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無抗飼料與生物飼料前景展望
發(fā)布時間[2016-01-12] 瀏覽次數(shù):2411
作者：李德發(fā)作者簡介：李德發(fā)，男，1953年12月出生，中國工程院院士，中國農業(yè)大學動物科學與技術學院教授，博士生導師。1989年獲美國堪薩斯州立大學動物營養(yǎng)與飼料加工學博士學位，現(xiàn)任國家飼料工程技術研究中心主任，中國農業(yè)大學動物科技學院院長，農業(yè)部飼料工業(yè)中心主任，中國畜牧獸醫(yī)學會動物營養(yǎng)學分會名譽會長，動物營養(yǎng)與代謝國家重點實驗室副主任。主要從事動物營養(yǎng)與飼料科學的研究、技術集成與轉移、工程支持和人才培養(yǎng)，是我國該學科學術帶頭人之一。主持國家攻關課題4項、國家自然科學基金項目5項，國家和農業(yè)部專項工程建設項目4項。1992年獲國家技術監(jiān)督局科技進步二等獎；1996年獲國家“八五”攻關先進個人獎；1996年獲農業(yè)部科技進步三等獎；1999年獲北京市科技進步三等獎；2000獲亞澳動物科學協(xié)會杰出研究獎；2000年獲中國優(yōu)秀博士后獎；2000獲寶鋼教育理事會優(yōu)秀教師獎；2000獲中國高?？茖W技術二等獎；2001獲國家“九五”攻關先進個人獎；2001獲中國高?？茖W技術一等獎；2003年獲國家科技進步二等獎；2003獲北京市科技進步二等獎。發(fā)表論文400余篇，其中80余篇被SCI收錄。申請專利6項，主編論著10余本。
生物飼料是以微生物發(fā)酵技術為核心生產的動物飼料或飼料原料，其主要特征是含有大量的乳酸菌或酵母菌等有益于動物健康的微生物。自2006年1月起，歐盟已全面禁止在動物飼料中添加抗生素。隨后，日本和韓國等亞洲國家也相繼制定了畜禽無抗生素飼養(yǎng)規(guī)范。2008年北京奧運會前后，我國在生物飼料和畜禽無抗生素養(yǎng)殖方面也得到了社會各界前所未有的重視。微生物發(fā)酵技術為飼料工業(yè)提供了氨基酸(賴氨酸、蘇氨酸和異亮氨酸等)、維生素(主要是B族)、酶制劑、有機酸(乳酸、乙酸)和活菌制劑等大量產品。傳統(tǒng)的飼料加工手段(粉碎、混合、膨化、制粒等)基本沒有涉及生物化學變化，微生物發(fā)酵是高度集中的生物化學反應，可以對飼料原料進行深度加工。很多飼料營養(yǎng)學家斷言，不利用微生物的代謝作用，飼料加工很難有新的突破；發(fā)展生物飼料產業(yè)，動物的健康養(yǎng)殖很難推廣實施。
1 替代抗生素的主要制劑1.1 活菌制劑益生菌又稱微生物活菌制劑或微生態(tài)制劑，是由許多有益微生物及其代謝產物構成的可以直接飼喂動物的活菌制劑。它們可以在動物胃腸道內抑制和排除有害微生物，代謝產生大量的有機酸，降低胃腸道內的pH值，或者產生過氧化氫和少量抗菌物質如乳酸鏈球菌肽、嗜酸素等，從而保證了胃腸道的正常菌群結構。當動物不斷從飼料中獲得益生菌，可以保證消化道有益微生物的絕對優(yōu)勢，維持動物腸道內環(huán)境的穩(wěn)定，保證動物的健康生長。1.2 功能性寡糖功能性寡糖是由2-10個單糖脫水縮合而成的含有直鏈或支鏈的具有生物活性的低度聚合糖類。功能性寡糖不被單胃動物自身分泌的消化酶作用，當進入腸道后段可作為營養(yǎng)物質被動物腸道內的有益菌消化利用，從而使有益菌得到選擇性增加，抑制了有害菌的生長，提高了動物的抗病能力。合適的功能性寡糖結構受體可與病原菌的外源凝集素結合，進而使病原菌不致于吸附到腸壁上，可攜帶病原菌通過腸道排出體外，防止其在腸道內繁殖。有些功能性寡糖還可以充當免疫刺激的輔助因子，提高動物免疫力，從而可以全部或部分代替抗生素類飼料添加劑。1.3 植物提取物植物提取物也稱為中草藥制劑，比較典型的活性成分主要有：大蒜素、茶多酚、阿魏酸和牛至油等。大蒜素：大蒜素對葡萄球菌、腦膜炎、肺炎雙球菌、鏈球菌、白喉、痢疾、傷寒、副傷寒、大腸桿菌、結核桿菌、霍亂弧菌等都有明顯的抑制或殺滅作用。它通過激活單核細胞的分泌功能，使溶菌酶大量釋放，溶菌酶能水解細菌細胞壁中的黏多肽，從而使其裂解和死亡，起到抗感染作用。茶多酚：又名茶單寧、茶躁質，是茶葉中多酚類化合物的總稱。主要含黃烷醇類、羥基-4-黃烷醇類及佯鹽、黃酮醇類及黃酮類、酚酸類和縮酚類等4類化合物，其中黃烷醇中的兒茶素是其最主要的成分，含量約占茶多酚的70％左右。茶多酚具有增強機體抵抗力、抑菌、抗病。茶多酚對動物的抗病毒作用，表現(xiàn)為茶多酚可通過調節(jié)免疫球蛋白等途徑抑制病毒，保護動物細胞免受感染和提高感染動物的存活率。另外，茶多酚還可以作為免疫增強劑，促進抗體的產生。阿魏酸：化學名稱為4一羥基一3一甲氧基肉桂酸，是桂皮酸的衍生物之一。阿魏酸有廣譜的抑菌消炎作用，能抑制宋內氏志賀氏菌、肺炎桿菌、腸桿菌、大腸桿菌、檸檬酸桿菌、綠膿桿菌等致病性細菌繁殖。阿魏酸對胃腸道沒有刺激作用，在體內的存在形式和代謝產物都是水溶性的，能被機體吸收并可從尿中排出。不會在體內累積，也不會在畜產品中殘留，幾乎沒有任何毒性。牛至油：是從唇形科多年生草本植物牛至中提取的含有多種有效成分的揮發(fā)油類。牛至油可以破壞病原微生物細胞的內外物質交換平衡，導致病原微生物細胞膜通透性發(fā)生變化，破壞病原微生物細胞正常的代謝機能：進入病原微生物細胞，改變胞內細胞器的膜性結構，使重要細胞器的生理功能喪失；改變線粒體膜的通透性，阻止氧化呼吸進程，破壞能量代謝；進入核糖、內質網和高爾基體阻礙蛋白質及毒素等的合成和分泌，抑制病原微生物的生長。1.4 特定的化合物某些特定的化合物可以作為抗生素的替代產品，而不僅不會在動物體內長期殘留，對生態(tài)環(huán)境也沒有不可降解的壓力。有關這類產品的研究報告很多，但是真正形成商品的還很少。目前市場上比較典型產品主要有二甲酸鉀、糖萜素和乳鐵蛋白等。二甲酸鉀是一種新型飼料添加劑，是歐盟批準的第一種用于替代抗生素促生長劑的非抗生素飼料添加劑產品，對仔豬的促生長和防治下痢有顯著效果。它可以降低沙門菌在生長育肥豬中的流行，還可以向小腸輸送甲酸，在小腸內抑制革蘭氏陰性菌(如大腸桿菌、沙門菌)的生長。乳鐵蛋白，簡稱LF，是一種鐵結合性糖蛋白，具有廣譜抗菌作用。LF既抑制需鐵的革蘭氏陰性菌(如沙門菌、大腸桿菌和志賀氏菌等)，也抑制革蘭氏陽性菌(如單細胞增生性李斯特菌、葡萄球菌等)，但是動物腸道有益菌如糞鏈球菌、雙歧桿菌和乳酸菌等對LF具強抗性。另外，乳鐵蛋白還具有抗病毒作用，天然的LF能夠抑制人體免疫缺陷病毒和巨細胞病毒對M 細胞合成纖維細胞的病變作用，此外，還能抑制流感病毒的活性。但是由于乳鐵蛋白太昂貴，在實際生產中目前還很少使用。糖萜素是以糖和三萜皂苷為主體研制而成的產品，也是我國自行研究開發(fā)獲農業(yè)部批準的第一個飼料添加劑創(chuàng)新產品，并獲得國家綠色發(fā)展中心認證的全國AA級純天然綠色飼料添加劑。糖萜素所含的生物活性物質(包括糖類(30％)、三萜皂苷(30％)和有機酸)具有調節(jié)網狀內皮系統(tǒng)，增強巨噬細胞、淋巴細胞、白細胞介素的活性。提高抗體水平、調節(jié)cAMP與cGMP含量和補體的生成等作用。其表現(xiàn)為增強機體非特異性免疫反應，提高畜禽的健康狀況，同時協(xié)同增強特異性免疫效果，加強細胞免疫和體液免疫，提高疾病疫苗接種效果，延長免疫持續(xù)時間，提高治療效果，縮短治療和康復時間，提高畜禽生產性能。1.5 抗菌肽抗菌肽是一類小分子肽，也稱為細菌素。這類物質主要通過對微生物細胞膜的降解作用，使細胞膜產生泄漏，胞內原生質流失，導致微生物細胞死亡。這類物質有很強的專一性，種類很多，而且半衰期比較短，不會對生態(tài)環(huán)境造成壓力，是一種很理想的抗生素替代品?？咕牡闹饕攸c：① 高效的抗菌活性，抗菌譜一般包括大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、單細胞增生性李斯特菌和沙門菌等有害菌；② 可以被動物消化道內的蛋白酶(胃蛋白酶和胰蛋白酶)降解，不存在殘留問題；⑧ 特異的殺菌方式(破壞靶細胞的膜結構)，不會誘發(fā)抗藥性； 較強的熱穩(wěn)定性和耐酸性；⑤ 對人和動物無害，也不會產生副作用。上述產品的添加量一般都在0．1％數(shù)量級，雖然對畜禽健康有一定的效果，但是在我國常規(guī)飼養(yǎng)條件下達到無抗要求還是很困難的。如果添加量達到1．0％或5．0％，效果會如何?經濟上有可行性嗎?什么樣的產品最有可能實現(xiàn)無抗?如果不考慮飼養(yǎng)成本，加大添加比例，植物提取物、活菌制劑(包括微生物發(fā)酵復合物)，都有可能實現(xiàn)無抗生素飼養(yǎng)。從經濟性考慮，活菌制劑比植物提取物更有優(yōu)勢，也更有潛力。今后研究的重點應該考慮如何降低這類添加劑生產成本，使它們能夠更大程度地使用而基本不增加養(yǎng)殖成本。
2 生物飼料發(fā)酵飼料的實質可以看作為活菌制劑和發(fā)酵底物的復合物，是以植物性農副產品為主要原料(底物)，通過微生物的代謝作用，降解部分多糖、蛋白質和脂肪等大分子物質，生成有機酸、可溶性多肽等小分子物質，形成營養(yǎng)豐富、適口性好、活菌含量高的生物飼料或飼料原料。2.1 微生物發(fā)酵飼料的基本原則合作原則：在自然界中，微生物的純種培養(yǎng)幾乎是不存在的。如同人類社會一樣，微生物之間也存在著相互依賴、相互協(xié)作關系，它們之間有著很高的合作效率。從理論上講，它們的合作效率要高于人類社會。健康第一原則：動物消化道的微生物組成(或者稱為微生態(tài)區(qū)系)是生物長期進化的結果，是與環(huán)境相對應的平衡體系。這種體系是確保動物在對應的生存環(huán)境下具有盡可能高的健康水平，其次才考慮它們的生長繁殖能力。平衡原則：動物處于自由健康狀態(tài)時，它的微生物區(qū)系是一種近乎完美的平衡，我們人類是不可能創(chuàng)造優(yōu)于這種平衡(包括激素、能量和蛋白等代謝系統(tǒng)的協(xié)調)的區(qū)系。但是當區(qū)系處于失衡或者動物處于亞健康狀態(tài)時，我們可以通過某些措施幫助它們恢復失去的平衡。2.2 飼用微生物制劑的功效體現(xiàn)飼用微生物制劑的效果需要結合多方面的因素。如果動物健康狀況很好，制劑加與不加基本沒有差異。如果添加量很小，效果很有限，很難體現(xiàn)出差異。微生物的種類與使用的動物沒有對應關系，也不會有效果。動物健康的問題都有其特殊性，即使都屬于消化道疾病，也不可能有一種通殺的藥。健康動物消化道的微生物組成處于比較理想的平衡狀態(tài)。消化道健康有問題，微生物組成肯定有變化。消除這種差異可以使消化道微生物的組成快速恢復健康平衡，從而使動物快速恢復健康。2.3 恢復微生態(tài)平衡的方法有病的消化道中，一定有某一種或者幾種微生物的數(shù)量很少，同時可能有一種或者幾種微生物的數(shù)量特別多。我們可以采用添加所缺乏的微生物以補充其不足，這類微生物就是我們所說的有益菌。也可以用藥物殺滅的辦法減少多余的微生物，這類微生物就是通常所說的有害菌。微生物的組成比例有相應的彈性，只要不超過這個彈性，表現(xiàn)出來的癥狀都是健康的。一般來說，彈性越大，對環(huán)境的適應能力也越強。2.4 高活性生物飼料的主要特征具有天然的發(fā)酵香味，較好的適口性，良好的誘食誘食效果。含有大量的有益菌。有害菌(以大腸桿菌、沙門菌和金黃色葡萄球菌為典型代表)數(shù)量極低，不超過10cfu／g。成品的pH值較低，在4．5左右，含有較多的有機酸(以乳酸和乙酸為主)。
3 生產工藝
3.1 純培養(yǎng)的一般工藝目前流行的微生物活菌制劑基本都是采用純培養(yǎng)生產，其典型的工藝如下：原料一消毒一冷卻一接種一培養(yǎng)一千燥一包裝。原料需要消毒，成品需要干燥，在發(fā)酵過程中需要嚴格控制空氣的流通和發(fā)酵熱的釋放，操作控制很繁瑣?？紤]技術理論時很認真仔細，但是往往不重視技術的經濟性，很少考慮技術的可操作性。一個經濟上不可行的技術在實際生產中時很難推廣。3.2 傳統(tǒng)的厭氧發(fā)酵呼吸消耗很小，一般不超過1．0％，代謝產物主要是有機酸和二氧化碳，有利于保存物料的營養(yǎng)。發(fā)酵過程散熱量較小，操作容易控制。設備投資少，生產成本低，容易推廣。發(fā)酵裝置更簡單，搬運更方便。氣壓控制不受環(huán)境和方位限制。保存時間更長，原料更廣泛，溫度梯度變化小。傳統(tǒng)的厭氧發(fā)酵飼料生產方式很多，比較常見的是養(yǎng)殖戶用酵母菌和乳酸菌接種飼料，裝入密封的包裝袋，袋口用繩扎緊，飼料的含水量在30％~40％。在夏季，發(fā)酵3-5d就有明顯的酸香味。在冬季，需要適當延長發(fā)酵時間。飼養(yǎng)員主要根據排出的酸香味來判定發(fā)酵的成熟度。傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵的優(yōu)點：如果環(huán)境溫度適宜，時間控制得當，采用袋裝式“土辦法”發(fā)酵，也可以獲得質量很好的微生物發(fā)酵飼料，活性乳酸菌的含量能達到108cfu／g以上。這種工藝雖然簡便，但是受限制的因素太多，質量很難把握，基本沒有標準，完全靠經驗，產品基本不能流通。傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵存在的問題：如果環(huán)境溫度長期低于12℃，發(fā)酵很可能失敗。酵母在低溫下長期代謝低迷，耗氧速度很慢，物料中的氧氣能長時間與乳酸菌接觸，導致乳酸菌活力大減，繁殖很慢，甚至死亡。不能很好地確定什么時候產氣結束，什么時候發(fā)酵結束，同時又要求發(fā)酵成熟以后需要盡早使用，不然就有霉變的可能。3.3 理想的發(fā)酵工藝為了使這種袋裝發(fā)酵技術進入程序化、工業(yè)化應用，生物飼料的質量能得到有效保證，我們必須完成以下幾個前提條件：發(fā)酵過程基本不受環(huán)境溫度限制；產品質量不受存放時間限制，或者保質期能達到3個月以上；產品在儲存和運輸過程中不受外界空氣干擾。理想的發(fā)酵工藝是原料接種以后，直接進入包裝袋中，熱合封口。包裝袋上附加一個可以調節(jié)氣壓的硅膠膜。在發(fā)酵過程中產生二氧化碳，氣壓達到設定壓力，呼吸閥開放。低于設定壓力，呼吸閥自動關閉。發(fā)酵物料的含水量保持在34％~36％比較經濟。在北京，夏天發(fā)酵4d、春天發(fā)酵18d、冬天發(fā)酵30d，物料基本成熟。時間越長，效果越好。物料中蛋白含量增加，微生物的生長代謝速度會下降。糖類含量增加，微生物的生長速度會增加。只要包裝袋保持完整、不破損，一年四季都能生產。為了進一步簡化操作，降低生產成本。該技術還采用了一種能使接種的微生物快速生長繁殖的激活劑。在這種制劑的協(xié)助下，即使在接種量僅為0．01％的條件下(原料不需要經過消毒)也能使有益微生物在24h內(20℃以上的環(huán)境)處于絕對的數(shù)量優(yōu)勢，從而有效地抑制了雜菌的污染。該技術有如下幾個顯著優(yōu)勢：發(fā)酵原料不需要消毒，發(fā)酵質量不受外界氣溫影響，物料產生溫度梯度差異不超過3℃；設備投資少，操作簡便，產品質量穩(wěn)定，特別適合在我國農村推廣應用；發(fā)酵原料的含水量在.. 30％~50％，蛋白含量在4．5％~42．0％，操作彈性極大，可以大比例使用廉價的玉米漿、豆渣和果渣等高水分含量的農業(yè)和輕工副產物，與傳統(tǒng)的發(fā)酵技術相比具有很大的成本優(yōu)勢。
4 相關問題
在發(fā)酵豆粕過程需要關注發(fā)酵菌種種類、營養(yǎng)物質降解情況，充分了解微生物作用機理，利用小肽分析技術、抗原蛋白分析技術、有毒有害物的分析技術、抗原性分析技術等。一般來說，脂肪飼料中的短鏈脂肪酸含量高于長鏈脂肪酸，不飽和脂肪酸高于飽和脂肪酸，長短鏈脂肪酸混合高于單一脂酸。提高脂肪飼料消化率可以通過以下途徑：采用乳化劑提高水溶性，利用酶切技術使脂肪鏈變短，加載體促進流通性，大力應用加熱和包被技術。
