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畜禽微生態

微生物發酵飼料的研究進展及其應用

更新時間:2022-02-12 13:38:47點擊次數:3813次
微生物發酵飼料是在飼料中添加有益微生物發酵而來的飼料產品,其特點是具有比普通飼料高的營養價值,有濃烈的香味,適口性好,能夠提高飼料的利用率,由于微生物發酵飼料能夠為動物機體提供大量的菌體蛋白以及維生素等營養物質,從而可以保護畜禽健康,維持腸道內的微生物菌群平衡,為人類提供更加優質的畜產品,微生物發酵飼料還具有無殘留、無抗藥性等特點,在替代抗生素方面有很大的前景。本文從微生物發酵飼料的生產工藝種類、作用機理、對飼料的品質影響以及在動物生產方面的應用這幾個方面對微生物發酵飼料的研究進展加以綜述。

隨著畜牧業的快速發展以及市場的需求加大,飼料原料價格持續上漲,養殖企業在飼料上的成本越來越大,因此新的低成本飼料原料的研發與生產引起關注。青貯飼料已經在動物生產上應用很廣泛,極大地降低了生產成本,然而還存在較多問題,如:營養損失較多,儲存不當容易發霉。微生物誘導的TMR(total mixed ration,TMR)發酵已被廣泛應用于提高飼料質量。TMR青貯可以穩定瘤胃功能,避免動物的自我選擇,如果在青貯過程中通過發酵改變其氣味和風味,則可能會將不良副產品納入到飼料中。乳酸菌改善了青貯發酵過程,使青貯具有較好的營養價值,是青貯飼料中常用的添加劑。另一方面,枯草芽孢桿菌也被用作青貯添加劑,因為它們能夠產生纖維分解酶和抗真菌化合物。其中枯草芽孢桿菌作為飼料接種劑能夠提高青貯的有氧穩定性,產生淀粉酶、阿魏酸酯酶等酶。研究表明,單獨接種枯草芽孢桿菌或與乳酸菌聯合接種可提高乳酸菌濃度,降低霉菌和酵母數量,提高玉米青貯的有氧穩定性和改善營養價值,提高腸道有益菌群數量和營養物質消化率。此外,乳酸菌與枯草芽孢桿菌共培養可提高TMR的質量。


微生物發酵飼料因為在動物生產上的價值高、價格低廉而被人們所喜愛。微生物發酵飼料所用的原料種類較多,如玉米、豆粕、棉籽粕、菜籽粕、蘋果渣、馬鈴薯渣和作物秸稈等,由于這些飼料中抗營養因子含量高,很難被動物直接消化吸收,導致飼料利用率低,采用微生物發酵技術能有效去除飼料中的抗營養因子,提高飼料的利用率,且發酵后的飼料風味更加濃烈,適口性更好,從而被動物更好地利用。乳酸菌、芽孢桿菌和酵母菌是發酵飼料中使用最常見也是使用最多的微生物,這些微生物可有效抑制內源性病原體的生長。


益生菌對動物機體的有益作用還受多種因素的影響,如復合益生菌制劑的定植能力、劑量比等。因此,有必要通過評價發酵飼料對動物機體的健康狀況來研究細菌定植和益生菌的劑量效應。一般情況下,菌株在發酵過程中會產生有機酸、特殊酶和細菌等一系列代謝產物,刺激免疫系統、消化酶活性和腸道微生物群,從而提高動物的生長性能。此外,由于腸道內活躍的微生物數量眾多,構成了一個復雜的生態系統,因此評估飼料對動物腸道菌群的影響至關重要。

微生物發酵飼料的定義及其生產工藝種類

1.1 微生物發酵飼料的定義


微生物發酵飼料是在人力控制的條件下,將植物性農副產品等原料,通過微生物的發酵作用,分解成部分多糖、蛋白質和脂肪等一些大分子物質,生成有機酸和可溶性小肽等小分子物質,形成營養豐富、適口性好的生物飼料。


1.2 生產工藝種類


1.2.1 按發酵工藝分類


按照發酵工藝發酵分為:固態發酵和液態發酵。固態發酵是指在微生物生長的培養基中沒有可以流動的游離水而進行的發酵。固態發酵的發酵物質來源廣泛,具有發酵終產物濃度較高、易于保存、發酵過程產生的廢水較少等特點。液態發酵是指在生化反應器中,通過人工的方式將菌株生長所需要的糖、氮鹽以及無機鹽等營養物質全部溶在水中作為培養基,滅菌后進行接種,進行菌大量繁殖的過程。液體發酵具有原料來源廣泛、菌體生長快速、生產周期短等特點。


1.2.2 按照所用菌種類分類


根據發酵所用菌種類又分單菌發酵和混菌發酵:單菌發酵所用菌主要有乳酸桿菌、枯草芽孢桿菌、酵母菌,發酵時只選擇其中一株菌;混菌發酵主要使用黑曲霉、木霉和乳桿菌、芽孢桿菌、酵母菌等,菌種之間按照比例混合,用于菜籽粕、棉粕、大豆秸稈、茶葉渣、玉米片等雜粕或農產品副產物發酵。


1.2.3 按照對氧氣的需要情況


按照微生物對氧氣的需要情況可將發酵飼料工藝分為好氧發酵和厭氧發酵以及兩段式發酵這三種。對于這三種發酵方式來說,在實際應用過程中,好氧發酵最為實用,這種方式在我國生物發酵中的應用較為廣泛,它的特點在于發酵周期短,物料轉化率高。厭氧發酵的特點在于發酵呼吸耗損少、香味醇厚。大多情況下,可以進行兩段式的發酵,先進行好氧發酵,然后再進行厭氧發酵。




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微生物發酵飼料的作用機理

2.1 產生化學屏障


飼料中添加的益生菌中乳酸菌占很大一部分比例,會產生像乳酸、乙酸、丙酸、丁酸等有機酸,病原微生物在酸性環境下,其生長就會遭受抑制,尤其是沙門氏菌和大腸桿菌的生長繁殖功能大幅減弱,從而維持了動物為腸道微生物菌群的平衡,提高了動物機體健康水平。


2.2 產生生物屏障


飼料中添加的有益微生物通過競爭性作用會抑制有害微生物在腸道黏膜上的定植,比如嗜酸乳桿菌率先附著在豬腸道,這樣就使得大腸桿菌與腸道上皮結合的位點減少,從而在腸道中建立優勢菌群。


2.3 產生營養屏障


微生物發酵飼料的原理就是將大分子的多糖、蛋白質降解成為小分子的有機酸、小肽、維生素等營養物質,從而更容易被動物體所消化吸收。




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微生物發酵飼料對于飼料品質的影響

3.1 微生物發酵飼料對飼料形態、色澤、氣味的影響


李紹章等用植物乳酸菌對飼料進行了發酵,發現液態轉固態發酵最為理想,飼料形態,隨發酵時間的延長,質地逐漸變得松散;飼料色澤在發酵72小時內呈現淡黃色或黃白色,72小時之后逐漸呈現灰黃色;氣味隨發酵時間的增長,由酸香味變為香甜味最后出現醇味。吳進東等用乳酸菌對毛苕子進行發酵發現:對照組的飼料顏色呈現黃褐色,添加乳酸菌的飼料顏色隨接種量的增加,飼料顏色從黃褐色變成黃色再到黃綠色;氣味方面,對照組的飼料逐漸出現霉味,添加乳酸菌的飼料隨乳酸菌接種量的增加,氣味由開始的輕微酸味過渡到芳香味、酒酸味;在質地形態方面,對照組的飼料發霉腐爛、結塊,而添加了乳酸菌的飼料,飼料柔軟松散。


3.2 微生物發酵飼料對飼料pH及有機酸的影響


魏立民等用復合酪酸芽孢桿菌對木薯渣發酵后發現:pH、丙酸含量顯著降低,乳酸和乙酸含量顯著升高,丁酸含量升高,但差異不顯著,并且丁酸隨著菌液添加量的增多而略有下降。劉圈煒等用復合酶制劑對玉米秸稈青貯發酵,結果發現:發酵后產物較未發酵相比,pH顯著降低,乳酸、乙酸、丙酸有不同程度的升高,丁酸含量呈現下降趨勢。


3.3 微生物發酵飼料對飼料常規營養成分的影響


程方等用黑曲霉和啤酒酵母對馬鈴薯渣進行發酵發現:馬鈴薯渣的粗蛋白(crudeprotein,CP)含量、蛋白酶活性、纖維素酶活性均顯著提高(P<0.05),粗纖維(crude fiber,CF)含量顯著降低(P<0.05)。魏立民等研究發現:在木薯渣中添加復合酪酸芽孢桿菌,其CP、粗脂肪(ether extract,EE)的含量均顯著增加(P<0.05),干物質(dry matter,DM)、中性洗滌纖維(neutral detergent fibre,NDF)、酸性洗滌纖維(acid detergent fibre,ADF)以及鈣的含量均顯著降低(P<0.05)。孟碟方等用乳酸菌對平菇菌糠進行發酵發現:發酵產物中的氨態氮、可溶性碳水化合物、NDF、ADF與對照組相比均不顯著,這可能是隨著發酵時間的增長,適合乳酸菌生長的底物物質消耗太多,導致有益菌生長變慢與有害菌的競爭作用減弱,從而使得有害菌生長加快,影響了發酵品質。陸永祥等用植物乳桿菌對玉米進行發酵處理。結果表明:發酵產物中的氨態氮含量顯著上升(P<0.05),出現與上面結果不同的原因可能是植物乳桿菌較孟碟方等人選取的乳酸菌菌株不同,對發酵底物的消耗較少,從而保證了有益菌的正常生長代謝,發酵效果良好。吳鵬昊等在全株玉米中添加復合乳酸菌制劑,結果表明:和對照組(未添加菌劑)相比,淀粉含量顯著增加(P<0.05),有氧穩定性優于對照組,儲存時間更長。


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微生物發酵飼料在動物生產方面的應用

4.1 微生物發酵飼料在豬生產方面的應用


Lin等研究發現:6%發酵玉米芯飼料顯著提高了豬的日采食量(daily intake,DI)、日增重(ADG)(P<0.05)。屠宰性能、肉質等指標均有明顯改善。此外,肥育豬腸道中乳酸菌等有益細菌顯著增加,腸道和糞便中大腸桿菌等致病菌顯著減少(P<0.05)。肥育豬的腸隱窩深度、回腸黏膜免疫力也顯著提高(P<0.05)。細胞因子含量及sIgA(分泌型IgA)、IL-8(白細胞介素8)、TNF-α(腫瘤壞死因子α)基因表達顯著升高(P<0.05)。熊瑩等研究表明:將發酵豆粕添加到保育豬基礎飼糧中,豬的ADG顯著提高,料重比、腹瀉率顯著下降(P<0.05),血清中的免疫球蛋白M(immunoglobulin M,IgM)、免疫球蛋白A(immunoglobulin A,IgA)的含量顯著提高(P<0.05),提高了保育豬的生產性能和免疫力。陳玉龍等研究發現:飼喂發酵豆粕后,保育豬腹瀉率與發酵豆粕的添加比例呈現負相關,血尿素氮(bloodurea nitrogen,BUN)呈現下降趨勢,血清中的白蛋白(albumin,ALB)、球蛋白(globulin,GLB)含量與發酵豆粕的添加比例呈現正相關,差異也不顯著,谷丙轉氨酶(alanine aminotransferase,ALT)的活性在添加l5%的發酵豆粕后顯著降低(P<0.05)。辛小召等研究發現:飼喂發酵豆粕后,泌乳母豬的采食量、斷奶仔豬重、成活率顯著提高(P<0.05),縮短母豬斷奶發情間隔時間,降低哺乳期間仔豬的腹瀉率,促進母豬機體對CP、EE、鈣、磷等營養物質的消化吸收;乳蛋白、乳糖、乳脂肪的含量提高,但差異不顯著(P>0.05),母豬血中總膽固醇、BUN和谷草轉氨酶(aspartate aminotransferase,AST)水平均顯著降低(P<0.05)。Choi等研究發現:用發酵的開菲爾飼喂斷奶仔豬,仔豬的生產性能得到提高,糞便中大腸桿菌數量減少,IL-6促炎細胞因子減少,IgM增加,增加了機體的免疫力。


4.2 微生物發酵飼料在雞生產方面的應用


阿布都如蘇力艾爾肯等研究發現:在生長后期,飼喂嗜酸乳桿菌發酵的豆粕,肉雞料重比、腹脂率顯著降低(P<0.05),全凈膛率、腿肌率顯著提高(P<0.05)。陳婷等發現:添加復合益生菌發酵飼料,雪峰烏骨雞胸肌率、胸肌亮度顯著增加(P<0.05),胸肌pH、蒸煮損失、滴水損失顯著降低(P<0.05)。Gungor等研究發現:飼喂生石榴渣和發酵石榴渣不會改變肉雞血清中的谷胱甘肽過氧化物酶、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)和過氧化氫酶(catalase,CAT)水平,但會降低母乳中的丙二醛(malondialdehyde,MDA),高添加量的生石榴渣和高低添加量的發酵石榴渣都會顯著降低盲腸產氣莢膜梭菌(P<0.05),低添加量生石榴渣的隱窩深度高于對照組和高添加量組。Huāng等研究發現:添加植酸酶發酵的麥麩,可提高蛋殼的重量、厚度、強度,血清中的SOD、CAT顯著提高(P<0.05),同對照組相比,蛋雞糞便中的磷含量顯著降低(P<0.05)。




4.3 微生物發酵飼料在羊生產方面的應用


玉霞等研究發現:飼喂發酵玉米秸稈后,肉羊生長性能略有提高(P>0.05),心臟的重量、瘤胃氨態氮、丙酸的含量顯著提高,乙酸/丙酸的比例顯著下降(P<0.05)。邱玉朗等研究發現:飼喂秸稈與玉米漿混合微生物發酵飼料后,肉羊ADG顯著提高,料重比顯著降低,血液中總蛋白(total protein,TP)、ALB、BUN等血液生化指標都顯著提高。王小平等研究發現:在青貯玉米中加入乳酸菌和酵母菌的復合菌劑,灘羊的日均采食量極顯著提高(P<0.01),ADG、末增重降低了,料重比降低、但差異均不顯著(P>0.05),但跟上面趨勢相同。Ouyang等在生長羔羊上的研究表明:在青貯稻草中加入青貯植物乳桿菌、木霉屬木霉菌和麥麩的混合添加劑,可以顯著提高瘤胃液中的菌體蛋白(microbial protein,MCP),總揮發性脂肪酸(TVFA),乙酸,丁酸和戊酸的濃度(P<0.05)。此外,稻草青貯飼料與植物乳桿菌,三葉草和小麥麩皮可以提高羔羊整體生長性能,瘤胃發酵能力。


4.4 微生物發酵飼料在牛生產方面的應用


余淼等研究發現:在飼料中添加乳酸菌、酵母菌后,肉牛血清中TP、ALB、IgA、IgG和IgM的含量顯著提高(P<0.05),同時血清中MDA含量、AST、ALT活性顯著降低,總抗氧化能力、總SOD的活性極顯著增強(P<0.01)。Suryanto等研究發現:可可豆殼發酵的飼糧,飼喂肉牛后,其肉骨比、肋部眼肌面積和胴體率等生產性能均顯著增加(P<0.05),肉品質也得到顯著改善。吳小燕等研究表明:用乳酸菌、枯草芽孢桿菌和酵母菌等益生菌對食品工業副產物進行發酵,奶牛的全期產奶量顯著提高,乳密度、乳糖、乳蛋白、乳脂肪的含量也顯著提高了(P<0.05)。Vailati等研究發現:在添加酵母菌發酵產物應對奶牛乳房炎挑戰時,酵母菌發酵產物能夠降低直腸溫度、體細胞評分和感染季的溫度。還發現,酵母菌發酵產物補充劑上調了與免疫細胞抗菌功能、上皮組織保護和抗炎活性相關的乳腺基因。酵母菌發酵產物奶牛對乳腺炎反應中TNF-α、熱休克蛋白(heat shock protein,HSP)反應的上調。其他解毒和細胞保護功能通路以及緊密連接通路也在酵母菌發酵產物喂養的奶牛中上調。Wanapat等在肉牛上的研究發現:給肉牛飼喂桑麻青貯,瘤胃內TVFA和單獨的揮發性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)極顯著升高(P<0.01);氮利用效率和尿嘌呤衍生物含量極顯著提高(P<0.01)。金紅巖等研究發現:微生態制劑會提高圍產期牦牛瘤胃中乙酸、丙酸含量、降低丁酸含量,差異均不顯著(P>0.05)。我們推測其原因可能是由于圍產期要為泌乳期提供能量準備,乙酸、丙酸等通過糖異生途徑為機體提供能量,有生成又經過消耗,效果就不那么明顯了。Neves等在閹牛上的研究發現:添加益生菌組的ADG增加更大。各組間采食量差異不明顯,背最長肌面積和背脂厚度均增大。益生菌改善了生產性能,有助于纖維消化率的提高,并改善了胴體評價指標。


4.5 微生物發酵飼料在其他動物生產上的應用


吳靈麗等研究發現:在獺兔飼糧中添加發酵蘋果渣,養分消化率、ADG提高(P<0.01),料重比、腹瀉率顯著降低(P<0.01)。He等研究發現:添加10%的發酵大米蛋白代替飼料中的魚粉效果最好,石斑魚的生長性能提高,差異不明顯,腸道中的消化酶如:淀粉酶、胰蛋白酶等活性高于對照組,TNF-α、IL-2等免疫相關基因等表達下調,腸道菌群α多樣性與對照組差異不顯著(P>0.05)。







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存在的問題

5.1 飼料報酬有待提高


我們學過免疫學都知道微生物的代謝產物是抗原,隨著動物采食飼料進入動物體內,將會產生抗體,而動物體產生抗體的同時就會消耗自身的能量與蛋白,此時飼料報酬就會降低。


5.2 飼料營養物質有損耗發酵


飼料在消毒、干燥的時候由于溫度較高,高溫會導致維生素遭到破壞,礦物質的形態和分布發生改變。


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未來愿景

生物發酵飼料作為抗生素的替代品,備受行業的關注,生物發酵飼料的飼喂效果已經得到了業界的肯定,正在加大力度研究發酵飼料,經過無數次的試驗,從剛開始的固態發酵逐漸傾向于液態發酵,這也說明了發酵技術的成熟,因此我們可以堅信,隨著畜牧業的發展,行業人士將不斷攻堅克難,研發更加優質的發酵飼料,實現真正意義上的無抗養殖,為人類提供更加安全健康的畜產品,實現人畜健康。


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