菌酶協同發酵飼料的特點及其在畜牧養殖上的應用

2020-12-24 15:11:18 點擊：

摘要：本文簡述了酶解飼料、發酵飼料以及菌酶協同發酵飼料的特點及其在畜牧業中的應用，淺析了菌酶協同發酵飼料給傳統生物飼料添加劑行業帶來的挑戰和機遇，并對菌酶協同發酵飼料未來的發展方向做出了展望。

無抗、非瘟、環保、飼料原料緊缺、食品安全等多重壓力對我國飼料行業提出了嚴峻的挑戰。同時，傳統的玉米-豆粕型飼料日糧配方和養殖管理技術陷入瓶頸，造成畜牧行業發展嚴重受限，亟需新的技術、產品和模式來帶動行業的可持續發展，在眾多的挑戰和選擇中，生物飼料應運而生。2018年，生物飼料領域第一個團體標準——《生物飼料產品分類》（T/ CSWSL 001-2018）發布。該標準將生物飼料分為發酵飼料、酶解飼料、菌酶協同發酵飼料和生物飼料添加劑四個主類，第一次明晰了菌酶協同發酵飼料的概念和技術理念。菌酶協同發酵飼料采取的生產工藝，結合了微生物發酵飼料與酶解飼料兩種生物飼料的工藝特點，充分發揮了酶制劑和微生物的協同作用，是一種全新的生產工藝。與傳統的酶解、微生物發酵相比，菌酶協同的發酵方式在發酵效率、發酵產品的質量上有著顯著的優勢，尤其是在地源性發酵飼料的生產上，發揮著重要的作用。菌酶協同發酵飼料融合了微生物、酶制劑以及發酵飼料的綜合元素，其快速發展必將給傳統的生物飼料添加劑行業、發酵飼料行業和原有的傳統飼料行業帶來沖擊。

1 酶解飼料、發酵飼料、菌酶協同發酵飼料的特點

1.1 酶解飼料

酶解飼料是利用酶的作用，在人為控制的環境條件下，將飼料原料中的大分子物質分解成小分子物質。

酶解飼料的優點：

(1) 作用直接、降解程度高、養分損耗低、易于動物吸收；

(2) 生產工藝可控、機理明確、周期短，有效地規避了生物發酵飼料中可能存在的違規菌種添加、次級代謝產物危害等安全性問題。目前，市場上已有的該類飼料產品，其產品大分子物質降解程度高，抗營養因子含量極低。以某公司大豆蛋白飼料為例，其抗原蛋白幾乎不能檢出，產品形式以干粉為主，產品穩定，不易發霉，使用方案以替代魚粉為主。

酶解飼料的缺點：

(1) 基于飼料原料的復雜性以及酶的專一性，目前的酶解飼料基本局限在以豆粕為主的單一原料上，并且在酶和設備的選擇上，以及酶解工藝控制上對生產者提出了極高的要求，處理不當會對產品品質造成很大的影響。如酶解豆粕易產生苦味肽類的物質，影響動物的采食。因此，好的酶解飼料很少，能做好酶解飼料的企業更少。

(2) 酶解飼料在整個工藝中沒有益生菌的參與，為了避免生產過程中污染雜菌，必須控制酶解時間，其手段包括原料滅菌、提高酶解溫度、21中國飼料2020年第21期增大酶的加入量、提高物料水分等。同時，為了保證產品能長期保存，酶解后的原料必須干燥，這也大大增加了酶解飼料的生產成本，增加了用戶的使用成本，限制了其用戶群體的規模。

(3) 酶解飼料缺乏微生物的代謝過程，僅在一定程度上起到了分解大分子和降解有害物質的目的，缺乏益生菌及其代謝所產生的益生元，綜合應用效果往往劣于優質的發酵飼料。

綜上，基于酶解飼料的生產技術特點、原料處理的單一性、較高的生產成本以及產品性能的欠缺，其應用領域、模式推廣受到很大的制約，未來的發展仍然會以高端產品為主。隨著發酵飼料技術的進步和模式的快速擴張，酶解飼料在生物飼料中所占的比例將會被逐漸壓縮。

1.2 發酵飼料

發酵飼料(不包含菌酶協同發酵飼料)是通過益生菌在生長過程中產生的水解酶發揮作用，將飼料原料中的大分子物質部分分解，此外在發酵過程中會產生大量有機酸及風味物質，其對于改善飼料原料的適口性，調節動物腸道菌群平衡具有積極作用(童申靈，2018)。其生產工藝按照使用微生物的類型，可劃分為好氧發酵和厭氧發酵兩類；按照水分含量多少，可劃分為固態發酵和液態發酵兩類。

發酵飼料的優點：

(1) 發酵過程中，益生菌分泌了豐富的代謝產物，如氨基酸、有機酸、微生物蛋白等營養物質以及蝦青素等功能性物質，提高了動物的采食量、飼料的消化利用率，增強了動物的免疫力，減少了糞污和氨氣等有害物質的產生和排放。

(2) 以厭氧工藝為主的發酵飼料，原料廣泛、工藝簡單、設備投資小、料損小、能耗低，養殖端現象級的應用效果顯著，產品的生產成本和用戶的使用成本低，生產模式和產品便于推廣。國內大部分中小發酵企業和地源性發酵飼料企業采用的都是厭氧發酵工藝。

發酵飼料的缺點：

(1) 厭氧發酵的益生菌普遍存在水解酶的分泌量不足、活力不高、種類不全的問題，導致發酵飼料中大分子物質降解效果差、發酵速度慢、發酵周期長。

(2) 好氧發酵工藝存在控溫難度大、料損大、易染霉菌、物料黏度大、能耗高、設備投資大等問題，因增加了產品的生產成本，產品售價高、利潤低，市場推廣較為艱難。

(3) 發酵菌株之間的拮抗作用，限制了益生菌使用的種類，尤其是以芽孢菌和曲霉菌為主的好氧菌同以乳酸菌為主的厭氧菌復合時，存在嚴重的拮抗作用。基于發酵飼料所存在的問題，以發酵豆粕為代表的采用好氧發酵工藝的發酵飼料生產企業和以地源原料發酵為代表的采用厭氧發酵的發酵飼料生產企業，大都將生產工藝轉向了菌酶協同的厭氧發酵工藝。

1.3 菌酶協同發酵飼料

菌酶協同發酵飼料是指在發酵飼料的制備過程中，添加益生菌和酶制劑，通過益生菌與酶制劑的協同作用，最大化地降解飼料原料中的大分子物質，同時在發酵過程中產生了有機酸及大量代謝產物。根據菌酶協同發酵飼料的原料組分可分為，菌酶協同發酵單一飼料原料和菌酶協同發酵混合飼料原料，發酵豆粕就屬于應用菌酶協同發酵的單一飼料原料；根據菌酶協同發酵飼料的工藝可分為，菌酶協同耗氧發酵工藝和菌酶協同厭氧發酵工藝；根據菌酶添加工序，可分為菌酶同步發酵工藝和菌酶異步發酵工藝。菌酶協同發酵已成為目前應用最為廣泛的發酵飼料生產方式，但目前的理論研究仍然停留在初級階段，缺乏深層次的機理研究，在復雜原料的處理方面，缺乏穩定的效果和完善的應用方案。此外，以濕基發酵飼料為主的菌酶協同發酵飼料在生產應用上存在染霉和物料分散不均勻兩方面問題，導致濕基發酵料無法進入筒倉和飼喂料線，這在一定程度上限制了其在飼料廠和養殖端的應用。

2 發酵飼料對生物飼料添加劑的挑戰和機遇

從市場的反饋來看，在大多數情況下，發酵飼料在養殖端的綜合應用效果要明顯優于單純的酶制劑或微生態產品，良好的應用效果增強了養殖終端和飼料企業使用和發展發酵飼料的信心。目前，絕大部分飼料集團和中型飼料企業都在加快發酵飼料的產品開發和市場布局，大部分養殖集團和規?；B殖廠也已經開始應用發酵飼料。原有的酶制劑和微生態制劑企業沉淀了菌和酶兩項發酵飼料生產的核心技術，如果運籌得當，積極響應，將在發酵飼料的發展中占得先機。菌酶協同發酵飼料由于兼顧了菌、酶以及發酵的元素，隨著濕基發酵飼料應用技術的成熟，必然會降低直接在飼料中添加的酶和菌的比例。在未來幾年內，在傳統飼料中直接添加的酶和菌的市場份額將會出現萎縮。但這并不意味著酶和菌的使用量會大幅縮減，只是其存在形式發生了轉變，將原先在飼料中添加轉為在發酵飼料中添加。無論是發酵單一原料還是復合原料，尤其是在地源性原料的開發和利用方面，為了保證原料的處理效果，酶制劑在發酵飼料中的添加比例要遠高于在傳統飼料中的添加比例，添加種類也會越來越豐富。因此，隨著菌酶協同發酵飼料的推廣，飼用酶制劑的整體市場份額將會增大，酶制劑企業將會迎來新的增長點。微生態制劑生產企業也同樣會借助這一發展趨勢，迎來新的增長點。但是隨著菌種現場活化技術的成熟和推廣，微生態制劑在發酵飼料中的用量會逐漸縮減，其增長幅度將遠低于酶制劑，加之發酵飼料的應用所帶來的飼料中直接添加量的大幅減少，整個市場空間將會被逐漸壓縮。發酵飼料要解決的問題主要有三個: (1)提升飼料原料的消化效率。(2)脫毒，去除抗營養因子。(3)益生菌的增殖并產生益生元。因此，菌和酶的加入一定是有目的性的，但實際應用中菌和菌、菌和酶、酶和酶之間既存在協同也存在拮抗。一些功能性的酶制劑會受到微生物代謝產物的抑制和破壞，需要單獨加入，因此功能性的酶制劑將會繼續在傳統飼料中添加。釋放養分型的酶制劑的單獨銷售模式將逐步被發酵飼料所帶來的原料預處理技術所淘汰。就國內的競爭態勢而言，隨著飼料廠和養殖端對發酵飼料認知的逐漸深入，技術門檻較低的發酵飼料所產生的高毛利，最多可以維持 2~3 年，在此期間發酵劑和發酵飼料的小作坊會遍地叢生，低端發酵飼料及其配套菌劑產品會進入紅海，行業步入微利時代。因此，發酵飼料的生產企業，要專注這 1~2 年的擴張期，快速發展，占領渠道和市場，打造品牌和聲譽。另外也要著手開發有技術壁壘、功能性、效果穩定的發酵劑或發酵飼料產品，以維持市場的穩定，為后續的發展蓄力。預期在未來的 3~5 年，發酵飼料的生產規模有望達到 1000萬~2000萬t/年，按照每噸發酵飼料添加1 ~ 2kg 酶制劑，添加 100g 發酵菌劑進行計算，未來幾年發酵飼料中酶制劑的添加量將達到 2萬 ~ 4萬t，微生態制劑的添加量將達到 2000~4000t，發酵飼料中酶制劑的添加量將占國內整個飼用酶制劑市場的 20%~40%。這將為傳統的酶制劑行業帶來新的發展機遇。非功能性的酶制劑和在發酵飼料中穩定的功能性酶制劑產品的銷售，將由酶制劑產品的銷售轉為發酵劑產品的銷售。

3 菌酶協同發酵飼料在畜牧養殖上的應用

3.1 菌酶協同發酵飼料

在仔豬養殖上的應用菌酶協同發酵飼料因其能夠將飼料原料中的大分子物質充分降解，有效去除原料中的抗原蛋白或者毒性因子，目前被廣泛應用于仔豬飼料中。張煜等(2018)研究發現，與添加抗生素的對照組相比，在仔豬飼料中添加10%的發酵飼料有利于提高采食量和日增重，對仔豬的料肉比和腹瀉率無顯著影響。鄧琳等(2019)研究發現，發酵飼料能提高仔豬生長性能和抗氧化能力，調節腸道菌群平衡，同時能有效減少飼料中抗生素的使用。Zhu 等(2018)研究發現，在斷奶仔豬日糧中添加發酵豆粕，可有效改善其腸道微生態環境，大腸桿菌和結腸細菌顯著減少，有效提高仔豬免疫功能，改善其健康狀況。Zhang 等(2018)研究發現，在仔豬日糧中添加10%玉米豆粕混合發酵飼料可顯著改善仔豬的腸道形態、消化功能和腸道菌群，減少仔豬日糧中抗生素的使用。

3.2 菌酶協同發酵飼料在肉雞養殖上的應用

研究表明，與無抗日糧相比，發酵飼料能夠有效地促進肉雞的生長，提高肉雞的生長性能；與含抗日糧相比，發酵飼料能夠明顯提升肉雞的免疫指標及健康程度（吝常華等，2017）。李龍等（2019）研究表明，在肉雞日糧中添加10%和15%的發酵全價飼料能提高肉雞的平均日增重，養分消化率和盲腸中乳酸桿菌和雙歧桿菌的數量，降低料肉比和盲腸中大腸桿菌和沙門氏菌數量。MirniLamid 等（2020）研究發現，在肉雞飼糧中添加5%的發酵米糠粕，可降低肉雞膽固醇、高密度脂蛋白和甘油三酯含量。Sugiharto（2019）等研究發現，在肉雞日糧中添加20%的發酵木薯渣可顯著降低肉雞腹脂含量，提高其十二指腸絨毛高度。

3.3 菌酶協同發酵飼料在水產養殖上的應用

發酵飼料能夠減輕水產養殖業污染，可以達到綠色環保的效果，因此已在水產養殖方面廣泛應用。發酵飼料在水產養殖上的功效主要體現在以下幾個方面:(1) 提升水產動物體質，增強其免疫力。(2)優化水質環境，凈化水體。(3)改善飼料適口性，提升飼料轉化率(柳云華，2019)。鐘小群等(2018)研究發現，發酵飼料不僅可以提高鯉魚幼魚的飼料利用率，還可以提高其消化功能和非特異性免疫機能，并且不會對肌肉品質造成不良影響。郭坤等(2020)研究發現，生物發酵飼料可以明顯提高克氏原螯蝦生長性能、肌肉品質、抗氧化能力和免疫機能。

4 菌酶協同發酵飼料的發展趨勢

4.1 功能性發酵菌株的開發

厭氧菌結合酶制劑的菌酶協同發酵飼料已成為生物飼料的發展趨勢，針對厭氧菌存在的水解酶分泌能力弱、代謝產物相對單一的特點，一方面要強化功能性菌株的選育，另外一方面要采用基因工程技術改造菌株，賦予生產菌株更多的功能性。

4.2 地源性飼料原料酶解數據庫的建立

地源性飼料原料的應用和發酵技術是建立中國特色的飼料配方體系的關鍵性技術，由于地源性飼料原料成分的復雜性，不易被微生物分解，在發酵過程中需要加入大量特異性的水解酶。因而，需要針對不同飼料原料，尤其是大宗的地源性飼料原料建立酶解數據庫，為酶制劑在地源性飼料原料上的應用提供指導。

4.3 液態飼喂配套的發酵技術

液態飼喂、生物發酵是解決地源性發酵飼料應用的兩大核心技術，目前國內已有多家企業開展液體飼喂設備的開發，部分養殖企業已經開始應用，市場反饋正向效果居多。基于液態飼喂的諸多優點，其在豬的飼喂上具有廣闊的市場空間。而發酵飼料與液態飼喂系統可以無縫鏈接，通過液態飼喂可以完美的解決濕基發酵飼料在養殖端存在染霉和物料分散不均勻的兩大核心問題。因此，隨著液態飼喂技術的成熟，與液態飼喂相配套的發酵技術、酶解技術和發酵飼料將具有廣闊的市場空間。

4.4 菌酶協同技術機理的深入研究

菌酶協同技術機理研究主要可從以下三個方向入手:(1)研究不同菌株之間的相互作用，如生長速率、拮抗(促進)作用、耐受性、定植機理以及益生作用機理等。(2)研究酶與酶之間的協同、拮抗等。(3)益生菌與酶制劑之間的協同作用，如堿性蛋白酶與芽孢桿菌之間具有協同效果，酸性蛋白酶與乳酸菌之間存在協同效果等。

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