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微生物发酵饲料研究进展

       自上世纪50年代开始 ,在动物日粮中添加抗生素显著促进了动物生产,并对集约化畜牧业的发展做出了重大贡献。然而随着时间的推移,饲料中添加抗生素的危害日益显现,并受到社会的广泛关注。2004年,WTO、联合国粮农组织 (FAO)和世界动物卫生组织 (OIE)联合召开专题讨论会,讨论了非人用抗生素的使用和抗生素的耐药性问题。欧盟自2006年1月起全面禁止在畜禽饲料中添加抗生素,我国在饲料中批准使用的抗生素种类也在逐渐减少。人们开始纷纷寻求其它的替代品和替代技术,以保证畜牧业生产的效率与效益不受影响。同时饲料和粮食生产一直是我国国民经济的薄弱环节 。由于受人口增长 、耕地减少和肉食品消费增加的影响,我国粮食供需平衡十分脆弱。我国人均占有粮食一直在400kg以下,其中粮食总产量的40%左右用于饲料生产。在耕地和水资源长期紧缺的情况下,我国粮食产量已很难提高,饲料资源短缺的问题长期制约着我国畜牧业的发展。从长远来看,畜牧与人争粮问题仍然是我国不能掉以轻心的大事,这是由我国国情及粮情所决定的。因此发展高效饲料工业,生产生态健康型饲料是当务之急。
1、发酵饲料定义
       发酵现象具有和地球上生命体诞生同样长的历史,了解其本质却是近200年的事情。英语发酵为“fermentation”由拉丁语“ferver”派生来的,意思是翻涌,就是只看到了发酵现象。许多现代化发酵工业的建立是近十年的事情。发酵饲料是指在人工控制条件下,微生物通过自身的代谢活动,将植物性、动物性和矿物性物质中的抗营养因子分解或转化,产生更能被畜禽采食、消化、吸收且无毒害作用的饲料原料。通过发酵处理的饲料不仅具有改善饲料营养吸收水平,降解饲料原料中可能存在的毒素,还能起到促进生长,维持动物体内微生态平衡,增强机体的免疫力,防病治病的作用。
2、 发酵饲料菌种
        我国农业部 2003年12月发布的第3l8号公告“饲料添加剂品种目录”中有l5种:地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、两歧双歧杆菌、粪肠球菌、屎肠球菌、乳酸肠球菌、嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、乳酸乳杆菌、植物乳杆菌、乳酸片球菌、戊糖片球菌、产朊假丝酵母、酿酒酵母、沼泽红假单胞菌。目前市场上用于饲料发酵的益生菌种类主要是乳酸菌、芽孢杆菌、酵母和霉菌。
        乳酸菌是应用最早、最广泛的益生菌,是一类能在可利用的碳水化合物发酵过程中产生大量乳酸的细菌的总称。通常为厌氧或者兼性厌氧菌,耐酸,在pH值为4.5以下时仍可生长,研究发现代谢产物和活菌液对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌都有很强的抑菌效果 ,随着pH值的降低抑菌作用逐渐变强,活菌体内和代谢产物中含有较高的超氧化物歧化酶(SOD),能增强动物的体液免疫和细胞免疫。
       芽孢杆菌是一种能够产生芽孢的好氧菌,能耐受高温、高压和酸碱,生命力强。芽孢杆菌能够耐受胃酸和消化道上段胆盐和消化液破坏,在到达消化道下段以后出芽生长繁殖;芽孢杆菌是好氧菌,在消肠道内消耗大量的氧气,维持肠道厌氧环境,从而促进乳酸菌双歧杆菌等厌氧益生菌的生长,抑制需氧致病菌的生长,维持动物肠道的菌群平衡。芽孢杆菌能够产生维生素B1、B2、B6等B族维生素、维生素C、蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶等酶以及多种代谢产物,对饲料的降解消化吸收和动物的营养代谢起到促进作用。
       酵母是一类非丝状真核微生物,一般泛指能发酵糖类的各种单细胞真菌,酵母菌体中含有非常丰富的蛋白质、B族维生素、脂肪、糖、酶等多种营养成分。大量的应用研究试验证明,酵母在提高动物免疫力、提高动物生产性能和减少应激等方面均起作用。饲用酵母的主要种类有啤酒酵母和产朊假丝酵母。啤酒酵母除用于酿造啤酒及其他的饮料酒外,还可发酵面包。菌体维生素、蛋白质含量高,可作食用、药用和饲料酵母。产朊假丝酵母能发酵葡萄糖、蔗糖、棉子糖,能同化硝酸盐。产朊假丝酵母的蛋白质含量和维生素B含量均高于啤酒酵母。它能以尿素和硝酸盐为氮源,不需任何生长因子。特别重要的是它能利用五碳糖和六碳糖,还能利用造纸工业的亚硫酸、木材水解液及糖蜜等生产人畜食用的蛋白质。
        常用的霉菌有根霉、黑曲霉、米曲霉等。霉菌可利用分解纤维素和淀粉。
3、发酵饲料种类
       微生物发酵饲料按照水分含量的多少可分为液体发酵饲料和固体发酵饲料。液体发酵饲料国外使用较多,普遍采用饲料中天然存在的乳酸菌、酵母发酵;而国内普便使用微生物发酵剂或菌种,使用固体发酵饲料技术。
3.1 益生菌液体发酵饲料
       国外在制作微生物液体发酵饲料时一般不添加菌种,自然发酵而成,在发酵好的液体发酵饲料微生物菌群中占据主导地位的是乳酸菌。Winsen提出的液体发酵饲料指标被广大研究者认同:pH<4.5、LAB>91ogl0CFU/mL、乳酸含量>150 mmol/L、乙酸含量<40 mmol/L、酒精含量<0.8 mmol/L。液体发酵饲料在国内外的使用都有悠久的历史,国外对其研究比较深入,并且广泛使用。
3.2 微生物固体发酵饲料
        微生物固体发酵饲料的种类,大致可分为:全价发酵饲料、发酵浓缩料、发酵豆粕、酵母培养物和其他发酵产品。
3.2.1 全价发酵饲料
        全价发酵饲料是在营养均衡全面的无抗生素全价配合饲料中加入微生物和水,混合后在适当的温度下经厌氧或好氧发酵而成的饲料。该类饲料不仅能全面满足动物的营养需要,还能增加多种消化酶有机酸、维生素、多肽、小肽、氨基酸的含量,富含大量的益生菌。具有明显的促生长、防治疾病等生物学效应,对肠道疾病的控制效果好,并能节约生产成本。
3.2.2发酵浓缩料
        发酵浓缩料是将不含抗生素的浓缩饲料与微生物和水等混合后发酵而成的非全价饲料。发酵浓缩料跟全价益生菌发酵饲料相比只是在制作时少添加能量饲料,其他的功能作用相同,具有体积小运输使用方便的优点 ,是最具市场前景的一类产品。
3.2.3发酵豆粕
       发酵豆粕是一种以豆粕为原料,经微生物发酵而成的富含小肽的高档饲料蛋白质。由于小肽营养机理研究的深入 、益生菌发酵豆粕在饲料中应用的优良效果以及全球鱼粉产量减少价格走高等原因,益生菌发酵豆粕 目前成为饲料行业中的热点。益生菌发酵豆粕中小肽含量高低和抗营养因子消除程度与发酵所使用的微生物菌种及发酵工艺息息相关,在生产中一般采用多种益生菌搭配使用,促进酶解,分解抗原和抗营养因子,经过多种益生菌分阶段发酵酶解,使蛋白质得到充分降解,产品富含多种活性小肽、益生菌、生物活性酶等。益生菌发酵豆粕在我国许多地方已大批量生产,在高档饲料中作为优质饲料蛋白的植物蛋白源。
3.2.4 酵母培养物
       从目前国内外用得较多的酵母培养物产品来看主要分为两大类:一类是 以酵母活细胞为主要功能部分的酵母培养物;另一类以含有的大量的酵母代谢产物为主要功能部分的产品,并不强调活细胞的作用,产品主要由酵母代谢产物、酵母菌体和经过发酵后变性的培养基所构成。酵母培养物可明显提高反刍动物的生产性能。
3.2.5 其他发酵产品
       除了以上介绍的已进行大规模工业批量生产的益生菌发酵饲料外,还有其他各具特色 的发酵产品如:青贮饲料;对棉籽饼 (粕)、菜籽饼 (粕)和油茶枯饼等进行发酵脱毒而制成的饲料蛋白;用工业废弃物如甜菜渣、啤酒渣、豆渣、柠檬酸渣、玉米淀粉渣、果渣等制成的发酵饲料;用农业废弃物秸秆等制成的发酵饲料等。
4、  发酵饲料优势
        利用微生物加工和调制饲料具有物理和化学方法所不可替代的优势,这是由微生物本 身的特点所决定的。归纳起来微生物发酵饲料具有以下五大优势。
4.1 原料来源广泛
        据统计,目前已发现的微生物种类多达10万种以上,而且不同种的微生物具有不同的代谢方式,能够分解各种各样的有机物质。因此,利用微生物发酵生产饲料具有原料来源广的优点。能够用来生产微生 物饲 料的废弃物包括 :工、农、林、水、渔等产业的各种有机废水、废渣、甚至城市垃圾和粪便;矿物质资源:石油、天然气及由它们衍生出的副产物甲醇、乙醇、醋酸、甲烷等 ;纤维素资源:各种农作物秸秆、糠稗、木屑、蔗渣、薯渣、甜菜渣等,这些都是自然界最丰富的物质;糖类资源有:甘薯、木薯 、马铃薯等淀粉类物质和废糖蜜等。同时利用微生物不同的代谢方式可以生产菌体蛋白、酶制剂、饲用抗生素、有机酸、氨基酸等,还可以进行秸秆微贮发酵、青贮饲料、糖化饲料、饼粕类脱毒发酵、畜禽粪便发酵除臭和作为猪饲料、动物屠宰残渣发酵饲料(血粉发酵饲料)、酵母饲料、石油蛋 白饲料、微型藻类生产和光合细菌培养等。
4.2 投资少、效能高
       微生物一般都能在常温常压下,利用简单的营养物质生长繁殖。并在生长繁殖过程中积 累丰富的菌体蛋白和中间代谢产物。因此,利用微生物生产和调制饲料,一般具有投资少、效能高等特点。同时,因为微生物个体微小,构造简单,世代时间短,对外界条件敏感,所 以容易产生变异,这有利于有目的地进行诱变育种 ,改变菌种的生产特性和提高菌种的生产能力。
        我们可以通过物理的或化学的诱变剂对微生物进行处理,使它们的遗传性质发生变异,从而可以改变微生物的代谢途径。例如:对木霉进行无数次的诱变试验,从中筛选出比以前更好的变异菌株,应用于植物秸秆等纤维素资源的发酵,取得了很好的效果 。
        国外的研究表明:通过基因工程可以将草食动物瘤胃内的消化非纤维素的细菌转变成为可消化纤维素的细菌,从而提高反刍动物消化纤维素的能力,同样的道理,利用这种 “基 因工程菌”作为粗饲料的发酵菌,可以调制出高营养、高消化、高吸收率的优良饲料来。
4.3 代谢旺盛,产出率高
       由于微生物个体微小,具有极大的表面积和容积的比值。因此,它们能够在有机体与外界环境之间进行迅速的营养物质与废物交换。从单位重量来看,微生物的代谢强度比高等动物的代谢强度大几千倍到上万倍,例如,利用乳酸菌进行乳酸发酵,每个细胞产生的乳酸为其体重的1000~10000倍,所以,在调制青贮饲料时,原料本身自然附着的微生物乳酸菌作为发酵菌种就足够了(当然如果当时自然界存在的杂菌比较复杂而多,则为了使乳酸菌迅速成为优势菌群,则必须添加乳酸菌发酵剂)。从饲料发酵的角度来看,微生物代谢能力强,在短时间内能把大量的基质转化为有用产品。这也是大有好处的:从废水处理制造饲料的角度来看,能在短时间内害为利,变废为宝,也是极为有利的。如液态发酵生产酵母,其繁殖速度在微生物界不算太高 (2h分裂一次),但在单罐发酵时,几乎每12h即可收获一次 ,每年可收获数百次,这是其它任何农作物所不可能达到的“复种指数”。又如:500kg的肉牛,每昼夜只能从食物中“浓 缩”0.5kg重的蛋白质,而同样的酵母菌,只要以质量较次的糖液(如废糖蜜)和氨水作为主要原料,在24h内即可以合成50000kg的优良蛋白质,而且,微 生物菌体营养丰富,其蛋白质成分包含了动物所需要的各种氨基酸,还含有多种维生素和微量元素,生物学效价高,质量大大优于植物性蛋白质饲料。
4.4 不受生产产地、气候条件所限制
       微生物发酵生产的单细胞蛋白SCP不需要占用大量的土地和耕地,也不受季节和气候的限制。一个年产1O万t单细胞蛋白的工厂,以酵母计,按含蛋白质45%计,一年所生产 的蛋白质为4.5万t。而667m耕地按产大豆200kg (蛋白质含量40%计),一年产大豆蛋白质 80kg,因此,一个年产10万t单细胞蛋白的工厂所产的蛋白质,相当于3.7万hm2耕地所产蛋白质量。若将这些单细胞蛋白用于饲料生产,可养猪28万头或养鸡390万只。
4.5 可以保护环境
        微生物不仅可以利用大量的工业有机废水、废渣发酵生产优质蛋白饲料,为环境保护作 出贡献,而且利用微生物加工和调制饲料,可以避免因酸碱等化学方法加工饲料对环境造成的污染。
人们喜欢“绿色食品”,这是由传统的以水、土壤为中心的“绿色农业”所提供的.现在提到“白色农业 ”,指的是“微生物农业”和“生物细胞农业”等,由于这些农业不会引起环境污染.而且要求生产过程有洁净的环境,所以称之为“白色农业”。据科学家测算,借助微生物发酵工程,仅利用每年石油产量的2%就能生产出2500万~3000万 t的单细胞蛋白,可供2O亿人吃一年。如果用于生产配混饲料,这个数字就更加惊人,可以预计,白色农业的发展和开发对象,首先就是微生物饲料制剂的开发利用。
         全自动生长曲线分析仪用于自动监测微生物或细胞培养过程中温度、振荡条件和不同化学物质对其生长的影响。它能够实时测量200个样品的动力学浊度,显示生长曲线,计算微生物或细胞数量。可用于研发微生物单细胞蛋白(SCP)的生产工艺、确定微生物发酵工艺等。
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