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微生态发酵技术在饲料工业中的应用

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微生态发酵技术在饲料工业中的应用微生态发酵技术在饲料工业中的应用 陈五岭 教授 博士生导师 (西北大学 生命科学学院) 微生态是指动物体内存在的各类微生物群系所形成的对动物新陈代谢、营养健康等生命活动有重要影响的生态体系。由于其是由肉眼不能看见的微生物活细胞群体在动物体内构成的生态系统,故称为微生态。 人和动物的体表和体内携带有大量微生物,据统计,这种微生物的数目多于动物本身的细胞,成人体表、体内存在的微生物细胞大约为1,1.2kg左右。这些微生物有些是对动物有益,有些是对其有害的。有益微生物与动物细胞密切接触、交换能量、交换物质、甚至互...

微生态发酵技术在饲料工业中的应用
微生态发酵技术在饲料工业中的应用 陈五岭 教授 博士生导师 (西北大学 生命科学学院) 微生态是指动物体内存在的各类微生物群系所形成的对动物新陈代谢、营养健康等生命活动有重要影响的生态体系。由于其是由肉眼不能看见的微生物活细胞群体在动物体内构成的生态系统,故称为微生态。 人和动物的体表和体内携带有大量微生物,据统计,这种微生物的数目多于动物本身的细胞,成人体表、体内存在的微生物细胞大约为1,1.2kg左右。这些微生物有些是对动物有益,有些是对其有害的。有益微生物与动物细胞密切接触、交换能量、交换物质、甚至互相传递信息。各种微生物种群在动物体内协调共生,发挥着整体的功能,在肠道内保持着宿主的微生态平衡。正常的微生物菌群对动物具有营养、免疫、生长刺激、生物拮抗等作用。当正常微生物紊乱时,微生态系统的平衡被破坏,动物正常消化、生长功能即受阻或失调,导致疾病的发生。 一、发酵技术 现代生物 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 上发酵的概念是由微生物在有氧或无氧条件下的生命活动转化某种物质成为另一种物质的过程。现代发酵技术根据不同目的、需求,将发酵分为固体发酵、半固体发酵、液体发酵和混合发酵等多种类型。但其基本原理都是选育具有优良性能的生产菌种,在合适的营养和培养条件下使其迅速生长,产生大量菌体过程并转化新物质来满足人类的需求。由于微生物种类众多,其各自的培养条件、代谢途径、所产生的代谢产物均有不同,因而其发酵工艺也有所不同,微生物发酵技术属于生物工程高新技术领域。 二、微生态饲料 微生态饲料是人类选育的各类对动物营养、健康、生长有益的微生物,在适宜的营养、温度、湿度等条件下人工培养生长繁殖,形成大量的菌体细胞,由于微生物生长过程中产生的大量生物酶的作用,催化培养底物(原料)进行一系列复杂的生物化学反应,改变原料固有物理、化学性质,提高其适口性、消化吸收率和营养价值,成为营养价值和生物学功能与原料完全不同的新型生物饲料。 用于微生态饲料生产的菌种必须符合以下的条件: 1 1、菌体本身无毒性,且不产生毒素; 2、菌体所产生酶活性较高,且酶种类齐全; 3、菌体本身蛋白质含量较高; 4、生长条件粗放、周期短、抗污染性能强; 5、可有效的降解特定底物、转化新的有益物质; 6、对宿主有益; 7、能在消化道存活; 8、能适应胃酸和胆盐; 9、能在消化道表面定植; 10、在加工和贮存过程中能保持活性; 11、具有良好的感官特征。 微生态饲料的基本原理是通过有益菌生长繁殖过程中所产生的各类生物酶的作用,将原料中难以吸收的大分子物质降解成动物易吸收的小分子物质,大幅度提高原料利用率,微生物生长中产生的各类酶及生理活性物质能够大大改善动物的营养和健康状况,营养价值较低的原料被转化成大量高营养价值的菌体细胞,同时大量活菌进入动物消化道后进行繁殖,排除有害菌,并促使有益菌的生长繁殖,保持肠道内正常微生物区系的生态平衡并生成一些有益的物质。以上生物学效应共同发挥作用,可大幅度提高动物吸收消化、应激反应、免疫功能和健康水平。 美国食品和药品管理局和美国饲料协会制定了一个“通常认为是安全的”微生物种类清单共有40种(见下表)。 表 美国食品和药品管理局和美国饲料协会认为是安全的饲用微生物 序号 饲用微生物名称 序号 饲用微生物名称 序号 饲用微生物名称 1 黑曲霉 2 米曲霉 3 凝固芽孢杆菌 4 粘连芽孢杆菌 5 地衣性芽孢杆菌 6 短小芽孢杆菌 7 枯草杆菌 8 厌气性拟杆菌 9 纤维二糖乳杆菌 10 弯曲乳杆菌 11 发酵乳杆菌 12 戴耳布吕克氏乳杆菌 13 乳酸乳杆菌 14 胚芽乳杆菌 15 罗特氏乳杆菌 16 肠系膜明串球菌 17 乳酸片球菌 18 毛状拟杆菌 2 19 瘤胃拟杆菌 20 猪拟杆菌 21 青春双歧杆菌 22 动物双歧杆菌 23 婴儿双歧杆菌 24 长双歧杆菌 25 嗜热性双歧杆菌 26 嗜酸乳杆菌 27 短乳杆菌 28 保加利亚乳杆菌 29 干酪乳什菌 30 啤酒片球菌 31 戊糖片球菌 32 费氏丙酸菌 33 谢曼氏丙酸杆菌 34 酿酒酵母 35 乳酸链球菌 36 二乙酰乳酸链球菌 37 粪链球菌 38 中(间)链球菌 39 乳链球菌 40 嗜热链球菌 三、反刍动物的营养特征 反刍动物营养的特征是可以利用纤维素作为热能源及非蛋白氮(NPN)作为蛋白质源。这两大特征均依赖反刍胃中微生物的发酵,因此反刍动物吸收、利用的营养素与饲料的构成成分有极大的差异。 非蛋白氮化合物是指不具有酰胺键的各类含氮化合物。例如尿素、各类铵盐、核酸等类物质。微生物细胞能够优先利用非蛋白氮化合物,转化成菌体蛋白,有的微生物还能利用空气当中的氮作为氮源合成细胞物质。 反刍动物可将大部分碳水化合物转变为挥发性脂肪酸(VFA)后被吸收利用,作为主要热能源及糖合成的材料。猪等单胃动物饲料中的碳水化合物是以单糖类被吸收利用的,故单胃动物也可称为“糖动物”,而反刍动物则可称为“脂肪酸动物”。 反刍动物对蛋白质的吸收是通过瘤胃中微生物的作用,将饲料中蛋白质的大部分首先分解成氨,再转变成微生物蛋白质的形式后在小肠作为氨基酸的供给源被利用,合成动物自身的物质。由于微生物在蛋白质和无机氮源,例如尿素氮、铵盐等同时存在的环境中,优先利用无机氮,合成自身蛋白质,因此,反刍动物可通过微生物的转化利用非蛋白氮,作为氮源增殖瘤胃中微生物细胞,提供动物可利用的菌体蛋白来源。所以,反刍动物蛋白营养与反刍胃内微生物的增殖具有十分密切的关系。由于微生物在体外利用无机氮源培养,易于产生大量的微生物细胞,因此是一条容易获得高质量动物营养所需蛋白来源的有效途经。植物蛋白由于缺乏精氨酸、赖氨酸和蛋氨酸,动物对其的利用率较低,例如豆粕蛋白反刍 3 动物的利用率仅40,,而微生物菌体蛋白利用率达90,以上。同样经过微生物发酵处理的豆粕,动物对其利用也可达到90,。 微生态饲料是在体外模拟反刍动物瘤胃中的生物化学反应过程,将低营养价值饲料在体外首先通过微生物发酵作用,把动物不易消化吸收的大分子物质酶解成易吸收的小分子营养物质,并产生大量可由反刍动物直接吸收利用的挥发性脂肪酸及微生物菌体蛋白,因此微生态饲料和现有配合饲料是完全不同的两类物质。 1(消化率 消化率受动物年龄、饲料种类、给予方法及加工方法的影响,并非完全一样。在反刍动物的营养素中部分为微生物所摄取,故反刍胃以下的消化率除了饲料外,还包括微生物体的消化率。纤维与淀粉可消化部分的80,90,在第一胃及第四胃间消化吸收。另一方面,氮素化合物在第一胃及第四胃间几乎不吸收,其消化吸收均在小肠及以下部位。氮素的消化率在第一胃至第四胃间,由数字显示是负值,这是由于混合了由唾液流入的氮素化合物,而且这个部位氮素的吸收几乎为零。 反刍动物为保持反刍胃的正常机能,非饲喂粗饲料不可。粗饲料的消化率受其形状、加工处理(粉碎、打粒、蒸汽、加压、碱处理等)及精料与粗饲料的饲喂比例等不同的影响,第一胃内饲料的消化程度因在第一胃内滞留时间、粉碎的程度、溶解度及微生物的活性等因素的不同而变动。精饲料与粗饲料的喂饲比例、采食量也与第一胃内的消化有关。其程度因精饲料的种类、粗料的种类不同,有极大的差异。能量与粗蛋白质含量相同的饲料,大麦与玉米这两种谷物在第一胃内的发酵有极大的差异。两者发酵的差异在干草给予所占比例低时显著。大麦比玉米在第一胃内的分解速度快,分解良好。因此在第一胃内VFA中丙酸的比例高,另外流入十二指肠以下的微生物蛋白质量以玉米比大麦为多。玉米的淀粉比大麦的淀粉在第一胃内的分解程度低,因此未分解的淀粉大量转入十二指肠以下的消化道。淀粉在消化道内的消化率,大麦与玉米无多大差异。故十二指肠以下玉米淀粉的消化应很好。因此,即使在消化率相同情况下,因饲料与给予方法不同,其消化部位具有差异,从而也可推测动物体内的代谢过程会发生变化。 2(代谢 4 体内吸收的各种营养素在体内转变成有用的形态而被利用,营养素在构成各组织与器官的细胞内被利用。 (1)反刍胃发酵产物的利用 1)能量源的利用:可消化能量中5,由反刍胃以VFA吸收。反刍胃内微生物固定的能量约为可消化能量的20,,另一方面在反刍胃内约9,甲烷,1,发酵热的能量损失,因此饲料可消化能约70,由反刍胃发酵产生。 2)微生物蛋白质的利用:对反刍动物的蛋白质营养具有贡献的是微生物蛋白质与过瘤胃蛋白质(亦称UDP),这两种蛋白质在肠道内消化、吸收的部分也称代谢蛋白质。代谢蛋白质总量的增加就是使微生物蛋白质或过瘤胃蛋白质的任何一方的增加,或两方同时增加都可。不过微生物蛋白质的合成量通常使用配合饲料是有一定限度的,故对高产泌乳牛必需增加过瘤胃蛋白质的量,才能保证乳牛对蛋白的需求,利用发酵饲料增加微生物蛋白量可减少动物对过瘤胃蛋白的需求,满足乳牛对蛋白的需求。 (2)体组织营养素利用的特征:反刍胃发酵生产的乙酸,在肝脏、脂肪组织及肌肉内作为能源。一部分在肝脏与脂肪组织作为脂肪合成。丙酸在肝脏转变成葡萄糖。合成糖的50,60,是由丙酸合成的。摄取的能量不足时,丙酸的吸收量不足,肝脏的合成糖减少,这时葡萄糖的供给起初依赖肝动物淀粉的分解,随之脂肪组织的分解也在进行,血中脂肪酸量增加,并且肝脏及其他组织葡萄糖的利用减少。乙酸的吸收量进一步不足时,肌肉的乙酸消费量减少,游离脂肪酸的利用旺盛,动物淀粉的贮藏量用尽,接着体内氨基酸的分解旺盛,由氨基酸而来的合成糖趋于活跃。 (3)乳腺的牛乳合成:由血液运至乳腺的牛乳成分的主要原料为中性脂肪、乙酸、ß-羟丁酸、多种氨基酸、蛋白质及葡萄糖。 中性脂肪、乙酸、ß-羟丁酸为牛乳脂肪的原料。牛乳的脂肪酸中,C以上的16长链脂肪酸是由血中链脂肪分解供给的,C以下的中链脂肪酸主要是由乙酸与14 酮体合成,成为牛乳脂肪的原料。 氨基酸主要是用作乳蛋白质的合成,一部分作为能量源。酪蛋白、乳白蛋白在乳腺内合成,而乳球蛋白则是单纯地由血清球蛋白经乳腺细胞滤过的产物。 葡萄糖是乳糖的主要原料,也是甘油的原料。葡萄糖还具有为乳腺内全部合 5 成过程必要的供给能源的重要功能,不过乳牛的血糖值为47,63mg/dL,仅为单胃动物的一半,因此如前所述,合成糖随着泌乳的开始而剧烈增加。葡萄糖供给不足时,牛乳的生产低下。 四、我国饲料工业的现状 随着人们生活水平的提高和对生活质量的重视,对肉、蛋、奶的需求日益增多。但从我国全国人均膳食中动物性蛋白摄取量与世界水平相比,仍然处于中等偏下的水平,仅相当于经济发达国家的1/5,l/8,据预测若争取达到90年代初期的世界平均水平,按最佳养殖技术,届时我国饲料中的蛋白质资源量将缺口一半。据我国上个世纪90年代后期种植业可提供作为饲料的植物性蛋白质预测,从饲用谷实类中约可提供15000kt粗蛋白,从饼粕类中约可提供6000kt粗蛋白,可供饲用的藤、蔓、秧等农副产品中约可提供8000kt饲料粗蛋白质,其他动物性饲料资源可提供1000kt粗蛋白,合计约30000kt粗蛋白资源,仅能满足需要量的一半。若饲养技术、饲料加工、储存、配置技术跟不上去,预计蛋白质资源的供求矛盾还将更加紧张。畜牧业的一个很重要的任务就是将低质量的不能被人类直接食用的饲料蛋白转化为优质的肉、蛋、奶蛋白质。本世纪,我国从小康走向富裕,据预测,届时我国常规饲料中的粗蛋白质资源仅能满足需要量的一半。因此开辟饲料蛋白资源,势在必行。根据国家饲料工业办公室的估算,按照我国人民膳食结构与养殖业的发展规划要求, 2010年、2020年,所需的蛋白质饲料有很大缺口(如下表)。 表 我国蛋白饲料资源供需预测(亿t) 2010年 2020年 需要量 0.60 0.72 供给量 0.22 0.24 缺 口 0.38 0.48 资料来源?国家饲料工业办公室(1996,2020年中国饲料工业发展战略研究) 我国饲料工业科技发展的方向和急需解决的重大问题有以下几点:第一,由于蛋白饲料原料资源短缺,开发非常规饲料特别是微生物发酵饲料,发展反刍动物,提高肉食产品,成为非常重要的议题。其中利用农副产品生产微生物蛋白饲 6 料,利用农作物秸秆、牧草、水生饲料等生产青贮饲料是饲料资源开发的重点。新型微生物发酵菌种的选育、引进和发酵工艺的改进是此类产品技术进步的关键。第二,国产饲料添加剂品种少,技术落后我国的饲料工业于二十世纪80年代才开始起步。1985年以后进入快速发展时期,1998年配合饲料产量比1990年增长了80,。但是科技发展水平和产品技术含量滞后于配合饲料产量的增长,影响到我国饲料行业的可持续发展。问题主要表现在国产饲料添加剂品种与数量的不足,特别是生物技术发酵产品的品种少、水平低。1999年全国有饲料添加剂生产厂家1000多家,年产量230多万吨,产值约200亿元。饲料添加剂高附加值原料进口量1997年为7.01万吨,耗用国家外汇5000多万美元。第三,饲料转化效率低,饲养周期长,饲料加工和养殖水平落后于世界先进水平,如肉鸡的料肉比世界先进水平为(1.6,1.9):1,我国为(2.5,3):1;蛋鸡的料蛋比世界先进水平为(2.3,2.5):1,我国为(2.7,3 ):1;生长育肥猪的料肉比世界先进水平为(2.6,2.9):1,我国为(3.1,3.5):1。饲料转化率低造成对资源的巨大浪费。新型饲料添加剂特别是酶制剂的研制开发是提高饲料利用率的关键。第四,饲料安全问题严重,产品卫生质量不够。饲料安全直接关系到人类健康,近年来,因饲料安全引发的事件时有发生,1999年5月比利时发生的致癌物质二恶英污染饲料事件;欧洲使用肉骨粉饲料导致的疯牛病事件;我国部分饲料厂商非法添加β—兴奋剂,导致的供港猪大幅减少;欧盟以中国饲料中用药过滥,残留超标等原因于1996年9月停止进口中国的禽肉及其它相关产品。这一系列事件表明,人类要求的是绿色保健食品新型高效绿色饲料是解决这一问题的最佳途径。 五、微生物在饲料开发中的应用 利用微生物生产菌体蛋白饲料,具有物理和化学方法所不可替代的优越性,是利用生物技术开发新的饲料资源,特别是蛋白质饲料资源的一条重要途径。微生物饲料大体上可分为两大类,一类主要是利用微生物的发酵作用改变饲料原料的理化性状,或增加其适口性,提高消化吸收率及其营养价值,或解毒、脱毒,或积累有用的中间产物。这一类微生物主要包括乳酸发酵饲料(青贮饲料)、畜禽屠宰废弃物发酵饲料、饼粕类发酵脱毒饲料、微生物发酵生产的各类饲料添加剂等。另一类微生物饲料是利用各种废弃物、纤维素类物质、淀粉质原料、矿物质等培养的微生物菌体蛋白、藻类等。 7 1. 用于饲料开发的微生物 微生物种类多,生长迅速,其代谢特征各异,菌体蛋白质含量较高,能利用的物质也很丰富,这就奠定了其在饲料开发中的重要地位。因为饲料是供动物饲用的,所以用于饲料生产的微生物必须无毒,动物饲用其代谢产物或菌体后应该有益,并且要适宜于生产过程中的各种环境。细菌、放线菌、酵母菌和丝状真菌中的许多菌种都已用于饲料生产。酵母菌中的酿酒酵母、假丝酵母、白地霉等已用于生产微生物单细胞蛋白(SCP)和一些生理活性物质,细菌中的乳酸菌、链球菌、肠道细菌、芽孢杆菌、光合菌等已制成微生态制剂,用于禽兽饲料生产的芽孢杆菌有:枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌、缓慢芽孢杆菌、短小芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、环状芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、坚强芽孢杆菌、东洋芽孢杆菌、纳豆芽孢杆菌、芽孢乳杆菌、丁酸梭菌等,丝状真菌已用于纤维素等难利用物质的处理和生产饲用酶制剂,放线菌也已用于生产饲料添加剂。 2( 微生物饲料的原料 微生物饲料应该是指含微生物代谢产物或菌体的饲料和饲料添加剂。由于用作饲料生产的微生物种类的增多,人们环保意识的增加,微生物饲料的原料已从常规的饲用原料发展到废弃物的利用。将粗饲料(如一些粮食的加工副产品如米糠、麸皮、大豆饼等)经微生物处理变为精饲料。纤维性材料[主要由纤维素(30,,50,)、半纤维素(15,,30,)和木质素(10,,20,)]的处理,已引起人们很大的兴趣,特别是农作物秸杆,因其产量大,全世界年产量超过20亿t,且可无限再生,利用前景诱人。许多废弃物,甚至有毒物质,也已引起人们的开发兴趣,并取得一定成就,如畜禽粪、柑桔皮渣、甘薯渣、甘蔗渣、烟草副产物、羽毛粉、酒糟、皮革下脚料、棉仁饼以及工业废水(如造纸厂的废水)等。 我国是农业大国,畜牧养殖业产品产量位于世界前列,目前全国养猪年出栏4.5亿头,牛羊等各一亿多头,鸡40多亿只,水产养殖,特种经济动物养殖等均需消耗数量巨大的饲料。我国饲料工业已成为十大产业之一,2004年全国工业饲料产量已达1.4亿吨。随着我国农业结构的调整,养殖业向规模化、产业化发展,养殖方式也由以散养为主向集约化养殖发展,对全营养蛋白饲料的需求量愈来愈大,由于相关的饲料原料价格不断上扬,饲养成本不断提高,已成为制约我国畜牧养殖业发展而影响农业经济增长的重要因素。其次,我国现有的饲料工 8 业产品,主要是技术含量和饲料转化率较低的配制性饲料,由于该类饲料成本高,具有较多的化学添加剂成份,喂养牲畜肉质较差,产品在国际市场竞争力较弱,国内市场价格与生产成本相差无几,极大的影响了我国畜牧业的正常发展。因此,开发质优价廉的饲料来源,利用生物工程技术发酵生产微生物蛋白饲料,全价营养,高饲料转化率,无化学添加剂,能增强牲畜的抗病免疫力,提高畜产品质量。所以,低成本高营养的微生物发酵蛋白饲料,是我国饲料工业未来发展的方向。 采用现代生物技术,利用废弃资源工业化生产微生物发酵蛋白饲料,近年来 全世界都在努力探索、深入研究。我国每年产农作物秸杆约6亿吨,由于种种 原因,目前仅有不到15,左右,被简单处理作为粗饲料利用,绝大部分农作物 秸杆仍直接还田或作为燃料用,既造成环境的污染,又浪费了资源。利用微生物发酵农副产品加工废弃物和农业秸秆生产微生态饲料,由于微生物本身所产生的各种氨基酸、酶类、维生素、抗生素等生活性物质可以促进牲畜的生长发育,改善肉质增强牲畜的抗病免疫能力,降低发病率,减少药物使用量,大大提高畜产品的质量和产量。因此,开发新型的高蛋白微生物饲料可以有效的转化农副产品废弃物和农业秸杆,合理、有效利用资源,减少环境的污染,又为畜牧业开发出新的生物蛋白饲料来源,对于发展生态农业,实现畜产品无害化,促使畜牧业高效、高附加值、高创汇发展,对于提高农业生产、畜牧业生产的经济效益和社会效益有着十分重要的意义。 六 微生态饲料的种类及功能 1(单细胞蛋白(SCP) SCP是指利用各种基质大规模培养细菌、酵母菌、霉菌、微藻、光合细菌等而获得的微生物蛋白,是现代饲料工业和食品工业的重要的蛋白来源。SCP营养丰富,蛋白质含量20,,80,不等,所含氨基酸组分齐全平衡,且有多种维生素,消化利用率高(一般高于80,),其最大特点是原料来源广,微生物繁殖快,成本低,效益高。因此,在当今世界蛋白质资源严重不足情况下,发展SCP愈来愈受各国重视,目前已发展成为一项具有巨大经济效益的生物工程产业。在我国生物技术发展规划的重点中就有蛋白质生物工程项目。我国SCP生产,始于40 世纪40年代初,但80年代以后才有较大的发展,主要是利用工农业生产中各种可再生资源生产食用酵母或饲料酵母,如以造纸废液、味精厂废液、糖蜜酒精废液酒 9 糟、淀粉厂废水废渣、油脂工业废水、果渣、石油、天然气等为原料,筛选出可在上述基质中迅速生长的优良菌种,通过现代微生物发酵工程技术或基因工程技术,生产出等级不同的产品。 2(饲料酶制剂 饲用酶制剂是通过特定生产工艺加工而成的包含单一酶或混合酶的工业产品。酶是由生物体产生的一类具有高度催化活性的物质,又称生物催化剂。生物体内的化学反应能顺利进行,与酶的作用密切相关,可以说没有酶就没有生命现象。酶的催化现象早已被人类所利用,酿酒、制酱等都要用酶。动物消化系统分泌的淀粉酶、胃蛋白酶、胰脂酶、蔗糖酶、乳糖酶、麦芽糖酶等,是消化吸收不可缺少的,这些称为内源性酶,但是仅仅依靠这些内源性酶,动物对饲料的利用能力是有限的。因此,为了充分利用现有饲料资源,开发新的非常规饲料,同时也为减少动物排泄物对环境的污染,研制和生产外源性饲料酶则成为饲料工业中的一个重大课题。世界上已发现的酶品种有l 700多种,生产用酶已达300多种,饲料用酶亦有20多种。饲料用酶多为水解系列酶,如蛋白酶、纤维素酶、葡聚糖酶、戊聚糖酶(阿拉伯糖木聚糖酶)、半乳糖苷酶、果胶酶、淀粉酶、液化淀粉酶、糖化淀粉酶和植酸酶等。目前除植酸酶有单一酶产品外,其余饲用酶制剂多为包含多种酶的复合制剂。应用较多的有纤维素酶、葡聚糖酶、木聚糖酶、淀粉酶、蛋白酶、果胶酶和植酸酶等。添加饲用酶制剂能补充动物内源酶的不足,增加动物自身不能合成的酶,从而促进畜禽对养分的消化、吸收,提高饲料利用率,促进生长。这些酶绝大多数是利用微生物中某些酵母、曲霉菌和其它细菌来生产。目前工业化生产主要采用微生物发酵工程技术。但也有的已开始逐步向基因工程发展。通过新的生物技术的应用,各种饲料酶的活性、稳定性以及耐热性都有很大提高。相信进入21世纪以后,以基因工程菌为先导的饲料酶的生产将会有更大的发展。 3(功能微生物制剂 功能微生物制剂,又称生物饲料添加剂、益生菌剂、微生态制剂、微生物饲料添加剂等,这是基于对动物消化道微观生态学的深入研究,阐明了其中存在菌群生态平衡的机理之后利用生物技术研制出的继抗生素之后的新一代产品。作为益生菌剂的主要菌种有乳酸杆菌、双歧杆菌、粪链球菌、酵母菌、腊样芽孢杆菌、 10 枯草杆菌等。一般多制成复合活菌剂使用,进入肠道后主要起着竞争性排除作用,控制致病菌在肠道定植,以达到恢复肠道菌群平衡的目的。这种菌剂的作用方式大体上有以下几方面:1)生成乳酸,降低肠内PH值,不利于致病菌生长:2)产生过氧化氢,可对几种潜在的病原菌起杀灭作用;防止毒胺或氨的产生;具有抗生素的作用;3)产生某些酶有助消化;4)合成B族维生素;5)通过释放细胞壁多糖蛋白刺激免疫系统,增强动物体免疫功能。 微生物添加剂的关键技术是筛选优良的生产菌种,它直接关系到应用效果及产品质量优劣,因此各国研究者长期以来都在寻求自己的菌源。目前应用于动物的微生态制剂菌种已突破40余种,1989年美国食品与药物管理局与美国饲料协会发布了可以直接饲喂动物的微生物种类有41种。我国农业部于1999年6月公布了干酪乳杆菌、植物乳杆菌、粪链球菌、屎链球菌、乳酸片球菌、枯草芽孢杆菌、纳豆芽孢杆菌、嗜酸乳杆菌、乳链球菌、啤酒酵母、产朊假丝酵母、沼泽红假单胞菌等12种可直接饲喂动物,允许使用的饲料级微生物添加剂菌种。此外,在国内外还陆续有新的应用菌种的报道,如环状芽孢杆菌、坚强芽孢杆菌、巨人芽孢杆菌、丁酸梭菌、芽孢乳杆菌等。从动物生产和饲料工业角度来评价,芽孢杆菌类有益微生物较其它微生物具有更多优点,因而对其研究和应用更加广泛。 4(生物活性肽 4(1 肽、生物活性肽、小肽、多肽 肽是指氨基酸之间彼此以肽键(酰胺键)相互连接的化合物。多肽类一般指由2,l0个氨基酸组成的肽类,具有直链或环状结构。含有少于10个氨基酸的肽称小肽或寡肽,超过的称多肽,超过50个氨基酸组成的多肽称蛋白质。肽键中的氨基酸由于形成肽键已经不是完整的分子,因此称为氨基酸残基。含有自由氨基的一端称N端,含有自由羧基的一端称为C端。生物活性肽就是对动物具有特殊生理功能的肽类。这些作用包括促生长、免疫调节、抗菌、抗病毒、抗肿瘤作用以及促进矿物质吸收等特性。近些年来,已有很多种生物活性肽从微生物、植物及动物体分离出来,这些肽类分子结构的复合性程度不一,可从简单的二肽到大的环状分子结构,而且这些肽可通过磷酸化、糖基化而加以修饰。 肽的种类及功能 4(2 近年来的研究发现,这些肽对动物体的消化、吸收、矿物质代谢、抗癌、促 11 生长、刺激产乳和免疫功能、调节神经、抗应激反应、防治疾病等方面有重要的作用。正是由于肽具备重要生物功能,生物活性肽的生产和定性问题已成为一个广泛的研究领域,开发利用这些生物分子作为新的治疗药或作为功能食品和饲料添加剂的前景是非常广阔的,可以肯定地说,在动物饲料产业部门,开发和利用生物活性肽将会在新世纪的初期年代越来越显得突出。传统的蛋白质代谢模型认为,蛋白质必须水解成游离氨基酸后才能被吸收利用,人或动物对蛋白质的需要即是对必需氨基酸和非必需氨基酸的需要。长期以来,游离氨基酸一直被认为是动物主要的吸收形式。现在这一领域的研究又进入一个新阶段,在近几十年的研究中,动物营养学家们发现,动物对饲料中各种氨基酸的利用程度并不完全受单一限制性氨基酸水平的影响。另外,动物喂以按理想氨基酸模式配制的纯合日粮或低蛋白质氨基酸平衡日粮时,也不能获得最佳的生产状态。因而,一些学者提出了动物对完整蛋白质本身或有关肽具有特殊吸收利用能力的观点。20世纪50、60年代,研究者观察到肠道能完整的吸收转运小肽。此后,证实了肽可以完整转运吸收的观点。从20世纪80年代以来,近20年的研究表明,蛋白质在动物消化道中消化酶作用下的水解终产物大部分是2或3个氨基酸的小肽。如今人们相信,小肽和氨基酸同样被转运进入小肠粘膜的吸收细胞,进一步研究发现肽吸收的特点在一些重要方面与氨基酸的吸收特点有很大不同。小肠粘膜对以肽形式存在的氨基酸的吸收速度比以混合氨基酸形式存在的氨基酸的吸收速度更快,而且,肽的吸收与氨基酸的吸收之问互不竞争,存在彼此独立的吸收机制。 小肽(二肽、三肽)作为蛋白质的主要消化产物,在氨基酸消化、吸收和代谢中,起着重要作用。过去的观点认为,动物机体对蛋白质的吸收只能以游离氨基酸的形式进行。Newey等首先为小肽能被完整地吸收提供了证据;Ham等在小肠粘膜上发现了小肽载体;之后,小肽的l型载体和2型载体分别被克隆。从此小肽能被完整吸收的观点才为人们所接受。 血液循环中肽类的主要来源是以下几种:1)消化道吸收:2)体蛋白分解;3)机体合成,如内啡肽、脑啡肽等生理活性肽类;4)服用具有肽类结构的药物;5)肠外营养方式,如皮下、静脉、肌肉注射含小肽氨基酸溶液。其中由消化道吸收是血液循环获得肽类的最主要方式。 -7 多肽的生物活性极高,其浓度达到10mol,1就可以发挥活性,就是说1ml 12 的多肽用一火车皮的水来溶解都仍然具有活性。如1982年发现的胆囊收缩素,在千万分之一含量的情况下仍然对胆总管有明显的收缩作用。 4(3 生物活性肽的应用前景 由于活性肽制品具有易消化吸收、促进矿物质代谢、抗菌、抗病毒、促生长、催乳和免疫促进功能、抗应激、神经调节、抗癌等多方面的重要作用,不仅本身自成系列产品,而且也可作为原料与药物、其它饲料添加剂配伍,因而生物活性肽类在饲料工业和养殖业中有着广阔的市场。 在动物营养和饲料领域,首先,肽的营养作用不同于游离氨基酸这一观点已被越来越多的学者所接受;其次,以肽的形式或肽的混合物来满足动物氨基酸的需要,可最大限度地发挥动物的生产潜力,提高动物生产力;第三,已有的试验结果表明,以混合肽供给动物可有效地提高蛋白的利用率,节约蛋白质资源;第四,反刍动物存在特殊的肽吸收系统,瘤胃和瘤胃微生物可充分利用肽类,具有重大的应用前景。而且,对现行以小肠蛋白质(包括瘤胃非降解蛋白和微生物蛋白)为基础评价反刍动物饲料蛋白质营养价值体系,可能会是一个冲击。 5(绿色生物饲料——第4代饲料技术 5(1生物饲料概念 生物饲料即发酵饲料是近年来出现的一个新概念,以往有学者把生物饲料定义为利用微生物的新陈代谢和繁殖的菌体来生产的饲料,这实际上是单细胞蛋白饲料的概念,并不能准确反映当今生物饲料的真正含义。结合国内外的实际情况,生物饲料即指利用某些特殊的有益功能微生物与饲料(不含药物)及辅料混合发酵经干燥或制粒等特殊工艺加工而成的含活性益生菌的安全、无污染、无药物残留的优质饲料。它是生物技术化的一种新型饲料,是适应2l世纪人类食品生产需要的第4代饲料技术。 在整个饲料工业的过去和未来发展过程中,有4种替代技术即粉料、颗粒料、膨化料、发酵饲料(或生物饲料)4个阶段。关于粉料和颗粒料不言自明,膨化饲料将饲料加热、加湿、加温、糊化而成膨化饲料,可以提高饲料的适口性和利用率;而生物饲料就是经微生物发酵后的饲料,即综合利用以上各个阶段的最先进技术,加工成在色、香、味和消化利用率等方面全面改进的饲料。 从目前来看,中国大部分养殖场或饲料场停滞在粉料阶段,仅部分企业生产 13 或使用颗粒料。膨化料至今未能普及。瑞士、美国、英国等国家正在推广使用发酵的流体饲料喂猪。 5(2生物饲料的研究应用现状 国内生物饲料的种类,根据营养特点,生物饲料可分为。 5(2(1全价生物饲料 就是将全营养的无药配合饲料加入微生物菌剂、水和增菌剂混合后在适当的温度下经厌氧或需氧发酵而成的改性饲料。从本质上讲,是将有益活菌制剂如益生康等,与全价配合饲料按一定的比例混合发酵而生产的新型高效饲料。研究表明,运用现代生物工程、代谢控制发酵技术、动物营养平衡理论等一系列高技术手段生产出富含消化酶、乳酸菌素、生理活性物质和生物活性多肽的绿色生物饲料,能全面满足动物的营养需要,还能增加多种消化酶、有机酸、功能微生物和多肽、氨基酸的含量,功能菌含量可达10亿个/g以上。具有明显的促生长、防治疾病等多种生物学效应,特别能免除添加抗生素、酶制剂、激素等,对肠道疾病的控制率达98,左右,并能节约生产成本。 5(2(2非全价生物饲料 5(2(2(1生物浓缩料 就是将不含药物的浓缩饲料与微生物和水等辅料配合发酵而成的改性饲料。中国农业大学的一系列试验和应用表明,利用益生康及配套技术生产的生物饲料可明显促进猪生长、特别能促进微循环和后臀部发育,提高抗病力,在替代抗生素,控制药物残留方面具有独特的功效。目前,生物浓缩料已在北京、江西已投入批量生产,应用效果十分明显。 该生物饲料与普通饲料有很大不同: 1)由有益微生物产生的蛋白酶、脂肪酶和纤维素酶,可以帮助动物消化吸收,显著提高饲料的利用率,节约开支。加快猪鸡的生长速度,提高蛋鸡的产蛋率,延长产蛋高峰期; 2)适口性好,经发酵后饲料有种特别的芳香味,这是由微生物产生的多种不饱和脂肪酸或芳香酸,可明显刺激猪等动物的食欲; 3)多种有益菌在胃肠道中防止有害菌的繁殖和生长,防止拉稀和腹泻; 4)不含任何抗生素、药物和有害物质,可用于生产绿色畜禽产品; 14 5)用生物饲料饲养的动物畜产品(肉、蛋、奶),味道鲜美,胆固醇含量低,是保健型畜产品; 6)使用生物饲料喂养动物,可使畜禽圈舍的氨气、硫化氢以及粪臭素的含量明显降低,起到净化畜舍环境的目的; 7)生物饲料可以刺激动物的免疫功能,增强动物对多种疫病的抗病力,大幅度降低发病率和死亡率。 5(2(2(2秸秆发酵饲料 主要包括秸秆、荚壳、干草、树叶及其它农副产品,其粗纤维含量高、体积大、难消化、可利用养分少,经有益微生物的发酵提高其营养价值和消化吸收率。 5(2(2(3利用农副加工废弃物开发的生物饲料 即利用酒糟、豆渣、糖渣等以及水产加工废弃物等与其它原料配合,经微生物发酵加工而成的饲料。 总之,固体发酵的生物饲料,包括全价生物饲料、生物浓缩料、杂粕混合发酵形成的新蛋白源、秸秆发酵饲料都正在中国悄然兴起,各有特色。与国外不同的是,国内普通使用微生物发酵剂,而国外则普通采用饲料中天然存在的乳酸菌类;另外,国外采用液体发酵饲料,而国内采用固体发酵饲料。从未来的发展来看,生物浓缩料可能会成为市场的主流。 6、生物饲料存在的问题 我国工业饲料每年高达一亿四千吨,基本上是配合性饲料,生物发酵蛋白 饲料在整个饲料工业中所占的比例极微,主要是少量的微生物制剂和青贮饲料作为辅助饲料喂养。 生物发酵蛋白饲料市场占有率不高,主要有以下几个方面的问题: ?原料价格过高,现有配制性饲料加工成本与销售价格利润空间己十分小,如加入发酵、干燥等生产环节,厂家设备投资,生产成本增加过多,因而无法投入生产。 ?企业技术水平较低,利用农副产品下脚料发酵生物蛋白饲料虽然原料成本低,但生产技术要求较高,大多数饲料生产厂家没有技术能力来保证产品质量,和生产成本能与配合饲料竞争。 ?喂养方式,除了猪和禽类养殖,我国牛、羊等食草性动物主要以散养为主, 15 而生物发酵饲料大多是适合于食草性动物的农副产品下脚料中高纤维素原料,虽然成本低廉,但提高蛋白含量,降低粗纤维却是技术上难以克服的难题,而散养方式牲畜虽然生长缓慢,但饲料需求量少,因而极大的限制了生物发酵饲料的需求量。 随着我国农业产业结构的调整和畜牧业的发展,国外采用的先进的集约化养殖方式己被愈来愈多的人认识和接受,近年来我国集约化养殖已逐步形成一定规模对工业饲料的需求量不断增加,尤其是生物发酵饲料其天然、安全、营养丰富、饲料转化率高,能够促进牲畜的生长、缩短养殖周期和提高抗病免疫力,显著改善畜产品质量,且由于原料成本低、产品价格低廉。因此,优质微生物发酵蛋白饲料必然会成为饲料工业中主导产品,有着巨大的市场需求和市场占有率。 7、苹果渣发酵蛋白饲料 7.1 苹果渣的营养特点 苹果渣是苹果榨汁后的废弃物,通常鲜果渣含水量高,约为65,,85,,蛋白质含量低,粗纤维含量高,除果籽壳和果梗为木质素外,大多为纤维素和半纤维素,代谢能接近于青贮玉米(2(478 MJ,kg)。干渣粉无氮浸出物含量高(约60,),其中含糖,粗脂肪;代谢能(牛)接近于玉米(10(668 MJ,kg)和麸皮(9(534 MJ,kg);蛋白质含量高于甘薯,其中赖氨酸、蛋氨酸和精氨酸分别为O(41、0(16和1(21,,是玉米的1(7、1(2和2(75倍;富含维生素(维生素B,维生素lB)维生素B含量是玉米粉的3(5倍;微量元素中铁含量是玉米粉的4(9倍。 22 但果渣中含有果胶和单宁,果胶属多糖类物质,具有粘性,与营养物质结合,阻碍其消化作用;单宁属多酚类物质,其分解产物有刺激性和苦涩味,且鲜果渣酸度大,pH值为3,4,这些都降低了果渣的适口性。未经发酵处理的苹果渣饲喂动物易造成动物酸中毒、流产等后果。因而多年来苹果渣都被废弃,造成了环境污染。 以鲜果渣为基质,利用有益微生物菌群混合发酵技术,调节微生物所需营养、温度、湿度、pH值和其他条件,通过有氧或无氧发酵,可消除或减少其中的抗营养因子,提高酸性和中性洗涤纤维的消化率,提高蛋白质、氨基酸、肽、维生素、酶类、核苷酸、挥发性有机酸及未知生长因子等生物活性物质,生产出的苹果渣发酵物具有显著微生态制剂的优良性能。 16 上海九川公司国内独家采用微生物发酵果渣生产蛋白饲料工艺的专利技术发酵苹果渣,生产的奶牛专用果胶素生物饲料,是目前国内唯一大规模利用农副产品废弃物生产的高效绿色生物饲料。该项技术主要由选育的八种以上、高活性专用有益菌种,先进的混合发酵工艺及营养复配技术构成,依托高等院校及中国农科院饲料研究所专家的技术支持。根据大量奶牛饲喂试验结果及国家权威 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 机构分析表明,通过该专利技术发酵的果渣中的果胶、高糖、单宁和果酸等对牲畜有害的物质被微生物分解利用,发酵物中可利用菌体蛋白的含量大大提高,果渣中大分子物质转化为动物易吸收的可溶性小分子物质,产品可溶性营养物质达60,以上,大量有益微生物菌体生长产生的各类生物酶、生理活性因子、代谢产物,能够大幅度提高牲畜饲料的转化率,促进奶牛对营养物质吸收利用,提高产乳率并改善奶牛的健康状况,使奶牛发病率下降。 2001年产品问世以来,九川公司不断选育高蛋白优良菌株,提升发酵工艺技术水平和产品质量的同时,先后在上海光明乳业、天津畜牧总局、济南佳宝、完达山乳业、南京卫港、北京三元和武汉扬子江等国内知名乳业企业进行了数十次奶牛喂养试验,结果表明果渣发酵物替代部分精料喂养奶牛平均增奶可达2kg,最高可达4kg以上(上海健康奶牛场),牛奶乳脂率、蛋白和体细胞数均明显优于对照组,表明该产品对奶牛的营养吸收和健康状况具有明显的改善,是一种优良的奶牛新型绿色生物饲料。 8、青贮饲料 青贮饲料,又称乳酸发酵饲料。青贮,是调制和贮藏青饲料的有效方法,是发展畜牧业生产切实可行的有力 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ,也是农业部重点推广的十项实用技术之一。青贮适用于大中小型农牧场、养殖场和一般农户。 8.1 青贮的原理 一般青贮主要是利用青贮原料上附着的乳酸菌等微生物的活动,通过发酵原料中的糖类等碳水化合物,变成乳酸等有机酸,增加青贮料的酸度,从而抑制了有害细菌的生长,加之厌氧环境抑制了霉菌的活动,使青贮料得到长期保存。由于在青贮过程中微生物发酵产生有用的代谢产物,使青贮饲料带有芳香、酸、甜的味道,能提高畜禽的适口性。 青贮的发酵过程,大体可以分为3个阶段:?预备发酵期。当青贮饲料填装、 17 压紧并密封在青贮窖和塔内之后,附着在原料上的微生物即开始生长。预备发酵期的时间长短,随原料的化学成分和填窖的紧密度而有不同。含蛋白质多而糖分少的豆科作物和豆科牧草,比富含糖和淀粉的玉米秸、高梁秸和根茎类饲料为长。填装疏松的比紧密的长。预备发酵期通常在青贮后2d左右结束。?酸化成熟期。此期起主要作用的是乳酸杆菌。由于乳酸杆菌的大量繁殖,乳酸进一步积累,pH值不断下降,使饲料进一步酸化成熟,其他一些剩余下的细菌就全部抑制了。无芽胞的细菌逐渐死亡,有芽胞的细菌则以芽孢的形式休眠下来,青贮料进入完全保存期。?完全保存期。当乳酸菌产生的乳酸积累到一定程度时,乳酸菌本身也受到抑制,并开始逐渐死亡。当乳酸积累到青贮料湿重的1(5,,2(0,,pH值约为4(0,4(2时,青贮料在厌氧和酸性的环境中成熟,并长时间保存下来。 制作青贮料的关键,就是创造有利于乳酸菌大量繁殖的条件:?青贮原料需有一定的含糖量。?原料的含水量适度,一般65,,75,。?温度适宜,一般在19,37?为宜。?缺氧,将原料切短压实,密闭,以排出空气。 国外畜牧业比较发达的国家,青贮饲料已经在广泛的使用。英国1972年青贮饲料的产量为325万吨,1975年增加到1500万吨;前苏联1970年青贮饲料的产量为420万吨,1976年增加到6216万吨,1990年达到2亿5千吨;我国目前主要在大型养殖场实施青贮。 青贮的主要作用是保证青贮原料的长时间贮存,并改善原料的适口性,但并不能改变原料的构成和显著提高原料的营养成分,青贮料表层不易压实,有空气存在,霉变率较高,由于受各地原料收割和气候等因素影响,青贮料干物质含量有较大差异,目前光明的青贮主要存在干物质量低、霉变率较高。前者是因为青贮过程中植物细胞壁不能被破坏,水分不易渗出;后者主要是青贮料表层空气不能被迅速消耗,由于各类杂菌生长,一到两天内温度可达60,70?,而原有的乳酸菌生长温度是30,35?,因此乳酸菌大部分不能存活,不能迅速产生足够的乳酸,抑制霉菌生长,造成霉变。 我们通过多年研究选育出耐高温、高活性青贮专用有益微生物制剂,有益菌的生长可有效地迅速消耗青贮料中的氧气,青贮乳酸菌产乳酸温度范围可达到30,70?,使青贮料中迅速产生大量乳酸,抑制青贮料中含有的霉菌生长,达到防止霉变的效果;并由细胞生长所产生的各类酶分解植物细胞壁中的纤维素、半 18 纤维素、果胶和木质素等动物难以消化利用的大分子物质,破坏细胞壁的完整性,不但提高物料的消化利用率,可使细胞内的水分外渗,较大幅度的提高物料的干物质含量。光明金山牧场2005年9月600t青贮试验料经光明技术中心检测,干物质达30.3,,粗蛋白达10.9,,酸性纤维降低到36,,表明该制剂在青贮玉米中的使用取得良好的效果。 9、微生物饲料发展前景 现代世界面临着三大问题:食物、环境和能源。可以说,这三大问题的解决都与微生物有关。就拿饲料来说,随着畜牧业生产的发展,家畜必需的蛋白质饲料越来越缺乏。1980年全世界的畜牧业所需蛋白质为4(3亿t,而到1990年这个数字超过5.24亿t,到2000年这个数字已超过9亿t。因此,许多国家都已建立起单细胞蛋白的新产业。所谓单细胞蛋白,就是培养酵母、细菌、真菌和藻类所增长的蛋白质。其原料就是利用再生资源和石油矿产资源,通过微生物的培养,把非蛋白质的资源转化为蛋白质资源。据估测,我国每年鸡粪中潜在蛋白质相当于43亿kg大豆的蛋白质含量。其次,农副产品的废弃物及农业秸秆未能有效利用,所产生的浪费是极其巨大的。 采用生物技术开发和利用农副产品废弃物生产微生物蛋白饲料,无疑是中国2l世纪饲料工业发展方向。它必将带来巨大的经济效益和社会、生态环境效益。据估测,我国有纤维素资源每年约50亿t,其中农作物秸秆(麦秸、稻草、玉米秸等)、就达5亿t左右。若将秸秆进行生物技术处理,则可大大提高秸秆的利用价值及动物消化吸收率。如果我们每年将3/5(即3亿t)农作物秸秆经生物技术处理作饲料,就等于增加了8100万t小麦,相当于我国目前每年所用的80,饲料粮。据估测,我国目前各种农副产品废渣、废水每年总量约2245万t以上,如加以利用能生产微生物蛋白10万t以上,是变废为宝,绿化环境的重要途径。 综上所述,我国发展微生物饲料生产的潜力是非常巨大的。我们应当利用一切可能利用的资源,尽量研究和采用更有效的新菌种、新工艺、新设备,因地制宜地大力推广应用微生物饲料,促进畜牧业和水产养殖的发展,为提高人民的生活水平积极努力。我们相信,随着生物技术在饲料生产加工方面的研究开发,我国微生物饲料工业将出现令人鼓舞的崭新局面。 19
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分类:农业
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