發酵豆粕及其在動物養殖行業中的應用研究進展

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　　導讀

　　我國動物養殖行業在“十一五”到“十二五”期間發展迅速，規模越來越大，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模小、質量差，長期處于進口狀態。開發一款價格低廉、用于替代動物性蛋白原料的產品非常迫切。

　　據天下糧倉信息研發部2016年6月份發布的中國豆粕供需平衡表透露，我國豆粕年產量在6000萬T左右，豆粕中蛋白質含量高達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，阻礙動物對營養物質的充分吸收和利用。

　　1 發酵豆粕營養價值

　　發酵豆粕含有豐富的益生菌及其代謝產物，這些物質可改善動物腸道微生態環境，有利于營養物質吸收、減少磷元素排放、增加鋅鐵等礦物質元素利用。與豆粕相比，發酵豆粕含有豐富的小肽、氨基酸，有利于合成動物體內自身氨基酸和組織，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酵豆粕后乳酸、必需氨基酸、相對分子質量小于16kDa蛋白質的變化；發現經過發酵后，豆粕必需氨基酸含量升高了9%，蛋白質（小于16kDa）含量提升到了63.5%，pH較發酵前顯著降低。Yang等同樣發現，在水分含量50%、36℃下采用枯草芽孢桿菌對豆粕發酵72h，小肽含量增加到了14.37%。Wang等通過枯草芽孢桿菌發酵豆粕產生了血管緊張素轉化酶（ACE）抑制肽，有利于動物降血壓等效果。因此，發酵豆粕可以很好地對動物日糧進行優化升級，在促進動物快速生長同時，提供了更安全、更營養、更健康的膳食指導。與魚粉、蝦粉、蟹粉等動物源性蛋白原料相比，發酵豆粕飼料原料極其豐富、而且綠色環保，不產生廢液，在工業化生產中具有很大優勢。發酵豆粕在動物養殖行業中使用安全、沒有有機試劑殘留。發酵豆粕中的蛋白質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，為養殖戶和飼料企業節省了大量成本。

　　2 最佳發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物質的消化、吸收和利用，而且對維持動物營養健康起關鍵作用。消化不良會產生各種各樣的癥狀，如食欲不振、免疫力下降、便秘或腹瀉，直接影響動物的發育和生長。在抗營養因子存在下，動物對營養物質利用率極低，蛋白質等豐富的營養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胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶活性，影響蛋白質消化吸收，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吸收，同時也會對胃蛋白酶、淀粉酶以及胰蛋白酶產生抑制作用，影響蛋白質等營養成分利用。

　　豆粕經微生物發酵后，其抗營養因子降低，提高了動物對營養物質吸收利用，避免動物對豆粕產生不良或過敏反應，促進腸道消化性能。Gao等在使用短乳桿菌和米曲霉發酵豆粕后測定發現，短乳桿菌和米曲霉發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，采用米曲霉發酵豆粕中植酸顯著降低；Hong等使用米曲霉對豆粕進行發酵，發現發酵豆粕中的胰蛋白酶抑制劑降解率達到84.44%；Hirabayashi等發現采用宇佐美曲霉對豆粕進行發酵時，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發酵，發酵產物中的大豆抗原蛋白IgE降低了88%。

　　發酵豆粕中的其他活性物質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物質吸收和營養物質重新塑造；同時這些活性物質對腸道菌群的微生態平衡有重要的維持作用。

　　3 發酵豆粕制備工藝

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

　　3.1 發酵菌株選擇

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

　　對混菌發酵，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酵豆粕的營養特性變化、抗營養因子去除效果以及經濟效益。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酵，溫度為30℃，時間為36h，發酵完后在5℃下進行封閉式低溫干燥制備發酵豆粕。Yang等同樣采用3種菌株對豆粕進行發酵，包括德氏乳桿菌、枯草芽孢桿菌以及米曲霉，通過3種菌株發酵后，發酵豆粕蛋白質含量高達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。

　　對于單菌發酵也有相應的研究，但不是很多，單菌發酵可能在提高營養價值、降低抗營養因子和生成一些活性物質中的一方面產生作用，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，研究人員將單菌發酵與其他技術相結合。Wang等采用乳酸菌發酵與蛋白酶酶解技術相結合對豆粕進行發酵和酶解，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 工藝參數控制

　　在豆粕固態發酵過程中，工藝參數不同，制備的發酵豆粕性能會有差異，工藝參數包括豆粕原料的成分及狀態，發酵過程各個工藝條件，因此需要對各個參數進行優化，從而制備性能較好的發酵豆粕。一般發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酵培養，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。發酵豆粕的顏色、氣味以及風味物質受工藝參數影響很大，因此需對工藝參數進行嚴格把控。

　　Jia等通過工藝參數優化，分析了固態發酵的發酵溫度、含水量、發酵時間、菌株接種量對發酵豆粕中蛋白質水解的影響，通過單因素試驗和正交試驗確定了最佳工藝參數為發酵時間48h、發酵溫度30℃、含水量50%、菌株接種量10%，得到的蛋白質最大水解度為13.14%。Yang等采用響應面分析法對發酵過程工藝參數進行優化提高發酵豆粕蛋白質含量，經過單因素試驗和響應面設計，確定了最佳工藝條件為含水量56%、菌株接種量9.5%、發酵時間43.5h，在最佳參數下制備的發酵豆粕蛋白質含量為56.96%，與預測值57.08%非常接近。

　　4 發酵豆粕在動物養殖中的應用

　　由于發酵豆粕抗營養因子含量比豆粕低很多，且富含小分子肽、游離氨基酸、乳酸、益生菌等多種營養成分，深受飼料企業及養殖戶青睞。關于發酵豆粕在動物養殖行業中的應用，科研人員也非常重視，國內外有許多報道研究了發酵豆粕用于畜牧類、禽類以及水產類等喂養試驗。

　　4.1 發酵豆粕在畜牧養殖中的應用

　　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產品制備的副產物作為飼料，沒有做進一步加工，飼料里蛋白質發生不同程度變性，小肽、氨基酸等小分子物質少，不含益生菌、乳酸等活性物質，營養物質沒有合理利用，造成資源浪費。發酵豆粕的開發與應用不僅可以節省成本，而且可以促進動物快速增長。

　　Jones等將發酵豆粕用于飼養保育豬，并與魚粉相比較，發現在發酵豆粕添加量達到6%~7.5%時，保育豬的日增重量和飼料轉化率都顯著提高，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育。在保育豬飼養方面，Jeffrey等也做了相應研究，與豆粕相比，發現發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酵制備發酵豆粕，并替代豆粕用于斷奶豬的喂養，發現飼料配方中含有6%發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，在飼養斷奶豬方面，發酵豆粕可以很好地提高豬的氨基酸和其他營養物質表觀消化率，有利于豬的生長和發育。

　　4.2 發酵豆粕在禽類養殖中的應用

　　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。發酵豆粕由于抗營養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等研究了發酵豆粕與海洋微藻共同飼養雞，并對雞肉和雞蛋進行分析，發現當發酵豆粕占喂養飼料量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酵豆粕喂養雞的效果，發現與對照組相比，發酵豆粕替代量為10%時，對于雞的生長有促進作用，飼料轉化率提高，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 發酵豆粕在水產養殖中的應用

　　我國擁有3.2萬km海岸線和43萬km江河線，水產養殖豐富，水產類對蛋白質要求較高，雖然豆粕含量達到要求，但其中的抗營養因子容易導致水產動物產生畸形或生理異常。發酵豆粕作為一種較好的產品，可替代魚粉用于魚、蝦等養殖中。

　　埃及國家海洋與漁業研究所Sharawy等研究員分析了發酵豆粕替代魚粉用于印度對蝦、印度明對蝦和蝦苗養殖效果，發現發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，說明發酵豆粕可替代魚粉用于蝦的養殖。Ding等也研究了發酵豆粕替代魚粉用于喂養日本沼蝦，發現發酵豆粕替代量達到75%～100%時并不對日本沼蝦的生長產生影響，而且發酵豆粕替代量在25%是最佳替代比例。韓國Jeong等研究了富含DHA的發酵豆粕替代魚粉用于鷹嘴魚養殖中，表明發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

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

　　然而，我國在發酵豆粕等生物飼料方面面臨的問題也非常突出。第一，我國發酵豆粕以小規模、作坊式加工居多，從事人員缺乏相關技術，造成資源浪費；第二，產品不穩定，缺乏成熟的發酵菌株篩選、控制和培養技術；第三，我國對于發酵豆粕等生物飼料相關標準較少，導致市場混亂；第四，關于發酵豆粕基礎研究工作較弱。這些問題既給我們提出了挑戰，也給我們指明了未來發展方向。我國必須完善生物飼料相關法律法規，培育出一批生物飼料龍頭企業和技術人才，加大企業和科研院所在生物飼料方面基礎理論研究工作，這樣才能使我國生物飼料行業得到可持續、綠色、環保發展，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
　　轉自：生物飼料工程研究中心