導讀
近年來生物飼料研究與應用成為我國畜牧飼料行業研究熱點。《農業部“十三五”規劃》也明確提出生物飼料產業發展是供給側改革的重要突破口，是解決畜牧業可持續發展的重要途徑，對於促進農副資源飼料化與高效利用、推動飼料配方體系的變革、改善動物生產性能、降低養殖成本、實現從減抗到無抗養殖、減排環保以及應對大豆供應危機等具有重要意義。
1生物飼料的定義與分類
1.1 定義
2018 年1 月1 日由生物飼料開發國家工程研究中心起草發佈的團體標準T /CSWSL 001—2018《生物飼料產品分類》將生物飼料定義為: 使用農業部飼料原料目錄和飼料添加劑品種目錄等國家相關法規允許使用的飼料原料和添加劑，通過發酵工程、酶工程、蛋白質工程和基因工程等生物工程技術開發的飼料產品總稱，包括髮酵飼料、酶解飼料、菌酶協同發酵飼料和生物飼料添加劑等。鑑於生物飼料添加劑種類繁多，本文僅就發酵和酶解飼料進行綜述。
1.2 分類
團體標準《生物飼料產品分類》中，根據原料組成、菌種或酶製劑組成、原料幹物質的主要營養特性，生物飼料可分為發酵飼料、酶解飼料、菌酶協同發酵飼料和生物飼料添加劑等4 個主類、10個亞類、17 個次亞類、50 個小類和112 個產品類別。
2我國生物發酵飼料的現狀
2.1 發酵飼料的現狀
保持穩定發展勢頭: 目前我國從事生物飼料行業的企業數量達1 000 餘家。雖然微生物製劑和酶製劑趨於飽和，而發酵豆粕、釀酒酵母培養物、發酵糟渣和構樹葉等發酵產品則穩定增長、逐漸成規模，且在飼料企業和養殖場得到廣泛應用。如果發酵飼料在豬料、肉禽料、蛋禽料、水產料、反芻料和其他飼料中的用量分別以5%、2%、5%、5%、10%和5%估計，且按總量普及率20%推測，2018 年發酵飼料總量約195 萬t。
開始規範發展: 生物飼料領域第1 個團體標準T /CSWSL 001—2018《生物飼料產品分類》於2018 年1 月1 日發佈，《發酵飼料技術通則》、《飼料原料釀酒酵母培養物》、《飼料原料釀酒酵母發酵白酒糟》和《飼料添加劑植物乳桿菌》4 項團體標準於2018 年9 月7 日發佈，對規範我國生物飼料產業自律性和行業健康發展意義重大。以發酵飼料溼喂技術模式、糟渣液體飼餵模式和發酵飼料液體飼餵等地源飼料發酵應用新模式興起，也推動了發酵飼料產業化進程。2.2 發酵飼料應用存在的問題我國生物發酵飼料整體研發和產業化水平不高，還存在一些亟待解決的問題。在產品研究方面: 發酵過程中小分子營養物質流失，總能下降，發酵菌種、菌劑的協同或拮抗還有待研究，產品質量標準存有爭議，產品質量和應用效果受菌種、工藝、養殖品種和飼餵模式的影響較大; 在生產製備方面: 存在菌種、原料的安全性等問題; 在應用技術方面: 對動物營養和微生物營養的協同性和安全性認識需要提高，營養數據庫和適宜添加量尚需完善; 在發酵菌種生物安全方面: 常見菌株來源不明、不純和菌種退化現象，耐藥基因轉移、有害代謝產物、黏膜損傷、超敏反應等來自菌種的威脅也不斷增加; 在發酵飼料標準方面: 除明確的營養常規指標外，酸溶蛋白、乳酸、益生菌活菌數等有益指標和揮發性鹽基氮、黴菌和黴菌毒素等有害指標均應納入產品標準。
3生物發酵飼料不同領域研究進展
3.1 發酵菌種研究進展
我國飼料原料種類繁多，物理、化學性質差異較大，而不同的菌種又具備不同的生理特性，在生產實踐中應根據不同的飼料原料以及不同的生產目的選擇適當的菌種組合以生產合格的生物發酵飼料。例如，新鮮馬鈴薯渣含水量高達90%以上，適合利用黑麴黴和啤酒酵母等微生物發酵生產蛋白質飼料。
目前菌種篩選主要有3 個方向: 一是改變飼料原料的理化性質，包括提高消化吸收率、延長貯存時間和解毒脫毒等; 二是獲得微生物中間代謝產物，包括酶製劑、氨基酸和維生素等; 三是培養繁殖飼用的微生物體，用於製備活菌製劑。李如珍等以中文專利數據庫中的檢索結果為樣本，對微生物發酵飼料領域進行了統計分析，發現在588 件申請中，涉及菌種23 種，使用較多的菌種有枯草芽孢桿菌、黑麴黴、釀酒酵母和地衣芽孢桿菌。Missotten 等報道在歐洲發酵液體飼料中經常使用的菌種有乳酸菌和酵母菌。侍寶路等研究表明，以豆渣為原料，添加麩皮作為輔料，以植物乳桿菌與釀酒酵母菌混合接種發酵，發酵產物降低了中性洗滌纖維含量，並提高了總酸含量，產品耐貯存。解澱粉芽孢桿菌具有繁殖速度快、穩定性好、生命力強、富含多種酶的特點，在固態發酵飼料中取得了較好的效果。
3.2 生物發酵原料與工藝研究進展
3.2.1 發酵原料
發酵飼料原料的選擇已從豆粕、棉籽粕、菜籽粕等的發酵以提供高品質蛋白質飼料，發展到聚焦鮮糟渣、果渣和蔬菜尾菜等非常規飼料原料發酵，以提供優質、優價的發酵能量飼料和粗飼料等。
3.2.2 主要原料發酵工藝研究進展
在實際生產過程中，根據菌種特性主要分為耗氧、厭氧和兼性厭氧發酵。根據菌種數量選擇，主要分為單一菌種、多菌種、菌酶協同發酵等種類。飼用酶製劑的生產以單一菌種液體深層發酵為主，發酵飼料原料和混合飼料的生產以複合菌種發酵為主。吝常華研究了澱粉芽孢桿菌單菌固態發酵豆粕的最佳工藝，發現豆粕經過微生物發酵後小肽含量得到顯著提高，營養價值得到明顯改善; 蛋白質分子質量顯著下降; 酸鹼度也發生了明顯變化，且單菌與混菌發酵效果存在顯著差異; 提出了枯草芽孢桿菌單菌固態發酵玉米的最佳工藝，玉米經過微生物發酵後，可溶性糖含量顯著增加，澱粉總量和支鏈澱粉含量顯著下降，直鏈澱粉含量顯著升高，營養物質含量發生明顯變化，總酸含量顯著提高，pH 發生明顯變化，單菌發酵和混菌發酵效果具有差異性; 提出了多黏類芽孢桿菌固態發酵小麥的最佳工藝，與未發酵相比，經單菌、混菌發酵後，小麥提取液黏度均顯著降低，營養物質發生顯著變化，粗蛋白質、粗纖維、粗灰分、粗脂肪含量有升高趨勢，酸鹼度發生明顯變化，且單菌和混菌發酵效果差異顯著; 此外，豆粕、菜籽粕、玉米、小麥4 種原料發酵後肉雞表觀代謝能較發酵前分別顯著提高了19. 21%、19. 13%、6.90%和7.03%。
吳正可以硫甙降解率、多肽增加率、總酸增加率為目標研究提出了菜籽粕最佳發酵工藝; 在玉米－豆粕型飼糧中添加15%的發酵菜籽粕對肉雞生長性能無顯著影響，但添加10%發酵菜籽粕組生長性能、免疫指標、腸道發育狀況要優於玉米－豆粕型飼糧對照組，同時還提高肉雞屠宰率、全淨膛率、胸肌率、腿肌率、十二指腸和空腸的絨毛高度/隱窩深度。
3.3 酶解飼料研究進展
酶解飼料已被廣泛應用於畜禽養殖中，加酶飼料預消化的工藝參數及處理效果已被證實。無機磷、酸性洗滌纖維和還原糖含量是反映加酶飼料體外預消化效果的重要指標。在體外條件下，根據飼用酶製劑反應需要的條件，對飼料進行酶解預消化可以大幅提高飼料利用率，降低配方成本，提高動物的生產性能。
研究表明，加酶預消化飼料能顯著改善飼料品質，提高斷奶仔豬對飼料養分的消化率，進而促進其生長; 提高蛋雞的產蛋率，降低料蛋比，改善蛋品質，提高能量的表觀代謝率; 提高肉雞飼糧中養分的表觀消化率，極顯著改善肉雞的採食量、增重和料重比; 顯著提高綿羊飼糧中養分的表觀消化率，顯著減少羊糞中養分的排洩量，提高了綿羊日增重，減少了料重比，提高了經濟效益;顯著提高奶牛的標準乳量、平均乳脂率、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維的排出量和表觀消化率。
3.4 菌酶協同發酵飼料研究進展
近年來研究結果表明，菌酶協同處理的結果優於菌和酶單獨作用的結果。在發酵過程中，微生物與酶有很好的協同作用，能使大分子物質降解更加徹底，微生物的發酵效率更高。所以利用微生物和酶的協同作用製備發酵飼料的相關報道逐漸增多。利用菌酶協同作用，既能縮短髮酵週期，又能利用芽孢桿菌或乳酸菌抵抗其他雜菌的影響，提高效率，降低生產成本，還能通過產品中含有的大量的芽孢桿菌、乳酸菌和酵母菌等活菌體改變動物腸道內的微生態環境，增強動物對疾病的抵抗能力，減少抗生素的使用。
3.5 地源飼料發酵應用技術研究進展
3.5.1 地源飼料興起
地源飼料成為當前農副產物飼料資源利用化的熱門概念，是指經過飼料化加工處理後可規模化飼用的地方性飼料資源的總稱，具有特色的營養價值、不易加工處理、流通成本高、易變質、季節性強和有一定地理範圍等特點。地源飼料發酵後採用溼喂或液體飼餵的代表性應用模式誕生，如山東繁育母豬發酵飼料溼喂技術模式、山東中裕酒糟液體飼餵模式和重慶榮昌生長肥育豬固體發酵地源飼料液體飼餵模式等，創新性地加強了飼料資源利用效率。在當今我國畜牧業轉型升級過程中，地源性飼料資源研究與應用具有重大意義。
3.5.2 地源飼料應用關鍵技術進展
近年來生物飼料開發國家工程研究中心就地源飼料的有效應用提出了5 個關鍵集成技術: 針對不同地源飼料的菌+酶發酵菌劑集成技術; 針對不同產地的發酵設備和工藝技術; 地源飼料營養數據庫技術和以某一地源飼料為核心的不同養殖品種的飼料配方技術; 針對不同養殖規模的自動化液體及溼料飼餵設備和工藝技術; 針對畜禽糞汙氮磷減排生物處理技術( 參考生物飼料開發國家工程中心編寫的內部資料《生物飼料百項技術和產品彙編》) 。通過以上5 大技術集成，降低了飼料成本、豬群整齊度好。但地源飼料存在質量不穩定、營養數據庫不完善、液體飼餵料線設備成本高等不容忽視的問題，同時安全有效地應用研究和技術推廣任重而道遠。
3.6 發酵飼料在動物養殖中的應用
3.6.1 發酵飼料對畜禽生長性能的影響
近年來酒糟、尾菜、桑葉和棉菜粕等飼用資源發酵後飼用效果的研究報道不少，發酵飼料在配合飼糧中添加量在2% ～ 50%，也有全發酵飼糧的應用，飼養動物涵蓋了豬、禽、羊、牛。在生長性能方面，總體表現為日增重增加、料重比降低、育肥動物每千克增重的飼糧成本降低、養殖經濟效益增加。多數研究證實，發酵豆粕均可提高斷奶仔豬的生長性能，也有研究發現，飼餵10%和15%溼發酵豆粕仔豬平均日增重分別提高了16.6%和23. 0%，料重比分別降低了9. 7% 和11.4%; 另有研究表明，發酵豆粕可替代魚粉等動物性蛋白質飼料應用於保育豬的生長髮育，早在1975 年就報道了米麴黴發酵豆粕可提高肉雞生長性能和飼料轉化效率。諸多研究結果表明，4. 5%發酵豆粕顯著提高肉雞21和35 日齡體重，其效果優於魚粉; 在肉雞前7 天飼糧中添加3%乳酸菌或枯草芽孢桿菌發酵豆粕的研究表明，前7 天飼糧中使用發酵豆粕可顯著提高後期肉雞的平均日增重、飼料轉化率和35 日齡體重，說明前期飼餵發酵飼糧有後續效應且可促進後期生長。在畜產品品質方面，飼餵發酵飼料畜禽肌肉氨基酸和肌間脂肪含量有所增加，抗氧化水平提高; 蛋殼品質提高，蛋白哈夫單位和蛋黃顏色增加，蛋黃中膽固醇含量降低; 胸肌肌苷酸含量提高。
3.6.2 發酵飼料對動物腸道微生態與形態結構的影響
近年來，發酵飼料的作用機理研究漸趨深入。諸多文獻報道，微生物活菌發酵飼料對豬、雞、鴨、奶牛、對魚等養殖動物的腸道微生態和血清生化指標產生多種影響，總體具有促進有益活性菌在宿主腸道的定植、改善腸道形態結構、促進腸道發育、促進生產性能的效果。
3.6.3 發酵飼料對動物免疫機能的影響及其機理
關於發酵飼料對動物免疫性能的影響研究報道較少，大多數研究集中在血漿免疫球蛋白、腸道分泌型免疫球蛋白含量等表觀指標測定。有研究表明在保持粗蛋白質和代謝能一致的情況下采用脂多糖刺激攻毒試驗，結果表明，10%的發酵豆粕可顯著降低脂多糖刺激後血漿皮質酮的含量，DNA 芯片檢測發現，10%的發酵豆粕通過降低白細胞熱休克蛋白70 ( HSP70 ) 、新生兒受體( NFcR) 等基因的表達提高免疫性能。也有研究證明，大豆發酵可提高脾臟自然殺傷細胞的活性，上調幹擾素－ γ ( IFN-γ ) 、免疫球蛋白G2a( IgG2a) 、白細胞介素－4( IL-4) 和免疫球蛋白G1( IgG1) 基因表達。Zhu 等添加10%和15%的發酵豆粕顯著提高了仔豬血漿免疫球蛋白G( IgG ) 、免疫球蛋白A ( IgA ) 、免疫球蛋白M( IgM) 含量，同時顯著降低空腸和迴腸自我吞噬因子( LC3B) 的表達，LC3B 的表達是細胞損傷的標誌。Roubos 等和朱麗慧等進一步研究了發酵豆粕提高免疫性能的機理: 黴菌和芽孢菌發酵豆科籽實可以產生一種與大腸桿菌相結合的小分子活性物質，從而降低大腸桿菌與腸道上皮細胞的黏附，而這種小分子活性物質是被微生物分泌的酶從大豆細胞壁果膠多糖的阿拉伯糖或阿拉伯半乳聚糖側鏈上分解下來的，可以抵制病原菌的侵襲; 此外，在短鏈脂肪酸( SCFAs) 中的丁酸可誘導杯狀細胞黏蛋白( MUC2) 的分泌和T 細胞的分化，同時可抑制核因子－κB( NF-κB) 表達，進而提高動物機體的免疫性能。飼餵發酵豆粕提高了動物對蛋白質的利用效率，降低了迴腸、盲腸、結腸中殘留蛋白質的含量，進而降低後腸道與蛋白質分解相關菌群丰度和蛋白質發酵的代謝產物，後腸道微生物發酵腸道殘餘的蛋白質可產生吲哚、組胺、硫化氫、糞臭素等有害物質，破壞腸道細胞結構，引發機體免疫反應。發酵飼料的作用機理研究還表明，動物腸道微生物菌群與宿主腸道代謝軸、腸道免疫功能存在相互作用並對機體健康產生影響。
3.6.4 發酵飼料對水產動物生長性能影響
近年來，很多學者就發酵豆粕替代魚粉對魚蝦類生長髮育免疫等方面的影響做了諸多研究。Ding 等用25%、50%、75%和100%的混菌發酵豆粕替代日本沼蝦中的魚粉，結果表明，發酵豆粕替代魚粉不會影響日本沼蝦的生長性能。Lee等用發酵豆粕替代許氏平鮋飼料中10%、20%、30%和40%的魚粉，結果表明，發酵豆粕替代20%的魚粉對許氏平鮋的生長性能和體組成沒有顯著影響，但會降低飼料轉化效率。Novriadi運用Meta 分析方法深入分析了14 篇發酵豆粕替代魚粉對魚類生長性能和飼料轉化效率影響的研究文章數據，分析結果表明，發酵豆粕替代40%以上的魚粉會顯著降低魚類生長性能，得出發酵豆粕中未消除的抗營養因子和不同種類的魚類對抗營養因子的耐受性依然是影響發酵豆粕替代魚粉比例的主要因素。
3.6.5 發酵飼料對生態環境保護的影響
由於發酵飼料的應用可提高飼料利用率，減少氨氣排放，降低鋅、銅等重金屬的添加，因此可緩解畜禽養殖對環境的汙染。
4生物發酵飼料發展趨勢
4.1 特色功能菌株的篩選
未來功能菌株的篩選仍然是生物飼料研究的核心，即針對餅粕類原料中存在的抗營養因子、玉米深加工副產物中的黴菌毒素和含硫物質，篩選高效降解菌; 針對不同畜種的腸道特點及同一畜種不同發育時期的腸道特點等，篩選適應性好、定植能力強的菌株; 以及根據其他特定功能性代謝產物，篩選高效表達菌株。隨著科研工作者對發酵飼料技術的不斷探索，發酵飼料菌株的篩選也日益多元化，篩選出來的功能菌株也越來越豐富，從高產蛋白酶、纖維酶、脂肪酶、澱粉酶菌株進而到降解棉酚、硫苷等毒素菌株和抗菌抗病毒菌株的篩選，研究者們正致力於篩選高性能、高耐受性、高穩定性的菌株。
4.2 菌株的組合效果
目前很多生物飼料的菌種應用組合比較粗糙，多停留在種的層面，甚至是屬的層面，隨著菌株篩選及功能研究的不斷深入，菌株的功能不斷明確，菌株之間的組合研究將開啟一個新的發展局面，並實現與腸道微生物組學、代謝組學等前沿研究的同步發展。
不同菌種按照不同的比例組合發酵出來的飼料質量也不相同，有的混合菌發酵效果表現優於單個菌株，有的卻不如單個菌株。進行發酵前，要充分了解原料特點、菌種的生存條件、代謝途徑、發酵產物和混合菌種之間可能存在的相互關係並根據發酵目的，結合菌種發酵效果，選用菌種的種類和添加比例。有科學家在酒糟發酵蛋白質飼料菌種的篩選研究中，以粗蛋白質、真蛋白質、粗纖維為指標，選用8 種酵母菌和黴菌反覆結合進行試驗，最終確定出最佳發酵菌種組合。
4.3 生物發酵飼料價值評價指標
未來生物飼料的功能將更進一步明確，其對原料的預消化程度、對飼料利用率的提高程度、對畜體腸道健康的改善程度、對畜產品品質的改善效果，甚至對畜禽糞汙資源化利用中限制因子的去除程度，及對畜禽舍內氨氣的去除程度等都將進一步量化，評價方法將進一步標準化。
4.4 生物飼料質量安全實施動態預警監測
生物飼料的質量安全性，首先要依據飼料衛生標準; 生物飼料因其微生物學屬性，還應對其微生物安全性進行監測。檢測內容應包括所用菌種是否合法合規，遵循“法無許可即禁止”的原則，嚴格禁止《飼料添加劑品種目錄( 2013) 》中規定以外的菌種的使用。此外，還包括因發酵工藝等控制不嚴而導致的有害菌，甚至是致病菌的汙染，也應對其進行監測。利用新一代測序技術，通過宏基因組測序等手段，對生物飼料的全部微生物組成進行監測。此外，生物飼料往往還具有動態變化的性質，所以生物飼料質量安全監測也應是一個動態監測的過程。2018 年3 月，農業農村部成立了生物飼料質量安全預警監測工作組，委託中國農業科學院飼料研究所和生物飼料開發國家工程研究中心牽頭，聯合國內頂級監測機構共同承擔生物飼料質量安全預警監測項目，對全國範圍內18 個省、市生物飼料生產、經營、使用和養殖環節的生物飼料進行動態監測，對生物發酵飼料產業的健康發展提供了有力保障。
5小 結
生物飼料應用前景廣闊，未來生物飼料將大有可為。生物飼料開發國家工程研究中心聯合國內高校和科研院所多年來做了大量儲備工作。一是技術方面，5 個關鍵技術集成，解決發酵產業鏈中5 個環節的關鍵技術; 二是標準制定方面，目前發酵產業迅猛發展，生物飼料產業創新戰略聯盟具有發佈團體標準的資格，現在正在加速團體標準和行業標準的制定; 三是發展規劃方面，未來的生物飼料將是傳統工業飼料中最重要的新的表達方式，或者在2 億t 飼料的結構再調整中成為非常突出的或最具潛力的一部分，它將會帶來養殖業和飼料業的革命性變化; 四是生物飼料質量安全問題，各級政府及科研機構高度重視生物飼料質量安全，為強化安全意識，農業農村部專門成立生物飼料質量安全預警工作小組，在全國範圍建立監測網點，監督生物飼料質量安全，從源頭上把控產品安全。生物飼料的發展事關長遠、事關大局、任務艱鉅、責任重大，希望行業從業者抓住機遇，持續創新，共同推動我國生物飼料產業的健康發展，加速我國飼料行業科技進步和轉型升級邁向新臺階。
