發(fā)酵豆粕及其在動物養(yǎng)殖行業(yè)中的應(yīng)用研究進展

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　　導(dǎo)讀

　　我國動物養(yǎng)殖行業(yè)在“十一五”到“十二五”期間發(fā)展迅速，規(guī)模越來越大，對動物性蛋白原料需求旺盛；而我國魚粉、蝦粉、蟹粉、骨粉等富含動物性蛋白原料規(guī)模小、質(zhì)量差，長期處于進口狀態(tài)。開發(fā)一款價格低廉、用于替代動物性蛋白原料的產(chǎn)品非常迫切。

　　據(jù)天下糧倉信息研發(fā)部2016年6月份發(fā)布的中國豆粕供需平衡表透露，我國豆粕年產(chǎn)量在6000萬T左右，豆粕中蛋白質(zhì)含量高達40%以上，且大部分是水溶性蛋白，是重要的植物蛋白資源。然而，豆粕中含有多種抗營養(yǎng)因子，包括植酸、胰蛋白酶抑制劑、低聚糖、大豆抗原蛋白等，阻礙動物對營養(yǎng)物質(zhì)的充分吸收和利用。

　　1 發(fā)酵豆粕營養(yǎng)價值

　　發(fā)酵豆粕含有豐富的益生菌及其代謝產(chǎn)物，這些物質(zhì)可改善動物腸道微生態(tài)環(huán)境，有利于營養(yǎng)物質(zhì)吸收、減少磷元素排放、增加鋅鐵等礦物質(zhì)元素利用。與豆粕相比，發(fā)酵豆粕含有豐富的小肽、氨基酸，有利于合成動物體內(nèi)自身氨基酸和組織，提高肌體免疫能力，抵御外來病原體入侵。Chen等研究了曲霉屬真菌和乳酸菌發(fā)酵豆粕后乳酸、必需氨基酸、相對分子質(zhì)量小于16kDa蛋白質(zhì)的變化；發(fā)現(xiàn)經(jīng)過發(fā)酵后，豆粕必需氨基酸含量升高了9%，蛋白質(zhì)（小于16kDa）含量提升到了63.5%，pH較發(fā)酵前顯著降低。Yang等同樣發(fā)現(xiàn)，在水分含量50%、36℃下采用枯草芽孢桿菌對豆粕發(fā)酵72h，小肽含量增加到了14.37%。Wang等通過枯草芽孢桿菌發(fā)酵豆粕產(chǎn)生了血管緊張素轉(zhuǎn)化酶（ACE）抑制肽，有利于動物降血壓等效果。因此，發(fā)酵豆粕可以很好地對動物日糧進行優(yōu)化升級，在促進動物快速生長同時，提供了更安全、更營養(yǎng)、更健康的膳食指導(dǎo)。與魚粉、蝦粉、蟹粉等動物源性蛋白原料相比，發(fā)酵豆粕飼料原料極其豐富、而且綠色環(huán)保，不產(chǎn)生廢液，在工業(yè)化生產(chǎn)中具有很大優(yōu)勢。發(fā)酵豆粕在動物養(yǎng)殖行業(yè)中使用安全、沒有有機試劑殘留。發(fā)酵豆粕中的蛋白質(zhì)能夠為動物機體提供足夠的氨基酸來源，從而減少了對昂貴的進口魚粉依賴，為養(yǎng)殖戶和飼料企業(yè)節(jié)省了大量成本。

　　2 最佳發(fā)酵條件下動力學模型的建立

　　腸道是非常重要的器官，它不僅承擔了對營養(yǎng)物質(zhì)的消化、吸收和利用，而且對維持動物營養(yǎng)健康起關(guān)鍵作用。消化不良會產(chǎn)生各種各樣的癥狀，如食欲不振、免疫力下降、便秘或腹瀉，直接影響動物的發(fā)育和生長。在抗營養(yǎng)因子存在下，動物對營養(yǎng)物質(zhì)利用率極低，蛋白質(zhì)等豐富的營養(yǎng)素資源不能被充分利用，如大豆胰蛋白酶抑制劑會抑制動物體內(nèi)胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶活性，影響蛋白質(zhì)消化吸收，而且容易引起胰腺水腫不良癥狀；豆粕中含有的植酸與金屬離子螯合形成不溶性的金屬鹽，阻礙動物機體對礦物質(zhì)吸收，同時也會對胃蛋白酶、淀粉酶以及胰蛋白酶產(chǎn)生抑制作用，影響蛋白質(zhì)等營養(yǎng)成分利用。

　　豆粕經(jīng)微生物發(fā)酵后，其抗營養(yǎng)因子降低，提高了動物對營養(yǎng)物質(zhì)吸收利用，避免動物對豆粕產(chǎn)生不良或過敏反應(yīng)，促進腸道消化性能。Gao等在使用短乳桿菌和米曲霉發(fā)酵豆粕后測定發(fā)現(xiàn)，短乳桿菌和米曲霉發(fā)酵分別使豆粕中胰蛋白酶抑制劑降低了57.1%和89.2%，而且米曲霉發(fā)酵的豆粕植酸含量也降低了34.8%；Gao在另一篇研究文章中也指出，采用米曲霉發(fā)酵豆粕中植酸顯著降低；Hong等使用米曲霉對豆粕進行發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵豆粕中的胰蛋白酶抑制劑降解率達到84.44%；Hirabayashi等發(fā)現(xiàn)采用宇佐美曲霉對豆粕進行發(fā)酵時，植酸可以完全降解。Song等研究表明，37℃下，豆粕在釀酒酵母加入后進行48h發(fā)酵，發(fā)酵產(chǎn)物中的大豆抗原蛋白IgE降低了88%。

　　發(fā)酵豆粕中的其他活性物質(zhì)對動物腸道微生物菌群的改善和益生菌自身蛋白形成有很好的促進作用，可以增強動物腸道自身微生物對營養(yǎng)物質(zhì)吸收和營養(yǎng)物質(zhì)重新塑造；同時這些活性物質(zhì)對腸道菌群的微生態(tài)平衡有重要的維持作用。

　　3 發(fā)酵豆粕制備工藝

　　影響豆粕發(fā)酵的因素有很多，包括菌種、溫度、時間、pH以及水分含量；菌種的選擇及固態(tài)發(fā)酵過程中工藝條件控制對發(fā)酵產(chǎn)品品質(zhì)具有重要的影響。為了提高發(fā)酵豆粕產(chǎn)品質(zhì)量，對菌種和工藝條件參數(shù)進行研究十分重要。

　　3.1 發(fā)酵菌株選擇

　　目前，芽孢桿菌、酵母菌、曲霉屬真菌以及乳酸菌是發(fā)酵豆粕使用最多的菌株，一般情況下芽孢桿菌用于產(chǎn)生蛋白酶，分解蛋白質(zhì)形成小肽和氨基酸；酵母菌和曲霉屬真菌有利于抗營養(yǎng)因子的降解；乳酸菌可通過產(chǎn)生乳酸調(diào)節(jié)發(fā)酵豆粕pH和其他活性因子。在固態(tài)發(fā)酵過程中，這幾種菌株的接種量會有差別，可以根據(jù)需要采用單菌或混菌發(fā)酵。

　　對混菌發(fā)酵，科研工作者進行了大量研究，通過采用菌株互補模式分析發(fā)酵豆粕的營養(yǎng)特性變化、抗營養(yǎng)因子去除效果以及經(jīng)濟效益。Guan等使用酵母菌、枯草芽孢桿菌以及乳酸菌3種菌株對豆粕進行發(fā)酵，溫度為30℃，時間為36h，發(fā)酵完后在5℃下進行封閉式低溫干燥制備發(fā)酵豆粕。Yang等同樣采用3種菌株對豆粕進行發(fā)酵，包括德氏乳桿菌、枯草芽孢桿菌以及米曲霉，通過3種菌株發(fā)酵后，發(fā)酵豆粕蛋白質(zhì)含量高達56.96%。Chi等使用淀粉液化芽孢桿菌、乳酸桿菌以及釀酒酵母對豆粕進行發(fā)酵，豆粕的抗氧化能力和清除自由基能力得到顯著提高。

　　對于單菌發(fā)酵也有相應(yīng)的研究，但不是很多，單菌發(fā)酵可能在提高營養(yǎng)價值、降低抗營養(yǎng)因子和生成一些活性物質(zhì)中的一方面產(chǎn)生作用，不能同時達到以上3種效果。為了能夠同時達到2種以上的效果，研究人員將單菌發(fā)酵與其他技術(shù)相結(jié)合。Wang等采用乳酸菌發(fā)酵與蛋白酶酶解技術(shù)相結(jié)合對豆粕進行發(fā)酵和酶解，在形成小肽同時，提高了豆粕抗氧化能力，對增強動物免疫能力有促進作用。

　　3.2 工藝參數(shù)控制

　　在豆粕固態(tài)發(fā)酵過程中，工藝參數(shù)不同，制備的發(fā)酵豆粕性能會有差異，工藝參數(shù)包括豆粕原料的成分及狀態(tài)，發(fā)酵過程各個工藝條件，因此需要對各個參數(shù)進行優(yōu)化，從而制備性能較好的發(fā)酵豆粕。一般發(fā)酵水分含量以適宜為主，太高容易滋生雜菌，不利于接種菌株的發(fā)酵培養(yǎng)，水分過低妨礙接種菌株的正常生長；溫度不能太高，太高容易造成菌株死亡；pH控制在接種菌株正常范圍內(nèi)。發(fā)酵豆粕的顏色、氣味以及風味物質(zhì)受工藝參數(shù)影響很大，因此需對工藝參數(shù)進行嚴格把控。

　　Jia等通過工藝參數(shù)優(yōu)化，分析了固態(tài)發(fā)酵的發(fā)酵溫度、含水量、發(fā)酵時間、菌株接種量對發(fā)酵豆粕中蛋白質(zhì)水解的影響，通過單因素試驗和正交試驗確定了最佳工藝參數(shù)為發(fā)酵時間48h、發(fā)酵溫度30℃、含水量50%、菌株接種量10%，得到的蛋白質(zhì)最大水解度為13.14%。Yang等采用響應(yīng)面分析法對發(fā)酵過程工藝參數(shù)進行優(yōu)化提高發(fā)酵豆粕蛋白質(zhì)含量，經(jīng)過單因素試驗和響應(yīng)面設(shè)計，確定了最佳工藝條件為含水量56%、菌株接種量9.5%、發(fā)酵時間43.5h，在最佳參數(shù)下制備的發(fā)酵豆粕蛋白質(zhì)含量為56.96%，與預(yù)測值57.08%非常接近。

　　4 發(fā)酵豆粕在動物養(yǎng)殖中的應(yīng)用

　　由于發(fā)酵豆粕抗營養(yǎng)因子含量比豆粕低很多，且富含小分子肽、游離氨基酸、乳酸、益生菌等多種營養(yǎng)成分，深受飼料企業(yè)及養(yǎng)殖戶青睞。關(guān)于發(fā)酵豆粕在動物養(yǎng)殖行業(yè)中的應(yīng)用，科研人員也非常重視，國內(nèi)外有許多報道研究了發(fā)酵豆粕用于畜牧類、禽類以及水產(chǎn)類等喂養(yǎng)試驗。

　　4.1 發(fā)酵豆粕在畜牧養(yǎng)殖中的應(yīng)用

　　2014年，我國用于豬、反芻動物的飼料達到9500萬T左右，用量巨大；由于大部分都是用的大宗農(nóng)產(chǎn)品制備的副產(chǎn)物作為飼料，沒有做進一步加工，飼料里蛋白質(zhì)發(fā)生不同程度變性，小肽、氨基酸等小分子物質(zhì)少，不含益生菌、乳酸等活性物質(zhì)，營養(yǎng)物質(zhì)沒有合理利用，造成資源浪費。發(fā)酵豆粕的開發(fā)與應(yīng)用不僅可以節(jié)省成本，而且可以促進動物快速增長。

　　Jones等將發(fā)酵豆粕用于飼養(yǎng)保育豬，并與魚粉相比較，發(fā)現(xiàn)在發(fā)酵豆粕添加量達到6%~7.5%時，保育豬的日增重量和飼料轉(zhuǎn)化率都顯著提高，其效果和魚粉添加量5%~6%的效果相接近，表明發(fā)酵豆粕在適量添加情況下可替代魚粉等昂貴動物性蛋白飼料用于保育豬的生長發(fā)育。在保育豬飼養(yǎng)方面，Jeffrey等也做了相應(yīng)研究，與豆粕相比，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵豆粕可以提高保育豬的日增重量和體重，但并不是很明顯，需要進行更深入的研究和探索。對于斷奶豬，有研究表明，發(fā)酵豆粕可以很好地用于斷奶豬的飼料配方中；Wang等采用嗜熱鏈球菌、枯草芽孢桿菌和釀酒酵母對豆粕進行發(fā)酵制備發(fā)酵豆粕，并替代豆粕用于斷奶豬的喂養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)飼料配方中含有6%發(fā)酵豆粕可促進斷奶豬快速生長；Jin等研究表明，與豆粕和魚粉相比，在飼養(yǎng)斷奶豬方面，發(fā)酵豆粕可以很好地提高豬的氨基酸和其他營養(yǎng)物質(zhì)表觀消化率，有利于豬的生長和發(fā)育。

　　4.2 發(fā)酵豆粕在禽類養(yǎng)殖中的應(yīng)用

　　雞、鴨、鵝等禽類由于生長周期較短，相對于豬、牛等對飼料要求高，而豆粕是禽類主要的日糧，由于豆粕中存在大豆抗原蛋白、胰蛋白酶抑制劑等影響禽類生長的因子，如果豆粕含量稍微增多，就會阻礙禽類生長。發(fā)酵豆粕由于抗營養(yǎng)因子得到了大部分降解，是一種理想的禽類飼料。

　　韓國國立慶尚大學Jeong等研究了發(fā)酵豆粕與海洋微藻共同飼養(yǎng)雞，并對雞肉和雞蛋進行分析，發(fā)現(xiàn)當發(fā)酵豆粕占喂養(yǎng)飼料量10%時，雞的胸肉和腿肉二十二碳六烯酸（DHA）高達2.21%，同樣雞蛋中的DHA達到2.02%，說明在發(fā)酵豆粕中加入海洋微藻可用于提高雞肉和雞蛋多不飽和脂肪酸含量。Xu等從生理學和腸道學角度分析了發(fā)酵豆粕喂養(yǎng)雞的效果，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，發(fā)酵豆粕替代量為10%時，對于雞的生長有促進作用，飼料轉(zhuǎn)化率提高，十二指腸和空腸絨毛隱窩深度增加，血清中尿素氮含量、免疫球蛋白G（IgG）減少。

　　4.3 發(fā)酵豆粕在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

　　我國擁有3.2萬km海岸線和43萬km江河線，水產(chǎn)養(yǎng)殖豐富，水產(chǎn)類對蛋白質(zhì)要求較高，雖然豆粕含量達到要求，但其中的抗營養(yǎng)因子容易導(dǎo)致水產(chǎn)動物產(chǎn)生畸形或生理異常。發(fā)酵豆粕作為一種較好的產(chǎn)品，可替代魚粉用于魚、蝦等養(yǎng)殖中。

　　埃及國家海洋與漁業(yè)研究所Sharawy等研究員分析了發(fā)酵豆粕替代魚粉用于印度對蝦、印度明對蝦和蝦苗養(yǎng)殖效果，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵豆粕替代魚粉達到25%、50%時，蝦的生存率、最終體重、增重量、特殊生長率并沒有明顯的下降，都維持在添加量0%的水平，說明發(fā)酵豆粕可替代魚粉用于蝦的養(yǎng)殖。Ding等也研究了發(fā)酵豆粕替代魚粉用于喂養(yǎng)日本沼蝦，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵豆粕替代量達到75%～100%時并不對日本沼蝦的生長產(chǎn)生影響，而且發(fā)酵豆粕替代量在25%是最佳替代比例。韓國Jeong等研究了富含DHA的發(fā)酵豆粕替代魚粉用于鷹嘴魚養(yǎng)殖中，表明發(fā)酵豆粕替代魚粉達到60%時，鷹嘴魚生長速度最快。

　　5 前景與展望

　　發(fā)酵豆粕作為一種新型生物飼料，不添加抗生素，抗營養(yǎng)因子低，富含益生菌、乳酸等營養(yǎng)物質(zhì)，是一種很好的魚粉、骨粉等動物性蛋白替代物。目前我國有許多養(yǎng)殖戶和飼料企業(yè)添加發(fā)酵豆粕或其他生物發(fā)酵飼料用于動物養(yǎng)殖和飼料配方中。隨著企業(yè)家和養(yǎng)殖戶的認知提高，發(fā)酵豆粕會越來越受到關(guān)注和追捧。

　　然而，我國在發(fā)酵豆粕等生物飼料方面面臨的問題也非常突出。第一，我國發(fā)酵豆粕以小規(guī)模、作坊式加工居多，從事人員缺乏相關(guān)技術(shù)，造成資源浪費；第二，產(chǎn)品不穩(wěn)定，缺乏成熟的發(fā)酵菌株篩選、控制和培養(yǎng)技術(shù)；第三，我國對于發(fā)酵豆粕等生物飼料相關(guān)標準較少，導(dǎo)致市場混亂；第四，關(guān)于發(fā)酵豆粕基礎(chǔ)研究工作較弱。這些問題既給我們提出了挑戰(zhàn)，也給我們指明了未來發(fā)展方向。我國必須完善生物飼料相關(guān)法律法規(guī)，培育出一批生物飼料龍頭企業(yè)和技術(shù)人才，加大企業(yè)和科研院所在生物飼料方面基礎(chǔ)理論研究工作，這樣才能使我國生物飼料行業(yè)得到可持續(xù)、綠色、環(huán)保發(fā)展，為真正無抗飼料時代來臨奠定堅實的腳步。

　　來源：中國油脂
　　作者：張連慧，熊小輝，惠 菊，王滿意
　　責編：馬維軍；審閱：劉晶晶博士
　　轉(zhuǎn)自：生物飼料工程研究中心