豆粕飼料綜合利用的現(xiàn)狀與前景

祝天賜，葉盛群，任清榆，陳劍清，方銀兵，呂正兵

(1.浙江理工大學(xué) 生命科學(xué)與醫(yī)藥學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.寧波中瑞生物科技有限公司，浙江 寧波 315000)

豆粕是一種非常理想的動物飼料原料，它營養(yǎng)物質(zhì)豐富，其中蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)約為45%，碳水化合物約為15%，富含賴氨酸以及多種動物必需的氨基酸[1]，且價格相對其他飼料原料來說比較低廉，在動物飼料方面的應(yīng)用前景良好[2]。但是由于豆粕中含有大豆球蛋白和β-伴豆球蛋白等多種抗營養(yǎng)因子[3]，影響了動物的吸收消化率，甚至?xí)游镉绕涫怯g動物[4]造成一定程度的損傷。因此，解決豆粕中抗營養(yǎng)因子對動物的影響成為了人們需要解決的首要難題。

目前消除豆粕中抗營養(yǎng)因子的主要方法包括物理法、化學(xué)法、微生物發(fā)酵法及添加酶制劑法[5]，其中微生物發(fā)酵法是近年來研究比較多也是最有效的方法，研究人員發(fā)現(xiàn)利用微生物發(fā)酵豆粕有助于提升豆粕風(fēng)味，降解抗營養(yǎng)因子[6]，提高動物對豆粕營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收率[7]。參與發(fā)酵的益生菌，如乳酸菌、酵母菌、芽孢桿菌等，可對動物腸道內(nèi)減少或缺乏的益生菌進行補充，調(diào)節(jié)腸道微生物平衡，增強機體消化吸收，增強免疫力，以提高飼料轉(zhuǎn)化率、畜禽生產(chǎn)性能及防病治病等[8]；同時可以降低畜禽產(chǎn)品的膽固醇含量，減少糞便硫化氫等有毒有害物質(zhì)的產(chǎn)生，符合畜牧業(yè)綠色、安全、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

1 豆粕綜合利用方法概況

1.1 物理處理法

物理處理方法尤其是熱處理技術(shù)對蛋白酶抑制因子、凝集素、脲酶等熱敏性抗營養(yǎng)因子有很好的鈍化效果，也是目前研究最為深入、應(yīng)用最為廣泛的鈍化技術(shù)。主要分為以下幾種：

1.1.1熱處理

熱處理主要分為濕熱法和干熱法兩種方法。濕熱法主要是通過蒸汽加熱或蒸煮加熱等方法處理豆粕；干熱法則包括烘烤、熱風(fēng)噴射等方法[9]。其原理主要是通過高溫使大豆中對熱敏感的抗營養(yǎng)因子失活。除此之外，經(jīng)過加熱處理的生豆粕中所有氨基酸的消化率都會得到提高，其中以賴氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸、胱氨酸這四種氨基酸的消化率提高最為明顯，更加有利于幼齡動物的吸收消化。

1.1.2膨化處理

膨化處理主要原理是當原料受到的壓力瞬間下降時會導(dǎo)致其膨化，從而導(dǎo)致抗營養(yǎng)因子滅活。這種方法既對原料進行了加熱也同時進行了機械破裂，使大豆的抗營養(yǎng)因子失活的同時可使細胞壁破裂，提高養(yǎng)分消化率。隨著今后擠壓加工成本的不斷降低，擠壓加工將會比烘烤等方式更適合工廠化生產(chǎn)[10]。除此之外，還有研究人員發(fā)現(xiàn)膨化處理的大豆粕喂食仔豬可以有效降低仔豬血清中抗大豆球蛋白和β-伴豆球蛋白的IgH效價，而且能減輕仔豬對大豆蛋白的過敏反應(yīng)程度[11]。

1.1.3微波處理

微波處理主要是通過電磁波引發(fā)分子震蕩來導(dǎo)致抗營養(yǎng)分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而使其失活。此外，分子在微波的作用下震動還會產(chǎn)生熱效應(yīng)，這可以解決傳統(tǒng)加熱工具存在的受熱不均勻的問題，生豆粕中的蟲或者菌體在高速化的微波頻率下會發(fā)生破裂，從而也能到達較高的滅菌效果。就目前來看，已經(jīng)有許多公司在開發(fā)新型的微波處理設(shè)備了，相信隨著當前科技的發(fā)展與進步，微波處理這一更安全更方便的技術(shù)一定會得到更加廣泛的應(yīng)用。

1.1.4輻射處理

輻射處理主要是使用紅外線進行處理，也有使用電子束進行輻射處理的。使用紅外線主要是利用了紅外線的熱輻射效應(yīng)，經(jīng)過紅外線的處理之后，生豆粕中的許多抗營養(yǎng)因子會失活，從而能夠更好的被動物吸收利用。電子束輻射則是通過使用不同劑量的電子束來輻照豆粕。電子束輻照能夠影響生豆粕中尿素酶活性，輻照的電子束劑量越高，尿素酶的活性就會變得越低。而且電子束輻照還能影響生豆粕中蛋白質(zhì)、氨基酸含量以及蛋白質(zhì)的溶解度。除此之外，經(jīng)過實驗表明電子束輻照能有效的抑制生豆粕中各種微生物的生長，達到良好的滅菌效果。

物理處理法的主流還是通過加熱來去除不穩(wěn)定性抗營養(yǎng)因子，但是這些方法無法去除熱穩(wěn)定性的抗營養(yǎng)因子，而且如果加熱不足會導(dǎo)致抗營養(yǎng)因子破壞不夠；加熱過度則會讓氨基酸利用率下降。膨化法雖然可以處理熱穩(wěn)定因子，但成本相對較高。

1.2 化學(xué)處理法

化學(xué)處理的原理就是利用化學(xué)物質(zhì)與抗營養(yǎng)因子分子中的化學(xué)鍵結(jié)合，導(dǎo)致抗營養(yǎng)因子的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而失活。能夠用來處理豆粕的化學(xué)物質(zhì)有很多，其中乙醇就是很好的一種處理物質(zhì)，乙醇可以破壞蛋白質(zhì)中的次級鍵，讓蛋白質(zhì)變性失活。Kilshaw等[12]用熱乙醇處理豆粕后，他們在產(chǎn)物中沒有發(fā)現(xiàn)大豆球蛋白和β-伴球蛋白的活性，這就證明熱乙醇能夠使這兩種抗營養(yǎng)因子變性失活。Li等[13]也用熱乙醇進行了類似實驗，處理后的豆粕抗原含量只有原來的三分之一，而且用來喂食動物后檢測到的血清抗體滴度也顯著降低。除乙醇外有研究表明[14]，5%的尿素加 20%水處理豆粕 30 d之后，豆粕中胰蛋白酶抑制劑活性降低了 78.55%；侯水生等[15]用偏重亞硫酸鈉 (Na2S2O5)處理生豆粕，使胰蛋白酶抑制活性下降 了44.5%。

化學(xué)方法的優(yōu)點在于只要找到對應(yīng)的化學(xué)位置，就能對不同的抗營養(yǎng)因子有一定的效果，而且不像物理方法需要大量的設(shè)備，大大節(jié)約了成本。但是，使用這種方法的關(guān)鍵問題在于如何除去化學(xué)殘留，以及處理后對飼料的適口性、品質(zhì)的影響無法估計。所以這種方法依舊不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。

1.3 酶制劑處理法

這種方法顧名思義就是使用一種或者多種的生物酶與豆粕進行反應(yīng)，將豆粕中抗營養(yǎng)因子轉(zhuǎn)化為可以被動物高效吸收利用的物質(zhì)。使用比較廣泛的酶有植酸酶、纖維素酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶、甘露糖酶、果膠酶等[16]。

這種方法效率高且無污染，但是生物酶在高溫、高壓、高剪切力的環(huán)境下蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)容易被破壞，從而導(dǎo)致處理失敗。如果能夠開發(fā)出更穩(wěn)定、耐受性更強的生物酶的話一定會有良好的應(yīng)用前景，但酶制劑使用過量可能會導(dǎo)致動物代謝出現(xiàn)問題。

1.4 生物發(fā)酵處理法

微生物在發(fā)酵的過程中會產(chǎn)生各式各樣的酶，其中就有許多的水解酶、發(fā)酵酶，這些酶可以分解豆粕中的抗營養(yǎng)因子，將它們變成有利于動物消化吸收的小分子物質(zhì)。除此之外，這些微生物在發(fā)酵過程中還可以將豆粕中的植酸等無機鹽轉(zhuǎn)化為細胞中的有機鹽，不僅提高了豆粕的利用率，還可降低飼料中總磷等的含量，減少飼料對養(yǎng)殖環(huán)境的污染。微生物發(fā)酵處理豆粕目前研究較多，對產(chǎn)品的品質(zhì)控制、發(fā)酵工藝參數(shù)控制以及規(guī)?；a(chǎn)方面每個研究人員都有各自的見解，主要分為以下幾個類別。

1.4.1混合菌種發(fā)酵

混合菌種發(fā)酵是最常見的微生物發(fā)酵方法?？晒┻x擇的微生物類別很多，只需要滿足以下這幾個條件都可以用于微生物發(fā)酵豆粕：①能分解利用豆粕，在以豆粕為底物的環(huán)境下能夠生長；②繁殖的速度足夠快，菌體蛋白量較高；③沒有毒性，不會使動物致病。目前來說，使用比較多的是芽孢桿菌、霉菌、酵母、乳酸菌等，這些微生物在發(fā)酵過程中產(chǎn)生蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶、脂肪酶等活性較高的酶，能夠有效降解豆粕中的大分子蛋白質(zhì)，消除抗營養(yǎng)因子。因為不同的菌種都具有自己的特性，研究這些菌種相互搭配和接種比例就變成了一項熱門的研究項目。每種菌按不同的比例混合再搭配不同的發(fā)酵工藝能達到不同的發(fā)酵效果[17]，甚至就連原料的滅菌與否都影響著最終發(fā)酵的品質(zhì)[18]。

戚薇和唐翔宇等人就進行過納豆芽孢桿菌和凝結(jié)芽孢桿菌 TQ33的單菌種發(fā)酵以及兩者混合的固態(tài)發(fā)酵，最后的結(jié)果顯示納豆芽孢桿菌和凝結(jié)芽孢桿菌TQ33的混合發(fā)酵相較于單菌種發(fā)酵能夠更好的利用豆粕中的資源。先接種納豆芽孢桿菌發(fā)酵 12 h后再接種凝結(jié)芽孢桿菌，接種量為 10%， 兩菌比例為 1∶1，發(fā)酵基質(zhì)中豆粕與麩皮質(zhì)量比為 7∶3，初始含水量為 40%，初始 pH值6.5～7.0，37℃發(fā)酵 48 h效果是最好的。經(jīng)檢測，發(fā)酵豆粕中抗營養(yǎng)因子胰蛋白酶抑制劑降解率達到95%，蛋白質(zhì)水解率也達到20%左右[19]。

辛娜等采用納豆芽孢桿菌和米曲霉對豆粕進行混合固態(tài)發(fā)酵，根據(jù)不斷的嘗試各種發(fā)酵工藝與菌種配比之后發(fā)現(xiàn)，1∶1接種納豆芽孢桿菌與米曲霉于滅菌好的原料，然后37℃深層通氣發(fā)酵[20]3 d，且中途每隔一段時間進行翻盤會使得發(fā)酵豆粕中粗蛋白質(zhì)含量更高。[21]

王梅等[22]采用乳酸菌、酵母菌、芽孢菌混合發(fā)酵豆粕， 實驗發(fā)現(xiàn)使用乳酸菌和酵母菌進行混合發(fā)酵這種搭配最為適合大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)。這種搭配不僅可以有效降低發(fā)酵產(chǎn)物的pH值，而且可以促進益生菌群的增殖并顯著提高豆粕中粗蛋白質(zhì)與有機酸含量。

曾亞桐等用枯草芽孢桿菌與產(chǎn)朊假絲酵母對豆粕分別進行單菌種發(fā)酵和混合菌種發(fā)酵，結(jié)果表明混合發(fā)酵相對于單菌種發(fā)酵效果更為優(yōu)越。其中，蛋白酶活性相較于單菌種更高，其發(fā)酵時間為60～72 h，發(fā)酵過程中2次達到蛋白酶活性最高峰，可以大幅度提高降解抗營養(yǎng)因子的速度[23]。

毛銀等[24]在豆粕發(fā)酵的產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)了一株生長迅速、產(chǎn)酸量大的乳酸菌，他們將之命名為JUN-DY-6植物乳桿菌，利用植物乳桿菌在37℃發(fā)酵豆粕48 h之后，檢測發(fā)現(xiàn)豆粕中有機酸含量顯著提高，這極大的改善了豆粕品質(zhì) 。

莫重文等采用米曲霉 (A3.042)和啤酒酵母混合菌株固態(tài)發(fā)酵法生產(chǎn)發(fā)酵豆粕。研究結(jié)果表明，在最適溫度 28 ℃下，接種6%菌種配比為 1∶3(米曲霉∶酵母)的菌種到組成成分100∶6(豆粕∶麩皮)的發(fā)酵料坯中，發(fā)酵時間72 h即可達到最佳發(fā)酵效果。發(fā)酵后豆粕中粗蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)可達 49.10%， 較原料中增加 12.1%[25]。

宋春陽等進行了豆粕的三菌種混合發(fā)酵實驗，在溫度28℃、水分35.3%、厭氧、時間2 d的條件下他們通過正交實驗來驗證乳酸桿菌、酵母菌、枯草芽孢桿菌對于豆粕發(fā)酵的最佳搭配比，結(jié)果表明當3種菌的添加量為乳酸桿菌44×109U/kg、酵母菌80×109U/kg、枯草芽孢桿菌260×109U/kg時，發(fā)酵豆粕的粗蛋白質(zhì)、酸溶性蛋白的含量最高，蛋白酶酶活最高，最適合用于大規(guī)?；a(chǎn)[26]。

1.4.2混合物料發(fā)酵

混合物料發(fā)酵就是加入不同的物料和豆粕共同進行微生物發(fā)酵，從而達到在飼料中添加某種微量元素或物質(zhì)，或者促進豆粕分解的目的。根據(jù)添加物料的不同選用菌種及發(fā)酵條件也不相同，以起到不同的發(fā)酵效果。

邱豐艷等將有機硒轉(zhuǎn)化和豆粕發(fā)酵結(jié)合起來，采用呼吸膜裝置進行移動袋裝固態(tài)發(fā)酵，將已經(jīng)轉(zhuǎn)化的有機硒直接保留于豆粕中，然后用地衣芽孢桿菌、 釀酒酵母、產(chǎn)朊假絲酵母、嗜酸乳桿菌4 種菌株進行發(fā)酵實驗。最后他們選定地衣芽孢桿菌∶釀酒酵母∶產(chǎn)朊假絲酵母∶嗜酸乳桿菌=2∶1∶2∶2 的比例組合為最佳比例，在此條件下各菌株能較好地協(xié)同生長、代謝，而且發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白質(zhì)與多肽含量顯著提高，更重要的是豆粕中有機硒含量也大幅度上升，無機硒轉(zhuǎn)化率達到了50%以上[27]。

葛青等[28]以豆粕、大米蛋白質(zhì)渣為主要原料，以假絲酵母為菌種，通過單因素和正交實驗研究大米蛋白質(zhì)渣添加量、接種量、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間等對發(fā)酵產(chǎn)品粗蛋白質(zhì)含量的影響。結(jié)果表明，大米蛋白質(zhì)渣的最佳添加量為30%，即豆粕與大米蛋白質(zhì)渣的質(zhì)量比為7∶3。最佳發(fā)酵溫度為30℃，接種量10%，發(fā)酵時間48 h。在最佳發(fā)酵條件下可以使發(fā)酵產(chǎn)物最終粗蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)達到59.23%。

2 小結(jié)

從這么多前人研究成果來看，微生物發(fā)酵法無疑是最佳的去除豆粕中抗營養(yǎng)因子的方法。物理去除法的應(yīng)用范圍較為狹小，只能針對于某種類型的抗營養(yǎng)因子，而且無論是通過加熱還是擠壓膨化的方法，涉及到的成本都比較高昂，在技術(shù)以及儀器沒有進一步突破的情況下不適合大規(guī)模生產(chǎn)；化學(xué)去除法的弊端在于去除抗營養(yǎng)因子后除去殘余化學(xué)物質(zhì)的步驟較為繁瑣，需要的花費不菲，而且還很難解決化學(xué)物質(zhì)處理后豆粕飼料品質(zhì)及風(fēng)味下降的問題；酶制劑發(fā)酵法的問題則是無法耐受高溫、高壓、高剪切力的問題，在沒有開發(fā)出更優(yōu)秀的酶制劑之前都無法解決。只有微生物發(fā)酵這一方法，無論是操作和成本都較為符合大規(guī)?；a(chǎn)要求，而且通過不同菌種的搭配可以處理各種抗營養(yǎng)因子，更值得提到的一點是微生物發(fā)酵后的豆粕產(chǎn)物風(fēng)味更好，更有利于動物的消化吸收。

3 展望

豆粕是大豆加工過程中產(chǎn)生的一個重要副產(chǎn)品，它的營養(yǎng)價值很高。每年我國大豆制品行業(yè)都要生產(chǎn)出數(shù)千噸的豆粕，就2019年來說，我國共生產(chǎn)了7 405.2萬t豆粕，消費量為6 914萬t，有將近500萬t豆粕因為處理不及時導(dǎo)致過期變質(zhì)而被丟棄。我國養(yǎng)殖行業(yè)目前發(fā)展十分迅速，規(guī)模也越來越大，對蛋白原料的需求也愈加旺盛[29]。但是我國動物性蛋白原料生產(chǎn)規(guī)模小，長期處于進口狀態(tài)[30]，導(dǎo)致蛋白原料價格不斷上漲。因此，開發(fā)一種價格低廉、營養(yǎng)均衡的植物蛋白源替代動物蛋白原料就變得非常迫切。因此，開發(fā)出能高效利用的豆粕來替代動物蛋白原料供給養(yǎng)殖業(yè)就成為了人們迫切的要求，而微生物發(fā)酵法就非常符合這一要求。豆粕發(fā)酵制品不僅營養(yǎng)更加豐富，有利于動物消化吸收，而且風(fēng)味品質(zhì)相對于原料豆粕更好，在飼料市場上具有良好的前景。

隨著現(xiàn)在基因工程技術(shù)的進一步發(fā)展與進步，越來越來的基因工程菌被開發(fā)出來，能夠參與發(fā)酵的菌種也會越來越多，豆粕發(fā)酵后的產(chǎn)物也會越來越多，會越來越適合成為養(yǎng)殖業(yè)的飼料蛋白來源，豆粕在飼料方面的應(yīng)用將會迎來無比光明的前景。