发酵饲料工艺技术及在养猪生产中的应用研究进展

畜牧人网站 2019-08-06 06:06:59


发酵饲料是符合健康养殖理念的环保型饲料,具有提高饲料利用率及动物生产能力,改善动物健康水平,减少抗生素使用与环境污染,保障人类健康安全等作用。在养猪生产中发酵饲料具有良好的研究价值和应用前景。因此,文章综述了发酵饲料的生产方式、工艺技术控制,以及发酵饲料在养猪生产中不同生长阶段的应用情况,以期为相关领域提供新的思路和方法。


随着生活水平的提高,消费者对猪肉品质安全的要求越来越严格,我国畜牧业中人畜争粮和畜产品安全这两大问题越显严峻,而如何解决这两大问题,反映了我国饲料工业技术的发展水平。提高现有资源的利用效率,开发新的饲料资源,缓解饲料资源短缺,关键是要找到合适的生物技术和饲料营养技术手段。不同的工艺技术会对饲料资源的合理循环利用带来不同的效果。生产中,水解、膨化、微波等工艺技术均有其优劣。而发酵技术已经成为近年农业以及废弃物利用的研究热点。



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发酵方式


1.1 液体发酵


  发酵液体饲料是指将水与饲料以 1∶1.5~4 的比例混合,添加适宜比例的微生物,再经过一定时间的发酵后,产生的一种低 pH值、状态稳定、易被采食、消化和吸收的饲料形式。液体发酵饲料能改善饲料消化特性,提高饲料利用率,改善动物生长性能。目前,液体发酵技术多是朝着人工控制发酵参数以及优化发酵过程的方向发展,陆文清等研制了液态发酵饲料及其相应的饲喂传送系统,使液态饲料能够现发酵现喂。


1.2 固态发酵


  固态发酵是指微生物在没有或基本没有游离水的固态基质上的发酵方式。固态发酵饲料能够减少发酵后期的干燥程序,无废水、废气产生,具有投资低、耗能低等优点。但是,固态发酵在传质、传热等方面缺乏深入研究,敞开发酵易受杂菌污染,占地面积大,机械化程度差。目前,已开发应用的固态发酵反应器有转鼓式、水平桨式搅拌反应器等。王春林等利用呼吸膜技术进行发酵饲料生产,其工艺省略了消毒、干燥两个高耗能环节,减少感染杂菌,气体参数可控。


1.3 复合发酵


  除了单一的发酵方式外,复合发酵也是一种新的趋势。液态转固态工艺对原料中大肠杆菌直接产生抑菌作用。李绍章等用植物乳酸菌对饲料原料进行了液态转固态发酵和液态发酵、固态发酵的比较研究,结果表明,液态转固态发酵组发酵饲料能较好地保持饲料品质,发酵消耗远低于固态发酵组。


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发酵参数


  发酵饲料的优劣与发酵参数的优化紧密相关。发酵参数包括菌种种类及接种量、pH值、发酵温度、氧含量、水含量、发酵底物、碳源氮源等多个工艺参数。


2.1 发酵参数的控制


2.1.1 菌种

  发酵饲料使用的菌种应当符合我国农业部2013年发布的第2045号文件《饲料添加剂品种目录》中29种可直接饲喂动物或者允许饲料中使用微生物的要求。目前饲料发酵主要使用的菌种有乳酸菌、芽孢杆菌、酵母菌和霉菌等。


  菌种是饲料发酵工艺技术的关键因素,菌种品质的优劣直接决定发酵饲料的效果与质量。目前的研究主要集中在人工筛选高性能菌种进行发酵,针对发酵底物的特性而开发专一菌种。另外,发酵菌种趋向于由单一菌种向混合菌种甚至基因工程菌发展。程方等研究多菌种混合发酵马铃薯渣产蛋白饲料,结果表明,黑曲霉Z9和啤酒酵母PJ组合为最佳菌种配伍,且当菌种比例为1∶1时,效果较单一菌种佳。在苹果渣发酵中产朊假丝酵母HJ1和黑曲霉HF3组合是优选菌种配伍,接菌比例为1∶1时,发酵产物中蛋白酶活742.40(±56.77)U/g、纤维素酶活64.31(±3.19)U/g、总酚含量达5.8(±0.47)g/kg,与对照组相比分别增加了207.32%、947.45%和86.00%。在采用混合菌种发酵中如何解决菌种间的拮抗作用和协同作用,防止感染杂菌等是目前要解决的技术关键。


2.1.2 pH值

  发酵可使饲料的pH值降低,从而抑制病原微生物的滋生。虽然pH值是一个很重要的参数,但是在固态发酵过程中因缺乏在线测量pH值的技术,因此很难有效控制pH值。目前研究固态发酵过程中pH值变化及调控方面的研究比较少。pH值的控制研究主要集中在液体发酵中。发酵液pH值为7时有利于微生物的生长繁殖,可促进碳水化合物和可溶性蛋白的水解和酸化。黑曲霉发酵生产β-葡萄糖苷酶的最佳初始pH值为5.0,将产酶期的pH值控制在4.0左右时,有利于β-葡萄糖苷酶的分泌。王红波等对粪链球菌的发酵过程进行了pH值调控与非调控的比较研究,发现pH值调控维持发酵液pH为6.3~7.8,发酵16h,活菌数较非调控提高了65.9%。


2.1.3 温度

  温度过高或过低会影响微生物正常生长,温度过高易快速产酸产气,温度过低,菌种难以繁殖,发酵不充分。固态发酵中,随着发酵的进行,代谢热容易在物料中积累,造成基体体积收缩阻碍气体对流散热。Jensen等研究了不同温度条件下的发酵特性,发现发酵温度高于20℃,pH值低于4.5,能有效抑制大肠杆菌生长,温度提高至30℃的效果更好;刘天蒙等将米曲霉产酶的最适温度30℃升高为蛋白酶最适水解温度45℃,发酵72h后,大豆肽转化率升至54.51%;魏金涛等研究了初始水温与饲料液态发酵后pH值变化规律,结果表明,在17~20℃之间,初始水温和液态发酵后pH值呈显著的线性相关,初始水温高于20℃时,对液态发酵后pH值无显著影响;发酵过程中还应避免加入冷水。


2.1.4氧含量

  氧的供应是影响好氧发酵的重要因素。为防止发酵体系缺氧和增加其氧浓度,促进微生物生长,通常采用通风、搅拌或翻动来提高氧的传递。Kim等研究了液体发酵中搅拌速度和通气量对发酵产物的影响,发现随着搅拌速度和通气量的增加,菌丝体密度和发酵液粘度也随之增加。姚刚等研究证明,固定容器中装液量少,溶氧量大,有利于菌株产粗酶。


2.1.5 水含量

  水是微生物生长必需的养分,是发酵的重要因素,水分含量过低会影响微生物营养物质的吸收和菌体生长,水分含量高易导致物料结块和污染杂菌并增加发酵后期的干燥成本。水分含量越高,pH值降低速率越快,水分含量在30%~40%内,水分含量越高,乳酸菌活菌数升高越快。发酵饲料最适含水率为35%~40%。詹湉湉等研究表明,料水比为1∶0.70组的寡肽/粗蛋白质、游离氨基酸/粗蛋白和(游离氨基酸+寡肽)/粗蛋白质极显著高于料水比为1∶0.40和1∶0.55组。


2.1.6 底物

  目前发酵饲料底物主要有两种,一种是全价饲料,一种是单一或几种单一原料混合。发酵处理后,前者直接饲喂畜禽,而后者一般与其他组分按比例混合后饲喂。刘晓明等探讨不同饲料原料品质随发酵时间变化的规律,结果表明,相同含水量的原料,达到pH值稳定所需的时间为:玉米<豆粕<棉籽粕,而黏度强度为:棉籽粕>豆粕>玉米,益生菌存留数量为:玉米>豆粕>棉籽粕。发酵底物中碳氮比例、发酵底物的颗粒大小以及预处理方式也会直接影响微生物的生长、氧的供给及代谢产物的释放等。如麸皮发酵中添加硝酸铵有利于酵母和益生菌的生长。


2.2 发酵参数的优化


2.2.1 液体发酵饲料参数优化

  刘伟民等以米糠为基础培养基进行猴头菌液体发酵,优化控制参数为:葡萄糖20g/L、培养基pH5.0、KH2PO4 1.5g/L、MgSO4 0.75g/L,接种量10%、培养温度28℃、培养时间7d,得到优化条件为250mL三角烧瓶装样150mL,蛋白胨浓度9.8g/L,米糠浓度23.3g/L;张亚兰等采用混合菌种联合厌氧发酵的方法,利用塑料薄膜袋对无抗全价饲料进行发酵处理,发现最佳的发酵工艺为:乳酸菌3%、酵母菌2%、枯草芽孢杆菌1%,料水比1∶0.8,pH6.5,发酵时间3d,发酵温度35℃;赵俊杰等对香菇B08菌株的液体发酵培养基进行研究,发现香菇液体发酵最佳培养基组成为:葡萄糖2%、蛋白胨1.5%、硫酸镁0.07%,pH7.0,最佳温度条件为26℃,250mL摇瓶最佳装液量为100mL,摇床最合适的转速为160r/min,在此条件下,香菇液体发酵多糖的产量为1.58g/L。


2.2.2 固态发酵饲料参数优化

  李加友等通过响面分析法获得了麸皮发酵饲料生产相关性的数学模型,确定了酵母7.00mL、益生菌(枯草芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌)0.18mL、淀粉酶0.10mL和硝酸铵6g时,产品中游离氨基酸含量达最高18.35%;詹湉湉等研究混合菌种发酵豆粕在35℃时最佳工艺条件为:凝结芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和酵母菌配比为(2∶5∶3)×108,料水比为1∶0.70,接种量为0.02%,厌氧发酵72h。赵华等探讨甘薯渣最佳发酵工艺,结果表明,在38℃、料水比1∶1.3、接种量1×106个/g、黑曲霉:里氏木霉:枯草芽孢杆菌:酿酒酵母=1∶1∶2∶1条件下发酵4.5d效果最好,粗蛋白质含量从6.37%提高到9.75%,粗脂肪含量从2.71%提高到4.92%,还原糖含量达到8.22%;刘国娟等研究复合菌固态发酵工艺的优化,发现发酵工艺优化为含水量60%、pH8.0、温度30℃、时间46h,此时活菌数为6.71×108CFU/g、葡聚糖含量为279.83mg/g、甘露聚糖含量为156.82mg/g、酒石酸含量为2.78mg/g、苹果酸含量为8.28mg/g、柠檬酸含量为1.34mg/g、丁二酸含量为2.54mg/g;林标声等结果表明,接种酿酒酵母和乳酸菌的最优发酵工艺条件为玉米淀粉250kg、豆粕4000kg、淀粉酶0.85kg、糖化酶0.30kg、物料含水量34%~36%、发酵菌液pH5.0、发酵温度30℃和发酵时间90h,在此优化条件下,能以较快的发酵速度得到较好的乳酸饲料产品,还能降低生产成本;Wang等研究发酵豆粕的发酵工艺,认为温度为40℃,初始水分含量60%和蛋白酶补充剂0.3%,中性蛋白酶:酸性蛋白酶比为3∶1,能改善豆粕的营养价值,生产品质优良的发酵豆粕。


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发酵饲料在养猪生产中的应用


3.1 生长育肥猪


3.1.1 发酵饲料对生长育肥猪生长性能的影响

  发酵饲料饲喂生长育肥猪,可明显提高猪的生长性能,促进饲料的消化吸收,降低料肉比。李志云等通过对比试验测定,用发酵配合饲料饲喂中猪、大猪,平均日增重分别提高了23.66%和20.18%,料肉比分别下降了6.43%和3.77%;刘瑞丽等研究表明,非常规日粮经益生菌发酵后饲喂生长肥育猪(65kg),有提高肥育猪日增重的趋势,与对照组相比,非常规发酵组提高育肥猪日采食量7.13%,降低料肉比3.22%;胡新旭等在生长育肥猪(18~110kg)日粮中添加20%无抗发酵饲料,发现平均日采食量提高5.86%,平均日增重提高10.89%,料肉比显著降低4.38%;金桩等在生长猪(25~50kg)饲料中分别添加20%、30%和50%的乳酸菌发酵饲料,结果表明,与对照组比较,平均日采食量分别提高了3.47%(P<0.05)、4.16%(P<0.05)和4.88%(P<0.01),平均日增重分别提高了9.67%(P<0.05)、11.47%(P<0.05)和13.68%(P<0.01),料肉比分别下降了5.16%、6.35%和7.54%。


3.1.2 发酵饲料对生长育肥猪肉品质的影响

  除了能够提高猪生长性能外,研究发现发酵饲料可以提高猪的肉品质,改善猪肉风味。胡新旭等研究发现,20%无抗发酵饲料添加组的猪肉pH45min、pH2h、红度值和肌内脂肪显著高于对照组,与对照组比较分别显著提高3.09%、2.11%、8.06%和28.06%;而滴水损失和剪切力则显著低于对照组,与对照组比较分别显著降低36.24%和29.41%;沈彦锋等研究发酵饲料对鲁莱黑猪肥育猪胴体品质及肉质特性的影响中,发现饲喂发酵饲料的猪肉保水能力、瘦肉率及日增重显著高于对照组,在屠宰率、眼肌面积、肌内脂肪等方面与对照组无显著差异;另外添加发酵饲料能提高肌内脂肪、α-亚麻酸和总单不饱和脂肪酸的含量,降低亚油酸、总多不饱和脂肪酸的含量,延长货架期。


3.1.3 发酵饲料对生长育肥猪免疫能力的影响

  大部分研究认为,发酵饲料能提高生长育肥猪免疫功能,如提高血清碱性磷酸酶的活性,提高免疫球蛋白含量,降低生长育肥猪发病率。金桩等研究乳酸菌发酵饲料对规模化猪场生长猪(25~50kg)的影响,发现添加20%、30%、50%的乳酸菌发酵饲料的发病率比对照组分别降低了38.46%、46.15%和69.23%;也有研究认为不同剂量的发酵饲料对于生长育肥猪的免疫能力和氮排量影响不同,在肖轲等研究中则发现,低剂量发酵饲料饲喂生长育肥猪(25kg)的猪血清白蛋白和尿素氮含量均显著高于对照组,高剂量发酵饲料组的总蛋白含量显著高于对照组,而血清碱性磷酸酶和血糖含量均显著低于对照组。


3.1.4 发酵饲料对生长育肥猪营养消化及环境的影响

  发酵饲料可提高生长猪的营养成分消化率,如可提高猪对粗脂肪、粗蛋白质和粗纤维的消化率,减少环境污染如降低血清尿素氮含量。涂小丽等研究表明,与对照组相比较,饲喂微生物发酵料极显著提高了猪对粗脂肪的消化率,且接近添加抗生素组的效果;刘瑞丽等报道,非常规日粮经过发酵后,营养物质消化率有极显著提高,干物质提高11.65%,有机物提高4.44%,粗蛋白质提高5.18%,粗纤维提高38.46%,总磷提高23.55%。同时,发酵饲料能有效控制腹泻和显著减少粪臭,可提高生长猪粪中乳酸菌含量,降低粪中大肠杆菌和沙门氏菌含量。


3.2 仔猪


3.2.1 发酵饲料对仔猪生长性能的影响

  发酵饲料能够提高仔猪生长性能,降低料肉比和腹泻率。李志云等用发酵配合饲料饲喂仔猪,仔猪平均日增重425g,仔猪存活率为97.32%,同比用常规饲料饲喂,仔猪平均日增重增加65g,增幅达18.06%。Yan等研究认为发酵大蒜粉在较低水平可提高断奶仔猪平均日增重和日采食量;陈玉龙等用24%发酵豆粕饲喂9(±0.5)kg保育猪,料肉比显著降低了6.33%,腹泻率极显著降低了94.61%;胡新旭等发现20%无抗发酵饲料组平均日增重提高了6.37%,料肉比降低了5.54%,腹泻率显著降低了63.63%;李泳宁研究了微生物发酵饲料对断奶仔猪的生长性能和腹泻情况的影响,发现添加0.5%、1.0%微生物发酵饲料的试验组日增质量分别比对照组显著提高了13.32%、15.69%,腹泻率均比对照组降低了66.65%,而添加2.0%微生物发酵饲料的腹泻率为4.28%,比对照组降低了77.80%;1.0%微生物发酵饲料的料肉比最低,比对照组显著降低了12.89%;宋承谋饲喂豆粕酶解发酵物的仔猪(18kg)平均日增重和对照组相比显著提高了10.58%,平均日采食量比对照组显著提高了8.52%。Canibe等给28日龄断奶仔猪饲喂液体发酵饲料,均发现日增重和日采食量有所降低;Wang等用6%发酵豆粕代替豆粕饲喂猪,显著提高日增重和平均日采食量,而饲料转化率不变。Jensen等发现,与干饲料和非发饲料酵组相比,液体发酵饲料饲喂的仔猪日增重有所提高,但饲料转化效率却降低。


3.2.2 发酵饲料对仔猪肠道的影响

  发酵饲料能改善仔猪肠道粘膜形态和微生态环境,减少环境污染等作用。Scholten等发现小麦液体发酵饲料能使断奶仔猪小肠绒毛长度显著增加;李旋亮等研究表明,水拌和菌液发酵组的空肠、盲肠和结肠的绒毛高度和黏膜厚度均显著高于对照组,菌液发酵组十二指肠和空肠的隐窝深度显著低于对照组,添加发酵饲料可以提高仔猪肠道益生菌如乳酸菌、双歧杆菌的数量,抑制大肠杆菌的数量;胡新旭等用20%无抗发酵饲料饲喂9.5kg断奶仔猪,前期和中期粪便乳酸菌数量显著高于对照组,而前期和中期粪便大肠杆菌数量显著低于对照组;李泳宁等在28日龄仔猪日粮中添加1.0%微生物发酵饲料有效提高了直肠中双歧杆菌、乳酸杆菌的数量,分别比对照组提高了11.83%、15.24%,对仔猪腹泻率和粪便中大肠杆菌的数量起到显著的抑制作用。


3.2.3 发酵饲料对仔猪免疫能力及环境的影响

  发酵饲料还能够提高仔猪免疫能力,改善粗蛋白质和粗纤维的消化率。Yan等认为饲喂发酵大蒜粉末能够增加营养物质的消化率、淋巴细胞和红细胞浓度,降低粪便大肠杆菌浓度;王娟娟等研究了日粮添加发酵饲料对14.17(±0.24)kg仔猪的影响,发现发酵料组的白细胞数量、淋巴细胞转化率、血清IgA浓度、多个抗氧化指标水平显著高于对照组,MDA值显著低于对照组;胡新旭等研究无抗发酵饲料对9.5kg断奶仔猪的影响,发现20%无抗发酵饲料组血清中碱性磷酸酶、葡萄糖、总蛋白、IgG含量显著高于对照组,尿素氮含量显著低于对照组;陈玉龙等研究指出饲喂发酵饲料的猪舍内NH3浓度极显著低于对照组,猪舍试验组猪舍内NH3浓度相比对照组极显著降低了26.09%,添加发酵豆粕显著提高保育猪的IgG和IgA含量;饲喂发酵饲料的仔猪粪中氮的排放量显著下降了8.22%,磷、铜、锌的排放量有降低的趋势。


3.3 母猪


  研究表明发酵饲料能够改善母猪生产性能,王辉等试验证明发酵饲料饲喂母猪可使仔猪出生重提高0.09kg,断奶体重提高0.19kg,断奶成活率提高2.9%,仔猪腹泻率降低5.97%;李志云等用发酵配合饲料饲喂经产母猪,母猪平均发情率提高6.7%,胎平均产仔数增加21.03%,仔猪平均出生重增加28.41%,而后备母猪胎平均产仔数增加10.71%,仔猪平均出生重增加30.50%;李想等发现发酵中药饲料饲喂母猪能够使产程缩短0.72h,促进母猪外阴红肿疲斑的恢复,缩短母猪的断奶至发情间隔,促进断奶母猪发情;熊立寅等在母猪妊娠期和泌乳期饲喂发酵饲料,发现全程添加发酵饲料能提高母猪采食量,仔猪断奶成活率、断奶仔猪数、断奶窝重及断奶平均体重,其研究还表明发酵饲料试验组哺乳母猪血清IgA、IgG和IgM水平显著提高,母猪GH分泌增加。


04

结论


  发酵饲料在猪的生产养殖中应用较多,研究应用集中在生长育肥猪和仔猪上,母猪的应用研究相对较少。同时发酵饲料对于猪不同生长阶段的作用机制研究并不深入,主要集中在生长性能、免疫能力方面的研究,部分集中在肉品质和环境污染等方面。目前没有发酵饲料的产品标准,由于发酵菌种、原料、工艺条件不同,饲喂比例不一致等可能是导致研究结果不一致的原因。因此,发酵饲料生产需要建立完善的综合评价体系,并且要针对猪不同生长阶段特性研究不同菌种和发酵工艺的发酵饲料,寻求更加高效安全的饲料。随着饲料发酵生产工艺技术的不断改进完善,发酵技术将会在养猪生产中得到更加广泛的应用,带来更高的经济和社会效益。


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责编:马维军;审阅:邓雪娟博士

来源:广东农业科学;生物饲料工程研究中心;作者:崔艺燕,马现永,陈卫东等


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