陈清华教授：发酵和酶解技术在猪蛋白原料开发中的应用研究

随着科技的不断发展，人们对饲料品质和营养价值的要求也越来越高，因此，如何更有效地开发和利用猪蛋白原料成为了研究热点，发酵和酶解技术在猪蛋白原料开发应用中扮演着重要角色。发酵是利用特定的菌种有效降解蛋白原料中的抗营养因子和有毒物质，提高饲料的生物利用率。酶解技术是应用多酶组合将大分子物质（如蛋白质、淀粉等）降解为小分子物质（如肽、氨基酸、单糖等），进一步提高饲料的消化率和吸收率。而菌酶协同发酵，可以实现微生物与酶制剂之间的互补和协同作用，使得发酵过程更加高效，产品质量更加稳定。文章重点介绍发酵和酶解技术在猪蛋白原料开发中的应用研究现状，为猪蛋白原料开发提供参考。

1.1 发酵及其产物

发酵是指借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体或直接产生代谢产物和次级代谢产物的过程[1]。代谢产物包括初级代谢产物和次级代谢产物。初级代谢产物是指微生物通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖所必需的物质，是微生物在正常生长和培养过程中，通过新陈代谢产生的基本的、关键的中间或最终代谢产物，主要包括单糖或单糖衍生物、核苷酸、维生素、氨基酸、脂肪酸等单体以及由它们组成的各种大分子聚合物，如蛋白质、核酸、多糖、脂质、酶或辅酶等。次级代谢产物是指微生物生长到一定阶段后，以初级代谢产物为前体，合成一些对生命活动无明确功能的物质，多数分子结构复杂，根据其结构特征与生理作用，次级代谢产物包括抗生素、后生元（细菌素）、生长刺激素、色素、生物碱以及毒素等。关于发酵的概念，现已扩展到培养生物细胞来制得产物的所有过程。

1.2 常用发酵菌种

1.2.1 乳酸菌

乳酸菌是一类能利用可发酵碳水化合物产生大量乳酸的细菌统称。这类细菌在自然界分布极为广泛，具有丰富的物种多样性，发酵生产中使用的乳酸菌至少有30多种，按乳酸代谢途径大致可以归纳为4种类型：①同型乳酸发酵，典型的发酵菌种有德氏乳杆菌、嗜酸乳杆菌、嗜热乳杆菌、粪肠球菌、乳酸乳球菌等；②专性异型乳酸发酵，典型的发酵菌种有发酵乳杆菌、巴氏乳杆菌、短乳杆菌等；③兼性异型乳酸发酵，典型的发酵菌种有植物乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、干酪乳杆菌等；④异型双歧杆菌乳酸发酵，典型的生产菌种有动物双歧杆菌，因对厌氧的要求很高，目前还很难应用到实际生产中。

1.2.2 芽孢菌

芽孢菌为典型的内生孢子，革兰氏阳性杆菌，是芽孢菌科菌群的总称。芽孢杆菌能耐受高温，在有氧和无氧条件下都能存活。芽孢杆菌发酵需要消耗氧气，并造成厌氧环境，能促进有益厌氧菌生长，并产生乳酸等有机酸类，间接抑制其他致病菌的生长。有些芽孢杆菌发酵能产生枯草菌素、多黏菌素、制霉菌素、短杆菌肽等活性物质对致病菌或内源性感染的条件致病菌有明显的抑制作用。芽孢菌发酵会产生大量多种维生素、有机酸、氨基酸、蛋白酶（特别是碱性蛋白酶）、糖化酶、脂肪酶、淀粉酶，能降解植物性饲料中复杂的有机物，从而促进消化吸收，提高饲料利用率。目前发酵生产中应用的芽孢菌以地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌等杆菌为主。

1.2.3 酵母菌

酵母菌是一种单细胞真菌，是一种异氧兼性厌氧微生物，在有氧和无氧条件下都能够存活，是一种天然的发酵剂。在有氧的情况下，酵母菌能将糖类发酵分解成二氧化碳和水，且酵母菌生长较快。在缺氧的情况下，酵母菌把糖分解成乙醇和二氧化碳。酵母菌通过发酵，能够产生促进细胞分裂的活性物质。目前在发酵生产中应用的有酿酒酵母、产朊假丝酵母、布拉氏酵母、海洋红酵母等。其中啤酒酵母和面包酵母是最常用的两种酿酒酵母。

1.2.4 霉菌

霉菌是真菌的一种，其特点是菌丝体较发达，无较大的子实体。同其他真菌一样，也有细胞壁，以寄生或腐生方式生存。利用霉菌发酵，基本上都是有氧发酵，发酵过程会产生大量的代谢热，而且生产能耗很大，所以霉菌发酵不适合单独用于生产饲料。实际生产中主要是利用霉菌合成纤维素酶、半纤维素酶和蛋白酶的特性，选用廉价的粗蛋白原料作为发酵底物，生产高活性的蛋白饲料。霉菌类主要有米曲霉、根霉、木霉、黑曲霉和青霉等10余种，发酵生产中常用米曲霉、黑曲霉、白地霉三种霉菌。

1.3 不同发酵技术的应用

饲料发酵技术主要分为液态发酵和固态发酵。液态发酵主要是指乳酸发酵。固态发酵包括好氧发酵、静置发酵、厌氧发酵、交叉发酵。根据固态发酵设备又可区分为槽式发酵、箱式发酵、袋式发酵、罐式发酵和圆盘发酵等。与液态发酵工艺相比，固态发酵饲料过程中水分含量较少，不易染菌，且对工艺要求较低[2]。固态发酵和液态发酵特征指标之间的区别见表1。

饲料原料发酵大多采取固态发酵。影响饲料发酵的因素主要包括：①菌种与原料匹配；②菌种及其组合；③发酵工艺；④发酵条件。以蛋白饲料发酵为例，一般以芽孢杆菌为主，组合曲霉菌、酵母菌和乳酸菌。降解大分子蛋白、提高小肽含量，主要依靠芽孢杆菌类及曲霉类，这两种菌蛋白酶分泌强，代谢产热大；酵母菌耗糖快，耗糖能力强，可产生大量有益代谢产物、营养性物质和诱食香味物质；乳酸菌可产生乳酸、乙酸等有机酸，厌氧或兼性生长，产生抑菌物质。同一原料，不同发酵菌株的组合，发酵后的饲料品质不一样。对于同一配方、同一原料的发酵，不同的发酵方式也会带来不同的发酵效果。例如同为酵母菌，发酵物料堆料高度较低，且还有翻料机翻料，酵母菌处于有氧或微氧生长状态，相对来说乙醇产量较低，菌体蛋白的转化率就高。若堆料高度高，且静置密封发酵时，酵母菌基本处于无氧代谢状态，菌体细胞的生成量极少，糖主要被转化成为乙醇。

目前发酵豆粕生产中，常见两类发酵技术：低水分浅发酵和高水分功能性深度发酵。其发酵参数及发酵后产品指标的差异见表2。

2.1 单一酶解技术

酶解有单一酶解技术和复合酶解技术。单一酶解只能对大分子蛋白质进行简单地分解，得到功能多样的小肽，促进动物对蛋白质的吸收。常选择的酶种有胃-胰蛋白酶[3]、木瓜蛋白水解酶[4]和菠萝蛋白水解酶[5]。生产中酶解法降解大豆蛋白使用的蛋白酶有动物来源的蛋白酶（胃蛋白酶、胰蛋白酶）、植物来源的蛋白酶（菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶、木瓜蛋白酶等）和微生物来源的蛋白酶（枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、黑曲霉、放线菌等发酵产生的）。不同来源蛋白酶对同一种原料进行酶解时产生的效果也不尽相同[6]。单一酶解法虽然操作简单，但酶解效率低、所得产物单一，因此目前该方法正被复合酶解技术逐步替代。

2.2 复合酶解技术

与单一酶解技术相比，复合酶包含多种具有不同识别序列和酶切位点的蛋白酶，复合酶解技术采用多种蛋白酶协同作用，提高蛋白质水溶性，高效降解蛋白原料中大分子蛋白质。复合酶包括蛋白复合酶，如风味蛋白酶、酸性蛋白酶、中性蛋白酶、碱性蛋白酶和木瓜蛋白酶等的组合，同时也包括蛋白酶和其他非淀粉多糖、植酸酶等的组合，非淀粉多糖酶主要是纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶和甘露糖酶等，可将饲料原料中的纤维破坏，使营养物质得以释放，降解原料中碳水化合物为葡萄糖等小分子物质，可为菌群提供能源，促进动物吸收消化[7]。蛋白酶将饲料原料中动物不易吸收的蛋白质降解为小分子肽，增加产物肽的含量和饲料利用率，降解饲料原料抗营养因子、维持动物肠道健康[8]。生产中根据基质成分不同，选择合适的酶谱组合，进行不同工艺酶解。李泽涛[9]以菜籽粕、豆粕为原料，探讨了中性蛋白酶酶解的最适条件，进一步分析中性蛋白酶、纤维素酶、脂肪酶组合的复合酶分步酶解底物，研究发现，获得的小肽含量显著高于单一中性蛋白酶产生小肽的含量。周乃继[10]、蒋金津等[11]选择碱性酶和风味酶的组合，通过酶解饼粕生产小肽，结果表明，复合酶解技术大大提高了棉籽粕原料的水解度，显著提升了制备产品的小分子肽含量。图1是采取分阶段酶解的复合酶解工艺。

2.3 微生物发酵酶解技术

微生物发酵酶解技术即利用微生物菌种，人为使环境达到某特定条件，经各菌种发酵后产生某些分解酶，直接使蛋白质原料降解。通过这种方法不但可以得到酶解蛋白，还可以降解蛋白质原料中的抗营养因子成分，降低抗营养因子的含量。同时，微生物发酵时也会产生一些有机酸、抗菌肽、芳香物质等，可以降低动物发病率、提高饲料适口性、刺激动物采食[12-14]。

2.4 菌酶协同技术

菌酶协同发酵兼具微生物发酵法和酶解法的优点，在饲料菌酶协同发酵过程中根据发酵底物（固体基质）的特点额外添加蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶等酶制剂，或者在饲料酶解处理工艺中加入一定量的乳酸菌、酵母菌、芽孢菌、霉菌等菌种进行发酵，使菌酶协同发挥作用，完成对基质的发酵和酶解[15]。菌酶协同发酵利用菌群分泌的胞外酶、代谢产物和外加蛋白酶等酶系协同作用，将饲料原料中的大分子蛋白降解成易被动物吸收的小分子肽，同时降解饲料原料中的抗营养因子和有毒物质，提高饲料营养价值和转化率[16-18]。周爽等[19]在枯草芽孢杆菌和中性蛋白酶协同发酵豆粕的研究中发现，利用菌体生长时分泌的酶系及外加酶系共同作用处理豆粕，酶解产物有利于微生物的生长，也能弥补微生物产酶的不足，菌酶协同能进一步稳定发酵工艺和产品质量，将豆粕中的大分子蛋白降解成小分子肽，提高蛋白质水解度。同时发现，枯草芽孢杆菌接种量2.7%，中性蛋白酶添加酶量304 U/g，料水比1∶1.7（g/mL），处理温度45 ℃，处理时间47 h，得到酶解豆粕的肽含量最高为182.15 mg/g。

方乐[20]、王文娟等[21]和万琦等[22]应用微生物发酵酶解技术，以豆粕为蛋白原料酶解制备大豆肽，获得的大豆肽中苦味肽降低、功能性小肽增加，改善大豆肽的适口性进而促进动物采食。帖余等[23]通过黑曲霉发酵和酶解两步法处理菜粕，结果表明，菜粕经黑曲霉固态发酵后，硫苷含量从31.38 μmol/g降低至16.93 μmol/g，植酸含量从34.45 mg/g降低至19.38 mg/g；再经酶解后，硫苷和植酸含量分别降低至11.31 μmol/g和1 mg/g以下。与单步发酵法相比较，植酸和硫苷含量分别降低了96.18%和33.20%。表明经菌酶协同处理菜粕能使抗营养因子和有毒物质的降解程度更高。王卫卫等[24]探讨菌酶协同处理棕榈仁粕最佳工艺条件及对肉鸡营养价值的影响研究中发现，与未处理棕榈仁粕相比，菌酶协同处理棕榈仁粕粗蛋白含量增加15.10%，粗纤维和中性洗涤纤维含量分别下降25.10%和21.96%，处理后的棕榈仁粕饲喂肉鸡，使表观代谢能增加33.81%，所测试的18种氨基酸中，16种氨基酸标准回肠消化率显著增加。

目前，饲料菌酶协同作用工艺有一次发酵工艺和二次发酵工艺或两步法协同处理工艺。一次发酵工艺在对饲料进行发酵的过程中将所需的协同酶同时添加。采用二次发酵或两步法协同处理工艺对基质进行协同处理，其原理是第一步创造适合一类菌和酶的最佳反应条件，第二步创造适合另一类菌和酶的最佳反应条件，通过两个步骤采用两套工艺参数完成对基质更彻底的处理，同时得到更丰富的目标产物[25]。

菌酶协同发酵技术的关键是选择好菌和酶的组合，其技术关键点有：菌酶协同作用厌氧或好氧发酵方式、协同处理温度、协同处理水分含量、处理的时间、菌的接种量、酶的添加量、协同处理的初始pH等参数的确定。以市场上菌酶协同处理豆粕工艺为例，不同处理目标、不同处理工艺最终得到的产物性能也不同（见表3）。

目前生产中采取先酶解后发酵的工艺技术处理蛋白原料，以降解大分子蛋白兼顾改善适口性为目的。典型的是酶解大豆蛋白后作为基质，再采取酵母菌深度发酵，形成的产品不仅小肽含量高，抗原和不良寡糖降解比较充分，而且产品富含丰富的酵母代谢产物，包括独特芳香类物质、生物活性肽、酵母壁多糖等，适口性好，蛋白利用率高，还可以提高动物的免疫力。冯江鑫等[26]研究发现，饲喂仔猪菌酶协同发酵饲料能显著提高平均日增重，且显著降低料重比和腹泻率，表明菌酶协同发酵的饲料可促进仔猪对营养物质的利用和维持肠道健康。周相超等[27]研究发现，饲喂菌酶协同发酵饲料能促进生长猪对营养物质的利用，增加猪采食量和平均日增重，进而显著提高猪的生产性能，节省饲料成本增加养殖效益，且能改善养殖环境。孙华欣等[28]在乳酸菌、酸性蛋白酶、木瓜蛋白酶菌酶协同发酵玉米蛋白粉发酵研究中发现，菌酶协同发酵使玉米蛋白粉的二硫键含量和表面疏水性降低，游离巯基和氨基酸含量升高，玉米蛋白粉的体外消化率显著提高，由60.15%升高至80.42%。赵娜等[29]将木瓜蛋白酶和植物乳杆菌共同作用于豆粕进行酶解和发酵，研究发现豆粕酶解发酵物能提高仔猪生长性能，增强机体抗氧化能力，利于乳酸杆菌在肠道内形成优势菌群，降低腹泻率，生长性能达到使用抗生素水平。

发酵和酶解技术作为生物技术的重要手段，被广泛应用于饲料生产中。在猪蛋白原料的开发过程中，菌酶协同发酵技术的应用取得了显著进展。首先，通过筛选和优化菌种，研究者发现，某些特定的菌种能够有效降解猪蛋白原料中的抗营养因子和有毒物质，提高饲料的生物利用率。其次，利用酶解技术，可以将大分子蛋白质降解为小分子肽和氨基酸，进一步提高饲料的消化率和吸收率。同时，通过菌酶协同发酵，可以实现微生物与酶制剂之间的互补和协同作用，使得发酵过程更加高效，产品质量更加稳定。在实际应用中，菌酶协同发酵生产的蛋白饲料在猪的饲养中表现出了良好的效果。研究表明，这种饲料能够显著提高猪的生长性能、肠道健康以及免疫力。同时，由于其较高的营养价值和较低的抗营养因子含量，还可以减少猪的粪便排放和环境污染。

然而，尽管发酵和酶解技术生产蛋白饲料在猪蛋白原料开发中的应用取得了显著进展，但仍存在一些挑战和问题需要解决。例如，如何进一步优化发酵工艺和酶解条件以提高产品质量和降低成本；如何评估不同菌种和酶制剂对饲料营养价值和动物生产性能的影响；如何在保证饲料安全性的前提下提高其在实际生产中的应用比例等。总之，发酵和酶解技术在猪蛋白原料开发中具有广阔应用前景和潜力。随着生物技术的不断进步和研究的深入，相信未来会有更多的创新成果应用于猪饲料开发实际生产中，为畜牧业的可持续发展作出贡献。

参考文献及更多内容详见：

饲料工业，2024，45（15）：1-6

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