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微生態發酵飼料前景廣闊
時間:2017-06-24 15:38 來源:群林生物技術部 作者:qunlinshengwu 點擊:
 
 
 
 
1977 年,德國的Volker Rush 博士首先提出微生態學(microecology) 的概念;1985 年,VolkerRush 認為“微生態學是細胞水平或分子水平的生態學”[1]。
 
1988 年,康白[2]將其定義為“研究正常微生物群與其宿主相互關系的生命科學分支”。到20 世紀末期,微生態學已形成基本概念明確、理論體系較為完備并已進行初步實際應用的一門獨立學科。對動物微生態的研究表明:
 
(1)動物胃腸道存在著種類繁多、數量龐大的微生物(包括原生生物)群體,即腸道正常菌群;腸道菌群之間以及與宿主之間構成了一個相互作用、相互依賴、相互拮抗的微生態系統。
 
(2)微生態系統的平衡狀態直接關系到動物營養(消化和吸收)、生理代謝、行為方式及其免疫功能,從而對動物生長、發育、繁殖、生產及其健康狀況產生重要影響。
 
(3)除遺傳、環境因素外,營養是決定動物微生態系統平衡狀態的重要因素,由此形成了動物微生態營養理論。自20 世紀末期以來,科學家們以此為指導,在國內外逐步展開了無抗生素、激素等藥物的微生態飼料的研究開發,并取得了一定的成果,如益生素(菌)、益生元、合生元等飼用微生態制劑以及添加該制劑制備的預混料、濃縮飼料和配合飼料等。目前廣泛研究和應用的主要是飼用微生態制劑,特別是其中的益生菌類產品。
 
 
  
20 多年來的研究、應用表明,單獨添加(通過飼料或飲水)益生菌效果不甚顯著,在促進動物生長、提高飼料利用率和降低發病率及死亡率上與抗生素促生長劑(AGP)存在較大差距。這是由于益生菌的作用具有特異性,王長文等[3]認為,益生菌不是對各種動物都有廣譜作用,同一種細菌對此種動物是有益菌,而對其他動物卻可能是有害菌。其次,益生菌的穩定性較差。
 
 
目前使用較多的益生菌主要是芽孢桿菌、乳酸菌和酵母菌3 類微生物,除芽孢桿菌穩定性較高外,其他2 類微生物特別是乳酸菌的穩定性較差,通過一定時間(50~60 d)的貯存,尤其是經過高溫(70~90℃)制粒,活菌數量可下降50%~99%。因此,Ortwin Simon[4]認為,乳酸桿菌和雙岐桿菌之所以不適合用作飼料添加劑就是因為它們在飼料加工和儲存過程中的穩定性很差。
 
 
同時,被采食的益生菌還要經受胃酸及膽鹽的滅活“減員”過程,因而到達腸道作用部位的活菌數量往往達不到一定的效應數量(109 CFU/kg)。第三,多數益生菌制劑在動物腸道黏膜上皮組織無法粘附和定殖,“一過性益生菌雖然有調節腸道菌平衡和改善內環境的作用,但是停止飼喂益生菌后,其作用也會隨著菌體被排出體外而消失”[5]。
 
 
 
  
與益生菌相對而言,在動物飼料中添加益生元(低聚糖)、酸化劑、酶制劑、功能性多糖、活性肽等均具有調節腸道菌群的功能性作用,飼用效果較好,且穩定性較高,但存在飼料成本偏高的問題。而微生態發酵飼料既可實現益生菌的自我增殖,還可產生低聚糖、酸化劑、酶制劑、功能性多糖、活性肽等腸道菌群調節因子,這種微生態飼料不但具有質量好、安全性高和效果穩定的特點,而且具有原料來源廣泛和生產成本較低的優勢。
 
  
迄今為止,關于“微生態發酵飼料”還沒有一個統一的定義。筆者根據“無抗生態活性發酵濃縮飼料研制”項目的研究收獲,并結合前人的研究成果,就微生態發酵飼料的概念、特點和優勢以及國內外發展現狀進行綜述,并提出筆者的一些觀點,供相關研究者參考。
 
  
1· 微生態發酵飼料的概念及特征
  
1.1 微生態發酵飼料的概念及其作用特點
  
王衛國[6]對生態飼料作出定義并提出微生態飼料的概念;他認為,生態飼料是指具有營養物利用率和動物生產性能,且能大限度地發揮飼料對飼養動物、動物食品消費者和環境的作用,促進生態和諧的飼料;并同時強調,不能狹義地將生態飼料定義為微生態飼料或環保飼料。
 
 
張金寶[7]將生態飼料分為三種類型,即原料型生態飼料、微生態型生態飼料和綜合型生態飼料。
 
他指出,微生態型生態飼料是在飼料中添加一定量的酶制劑、益生素,能調節胃腸道微生物菌落,促進有益菌的生長繁殖,提高飼料的消化率,具有降低污染的能力。
  
 
根據以上觀點,微生態飼料即是以動物微生態學理論為指導進行生產的,富含微生態調節因子并具有調控動物胃腸道菌群平衡功能的飼料,屬于生態飼料的范疇。微生態發酵飼料即是通過發酵方式制備的微生態飼料,包括預混飼料、濃縮飼料及全價飼料三個類別。
 
 
因該類飼料營養價值較高且富含活性微生物及活性功能成分,集合了普通發酵飼料和其他微生態飼料的相關特點,在成本、安全、高效和環保等方面具有優勢,被有關專家稱之為“第三代飼料”。它是發酵飼料的一個種類,但與普通發酵飼料有著較大的區別—普通發酵飼料均是為提高其營養價值而進行發酵制備的飼料原料,如餅粕、糠麩、秸稈及糟渣等發酵物;它也屬于生物飼料的范疇,因為是通過生物技術(微生物技術)制備而得的產品。
 
 
  
 
目前,國內外廣泛生產和應用的飼料產品均為添加有抗生素(AGP)藥物的普通飼料(即“第二代飼料”),AGP 種類、組合、配比及添加量是該類飼料的關鍵核心技術。實質上,AGP 也是通過對胃腸道微生物菌群進行干預而發揮促長及保健作用的—通過抑制腸道微生物(包括原飼料殘留的微生物和腸道正常菌群)活動或殺滅部分腸道微生物而實現的。
 
 
AGP的這種干預是違反生物自然天性的,其相關效應只能在較短的飼養周期內實現,但不可避免造成產品藥物殘留和微生物耐藥性;如飼用較長期限,還必將破壞動物微生態系統平衡關系,嚴重危害動物機體健康。與普通飼料相反,微生態型飼料是通過調整、維護和強化動物微生態系統平衡關系而發揮作用的,是順應動物自然天性的一種人為影響,除克服AGP 產生的上述問題和后果外,可提高動物生產性能,生產高質量的安全產品。
 
  
1.2 微生態發酵飼料的主要特征
 
  
1.2.1 適口性好、營養價值高
 
  
經過發酵后的飼料,淀粉、粗蛋白、粗纖維等大分子物質和植酸、單寧、抗胰蛋白酶、硫代葡萄糖苷、游離棉酚等抗營養成分得到一定程度的降解和轉化,富含菌體蛋白、活性肽、多種氨基酸、B 族維生素和多種有機酸等營養成分,還含有豐富活性酶(淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶和植酸酶等)以及多種活性成分和未知生長因子,營養價值得到提高[8]。同時,發酵后的產品呈酸甜味,含有乙醇及多種酯類香氣物質,畜禽喜食,適口性好[9]。礦物質酸解或有機化,吸收利用率大為提高。
  
 
1.2.2 促進畜禽生長、提高飼料利用率和增強畜禽抗病力
  
 
采用科學合理的發酵方式,能在飼料制備過程中產生活性微生物、低聚糖、有機酸、活性酶、活性多糖、活性肽等微生態調節功能成分。
 
 
生產產品集合了益生菌、益生元、酸化劑、酶制劑、功能多糖、抗菌肽等微生態制劑的特點與功能,可改善胃腸道內環境,保持腸道菌群的正常穩定,制約外源菌的非正常增殖,維護腸道微生態平衡,同時又達到降低生產成本的目的。采用酵母菌為主要發酵菌種的微生態發酵飼料,酵母等活性菌體進入動物體內,可消耗胃腸道部分氧氣,降低腸道氧化還原電位,加之其代謝產生的乙酸、乳酸等有機酸,利于維護腸道厭氧及酸性環境;特別是代謝產物中含有豐富的β- 葡聚糖、甘露聚糖等酵母多糖(Yeast polysaccharide,YPS)及其低聚糖、“嗜殺因子”、未知活性成分等益生因子,對腸道固有生理菌群的正常穩定、胃腸道微生態平衡的維護和機體免疫功能的調節發揮重要作用,從而保持動物機體健康,提高飼料利用率和促進動物生長[10,11]。
  
 
1.2.3 飼料安全水平高,可生產安全畜產品
  
 
 
作為生態飼料之一的微生態飼料,其興起的緣由是抗生素、激素等飼料藥物添加劑所造成的畜產品安全隱患、環境污染和社會公共衛生問題。微生態發酵飼料的安全性,主要涉及飼料原料、發酵菌種和生產工藝(發酵制備工藝)三大環節。一般而言,在飼料原料方面,大多選用動植物能量和蛋白飼料、礦物原料、營養性飼料添加劑以及微生態制劑,禁止使用抗生素、激素等飼料藥物添加劑和基因工程產品,不使用抗氧化劑、防霉劑、化工香精及色素等一般性飼料添加劑,Cu、Zn 和Fe 等微量元素常量添加。所使用的發酵菌均為國家許可使用的菌種或食品行業通常使用的菌種。在生產工藝上,大多采用純厭氧發酵或以厭氧發酵為主的發酵方式,可解決雜菌感染和霉菌毒素產生的問題。因此,該類產品的安全水平遠高于目前稱謂的綠色飼料和無公害飼料,可應用于綠色及有機養殖,生產安全優質畜產品,并減輕動物排泄物對環境的污染。
  
 
2· 微生態發酵飼料發展概況
 
 
  
 
2.1 國外發展情況
  
 
相對而言,微生態發酵飼料的研究和應用,國外特別是歐盟、日本等發達國家起步較早,對促進該類產品在全球范圍內的研制、推廣和應用發揮了積極的作用。
  
 
鑒于飼用抗生素產生的危害,自20 世紀80 年代中后期以來,發達國家相繼禁止或限制抗生素在動物養殖業上的使用。1986 年,瑞典禁止在畜禽飼料中使用抗生素,成為一個不準使用抗生素作為飼料添加劑的國家。自2000 年1 月起,抗生素在丹麥只限于按處方用于動物疾病治療。2006 年1 月開始,歐盟國家實行EU-25 號法令,禁止使用所有的飼用抗生素生長促進劑(AGP)。
  
 
 
與此同時,上述國家掀起了抗生素替代品及其新型安全飼料的研究熱潮。在飼用抗生素(AGP)替代品方面,早期歐洲在畜禽養殖上盛行高銅、高鋅替代方法,因造成環境污染問題,自2004 年1 月起已被限制使用;后期研究應用較多的有有機酸、酶制劑、中草藥(植物提取物)以及益生元(prebiotics,主要為低聚糖類)、益生素(probiotics,歐盟稱“微生物”,美國稱“可直接飼喂的微生物”,日本稱“有效微生物”)、合生元(Synbiotics,益生元和益生素的組成物)、特異抗體(如蛋黃中的免疫球蛋白IgY)和噬菌體等。
  
 
 
上述有機酸、酶制劑、植物提取物以及益生元、益生素(菌)等產品多數具有動物微生態調節功能,早期應用方式是直接添加在配合飼料中制備微生態飼料等新型安全飼料,未通過發酵過程,飼料形態為干態的粉狀料或顆粒料。中后期,歐美國家特別是荷蘭、丹麥和英國等,則逐漸向酸度較高的發酵液體飼料(Fermented liquid feed, 簡稱FLF,即微生態發酵液體飼料)方向發展,即利用乳酸菌等(采用原料富集培養或外源添加) 作為發酵菌種制備含水量70%~80%的無飼料藥物添加的發酵飼料,這實質上是歐美國家上個世紀50 年代興起的普通液體飼料的繼承和發展,也是通過飼料酸化可提高無抗飼料效果的研究結果的應用[12,13]。
 
 
 
20 世紀80 年代以來,日本生命農法研究會、長野微生物研究所等許多機構長期致力于生物飼料(微生態發酵飼料)的研究和應用,目前日本已普及利用有效微生物群(EM 菌劑)或乳酸菌、酵母菌作為發酵菌劑制作濕態型(或液態型)微生態發酵飼料飼養畜禽,取得了社會效益和經濟效益。
  
 
2.2 國內發展現狀
  
 
 
實際上,作為原始雛形的微生態發酵飼料—諸如上個世紀50 年代的糖化發酵飼料,80 年代末至90 年代的酵母發酵飼料(也稱“中曲發酵飼料”或“慶曲發酵飼料”等),以及綿延至今的青貯飼料、微貯飼料等,在我國的研究和應用有著悠久的歷史。但這些飼料的開發利用,著眼點主要是解決提高營養價值、改善適口性以及工農業副產物充分利用的問題;真正意義上的微生態發酵飼料的研究和開發,則起始于20 世紀90 年代初。
  
 
 
為了生產綠色雞肉和豬肉,1992 年,李維炯等引進日本學者比嘉照夫發明的微生態制劑-EM 制劑,在養殖業上進行試驗研究。試驗內容包括利用EM作為發酵菌種制備發酵飼料飼養雞、豬,開創了我國微生態發酵飼料研究應用之先河。李維炯等在試驗工作的基礎上,還開展了相關技術的推廣應用工作,推廣面覆蓋了北京、天津、福建、四川和山東等20 余個省市,取得了一定的社會效益,
 
 
 
對我國生態養殖業的發展產生了重要的影響。1996 年,江西省天意生物技術開發有限公司引進日本技術生產“EM 原露”;1999 年,宜春強微高新技術專利產品開發中心鐘啟平研制類似EM 產品的“活力99 生效劑”。上述兩家企業在生產供應微生物(微生態)制劑的同時,均大力推介微生物(微生態)發酵飼料制作技術,為促進我國微生態飼料的研究和應用作出了貢獻。
 
 
 
提供菌種及技術,由養殖戶(場)自制微生物(微生態)發酵飼料,成本較低,并能充分利用分散的工農業副產品,但存在質量水平不高、效果不穩定和雜菌感染的問題,同時也不適宜中大型養殖場批量制備。
 
 
 
因此,直接提供微生物(微生態)發酵飼料成品,已成為養殖者的迫切需要和市場的必然選擇。中國農業大學農業部飼料工業中心、北京晟亞育達生物科技有限公司和北京市飼料監察所聯合北京威望飼料有限責任公司,經過近6 年的研究與生產實踐,于2006 年成功開發出了一種生產工藝簡單、生產成本較低、使用效果較好的無抗活性發酵配合飼料(即微生態發酵配合飼料);在生長育肥豬配合飼料中添加10%~20%就可以實現從20 kg 到出欄的全程無抗無激生態飼養。
 
 
 
國內部分飼料生產企業已引進該項技術進行安全飼料生產,標志著我國微生態發酵飼料的研究應用進入了一個嶄新的階段。該技術主要包括功能性發酵包裝袋、特制發酵菌種和菌種促長劑等內容。使用該項技術,原料接種微生物后就密封包裝,發酵在包裝袋內進行;微生物在發酵過程中產生的氣體達到設定壓力以后通過透氣閥排出,但是外界的空氣始終不能進入包裝袋內。
 
 
 
這種單向排氣裝置確保了包裝袋內的無氧和無雜菌污染的環境,不僅保證了一定數量的活性微生物,同時也保證了產品能長期儲運。顯然,這種先包裝、后發酵的革新技術,巧妙地解決了微生物固態發酵的散熱、厭氧控制,以及包裝、儲運、保質等難題,對推廣應用微生態發酵飼料發揮了積極的作用。
  
 
 
現階段,國內產品的發酵方式多為單純的厭氧發酵方式,同時生產(功能發酵包裝袋制作)成本較高。筆者通過多年的研制工作,在借鑒國內外現有技術的基礎上,發明了一種功能性包裝袋。該包裝袋裝入添加有微生物菌種的飼料并密封包裝后,通過袋上微孔和袋內外氣壓差的調控,可實現先好氧發酵,然后厭氧發酵,過渡到好氧與厭氧發酵結合并以厭氧發酵為主的飼料發酵方式。
 
  
 
 
與國外不同的是,我國生產的微生態發酵飼料,基本上是濕態產品(含水量25%~40%),這與我國現階段的養殖業生產現狀是相適應的:我們具有勞務價格較低的優勢,但缺乏飼喂液體飼料所要求的設施投入,也未達到計算機自動控制飼喂的生產水平。
  
 
 
3· 展望
  
 
 
微生態發酵配合飼料可分為預混料、濃縮飼料和全價飼料三種類型。目前國內開發的產品主要是預混料和濃縮飼料,而全價飼料因其飼料成分變化的復雜性和工藝控制難度較大,目前仍處于研究試驗階段。在開發的產品中,濃縮飼料因具有質量穩定性和使用方便性,得到了較為廣泛的研究和應用。
 
 
 
添加抗生素等藥物的飼料逐漸淡出已是大勢所趨,替代它的將是新型安全的生態飼料和微生態飼料。在微生態飼料中,微生態發酵飼料因充分利用微生物的代謝作用,是技術性與經濟性的統一,代表著生態飼料以及微生態飼料的發展方向。
 
 
 
通過對多種提高飼料消化吸收技術方式的對比研究,張日俊[14]提出了“體外消化”的觀點,認為對飼料原料進行發酵,是動物消化器官的延伸和消化時間的延長,是我國現階段的可行性技術措施。他指出,采用發酵法對飼料原料(包括蛋白原料、能量原料等)進行體外消化,起到消化、分解、轉化、脫毒(脫除有害成分)、消除抗營養因子、豐富營養等作用,消化率一般可提高10%左右。
 
 
因此,李德發[15]指出,很多飼料營養學家斷言.不利用微生物的代謝作用,飼料加工很難有新的突破:不發展生物飼料(微生態發酵飼料)產業,動物的健康養殖很難推廣實施。因此,開發應用微生態發酵飼料前景廣闊、潛力無限。
 

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