亞麻酸、花生烯酸、單不飽和脂肪酸（MUFA）、多不飽和脂肪酸（PUFA）的含量和多不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸的比值（PUFA/SFA）顯著增加，硬脂酸、花生酸和飽和脂肪酸（SFA）含量顯著降低，發酵元寶楓葉組的亞麻酸和MUFA 含量顯著高于對照組。Ahmed 等[62]用植物乳桿菌和釀酒酵母發酵混合草藥組合飼喂育肥豬，結果表明，在育肥豬基礎日糧中添加0.4%發酵混合草藥相對于基礎日糧對照組顯著提高了α-亞麻酸、二十碳五烯酸和PUFA 濃度，顯著降低了肥豬背最長肌膽固醇含量、n-6PUFA/n-3PUFA 比值、硬脂酸和花生酸濃度，提高肉品質。

5 展 望

經過微生物發酵后能夠提高日糧纖維在動物生產中的應用價值，在提高畜禽生產性能和改善畜產品品質等方面有著良好的應用前景。然而，在實際發酵過程中，首先要保證所用菌種的安全性，使用符合國家標準的菌種，這是保障動物健康及畜產品的重要基礎，同時還應對發酵纖維飼料的營養價值進行評定，從而在養殖生產中才具有應用意義。另外，結合我國畜牧養殖業的實際以及隨著科學技術的發展，通過選擇合適的微生物菌種及組合，研究開發具有抗氧化功能、富含高品質膳食纖維及低聚木糖等功能性發酵飼料，對促進動物的健康生長具有重要的意義。