中国是一个农林牧副渔产业体系完善的农业大国,同时渔业在农业经济中占有重要的地位[1]。但是在过去的几年中,传统的抗生素饲料的使用导致水产动物体内的病原菌和有害微生物产生抗性。此外,肠道残留的饲料降解速度较慢,代谢废物会富集并污染水体环境。与之相比,微生物发酵饲料是一种利用配合饲料作为发酵底物的饲料,其主要特点是通过选用经过人工鉴定、分析和纯化的微生物菌株,然后在人工控制温度、水分、需氧量等条件下进行培养,使饲料中接种的微生物进行繁殖和新陈代谢过程,从而产生富含高活性益生菌及其代谢产物的饲料。研究表明,微生物发酵饲料易于降解抗营养因子,如Refstie[2]等研究表明,乳酸发酵可以消除饲喂大西洋鲑的豆粕中的不可消化的碳水化合物和抗营养因子,同时可以将大分子化合物分解为小分子化合物,例如将蛋白质分解为多肽,使其更容易消化。此外,微生物发酵饲料由于其营养丰富、易于消化吸收且价格较低等优点,其在水产养殖业应用广泛,如它可以改善养殖环境、提高养殖效率和减少饲料成本。同时,发酵的饲料还可以产生一定的抗菌物质,提高水产养殖动物的抗病能力,减少病害的发生。综上所述,生物发酵饲料在水产养殖业中的应用前景广阔,值得深入研究和探讨[3]。

1 生物发酵饲料研究现状

2012年,全球70%的水产养殖产量依赖于外部饲料的输入。然而,到2017年,水产养殖饲料的使用量已经增加了87%,达到了5 123万吨,预计到2025年还会再增加70%。传统的饲料原料,如玉米和大豆等,产量有限,无法满足人和动物的需求。此外,传统饲料含有抗营养因子,对动物的消化和吸收有害。因此,采用生物发酵饲料来替代传统饲料是解决人畜争粮、抗营养因子等问题的有效方法[4]。与此同时,饲料原料如鱼粉和鱼油供应量有限,无法满足饲料需求。这些挑战促进了生物发酵饲料取代传统饲料的研究和发展。在国外,由于饲料原料短缺,养殖水生动物的总成本也不断上升。因此,一些替代策略被采用,例如利用热处理和微生物发酵技术以消除抗营养因子[5];Hong Kee-Jong[6]使用曲霉菌Oryzae GB-107对大豆进行发酵,改善其营养质量;Saade E[7]则使用不同的发酵罐组合对海藻和卡波海鱼进行发酵,用作增稠剂以改善尼罗罗非鱼日粮的凝胶强度、吸引力和口感。在国内,自1965年在广西定容首次推广使用黑曲霉糖化饲料后,全国范围内掀起了发酵饲料关注的高潮[8]。随着生物工程技术和现代水产动物营养与饲料学的不断发展,越来越多的饲料企业开始采用生物发酵技术生产新型饲料,以在市场上获得竞争优势。这种新型饲料能够从不同程度上提高水产动物的生长和生产性能[9],因此备受关注。目前,在畜禽和渔业行业,较为广泛应用的是发酵豆粕、发酵添加剂、益生素、酶制剂和生物发酵饲料。在此之前,也经历了青贮饲料和单细胞蛋白探索阶段。发酵豆粕和发酵添加剂主要用于畜禽饲料,但在水产养殖中也有应用。豆粕中含有多种抗营养因子,如胰蛋白酶抑制因子和凝集素等。通过添加枯草芽孢杆菌、酵母菌等益生菌进行发酵,饲料中的蛋白质等营养物质会得到较大提高,同时抗营养因子也得到有效清除,难以消化的物质也会被降解和降低,从而提高饲料的适口性[10-13]。酶制剂是生物工程领域的重要组成成分,广泛应用于20多个领域。但生物发酵是目前发展最迅速,最受关注的技术,因为生物发酵饲料是一种生态型健康饲料,能起到促进动物生长,平衡肠道菌群作用。生物发酵饲料应用范围越来越广泛,并深受研究者与企业家们关注。近年来,国内外专家将生物发酵饲料不仅应用于畜禽、水产养殖,还在食品发酵等领域进行探索应用[14-17]。

2 生物发酵饲料工艺

发酵饲料工艺按照不同标准划分会有不同的分类,如按需氧类型分为厌氧发酵、兼性厌氧发酵、有氧发酵;按添加种类有单一和复合菌种发酵。从整体发酵工艺看,生物发酵饲料根据水分的含量分为液态和固态发酵两种。液态生物发酵饲料主要指天然存在的乳酸菌和酵母菌发酵,而这些菌源广且容易获取。同时,这些常见益生菌培养成本低,容易培养,农户也善于培养这些益生菌。但因技术规范不完善,无法广泛商用。固态发酵饲料大多采用益生菌或益生菌种发酵,可参照农业农村部发布的替抗微生物种类名录进行发酵饲料菌类或菌种的选择(见表1)。在实际生产中,要根据实际养殖情况选择合适的发酵工艺以及生物发酵饲料原料。

表1 农业部2045号公告《饲料添加剂品种

2.1 液态生物发酵饲料

液态生物发酵饲料是经过充分发酵并达到稳定状态的饲料,采用水1∶1.4～1∶4的混合比例。这种新型饲料早在20世纪80年代荷兰就开始使用,用于生产猪湿拌料,其中20%以上为湿性拌料。经多年优化实践,这种饲料现在的使用量已达到50%以上。它依靠饲料中的天然益生菌发酵,能够提高畜禽动物的生长性能。然而,尽管国外应用广泛,但国内由于缺乏液态发酵和液态发酵饲料饲喂设备,其应用和推广受到限制[18-23]。要推动生物发酵饲料的进一步发展并探索其发展方向,需要将液态生物发酵饲料的开发利用与配套设备的研究开发列为生物发酵饲料发展的重点研究项目。

2.2 固态生物发酵饲料

将常用的全价饲料作为基础,在混合时加入34种益生菌名录中的一种或多种益生菌和水,然后在适宜的温度下进行厌氧发酵。这种饲料能够增加多种消化酶,并且含有复合的益生菌。它有助于维护水产动物的肠道健康,提高生长性能和免疫力,还能够预防某些疾病[24-28]。美国已经审批的工艺发酵菌种已经达到50种之多,发现和应用优良发酵菌种是发酵饲料的重要条件和最基本的条件之一。例如,利用固态发酵技术以啤酒糟为原料生产菌体蛋白饲料,其发酵后啤酒糟粗蛋白含量达到45%,比原啤酒糟提高60%,多肽含量可提高6.6倍。发酵后饲料中富含维生素、多种活性物质和生长调节剂,能够提升蛋白质含量,利于动物消化吸收和营养平衡,解决抗逆性差等问题。营养物质在饲料中的占比会因不同的提取工艺而不同,例如常用的碱提法和醇溶法,醇溶法主要提取发酵饲料的醇溶蛋白,而碱提法则提取如啤酒糟中的麦谷蛋白。生物发酵技术能够提高被遗弃的农副产品的利用率,扩充饲料来源,降低生产成本,提高生物发酵饲料的质量[9,29-34]。这些应用实例利于学者们研究开发能量均衡、提高利用效率、集众多功效于一体的新型饲料,以满足市场需求。

3 生物发酵饲料在水产中应用

3.1 高蛋白促进营养吸收和提高生长性能

常用的饲料原料通常包括植物性原料,如大豆、棉粕等,以及动物性原料,如鱼粉、虾肉和蚯蚓等。这些原料中存在抗营养因子和潜在毒素,需要采用物理法、化学法和溶剂浸出法等方法去除。然而,这些方法的去除效果不理想,时间周期较长。相比之下,生物发酵法能够有效降解抗营养因子,提高饲料的营养物质利用水平,同时还能降低环境污染[10,35-38]。赵云龙等[25]的研究表明,在1 kg基础饲料中添加12 mL蜜环菌菌液发酵后,可以显著提高花鳅的生长性能、消化酶活性、免疫力和抗氧化能力,相较于对照组和其他两个实验组,改善效果更为显著。在大面积养殖的四大家鱼青鱼、草鱼、鲢和鳙的实验中,使用生物发酵饲料饲喂可以显著提高鱼苗体重,增产量可达10%以上,其中鳙的亩产量也可增加40%以上[1,38]。在人们喜爱的鲫鱼中,使用生物发酵饲料饲喂,增重率和增产量可以分别提高15.38%和12%以上。刘广丰[38-41]等的实验结果也表明,使用生物发酵饲料饲喂后,鱼的腹部脂肪会减少,体色好,消化吸收和生长性能有所提高,应用效果明显。因此,生物发酵饲料饲喂被视为一种有效的方法,能提高饲料利用效率,增强饲喂动物的抵抗力,减少环境污染,有助于提高动物生长性能。

3.2 提高机体免疫能力和形成肠道防御屏障

通过将单一或多种益生菌添加到发酵饲料原料中进行发酵,可以产生有益的代谢产物。这些物质是重要的免疫调节因子,能够提高肠道消化能力、维持肠道形态和增加肠道菌落的多样性。益生菌在肠道中定植和生长,形成肠道防御屏障,刺激动物免疫细胞的活力,抑制外源有害物质,自身也能够产生抗菌活性物质,如细菌素以及酿酒酵母细胞壁上的β-葡聚糖等,能够增强溶菌酶、补体活性,对免疫系统具有显著的作用[1,2]。例如,将发酵的菜粕替代基础饲料中的5%蛋白质,可以增强鲤血浆中的免疫相关酶活力,提高机体免疫能力[41]。如果饲料中的脂肪含量过高,可能会导致动物患上肝胆综合征、其他营养性疾病等,以及细菌、病毒、寄生虫感染后引起的疾病,为预防这些疾病可将30%至50%的饲料替换为生物发酵饲料,在使用3至5天后,动物的发病率可以下降到60%以下。添加益生菌(Rummeliibllusstabekisii)可以显著提高尼罗罗非鱼(Oreochromisniloticus)的肠道菌群丰度和多样性,从而增强其免疫力和抗病力[42]。生物发酵饲料还可以提高水产动物体内的溶菌酶、酸性磷酸酶和酚氧化酶等免疫相关酶的活性,提高吞噬细胞的吞噬作用,并增加动物血清中免疫球蛋白的含量。例如,Opiyo Mary等[43]在一项研究中,在饲料中添加枯草芽孢杆菌和酿酒酵母,显著提高了尼罗罗非鱼的免疫力,调节了肠道菌群,同时也增强了鱼肉质量。因此,生物发酵饲料在水产养殖中提高机体免疫能力和形成肠道防御屏障具有重要作用。

3.3 改善水体环境

生物发酵饲料相比普通饲料的优点是其在水中溶解速率较慢,因此不仅可以降低残余饵料和动物粪便对水质的污染,还可以利用其中的益生菌及其代谢产物来降解有害物质。此外,光合细菌、醋酸菌、乳酸菌、酵母菌、大肠杆菌等益生菌可以通过自身的营养代谢氧化、硝化、氨化、固氮等作用将水中的亚硝胺、H2S、有机物等转化为植物可利用的物质,达到净化水质的目的。这两方面的共同作用不仅可以提高饲料的消化率,减少残饵和代谢废物在水中积累,而且可以直接作用于水体,补充大量有益菌并为水体提供可吸收的营养素,刺激菌藻的生长和繁殖。它们能够将无机和有机物质转化为可以再次被益生菌和藻类利用的营养物质,从而保持菌藻的生态平衡[4,44-45]。研究发现益生菌可作用于水体,使水体保持充足的溶氧水平,降低水体夜间耗氧量,调节水体pH值至正常水平,给水产动物提供良好的生态生长环境。良好的生长环境对于生产高质量的水产动物食品至关重要[4]。它可以提高水产动物的体质,同时生产具有口感好、含肉率高、胶原蛋白等营养丰富的食品。此外,高质量的水质环境还可以减少寄生虫和致病菌的数量,使消费者更喜欢购买这些食品。如表2所示,研究也会给予反馈,促进生物发酵料和水产养殖业的发展。例如,Ho Hsieh-Hsun等[34]在鱼饲料中添加乳酸菌发酵可以抑制潜在的水生及水域病原体的生长,并提高饲料转化率。因此,养殖业者应注重养殖水质,以提高水产动物的生长效果和食品品质,同时也保障消费者的健康和安全。

表2 生物发酵饲料对不同水产动物的饲喂应用与影响

目前发酵原料的主要来源获得途径较多,具备较大的开发与应用潜力。其中,农产品种植阶段形成的废弃物、动物屠宰风干的边角料等被认为是废弃的基质,可以通过发酵将其变废为宝,明显提升资源利用效率并减少对生态环境的污染。例如,植物方面,农副产品如棉粕、豆粕、玉米粕等可作为畜禽、水产饲料发酵的主要来源。 张来荣[47]的研究发现,使用含有主要农副产品的配合饲料作为发酵底物,对克氏原螯虾的生长和肌肉营养成分有一定的促进作用,但不显著。然而,它对消化酶活性有显著影响,与对照组相比分别增加了56.6%和84.2%。动物方面,虾、鱼、蚯蚓等高蛋白肉糜也是重要的发酵原料。Nugraha Tito Aria等[36]的研究发现,使用芽孢杆菌属和拉菲乳球菌的细菌混合物进行发酵,蚯蚓作为发酵原料,在2.5%的替代水平时,能显著增强革胡子鲇的非特异性免疫反应。在自然界中,微生物资源极为丰富,而菌种则是决定饲料发酵成功的关键因素。根据农业农村部发布的饲料添加剂名录,已有34种微生物被允许作为替代抗生素的饲料添加剂,其中包括常用的乳酸菌、酵母菌和芽孢杆菌等。随着发酵技术的不断成熟,可利用的微生物种类也将会增多。

总的来说,绿色、安全、无污染的饲料是未来水产养殖业发展的主要趋势,也符合政策导向。目前,生物发酵饲料是研究的热点之一。生物发酵饲料利用自然益生菌或人工筛选的优良有益菌进行发酵,它可以满足环境保护的要求,有效缓解水产养殖中存在的问题(如普通饲料其抗营养因子较多、溶解分散快、营养不均衡、饲料系数较高等)。生物发酵饲料具有多种优势,必定成为水产养殖业不可或缺的产品,并能够得到企业、个体养殖户等从业人员的青睐。

4 现状分析及对未来展望

近年来,中国面临着抗生素残留和耐药微生物产生等问题日益严峻的局面。为了引导未来发展方向,并探索替代饲料的方向,中国实施了少抗、无抗、替抗饲料政策。微生物发酵饲料因其可以提高动物生长性能、加强机体免疫能力、改善水体环境等优点而成为国内外学者研究的热点[48-51]。然而,从发酵原料、发酵菌种、发酵工艺、储存及运输管理、质量安全管理、政策及行业发展规范等方面来看,都需要进行完善。

目前,发酵工艺主要分为固体发酵和液体发酵两种,但随着研究的不断深入,发酵工艺也会有更细分的分类。为了使生物发酵饲料成为优质、绿色的经济发酵饲料,需要积极研发、推广规模化和智能化的发酵装置,同时建立统一的技术标准和专业技术团队进行监测管理。在专业技术团队和政府规章制度指导下,需要做好存储、运输和管理,以防止饲料霉变,从而获得更好的效益。同时,质量监测需要严格把关,以高质量、高效益和绿色经济为导向。此外,还需注重学习国内外应用经验和研究前沿,掌握现代生物发酵技术和管理相关科学知识,结合市场需求和政策导向,不断探索新方向和新应用。例如,复合微生物发酵饲料的研究开发与利用也正在如火如荼地进行着[21,23,27-29,35-39]。

生物发酵饲料是饲料行业的一项创新,它能够提高饲料的营养价值和消化率,降低饲料成本和环境污染。生物发酵饲料的研究和应用已经取得了一定的成果,但还有很多需要完善和提高的方面。例如,如何选择合适的发酵菌种和混合菌种,如何实现菌酶协同发酵,如何控制发酵质量和速度,如何建立专业化的数据库和监测评价体系,如何深入了解发酵饲料的作用机理和防范风险,以及如何拓展发酵饲料的应用领域等。这些都是生物发酵饲料未来发展的重要课题,需要各方面的共同努力和支持。生物发酵饲料已成为饲料行业突破的重点,其效用已被众多学者、专家、政府农业部门、企业以及大农户有目共睹,但仍需努力继续深入研究生物发酵饲料作用机理和做好防范措施规范,以及继续深入探索发酵饲料的优势,推动生物发酵饲料的长期可持续发展,力争能够广泛应用到更多领域如食品、医疗等。