发酵豆粕及其在动物养殖行业中的应用研究进展

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　　导读

　　我国动物养殖行业在“十一五”到“十二五”期间发展迅速，规模越来越大，对动物性蛋白原料需求旺盛；而我国鱼粉、虾粉、蟹粉、骨粉等富含动物性蛋白原料规模小、质量差，长期处于进口状态。开发一款价格低廉、用于替代动物性蛋白原料的产品非常迫切。

　　据天下粮仓信息研发部2016年6月份发布的中国豆粕供需平衡表透露，我国豆粕年产量在6000万T左右，豆粕中蛋白质含量高达40%以上，且大部分是水溶性蛋白，是重要的植物蛋白资源。然而，豆粕中含有多种抗营养因子，包括植酸、胰蛋白酶抑制剂、低聚糖、大豆抗原蛋白等，阻碍动物对营养物质的充分吸收和利用。

　　1 发酵豆粕营养价值

　　发酵豆粕含有丰富的益生菌及其代谢产物，这些物质可改善动物肠道微生态环境，有利于营养物质吸收、减少磷元素排放、增加锌铁等矿物质元素利用。与豆粕相比，发酵豆粕含有丰富的小肽、氨基酸，有利于合成动物体内自身氨基酸和组织，提高肌体免疫能力，抵御外来病原体入侵。Chen等研究了曲霉属真菌和乳酸菌发酵豆粕后乳酸、必需氨基酸、相对分子质量小于16kDa蛋白质的变化；发现经过发酵后，豆粕必需氨基酸含量升高了9%，蛋白质（小于16kDa）含量提升到了63.5%，pH较发酵前显著降低。Yang等同样发现，在水分含量50%、36℃下采用枯草芽孢杆菌对豆粕发酵72h，小肽含量增加到了14.37%。Wang等通过枯草芽孢杆菌发酵豆粕产生了血管紧张素转化酶（ACE）抑制肽，有利于动物降血压等效果。因此，发酵豆粕可以很好地对动物日粮进行优化升级，在促进动物快速生长同时，提供了更安全、更营养、更健康的膳食指导。与鱼粉、虾粉、蟹粉等动物源性蛋白原料相比，发酵豆粕饲料原料极其丰富、而且绿色环保，不产生废液，在工业化生产中具有很大优势。发酵豆粕在动物养殖行业中使用安全、没有有机试剂残留。发酵豆粕中的蛋白质能够为动物机体提供足够的氨基酸来源，从而减少了对昂贵的进口鱼粉依赖，为养殖户和饲料企业节省了大量成本。

　　2 最佳发酵条件下动力学模型的建立

　　肠道是非常重要的器官，它不仅承担了对营养物质的消化、吸收和利用，而且对维持动物营养健康起关键作用。消化不良会产生各种各样的症状，如食欲不振、免疫力下降、便秘或腹泻，直接影响动物的发育和生长。在抗营养因子存在下，动物对营养物质利用率极低，蛋白质等丰富的营养素资源不能被充分利用，如大豆胰蛋白酶抑制剂会抑制动物体内胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶活性，影响蛋白质消化吸收，而且容易引起胰腺水肿不良症状；豆粕中含有的植酸与金属离子螯合形成不溶性的金属盐，阻碍动物机体对矿物质吸收，同时也会对胃蛋白酶、淀粉酶以及胰蛋白酶产生抑制作用，影响蛋白质等营养成分利用。

　　豆粕经微生物发酵后，其抗营养因子降低，提高了动物对营养物质吸收利用，避免动物对豆粕产生不良或过敏反应，促进肠道消化性能。Gao等在使用短乳杆菌和米曲霉发酵豆粕后测定发现，短乳杆菌和米曲霉发酵分别使豆粕中胰蛋白酶抑制剂降低了57.1%和89.2%，而且米曲霉发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，采用米曲霉发酵豆粕中植酸显著降低；Hong等使用米曲霉对豆粕进行发酵，发现发酵豆粕中的胰蛋白酶抑制剂降解率达到84.44%；Hirabayashi等发现采用宇佐美曲霉对豆粕进行发酵时，植酸可以完全降解。Song等研究表明，37℃下，豆粕在酿酒酵母加入后进行48h发酵，发酵产物中的大豆抗原蛋白IgE降低了88%。

　　发酵豆粕中的其他活性物质对动物肠道微生物菌群的改善和益生菌自身蛋白形成有很好的促进作用，可以增强动物肠道自身微生物对营养物质吸收和营养物质重新塑造；同时这些活性物质对肠道菌群的微生态平衡有重要的维持作用。

　　3 发酵豆粕制备工艺

　　影响豆粕发酵的因素有很多，包括菌种、温度、时间、pH以及水分含量；菌种的选择及固态发酵过程中工艺条件控制对发酵产品品质具有重要的影响。为了提高发酵豆粕产品质量，对菌种和工艺条件参数进行研究十分重要。

　　3.1 发酵菌株选择

　　目前，芽孢杆菌、酵母菌、曲霉属真菌以及乳酸菌是发酵豆粕使用最多的菌株，一般情况下芽孢杆菌用于产生蛋白酶，分解蛋白质形成小肽和氨基酸；酵母菌和曲霉属真菌有利于抗营养因子的降解；乳酸菌可通过产生乳酸调节发酵豆粕pH和其他活性因子。在固态发酵过程中，这几种菌株的接种量会有差别，可以根据需要采用单菌或混菌发酵。

　　对混菌发酵，科研工作者进行了大量研究，通过采用菌株互补模式分析发酵豆粕的营养特性变化、抗营养因子去除效果以及经济效益。Guan等使用酵母菌、枯草芽孢杆菌以及乳酸菌3种菌株对豆粕进行发酵，温度为30℃，时间为36h，发酵完后在5℃下进行封闭式低温干燥制备发酵豆粕。Yang等同样采用3种菌株对豆粕进行发酵，包括德氏乳杆菌、枯草芽孢杆菌以及米曲霉，通过3种菌株发酵后，发酵豆粕蛋白质含量高达56.96%。Chi等使用淀粉液化芽孢杆菌、乳酸杆菌以及酿酒酵母对豆粕进行发酵，豆粕的抗氧化能力和清除自由基能力得到显著提高。

　　对于单菌发酵也有相应的研究，但不是很多，单菌发酵可能在提高营养价值、降低抗营养因子和生成一些活性物质中的一方面产生作用，不能同时达到以上3种效果。为了能够同时达到2种以上的效果，研究人员将单菌发酵与其他技术相结合。Wang等采用乳酸菌发酵与蛋白酶酶解技术相结合对豆粕进行发酵和酶解，在形成小肽同时，提高了豆粕抗氧化能力，对增强动物免疫能力有促进作用。

　　3.2 工艺参数控制

　　在豆粕固态发酵过程中，工艺参数不同，制备的发酵豆粕性能会有差异，工艺参数包括豆粕原料的成分及状态，发酵过程各个工艺条件，因此需要对各个参数进行优化，从而制备性能较好的发酵豆粕。一般发酵水分含量以适宜为主，太高容易滋生杂菌，不利于接种菌株的发酵培养，水分过低妨碍接种菌株的正常生长；温度不能太高，太高容易造成菌株死亡；pH控制在接种菌株正常范围内。发酵豆粕的颜色、气味以及风味物质受工艺参数影响很大，因此需对工艺参数进行严格把控。

　　Jia等通过工艺参数优化，分析了固态发酵的发酵温度、含水量、发酵时间、菌株接种量对发酵豆粕中蛋白质水解的影响，通过单因素试验和正交试验确定了最佳工艺参数为发酵时间48h、发酵温度30℃、含水量50%、菌株接种量10%，得到的蛋白质最大水解度为13.14%。Yang等采用响应面分析法对发酵过程工艺参数进行优化提高发酵豆粕蛋白质含量，经过单因素试验和响应面设计，确定了最佳工艺条件为含水量56%、菌株接种量9.5%、发酵时间43.5h，在最佳参数下制备的发酵豆粕蛋白质含量为56.96%，与预测值57.08%非常接近。

　　4 发酵豆粕在动物养殖中的应用

　　由于发酵豆粕抗营养因子含量比豆粕低很多，且富含小分子肽、游离氨基酸、乳酸、益生菌等多种营养成分，深受饲料企业及养殖户青睐。关于发酵豆粕在动物养殖行业中的应用，科研人员也非常重视，国内外有许多报道研究了发酵豆粕用于畜牧类、禽类以及水产类等喂养试验。

　　4.1 发酵豆粕在畜牧养殖中的应用

　　2014年，我国用于猪、反刍动物的饲料达到9500万T左右，用量巨大；由于大部分都是用的大宗农产品制备的副产物作为饲料，没有做进一步加工，饲料里蛋白质发生不同程度变性，小肽、氨基酸等小分子物质少，不含益生菌、乳酸等活性物质，营养物质没有合理利用，造成资源浪费。发酵豆粕的开发与应用不仅可以节省成本，而且可以促进动物快速增长。

　　Jones等将发酵豆粕用于饲养保育猪，并与鱼粉相比较，发现在发酵豆粕添加量达到6%~7.5%时，保育猪的日增重量和饲料转化率都显著提高，其效果和鱼粉添加量5%~6%的效果相接近，表明发酵豆粕在适量添加情况下可替代鱼粉等昂贵动物性蛋白饲料用于保育猪的生长发育。在保育猪饲养方面，Jeffrey等也做了相应研究，与豆粕相比，发现发酵豆粕可以提高保育猪的日增重量和体重，但并不是很明显，需要进行更深入的研究和探索。对于断奶猪，有研究表明，发酵豆粕可以很好地用于断奶猪的饲料配方中；Wang等采用嗜热链球菌、枯草芽孢杆菌和酿酒酵母对豆粕进行发酵制备发酵豆粕，并替代豆粕用于断奶猪的喂养，发现饲料配方中含有6%发酵豆粕可促进断奶猪快速生长；Jin等研究表明，与豆粕和鱼粉相比，在饲养断奶猪方面，发酵豆粕可以很好地提高猪的氨基酸和其他营养物质表观消化率，有利于猪的生长和发育。

　　4.2 发酵豆粕在禽类养殖中的应用

　　鸡、鸭、鹅等禽类由于生长周期较短，相对于猪、牛等对饲料要求高，而豆粕是禽类主要的日粮，由于豆粕中存在大豆抗原蛋白、胰蛋白酶抑制剂等影响禽类生长的因子，如果豆粕含量稍微增多，就会阻碍禽类生长。发酵豆粕由于抗营养因子得到了大部分降解，是一种理想的禽类饲料。

　　韩国国立庆尚大学Jeong等研究了发酵豆粕与海洋微藻共同饲养鸡，并对鸡肉和鸡蛋进行分析，发现当发酵豆粕占喂养饲料量10%时，鸡的胸肉和腿肉二十二碳六烯酸（DHA）高达2.21%，同样鸡蛋中的DHA达到2.02%，说明在发酵豆粕中加入海洋微藻可用于提高鸡肉和鸡蛋多不饱和脂肪酸含量。Xu等从生理学和肠道学角度分析了发酵豆粕喂养鸡的效果，发现与对照组相比，发酵豆粕替代量为10%时，对于鸡的生长有促进作用，饲料转化率提高，十二指肠和空肠绒毛隐窝深度增加，血清中尿素氮含量、免疫球蛋白G（IgG）减少。

　　4.3 发酵豆粕在水产养殖中的应用

　　我国拥有3.2万km海岸线和43万km江河线，水产养殖丰富，水产类对蛋白质要求较高，虽然豆粕含量达到要求，但其中的抗营养因子容易导致水产动物产生畸形或生理异常。发酵豆粕作为一种较好的产品，可替代鱼粉用于鱼、虾等养殖中。

　　埃及国家海洋与渔业研究所Sharawy等研究员分析了发酵豆粕替代鱼粉用于印度对虾、印度明对虾和虾苗养殖效果，发现发酵豆粕替代鱼粉达到25%、50%时，虾的生存率、最终体重、增重量、特殊生长率并没有明显的下降，都维持在添加量0%的水平，说明发酵豆粕可替代鱼粉用于虾的养殖。Ding等也研究了发酵豆粕替代鱼粉用于喂养日本沼虾，发现发酵豆粕替代量达到75%～100%时并不对日本沼虾的生长产生影响，而且发酵豆粕替代量在25%是最佳替代比例。韩国Jeong等研究了富含DHA的发酵豆粕替代鱼粉用于鹰嘴鱼养殖中，表明发酵豆粕替代鱼粉达到60%时，鹰嘴鱼生长速度最快。

　　5 前景与展望

　　发酵豆粕作为一种新型生物饲料，不添加抗生素，抗营养因子低，富含益生菌、乳酸等营养物质，是一种很好的鱼粉、骨粉等动物性蛋白替代物。目前我国有许多养殖户和饲料企业添加发酵豆粕或其他生物发酵饲料用于动物养殖和饲料配方中。随着企业家和养殖户的认知提高，发酵豆粕会越来越受到关注和追捧。

　　然而，我国在发酵豆粕等生物饲料方面面临的问题也非常突出。第一，我国发酵豆粕以小规模、作坊式加工居多，从事人员缺乏相关技术，造成资源浪费；第二，产品不稳定，缺乏成熟的发酵菌株筛选、控制和培养技术；第三，我国对于发酵豆粕等生物饲料相关标准较少，导致市场混乱；第四，关于发酵豆粕基础研究工作较弱。这些问题既给我们提出了挑战，也给我们指明了未来发展方向。我国必须完善生物饲料相关法律法规，培育出一批生物饲料龙头企业和技术人才，加大企业和科研院所在生物饲料方面基础理论研究工作，这样才能使我国生物饲料行业得到可持续、绿色、环保发展，为真正无抗饲料时代来临奠定坚实的脚步。

　　来源：中国油脂
　　作者：张连慧，熊小辉，惠 菊，王满意
　　责编：马维军；审阅：刘晶晶博士
　　转自：生物饲料工程研究中心