摘要
生物发酵饲料作为“第四代活的饲料”，近年来备受畜牧行业的关注，也是国家实行饲料全面禁抗后的替抗研究手段之一。生物发酵饲料立足于去除原料抗营养因子、改善饲料营养价值、提高饲料养分消化利用率、产生有益微生物代谢产物，达到维护动物肠道健康、提升动物机体免疫力、促进动物生产性能、减少动物粪污排放和环保健康养殖的目的。生物饲料在养猪生产上应用最早、也最为广泛，从早年欧洲家庭农场的液体发酵饲喂，到近年来发酵原料、益生活菌及其代谢产物在猪饲料上的使用，都取得了成功实践。文章就生物发酵饲料的概述、其替抗的作用机理及其在生猪养殖上的研究进展进行综述，为生物发酵饲料的广泛应用提供参考依据。
关键词
生物发酵饲料；猪生产；无抗
随着饲料工业和畜牧养殖业的高速发展，我国的养殖产业日益面临饲料资源短缺、饲料利用率低以及饲料安全和污染频发等问题，加之目前饲料全面禁抗已经拉开序幕。因此，新时代猪只饲料应更加关注产品质量、利用效率、安全环保、改善猪只健康等特点。生物发酵饲料被誉为“第四代活的饲料”，是生物技术在饲料工业上的广泛应用。生物发酵饲料通过有益微生物作用于饲料底物，降解或转化饲料原料中的抗营养成分及蛋白质、纤维素等大分子物质，大大提高饲料的营养价值及消化利用效率，同时发酵饲料富含有益微生物及代谢产物，能够起到调节猪只后肠道微生物菌群、抑制致病菌生长、增强机体免疫力和促进猪只生长等作用。近年来，国内外生物发酵饲料在养猪生产上的应用开展有大量的研究报道，包括单一发酵原料、液体发酵饲料、功能性发酵伴侣和全价发酵饲料等，生物发酵饲料日益成为行业关注的焦点和研究热点。基于此，文章综述了国内外生物发酵饲料在生猪养殖上的研究进展，为其在无抗养猪上的应用及推广提供参考依据。
1 生物发酵饲料的定义、分类
1.1 定义
生物发酵饲料是指使用《饲料原料目录》和《饲料添加剂品种目录（2013）》等国家相关法规允许使用的饲料原料和发酵剂，通过发酵工艺生产，含有益生菌或其代谢产物的单一饲料和混合饲料。生物发酵饲料的实质为活性菌剂及其代谢产物和发酵底物的复合物，是以植物性农副产品为主要原料，通过微生物的代谢作用，将部分可溶性糖和蛋白质等大分子物质降解成为有机酸和小分子多肽等物质，形成营养价值丰富、抗营养因子低、适口性强、易被吸收及活性成分含量高的生物饲料。
与传统饲料相比，生物发酵饲料的优点主要包括以下几方面：1）可提高饲料的适口性，进而提高家畜采食量；2）消除或降低原料中的抗营养因子和毒素，有益于猪只肠道健康并增强机体免疫力；3）降解底物部分大分子物质为易消化吸收的小分子物质，从而提高猪只消化利用率；4）扩大饲料原料来源，可从廉价的副产物生产出优质、优价的饲料，降低生产成本；5）菌种发酵可产生促生长因子，主要包括有机酸、维生素B族和未知生长因子等，能够促进猪只生长。
1.2 分类
生物发酵饲料的分类，按照发酵原料组成不同，可分为单一发酵饲料和混合发酵饲料；按照菌种组成不同，可分为单菌发酵饲料和混合菌种发酵饲料；按发酵剂种类，可分为菌剂发酵饲料、酶制剂发酵饲料和菌酶协同发酵饲料；按照原料的营养特性不同，可分为发酵蛋白饲料、发酵能量饲料和发酵粗饲料；按发酵工艺和水分含量，可分为液体发酵，固态发酵和复合发酵；按照微生物发酵类型，可分为好氧型、厌氧型和兼性厌氧型；按发酵设备的不同，可分为袋式发酵、桶式发酵、槽式发酵；按发酵饲料产品种类，可分为发酵原料、功能性发酵伴侣、发酵浓缩料、发酵全价配合饲料、液态发酵饲料等；按发酵设施不同，可分为密闭式、敞口式、浅盘式和深层式发酵饲料。
2 生物发酵饲料的工艺要求
生物发酵饲料品质与其生产工艺息息相关，发酵生产过程中物料发酵温度、pH、水分含量、发酵时间及接种量都是生产过程中的关键参数。
2.1 菌种活化
菌种活化是指将保藏状态的菌种通过培养、纯化获得具有高活性的培养物。菌种发酵一般需要2~3代的纯化过程，因为保存条件和培养条件不相同，所以要活化，让菌种逐渐适应培养环境。活化培养基一般使用的糖类包括葡萄糖、蔗糖、糖蜜等，糖水中含糖量1.0%~2.0%、活化温度在30~40℃、活化时间在2~12h为宜。发酵菌种是否需要活化取决于发酵的菌种及发酵底物的组成，当菌种活性低或者原料底物比较差时，活化后的菌种接种后能够迅速进行占位增殖，从而抑制底物中有害菌的生长。除了活化之外，有些养殖户或厂家为了降低菌种的成本还会对菌种进行扩培，主要是在活化菌种时加入一些糖类碳源和氮源。但菌种随意扩培是非常危险的，易造成杂菌污染，甚至有被大肠杆菌、沙门氏菌等致病菌污染的风险。一般发酵菌种并不是纯菌种，含有或多或少的杂菌，扩培过程中也容易被环境中的有害菌污染，另外扩培使菌剂中的菌种活性比例被改变，最终影响发酵饲料品质。因此，条件允许时进行菌种活化是非常有必要的，但是危险的菌种扩培工艺是不可取的。
2.2 发酵水分
发酵的水分是影响发酵饲料品质至关重要的因素之一，根据添加水量的不同，可分为固态发酵和液态发酵，这两种发酵类型的生产工艺也有所不同。目前，我国主要以固态发酵为主，在国外尤其是在欧洲国家，液态饲料的应用非常广泛。在我国液态发酵饲料的应用与推广方面存在一些如技术不成熟、产品品质不稳定、缺乏配套饲喂系统及前期投入成本高等制约因素。固体发酵饲料水分含量一般在30%~60%之间，液态发酵饲料中发酵基料与水分比例一般为1∶1.5~1∶4.0。水分的设定与菌种的发酵类型，发酵底物的吸水性，生产工艺等因素密切相关。
2.3 发酵pH
一般生物发酵饲料中的发酵剂（菌剂和酶制剂）对pH要求很严格，都有其对应的适宜范围。比如枯草芽孢杆菌适宜生长pH为6.0~7.5，酵母菌最适生长为5.0~6.5，乳酸菌最适pH为5.5~6.0，同样，酶制剂也分为碱性、酸性和中性。一般起始pH为6.0~7.5是比较合适的。
2.4 发酵温度
发酵温度主要是针对菌种的生长适宜的温度，不同菌种对应的生长温度不一样，对温度的耐受范围也不同。一般酵母菌、霉菌的适宜生长温度为20~30℃，而细菌一般要30~37℃。菌株生长繁殖周期与温度密切相关，温度越适宜繁殖速率就越快，进而缩短发酵周期。在低温环境下，如冬天，发酵需要一个起始的温度，一般可以通过使用热水混合物料来提高起始温度。当环境温度达不到发酵要求时，需要控温设施来进行发酵，以保证稳定发酵品质。
2.5 接种量
一般菌剂的接种量影响其功效，而且接种量与其发酵效果呈非线性关系，并不是接种量越多效果就越好，接种量过量或不足都会降低发酵效率。一般适宜接种量筛选步骤如下：1）以推荐量为基础（1X），评价不同接种量（0、0.5X、1X、2X、3X）对发酵品质的影响；2）进行效率评价：设置多组对照组，如出现非线性效果时要采用平均分离法筛选最佳接种量；3）选择发酵效果较好的最低接种量，且其效果要显著高于低接种量效果，同时也不能显著低于高接种量的效果；4）确保所筛选接种量的经济效益。
3 生物发酵饲料替代抗生素的作用机理
目前，对于生物发酵饲料替代抗生素的作用机理一般从两个方面来探究。一是通过有益微生物的作用，改善猪只肠道健康，提高其抗病能力；二是通过有益微生物的代谢产物，改变饲料原有的营养组成，间接作用于猪只的免疫系统，提高其抗病能力。
生物发酵饲料的核心是有益微生物，由于发酵后的生物发酵饲料一般不经过微生物灭活直接饲喂养殖动物，所以用到的微生物需要符合国家相关规定。《饲料添加剂品种目录（2013）》中允许添加的微生物菌种共35种，35种菌种从其特性上来又分成5类，分别为乳酸菌类、芽孢类、光合细菌、酵母类、霉菌类。用于生物发酵饲料的微生物菌种主要有芽孢类、乳酸菌、酵母类、霉菌等4类菌种。
3.1 乳酸菌类
《饲料添加剂品种目录（2013）》中允许添加到饲料中的乳酸菌菌株有22种，其中用于生产发酵饲料的乳酸菌有肠球菌属（Enterococcus）、乳杆菌属（Lactobacillus）和片球菌属（Pediococcus）。乳酸菌可以占据宿主猪只消化道的定植位点，菌体通过占位、竞争和排阻方式抑制致病菌在肠上皮细胞上的黏附，从而降低病原菌的侵染机会。另一方面，通过固体发酵后，乳酸菌利用饲料原料产生丰富的代谢产物以及菌体蛋白，例如：乳酸菌素、乳酸、乙酸、丙酸等有机酸，这些物质通过饲料进入猪只消化道，降低其肠道pH，有效改善猪只肠道微生物区系，抑制有害菌的生长。有机酸和菌体蛋白可以通过猪只消化道的免疫受体刺激其免疫系统，增强机体免疫力，提高猪只的抗病能力。乳酸菌素不仅可以防止饲料本身被沙门氏菌等致病菌污染，提高饲料成品的质量稳定性和保质期，还可以有效防止致病菌对猪只肠道的侵害，维持肠道健康。
3.2 芽孢杆菌类
《饲料添加剂品种目录（2013）》中允许添加到饲料中的芽孢杆菌属（Bacillus）包括：地衣芽孢杆菌（B.licheniformis）、枯草芽孢杆菌（B.subtilis）、迟缓芽孢杆菌（B.lentus）、短小芽孢杆菌（B.pumilus）、凝结芽孢杆菌（B.coagulans）。目前应用于生物发酵饲料主要有地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌和短小芽孢杆菌。枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌能产生种类丰富的酶，特别是地衣芽孢杆菌具有丰富的酶促因子，促进猪只消化酶的产生，提高饲料利用率。另外，芽孢杆菌产生的纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、β-葡聚糖酶、植酸酶、果胶酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶、几丁质酶、乙酸乳酸脱氢酶等物质，能改善饲料原料的营养成分，降低饲料原料中的有害成分，减少饲料原料的毒性。芽孢类菌种通过固体发酵后可以形成芽孢而在生物发酵饲料中存活下来，芽孢到达猪只消化道前段后，能迅速转化成营养细胞，消耗消化道内氧气，提供有益菌生长的厌氧环境，抑制有害菌生长，从而起到调节肠道菌群平衡的作用，提高猪只机体抗病能力。
3.3 酵母和霉菌类
用于生物发酵饲料的酵母包括产朊假丝酵母（Candidautilis）、酿酒酵母（Saccharomycescerevisiae），霉菌包括黑曲霉（Aspergillusniger）和米曲霉（A.oryzae）。酵母菌通过固体发酵后，将植物蛋白质转化为优质微生物蛋白质，并以降低糠麸饲料中粗脂肪含量的方式，改善饲料营养价值，提高猪只饲料利用率。酵母细胞壁的主要成分是甘露聚糖和葡萄糖，甘露聚糖，可增强吞噬细胞的活性，提高机体免疫力。霉菌可以分泌丰富的酶类，例如淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶和果胶酶等，这些酶类能够促使饲料原料中大分子化合物降解成小分子化合物，有利于营养物质的吸收。另外霉菌中菌体蛋白质的含量可达20%~30%，因此可作为菌体蛋白的来源，微生物菌体蛋白既可以为机体提供营养，又可以增强机体免疫力，提升猪只抗病能力。
4 生物发酵饲料在养猪生产上的应用
4.1 母猪
生物发酵饲料中富含蛋白肽、有机酸、益生菌及其代谢产物等，可以提高母猪营养物质吸收率，改善肠道健康，调节机体免疫机能。进而提高母猪及其后代仔猪的生产性能，降低疾病发生的风险。章红兵等用5.0%发酵饲料代替母猪常规日粮中5.0%的玉米，结果显示，仔猪平均初生重、断奶仔猪头数、平均断奶重显著提高，母猪断奶后7d发情率也显著提高。Wang等在母猪饲粮中添加15%发酵豆粕替代同等比例的豆粕，结果显示，母猪泌乳期营养物质吸收率和哺乳仔猪存活率均有所提升。李薛强等研究发现，在母猪基础饲粮中添加10%复合菌培养物，母猪窝均死胎数降低45.5%，平均日采食量提高0.6kg，便秘发生率降低了59.1%；母猪分娩时血清中总胆固醇、碱性磷酸酶活性、免疫球蛋白G（IgG）、免疫球蛋白M（IgM）含量显著提高，哺乳仔猪20日龄平均体重增加12.6%。朱元召等在母猪饲粮中添加5.0%的发酵豆粕，发现母猪断奶后发情间隔缩短了10.8%，断奶仔猪平均日增重提高了8.2%。Wang等研究发现，给母猪饲喂15.0%玉米和豆粕复合发酵饲料，可改善母猪的采食量，提高仔猪断奶窝重，减少母猪背膘损失，提高母猪产奶量和乳汁中免疫球蛋白A（IgA）水平，提高后代仔猪的生长性能，减少腹泻发生。Song等研究发现，给母猪饲喂4.0%发酵高粱酒糟，可显著提高母猪平均日采食量、仔猪断奶存活率和断奶窝重。Czech等研究发现，给母猪饲喂9.0%的发酵菜籽粕可提高母猪血浆中血红蛋白、血红细胞和矿物离子含量。Grela等给母猪饲喂4.0%发酵菜籽粕，可提高母猪产活仔数和断奶仔猪窝重，提高妊娠后期母猪营养物质吸收率。
发酵农业及食品加工副产物及下脚料，是饲料中优质的纤维素来源之一。不同来源的纤维素，适当地应用于母猪饲粮中，可提高母猪的繁殖性能，增强母猪餐后饱腹感，减少刻板行为，降低死胎率。芦春莲等在母猪基础饲粮中补饲20%发酵稻壳粉，结果发现，母猪窝总产仔数、产活仔数、健仔数、断奶活仔数和21日龄断奶窝重显著提高，母猪哺乳期采食量和产奶量显著提高。赖涛等研究发现，给母猪饲喂发酵芦笋下脚料0.5kg/d，可提高母猪血清生长激素（GH）含量，减少炎性反应的发生。NGALAVU等发现，通过添加发酵挤压玉米秸秆，适当增加母猪饲粮中纤维含量对妊娠母猪营养物质消化率没有影响，同时可以提高初乳中蛋白和乳糖含量。
此外，还有一些特殊的生物发酵饲料可以作为功能性的饲料添加剂应用于母猪日粮中，如发酵中药、发酵植物提取物等。除了具备普通生物发酵饲料的功能成分外，还含有大量的多糖、生物碱、黄酮等生物活性物质，可提高母猪抗氧化能力，维持肠道菌群平衡，降低肠道有害菌的菌群丰度，提高母猪及其后代仔猪的抗病能力。黎智华等研究发现，在母猪基础饲粮中添加1.5kg/t的发酵中药渣，对母猪繁殖性能无显著影响，但是可在一定程度上改善其代谢功能及抗氧化能力。李华伟等研究发现，饲粮添加2.0kg/t发酵中药渣，可改善围产期母猪肠道菌群结构，增加后肠中短链脂肪酸（SCFA）含量，减少粪便中生物胺含量，有利于妊娠母猪的能量供给和机体健康。Yun等在母猪饲粮中添加0.2%的发酵大蒜，可显著降低母猪分娩及断奶时体重损失，提高仔猪断奶窝重和平均日增重。提高仔猪粪便中乳酸杆菌总数，降低大肠杆菌总数。
4.2 仔猪
仔猪由于幼龄时期肠道未发育健全，机体在面临断奶、消化系统机能紊乱等外界刺激时，会发生应激反应，使肠道屏障功能受损，发生腹泻。多项研究表明，饲料经生物发酵可产生一定的益生作用，通过平衡胃肠道菌群，达到协同共生的平衡状态。胡其斌以乳酸菌为菌种发酵饲料后饲喂仔猪，可以明显降低仔猪腹泻率，效果基本和使用抗生素效果持平。蓝海恩研究发现，试验组仔猪饲喂10%复合益生菌发酵饲料，仔猪腹泻率降低57.22%，盲肠、结肠、直肠中大肠杆菌数分别降低2.39%、2.01%、1.64%。
由于饲料中各种抗营养因子的存在，使猪只吸收和利用营养物质的能力被削弱，生物发酵可去除或破坏抗营养因子，这个过程中产生大量有机酸、益生菌、酶及小肽等生物活性物质，一方面，增强饲料的适口性，提高采食量，促进消化吸收；另一方面，可以改善血液生化指标，促进猪只生长发育，提高机体免疫力。邱涓等对28日龄三元断奶仔猪使用生物发酵饲料（无抗生素），平均日增重提高了10.19%。曾李等研究表明，在40日龄仔猪日粮中添加生物发酵饲料，添加量为4%时日增重提高了6.89%。王韫等试验表明，在28d仔猪日粮中添加40%生物发酵饲料，平均日增重可高出无抗基础日粮组21%。王晓明等研究发现，在21日龄断奶仔猪日粮中添加发酵饲料可增强断奶仔猪机体的健康状况，能够改善血液生化指标。胡新旭等研究发现，与对照组（含抗生素）相比，20%无抗发酵饲料组断奶仔猪的血清碱性磷酸酶活性和葡萄糖、总蛋白、IgG含量显著提高，断奶仔猪机体免疫力水平上升，血液生化指标也能够得到一定改善。
4.3 生长育肥猪
大量研究表明，在生长育肥猪日粮中添加生物发酵饲料可以起到提高饲料转化率、加快生长速度、增强机体免疫力、改善胃肠道微生态环境、减少腹泻和提高猪肉品质的作用。肖轲等研究发现，与对照组相比，采用7.5%发酵饲料替代基础日粮的低剂量组料重比下降，腹泻头数降低52.7%，采用15%发酵饲料替代基础日粮的高剂量组腹泻头数降低36.4%。王俊峰等研究发现，在生长育肥猪的基础日粮中以30%的添加量添加发酵饲料时，能最大化提高育肥猪的日增重以及饲料转化率。何伟先研究结果表明，采用生物发酵饲料替换基础日粮，能有效降低生长育肥猪的料重比，同时能增强机体免疫力以及抗氧化能力，从而有效降低生长育肥猪的饲养成本。李华通过研究发现，分别添加了3种不同的生物发酵饲料后，较对照组相比，试验组育肥猪的日增重及料重比均有所提高，腹泻率降低，从根本上节约了猪只养殖成本。黑立新等研究发现，给生长育肥猪饲喂含有5%发酵饲料替代的基础日粮，能有效提高生长育肥猪的日增重，同时还能降低料重比以及猪只腹泻率。李敏等研究发现使用发酵饲料替代添加抗生素的饲粮后，生长育肥猪的生长性能有提升趋势，且胴体品质无明显下降。张铮等通过研究发现，使用复合菌发酵饲料对生长育肥猪进行饲喂，能在一定程度上影响其胃肠道的菌群组成，改善肠道健康。LujieFan等通过研究发现发酵饲料可以显著增强C/EBP-β基因与IGF-1启动子的结合，并促进肝脏IGF-1的表达和产生，从而促进猪只生长。
5 小结
随着饲料禁抗时代的到来，生物发酵饲料作为新兴生态产品，已成为畜牧行业研究开发应用的热点，尤其是近年来国内外对猪发酵饲料的重视程度日益增长。生物发酵饲料在丰富饲料资源，提高饲料适口性，减少饲粮中的抗生素含量，降低养殖生产成本，提高饲料吸收利用率，增强动物免疫力，贡献安全优质动物产品和环境保护等方面都具有广泛的应用前景，为畜禽养殖业发展的升级转型提供生物技术解决方案，也是现代生态养殖的必然趋势。
目前，在生物发酵饲料的推广应用过程中既迎来了机遇，也面临着诸多挑战。生物发酵饲料的生产是一项系统工程，与原料、菌种、生产工艺、代谢产物评估和质量评价均密切相关，因此，要提高发酵品质应开发地源性原料、菌种与生产工艺、设备性能的相结合来管控品质。生物发酵饲料作为一种新型产业，仍需不断探索、更新和改进，尤其在生产方面还存在一些亟待解决的问题：1）菌种产品质量的标准化；2）重视生产工艺的安全性、稳定性及标准化；3）保证配套设施的先进性和完整性；4）建立营养数据库，优化组合增效提质。相信通过人们不断地研究探索，生物发酵饲料最终能够应用于养猪产业的实际生产过程中，为替抗提供一个新的出路。
本文选自《猪业科学》2021年第1期“主题策划”栏目：P42-46（版权归《猪业科学》所有，如转载，请注明出处）。阅读更多内容可见网站：http://www.csis.cn。
