微生态发酵饲料及其发展现状

2019-08-28 - 发酵饲料

1977 年,德国的Volker Rush 博士首先提出微生态学(microecology) 的概念;1985 年,VolkerRush 认为"微生态学是细胞水平或分子水平的生态学"[1]。1988 年,康白[2]将其定义为"研究正常微生物群与其宿主相互关系的生命科学分支"。

到20 世纪末期,微生态学已形成基本概念明确、理论体系较为完备并已进行初步实际应用的一门独立学科。对动物微生态的研究表明:(1)动物胃肠道存在着种类繁多、数量庞大的微生物(包括原生生物)群体,即肠道正常菌群;肠道菌群之间以及与宿主之间构成了一个相互作用、相互依赖、相互拮抗的微生态系统。

微生态发酵饲料及其发展现状
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(2)微生态系统的平衡状态直接关系到动物营养(消化和吸收)、生理代谢、行为方式及其免疫功能,从而对动物生长、发育、繁殖、生产及其健康状况产生重要影响。

(3)除遗传、环境因素外,营养是决定动物微生态系统平衡状态的重要因素,由此形成了动物微生态营养理论。

微生态发酵饲料及其发展现状
微生态发酵饲料及其发展现状

自20 世纪末期以来,科学家们以此为指导,在国内外逐步展开了无抗生素、激素等药物的微生态饲料的研究开发,并取得了一定的成果,如益生素(菌)、益生元、合生元等饲用微生态制剂以及添加该制剂制备的预混料、浓缩饲料和配合饲料等。目前广泛研究和应用的主要是饲用微生态制剂,特别是其中的益生菌类产品。

微生态发酵饲料及其发展现状
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20 多年来的研究、应用表明,单独添加(通过饲料或饮水)益生菌效果不甚显著,在促进动物生长、提高饲料利用率和降低发病率及死亡率上与抗生素促生长剂(AGP)存在较大差距。这是由于益生菌的作用具有特异性,王长文等[3]认为,益生菌不是对各种动物都有广谱作用,同一种细菌对此种动物是有益菌,而对其他动物却可能是有害菌。

微生态发酵饲料及其发展现状

其次,益生菌的稳定性较差。目前使用较多的益生菌主要是芽孢杆菌、乳酸菌和酵母菌3 类微生物,除芽孢杆菌稳定性较高外,其他2 类微生物特别是乳酸菌的稳定性较差,通过一定时间(50~60 d)的贮存,尤其是经过高温(70~90℃)制粒,活菌数量可下降50%~99%。

因此,Ortwin Simon[4]认为,乳酸杆菌和双岐杆菌之所以不适合用作饲料添加剂就是因为它们在饲料加工和储存过程中的稳定性很差。

同时,被采食的益生菌还要经受胃酸及胆盐的灭活"减员"过程,因而到达肠道作用部位的活菌数量往往达不到一定的效应数量(109 CFU/kg)。

第三,多数益生菌制剂在动物肠道黏膜上皮组织无法粘附和定殖,"一过性益生菌虽然有调节肠道菌平衡和改善内环境的作用,但是停止饲喂益生菌后,其作用也会随着菌体被排出体外而消失"[5]。

与益生菌相对而言,在动物饲料中添加益生元(低聚糖)、酸化剂、酶制剂、功能性多糖、活性肽等均具有调节肠道菌群的功能性作用,饲用效果较好,且稳定性较高,但存在饲料成本偏高的问题。而微生态发酵饲料既可实现益生菌的自我增殖,还可产生低聚糖、酸化剂、酶制剂、功能性多糖、活性肽等肠道菌群调节因子,这种微生态饲料不但具有质量好、安全性高和效果稳定的特点,而且具有原料来源广泛和生产成本较低的优势。

迄今为止,关于"微生态发酵饲料"还没有一个统一的定义。笔者根据"无抗生态活性发酵浓缩饲料研制"项目的研究收获,并结合前人的研究成果,就微生态发酵饲料的概念、特点和优势以及国内外发展现状进行综述,并提出笔者的一些观点,供相关研究者参考。

1· 微生态发酵饲料的概念及特征

1.1 微生态发酵饲料的概念及其作用特点

王卫国[6]对生态饲料作出定义并提出微生态饲料的概念;他认为,生态饲料是指具有最佳的营养物利用率和最佳的动物生产性能,且能最大限度地发挥饲料对饲养动物、动物食品消费者和环境的作用,促进生态和谐的饲料;并同时强调,不能狭义地将生态饲料定义为微生态饲料或环保饲料。

张金宝[7]将生态饲料分为三种类型,即原料型生态饲料、微生态型生态饲料和综合型生态饲料。他指出,微生态型生态饲料是在饲料中添加一定量的酶制剂、益生素,能调节胃肠道微生物菌落,促进有益菌的生长繁殖,提高饲料的消化率,具有明显降低污染的能力。

根据以上观点,微生态饲料即是以动物微生态学理论为指导进行生产的,富含微生态调节因子并具有调控动物胃肠道菌群平衡功能的饲料,属于生态饲料的范畴。微生态发酵饲料即是通过发酵方式制备的微生态饲料,包括预混饲料、浓缩饲料及全价饲料三个类别。

因该类饲料营养价值较高且富含活性微生物及活性功能成分,集合了普通发酵饲料和其他微生态饲料的相关特点,在成本、安全、高效和环保等方面具有显著优势,被有关专家称之为"第三代饲料"。

它是发酵饲料的一个种类,但与普通发酵饲料有着较大的区别—普通发酵饲料均是为提高其营养价值而进行发酵制备的饲料原料,如饼粕、糠麸、秸秆及糟渣等发酵物;它也属于生物饲料的范畴,因为是通过生物技术(微生物技术)制备而得的产品。

目前,国内外广泛生产和应用的饲料产品均为添加有抗生素(AGP)药物的普通饲料(即"第二代饲料"),AGP 种类、组合、配比及添加量是该类饲料的关键核心技术。实质上,AGP 也是通过对胃肠道微生物菌群进行干预而发挥促长及保健作用的—通过抑制肠道微生物(包括原饲料残留的微生物和肠道正常菌群)活动或杀灭部分肠道微生物而实现的。

AGP的这种干预是违反生物自然天性的,其相关效应只能在较短的饲养周期内实现,但不可避免造成产品药物残留和微生物耐药性;如饲用较长期限,还必将破坏动物微生态系统平衡关系,严重危害动物机体健康。

与普通饲料相反,微生态型饲料是通过调整、维护和强化动物微生态系统平衡关系而发挥作用的,是顺应动物自然天性的一种人为影响,除克服AGP 产生的上述问题和后果外,可显著提高动物生产性能,生产高质量的安全产品。

1.2 微生态发酵饲料的主要特征

1.2.1 适口性好、营养价值高

经过发酵后的饲料,淀粉、粗蛋白、粗纤维等大分子物质和植酸、单宁、抗胰蛋白酶、硫代葡萄糖苷、游离棉酚等抗营养成分得到一定程度的降解和转化,富含菌体蛋白、活性肽、多种氨基酸、B 族维生素和多种有机酸等营养成分,还含有丰富活性酶(淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶和植酸酶等)以及多种活性成分和未知生长因子,营养价值得到显著提高[8]。

同时,发酵后的产品呈酸甜味,含有乙醇及多种酯类香气物质,畜禽喜食,适口性极好[9]。矿物质酸解或有机化,吸收利用率大为提高。

1.2.2 促进畜禽生长、提高饲料利用率和增强畜禽抗病力

采用科学合理的发酵方式,能在饲料制备过程中产生活性微生物、低聚糖、有机酸、活性酶、活性多糖、活性肽等微生态调节功能成分。生产产品集合了益生菌、益生元、酸化剂、酶制剂、功能多糖、抗菌肽等微生态制剂的特点与功能,可改善胃肠道内环境,保持肠道菌群的正常稳定,制约外源菌的非正常增殖,维护肠道微生态平衡,同时又达到降低生产成本的目的。

采用酵母菌为主要发酵菌种的微生态发酵饲料,酵母等活性菌体进入动物体内,可消耗胃肠道部分氧气,降低肠道氧化还原电位,加之其代谢产生的乙酸、乳酸等有机酸,利于维护肠道厌氧及酸性环境;特别是代谢产物中含有丰富的β- 葡聚糖、甘露聚糖等酵母多糖(Yeast polysaccharide,YPS)及其低聚糖、"嗜杀因子"、未知活性成分等益生因子,对肠道固有生理菌群的正常稳定、胃肠道微生态平衡的维护和机体免疫功能的调节发挥重要作用,从而保持动物机体健康,提高饲料利用率和促进动物生长[10,11]。

1.2.3 饲料安全水平高,可生产安全畜产品

作为生态饲料之一的微生态饲料,其兴起的缘由是抗生素、激素等饲料药物添加剂所造成的畜产品安全隐患、环境污染和社会公共卫生问题。微生态发酵饲料的安全性,主要涉及饲料原料、发酵菌种和生产工艺(发酵制备工艺)三大环节。

一般而言,在饲料原料方面,大多选用动植物能量和蛋白饲料、矿物原料、营养性饲料添加剂以及微生态制剂,禁止使用抗生素、激素等饲料药物添加剂和基因工程产品,不使用抗氧化剂、防霉剂、化工香精及色素等一般性饲料添加剂,Cu、Zn 和Fe 等微量元素常量添加。

所使用的发酵菌均为国家许可使用的菌种或食品行业通常使用的菌种。在生产工艺上,大多采用纯厌氧发酵或以厌氧发酵为主的发酵方式,可有效解决杂菌感染和霉菌毒素产生的问题。因此,该类产品的安全水平远高于目前称谓的绿色饲料和无公害饲料,可应用于绿色及有机养殖,生产安全优质畜产品,并减轻动物排泄物对环境的污染。

2· 微生态发酵饲料发展概况

2.1 国外发展情况

相对而言,微生态发酵饲料的研究和应用,国外特别是欧盟、日本等发达国家起步较早,做得最好,对促进该类产品在全球范围内的研制、推广和应用发挥了积极的作用。

鉴于饲用抗生素产生的危害,自20 世纪80 年代中后期以来,发达国家相继禁止或限制抗生素在动物养殖业上的使用。1986 年,瑞典禁止在畜禽饲料中使用抗生素,成为第一个不准使用抗生素作为饲料添加剂的国家。自2000 年1 月起,抗生素在丹麦只限于按处方用于动物疾病治疗。2006 年1 月开始,欧盟国家实行EU-25 号法令,禁止使用所有的饲用抗生素生长促进剂(AGP)。

与此同时,上述国家掀起了抗生素替代品及其新型安全饲料的研究热潮。在饲用抗生素(AGP)替代品方面,早期欧洲在畜禽养殖上盛行高铜、高锌替代方法,因造成环境污染问题,自2004 年1 月起已被限制使用;后期研究应用较多的有有机酸、酶制剂、中草药(植物提取物)以及益生元(prebiotics,主要为低聚糖类)、益生素(probiotics,欧盟称"微生物",美国称"可直接饲喂的微生物",日本称"有效微生物")、合生元(Synbiotics,益生元和益生素的组成物)、特异抗体(如蛋黄中的免疫球蛋白IgY)和噬菌体等。

上述有机酸、酶制剂、植物提取物以及益生元、益生素(菌)等产品多数具有动物微生态调节功能,早期应用方式是直接添加在配合饲料中制备微生态饲料等新型安全饲料,未通过发酵过程,饲料形态为干态的粉状料或颗粒料。中后期,欧美国家特别是荷兰、丹麦和英国等,则逐渐向酸度较高的发酵液体饲料(Fermented liquid feed, 简称FLF,即微生态发酵液体饲料)方向发展,即利用乳酸菌等(采用原料富集培养或外源添加) 作为发酵菌种制备含水量70%~80%的无饲料药物添加的发酵饲料,这实质上是欧美国家上个世纪50 年代兴起的普通液体饲料的继承和发展,也是通过饲料酸化可有效提高无抗饲料效果的研究结果的应用[12,13]。

20 世纪80 年代以来,日本生命农法研究会、长野微生物研究所等许多机构长期致力于生物饲料(微生态发酵饲料)的研究和应用,目前日本已普及利用有效微生物群(EM 菌剂)或乳酸菌、酵母菌作为发酵菌剂制作湿态型(或液态型)微生态发酵饲料饲养畜禽,取得了显著的社会效益和经济效益。

2.2 国内发展现状

实际上,作为原始雏形的微生态发酵饲料—诸如上个世纪50 年代的糖化发酵饲料,80 年代末至90 年代的酵母发酵饲料(也称"中曲发酵饲料"或"庆曲发酵饲料"等),以及绵延至今的青贮饲料、微贮饲料等,在我国的研究和应用有着悠久的历史。

但这些饲料的开发利用,着眼点主要是解决提高营养价值、改善适口性以及工农业副产物充分利用的问题;真正意义上的微生态发酵饲料的研究和开发,则起始于20 世纪90 年代初。

为了生产绿色鸡肉和猪肉,1992 年,李维炯等引进日本学者比嘉照夫发明的微生态制剂-EM 制剂,在养殖业上进行试验研究。试验内容包括利用EM作为发酵菌种制备发酵饲料饲养鸡、猪,开创了我国微生态发酵饲料研究应用之先河。

李维炯等在试验工作的基础上,还开展了相关技术的推广应用工作,推广面覆盖了北京、天津、福建、四川和山东等20 余个省市,取得了一定的社会效益,对我国生态养殖业的发展产生了重要的影响。1996 年,江西省天意生物技术开发有限公司引进日本技术生产"EM 原露";1999 年,宜春强微高新技术专利产品开发中心钟启平研制类似EM 产品的"活力99 生效剂"。

上述两家企业在生产供应微生物(微生态)制剂的同时,均大力推介微生物(微生态)发酵饲料制作技术,为促进我国微生态饲料的研究和应用作出了贡献。

提供菌种及技术,由养殖户(场)自制微生物(微生态)发酵饲料,成本较低,并能充分利用分散的工农业副产品,但存在质量水平不高、效果不稳定和杂菌感染的问题,同时也不适宜中大型养殖场批量制备。因此,直接提供微生物(微生态)发酵饲料成品,已成为养殖者的迫切需要和市场的必然选择。

中国农业大学农业部饲料工业中心、北京晟亚育达生物科技有限公司和北京市饲料监察所联合北京威望饲料有限责任公司,经过近6 年的研究与生产实践,于2006 年成功开发出了一种生产工艺简单、生产成本较低、使用效果较好的无抗活性发酵配合饲料(即微生态发酵配合饲料);在生长育肥猪配合饲料中添加10%~20%就可以实现从20 kg 到出栏的全程无抗无激生态饲养。

国内部分饲料生产企业已引进该项技术进行安全饲料生产,标志着我国微生态发酵饲料的研究应用进入了一个崭新的阶段。该技术主要包括功能性发酵包装袋、特制发酵菌种和菌种促长剂等内容。使用该项技术,原料接种微生物后就密封包装,发酵在包装袋内进行;微生物在发酵过程中产生的气体达到设定压力以后通过透气阀排出,但是外界的空气始终不能进入包装袋内。

这种单向排气装置确保了包装袋内的无氧和无杂菌污染的环境,不仅保证了一定数量的活性微生物,同时也保证了产品能长期储运。

显然,这种先包装、后发酵的革新技术,巧妙地解决了微生物固态发酵的散热、厌氧控制,以及包装、储运、保质等难题,对推广应用微生态发酵饲料发挥了积极的作用。

现阶段,国内产品的发酵方式多为单纯的厌氧发酵方式,同时生产(功能发酵包装袋制作)成本较高。笔者通过多年的研制工作,在借鉴国内外现有技术的基础上,发明了一种功能性包装袋。该包装袋装入添加有微生物菌种的饲料并密封包装后,通过袋上微孔和袋内外气压差的调控,可实现先好氧发酵,然后厌氧发酵,最后过渡到好氧与厌氧发酵结合并以厌氧发酵为主的理想饲料发酵方式。

并在此基础上研究配套使用的专用菌种、菌种促长剂以及饲料配方,集合形成了厌氧发酵和好氧发酵有机结合的双向呼吸饲料包装发酵技术(已获得国家发明专利授权)。

该技术的最显著特点是巧妙地解决了多年来困扰该类产品技术领域中2 种发酵方式相互配合的技术难题,可以全面提高产品质量水平及生产饲用效果,实现产品(技术)的升级换代。

与国外不同的是,我国生产的微生态发酵饲料,基本上是湿态产品(含水量25%~40%),这与我国现阶段的养殖业生产现状是相适应的:我们具有劳务价格较低的优势,但缺乏饲喂液体饲料所要求的设施投入,也未达到计算机自动控制饲喂的生产水平。

3· 展望

微生态发酵配合饲料可分为预混料、浓缩饲料和全价饲料三种类型。目前国内开发的产品主要是预混料和浓缩饲料,而全价饲料因其饲料成分变化的复杂性和工艺控制难度较大,目前仍处于研究试验阶段。在开发的产品中,浓缩饲料因具有质量稳定性和使用方便性,得到了较为广泛的研究和应用。

添加抗生素等药物的饲料逐渐淡出已是大势所趋,替代它的将是新型安全的生态饲料和微生态饲料。在微生态饲料中,微生态发酵饲料因充分利用微生物的代谢作用,具有显著的功能特点和饲用效果,是技术性与经济性的完美统一,代表着生态饲料以及微生态饲料的发展方向。

通过对多种提高饲料消化吸收技术方式的对比研究,张日俊[14]提出了"体外消化"的观点,认为对饲料原料进行发酵,是动物消化器官的延伸和消化时间的延长,是我国现阶段的可行性技术措施。

他指出,采用发酵法对饲料原料(包括蛋白原料、能量原料等)进行体外消化,起到消化、分解、转化、脱毒(脱除有害成分)、消除抗营养因子、丰富营养等作用,消化率一般可提高10%左右。

因此,李德发[15]指出,很多饲料营养学家断言.不利用微生物的代谢作用,饲料加工很难有新的突破:不发展生物饲料(微生态发酵饲料)产业,动物的健康养殖很难推广实施。因此,开发应用微生态发酵饲料前景广阔、潜力无限。

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