菌酶協同發酵飼料及其在動物生產中應用的研究進展

孫智媛，梅力文，黃興國，李穎慧

（湖南農業大學動物科學技術學院，湖南家禽安全生產工程技術研究中心，湖南畜禽安全生產協同創新中心，湖南長沙 410128）

近年來，隨著我國飼料中抗生素的使用被全面禁止，人們對優質肉蛋奶的需求日漸提升，如何保障畜禽健康成為我國畜牧業的一大挑戰，安全高效、環境友好的抗生素替代品成為研究焦點。以發酵飼料和酶解飼料為代表的生物飼料是推行無抗養殖的有效手段，也是解決畜牧業可持續發展的重要途徑。大量研究表明，菌酶協同對飼料和飼料原料的作用效果優于單獨的菌或酶處理效果，且前者在改善飼料營養價值和飼喂效果方面表現出明顯的優勢。2018 年初發布的團體標準《生物飼料產品分類》（T/CSWSL001—2018）將菌酶協同發酵飼料定義使用飼料原料目錄和飼料添加劑品種目錄等國家相關法規允許使用的飼料原料、酶制劑和微生物，通過發酵工程和酶工程技術協同作用生產的單一飼料和混合飼料[1]。采用菌酶協同處理飼料一方面可提高發酵過程中微生物對飼料中大分子物質的利用效率，改善飼料的營養價值，并縮短發酵周期；另一方面，也可以利用某些菌種的抗菌作用改變動物腸道內微生態環境，增強動物抵抗力，減少抗生素的使用[2]。因此，利用菌酶協同作用對于飼料資源尤其是非常規飼料資源的開發和應用意義重大。本文綜述了菌酶協同發酵飼料的分類和酵解機制，概括了菌酶協同發酵的優勢及其在動物生產中的應用進展，為其今后在養殖業中更廣泛地應用提供科學依據。

1 菌酶協同發酵飼料

1.1 菌酶協同發酵飼料的分類 菌酶協同發酵飼料按照基質種類差異可分為菌酶協同發酵蛋白飼料、菌酶協同發酵能量飼料和菌酶協同發酵粗飼料。菌酶協同發酵蛋白飼料的基質主要為豆粕、大豆蛋白、菜籽粕和棉籽粕等；所用菌種為植物乳桿菌、枯草芽孢桿菌和釀酒酵母等，具有清除植物飼料中抗營養因子的重要作用[3]；所用的酶以蛋白水解酶為主，用以分解蛋白基質中的大分子蛋白質，提高其消化率或提高特定功能肽含量[4]。菌酶協同發酵能量飼料的基質包括谷物副產物、馬鈴薯渣等能量飼料；目前報道的菌種有假絲酵母、釀酒酵母、乳桿菌等，可提高飼料中蛋白質含量、降低粗纖維含量，增加飼料的適口性[5]；酶類包括淀粉酶、纖維素酶等，用來降解飼料原料，將飼料中難降解組分轉化為容易被吸收的小分子物質，從而提高飼料的吸收利用率[6]。菌酶協同發酵粗飼料的基質包括玉米青貯飼料、玉米芯、玉米秸稈、棉花秸稈等；可用菌種包括地衣芽孢桿菌、植物乳桿菌和酵母菌，用來去除木質素，使纖維組織松散；可用酶種類以纖維素酶和木聚糖酶為主，用來酶解木質纖維，提高酶解率和木聚糖產量[7-9]。

菌酶協同發酵飼料按照飼料原料數目差異分為菌酶協同發酵單一飼料和菌酶協同發酵混合飼料。菌酶協同發酵單一飼料是僅以一種主要飼料原料作為底物，接種微生物進行發酵獲得的飼料產品，常見菌酶協同發酵單一飼料有發酵豆粕、發酵玉米、發酵酒糟和發酵秸稈等[10-11]；菌酶協同發酵混合飼料是指以多種飼料原料作為底物進行發酵得到的發酵飼料，基料的選擇需要考慮動物所需營養物質種類及其含量，同時應創建發酵體系中微生物生長所適宜的環境[12]。與單一飼料相比，發酵混合飼料營養更均衡、適口性更好，與全價配合飼料的營養組成更接近[13]。

此外，菌酶協同發酵飼料還可按照微生物需氧程度分為好氧性菌酶協同發酵飼料、厭氧性菌酶協同發酵飼料和兼性厭氧菌酶協同發酵飼料。其中，好氧菌酶協同發酵適用于單一原料的發酵，常用的發酵菌種為曲霉菌、芽孢桿菌、酵母菌等好氧或兼性厭氧菌[14]；厭氧菌酶協同發酵適用于單一或混合原料的發酵，常用的發酵菌種為乳酸菌、芽孢桿菌和酵母菌；而兼性厭氧菌酶協同發酵目前尚處于研發階段。

1.2 發酵和酶解作用及菌酶協同發酵機制 在發酵過程中，微生物能夠產生酶來酶解底物中的大分子物質，降低抗營養因子的抗原性，并通過產生有機酸和抑菌物質發揮其抑菌活性，維持動物腸道穩態，還能改善飼料的適口性，從而提高動物的生產性能。但微生物發酵飼料存在菌株性能不穩定、耐受性低、不易保存的問題[15-17]。酶解法能夠特異性酶解底物和底物中的抗營養因子，在短時間內破壞植物細胞壁，從而節省能量并促進營養物質的消化吸收，提高動物的生產性能，但酶解后會促使飼料產生苦澀味道，影響口感，且存在耐熱性差、成本較高、酶解不徹底等問題[18]。在協同發酵體系中，酶能夠加速底物的分解，通過調節乳酸的生成和pH 的變化影響微生物的發酵效率[19-20]。菌種能夠降解底物并為酶解反應提供分解后的小分子物質，加快酶解反應進程，部分微生物還能夠生成相應功能酶，與體系內酶發揮協同作用，共同促進底物酵解過程[21]。近幾年的研究表明，菌酶協同發酵不僅可將飼料中抗營養因子水解的更加徹底，縮短發酵周期，并且更有利于提高微生物的發酵效率，使發酵后的飼料存留大量益生菌，被家畜食用后可維持腸道穩態[22]。

菌酶協同作用是微生物參與的生命活動過程和酶參與的生物化學過程的有機結合，在協同過程中涉及到多種基質、菌株和酶，菌株類型和發酵參數的改變均會對酶活產生影響。龔劍明等[23]利用黃孢原毛平革菌、香菇菌、蟲擬蠟菌、槭射脈革菌4 種真菌分別接種油菜秸稈，發現香菇菌處理組錳過氧化物酶活性顯著高于其他3 組。Li 等[24]采用纖維素酶和酵母菌，分別在26、28、30、32、34℃下同步糖化發酵法制備飲料，發現在34℃下纖維素酶活性最高，對纖維素分解的促進作用最強，飲料中酒精濃度最高。趙華等[25]研究發現，影響木薯渣發酵系統中羧甲基纖維素酶活的因素依次為發酵時間、初始pH、發酵溫度、料水比。此外，菌種和酶之間還存在著雙向影響關系，如菌種影響酶發揮最大活性時的pH，而酶又以通過改變pH 影響菌種發酵。Da Silva 等[21]研究發現，木霉菌生產的殼聚糖酶在pH為5.0 時表現出最大活性，而康氏木霉菌所產的殼聚糖酶在pH 為5.5 時活性最大。Nadeau 等[26]研究證明，纖維素水解酶能夠加快可溶性碳水化合物的轉化效率，減少降低發酵體系pH 的時間，進而促進乳酸菌發酵，提高青貯飼料的發酵效率。可見，只有合理考慮微生物和功能酶的合理配伍問題，通過試驗將發酵體系中的菌株和酶進行篩選，找到最佳的配比并不斷優化發酵條件，才有望實現發酵效率最大化。劉顯琦[22]研究發現，在用枯草芽孢桿菌和胃蛋白酶協同發酵制備低抗原性豆粕過程中，得到最佳的發酵條件為發酵時間17.52 h、酶解時間88.2 min、酶添加量0.825%，此時豆粕中大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白抗原性在6～12 h 的降解速率最高，這可能與枯草芽孢桿菌的生長曲線有關。毛銀等[27]在選取產酸和分解蛋白能力較強的植物乳桿菌DY6 為發酵菌種后，對比了酸性蛋白酶、堿性蛋白酶和中性蛋白酶分解大分子蛋白的能力，最終選取植物乳桿菌DY6 和中性蛋白酶為處理菌酶協同發酵豆粕飼料的菌酶組合，且發現體系中小肽含量隨菌液接種量和加酶量的上升而提高，在菌液接種量為5%、加酶量為1 250 U/g 時趨于穩定。需要注意的是，發酵菌株的選擇和種類差異直接影響了菌酶協同體系中最終酵解工藝的選擇。

2 菌酶協同發酵效果

2.1 提高發酵效率，縮短發酵周期 在發酵體系中添加相應的水解酶有利于提高產物的產量并縮短發酵時間，且酶解反應能夠促進有益菌增殖，改善微生物發酵效果。劉江英等[28]研究發現，在益生菌混合發酵體系中添加0.2、0.4、0.8 g/kg 的酸性蛋白酶，發現不同劑量水平的酸性蛋白酶均能夠加快發酵進程，縮短發酵周期，即在相同時間內，體系內芽孢桿菌和乳酸菌繁殖數量較空白組明顯增加，其中乳酸菌最高可增加11.74%。Su 等[29]研究表明，與益生菌具有協同作用的外源蛋白酶能夠在2 d 內提升近1 CFU 發酵豆粕中有益菌的存活率，并且加速大豆蛋白的降解率。微生物和功能酶之間的協同作用也是提高發酵效率的重要因素。Nadeau 等[26]研究證明，纖維素水解酶能夠作為發酵體系的激活劑，可促進纖維降解和乳酸菌發酵，與對照組相比可降低青貯飼料中17%半纖維素，提高青貯飼料的發酵效率。

2.2 加速底物降解，促進原料利用 在菌酶協同發酵體系中，菌株本身對底物具有高效降解能力，通過發酵還能夠促進酶的活力，使整個體系的水解能力進一步提升，從而提高底物的降解程度和飼料原料的利用率[30]。Liu 等[31]研究報道，玉米秸稈生產蛋白飼料的最佳發酵劑為纖維素酶和酵母菌混合物，且酶和菌的發酵比例為8:15，發酵48 h 后發酵飼料的粗蛋白質含量高達29.71%，較未發酵組提高了4.67 倍。Muck 等[32]在青貯飼料中添加布式乳桿菌，乳酸能夠緩慢轉化為乙酸和1,2-丙二醇，提高了青貯飼料的有氧穩定性；而將纖維素酶和半纖維素酶添加到青貯飼料中，植物細胞壁被快速分解，青貯飼料發酵程度增強的同時其營養價值也得到提高。張煜等[33]通過發酵試驗篩選了能夠高效降解抗原蛋白的枯草芽孢桿菌BS12 和產乳酸能力較強的糞腸球菌EF，將兩者按菌量比8:1 接種，同時加入1%的復合酶制劑（纖維素酶、甘露糖酶和果膠酶），固態發酵后檢測到飼料的中性洗滌纖維降解率超過40%，粗蛋白質消化率提高近7%。林芝等[12]研究發現，將綠汁發酵液和木聚糖酶、纖維素酶進行復合添加，一方面能夠有效分解巨菌草細胞壁，降低粗纖維含量，還能夠促進乳酸發酵，提高青貯飼料中的碳水化合物含量，并增加干物質回收率，使青貯飼料的營養價值得到改善。與酶或菌單獨處理相比，菌酶協同處理提高底物利用率上更有優勢。Li 等[34]研究發現，狼尾草青貯酶解過程中應用可分解纖維素的微生物可顯著提高底物碳水化合物利用率，其中里氏木霉和糞腸球菌對于底物中葡萄糖和木糖的促進作用最為顯著。Colombatto 等[35]研究發現，酶混合物可以提高發酵罐中青貯飼料的中性洗滌纖維降解率，在高pH 和低pH 環境下可分別提高43%、25%。

2.3 降低抗營養因子水平，改善飼料品質 植物性飼料中的抗營養因子水平是影響其營養物質消化、吸收和代謝利用率的一個重要因素，而通過菌酶協同發酵技術能夠有效降低植物原料中抗營養因子和毒素的含量。豆粕是動物飼料中主要的植物蛋白來源，豆粕中含有多種抗營養因子，直接阻礙了大豆蛋白質的消化吸收，降低了飼料營養價值，影響了動物生長性能[29]。近年來，外源酶補充劑已廣泛應用于益生菌發酵豆粕中，用以消除豆粕中的抗營養因子并促進大豆蛋白質的降解[36]。張煜等[33]在總菌量為1×107CFU/g 的枯草芽孢桿菌和乳酸菌混合菌中添加0.5%的復合酶制劑，固態發酵72 h 后飼料中大豆球蛋白和β-伴球蛋白的降解率均達到80%以上。劉顯琦等[22]研究發現，豆粕在枯草芽孢桿菌和胃蛋白酶協同發酵后，其大豆球蛋白和β-伴球蛋白的最大降解率可以分別達到78.6%和40.5%。菌酶協同發酵豆粕降低豆粕抗原的效果好于菌和酶單獨處理。菌酶協同協同發酵不僅可以將豆粕中的大豆抗原蛋白水解的更加徹底，還可以彌補微生物單一處理后產品品質不穩定的不足，提高飼料的適口性，并使其在進入動物腸道后還可以發揮維持腸道穩態的作用[22]。

3 菌酶協同發酵飼料在動物生產中的應用

3.1 豬 菌酶協同發酵飼料有利于提高豬的生長性能，同時對豬的腸道健康也有著明顯改善作用。張煜等[33]研究表明，與抗生素組相比，使用混菌（枯草芽孢桿菌、釀酒酵母和乳酸菌）和復合酶制劑處理的玉米-豆粕型菌酶協同發酵飼料替代10% 的基礎日糧后，斷奶仔豬的耗料增重比和腹瀉率無明顯差異，而平均日增重和采食量卻明顯提高，生產性能有所改善。Huang 等[37]研究發現，復合益生菌和霉菌毒素降解酶協同固態發酵飼料對豬空腸上皮細胞的活力有協同促進作用，減緩霉菌毒素對腸上皮細胞的毒性，促進緊密連接蛋白和B淋巴細胞瘤-2 的表達，從而抑制了腸上皮細胞的凋亡。馮江鑫等[38]研究發現，菌酶協同發酵飼料能夠顯著提高干物質、粗蛋白質、粗脂肪、粗灰分等營養物質的消化率；使仔豬十二指腸隱窩深度從425.38 μm 降低至336.92 μm，絨毛高度從433.44 μm 提高至540.39 μm，空腸杯狀細胞數量增加至9.53 個，回腸絨毛高度增加至426.71 μm；與對照組相比，菌酶協同飼料飼喂組仔豬的空腸封閉蛋白-1 和閉合小環蛋白-1 以及回腸閉合蛋白表達量均增加約1 倍；將對照組24.40%的腹瀉率降低至6.55%，改善了仔豬腸道健康和生長性能。

3.2 雞 菌酶協同發酵飼料能夠促進雞腸上皮細胞的形成，提高營養物質的消化率，維持腸道微生態平衡，改善雞的腸道健康并預防腸道病原菌感染[39]。Goodarzi等[40]給肉雞飼喂菌酶協同發酵的豌豆飼料，當菌酶協同發酵飼料添加到300 g/kg 時，其回腸粗蛋白質和粗脂肪的消化率得到改善，飼料轉化率提高。此外，菌酶協同發酵飼料對肉雞的免疫功能也有調控作用。Yeong等[41]研究表明，在日糧中添加10%的枯草芽孢桿菌和蛋白酶協同發酵飼料可促進肉雞β-伴球蛋白的α和β亞基的分解，降低肉雞血清中大豆過敏原抗體IgG 水平，抑制肉雞的過敏性免疫反應，從而改善肉雞的免疫功能。另有研究證明，益生菌和酶的混合培養物能夠促進肉雞對禽流感病毒和新城疫病毒的免疫反應，提高淋巴器官-脾臟的重量，降低抗體滴度[42]。

3.3 其他動物 目前，菌酶協同發酵飼料在反芻等其他動物飼養中的研究相對較少，其應用效果主要體現在提高腸道消化率和改善生長性能等方面。拉加[43]研究表明，用多酶益生素噴灑青稞秸稈，發酵2～3 d 后飼喂羔羊能夠提高采食量、飼料轉化率和增重等生長性能，且對降低飼料成本有一定作用。李遠林等[44]將木薯渣先經淀粉酶和纖維素酶雙酶解處理后，用酵母菌和霉菌混菌種發酵，得到了一類菌酶協同發酵飼料，在處理過程中產生了大量微生物菌體蛋白及其他有用的代謝產物，含有多種消化酶和促營養分子，能夠提高羊的抗病能力并促進其生長發育。

4 小 結

微生物和酶之間有著很好的協同作用，不僅可以加速大分子物質的降解、提高微生物的發酵效率、降低抗營養因子水平，還能改善動物的生產性能和免疫機能，特別是在維持畜禽腸道健康方面有著獨特的優勢。然而，菌酶協同作用是微生物參與的生命活動過程和酶參與的生物化學過程的有機結合，在協同過程中涉及到多種基質、菌種和酶，其機理極其復雜，絕不是簡單的生物處理工藝所能實現的，需充分考慮添加的菌酶種類的特性，以確定為達到最佳酵解所需的菌酶接種比、料水比、發酵溫度、發酵時間等。菌酶協同過程中所用菌種的規范性和工藝質量的穩定性有待更深入地研究，全面提高生物技術水平并加快發酵飼料的標準建設，以更好地將菌酶協同發酵飼料進行全面應用和推廣。