豆粕发酵产业现状、存在问题及发展对策

PAGEPAGE1豆粕发酵产业现状、存在问题及发展对策【摘要】：本文综述了发酵豆粕的生产现状及其生产工艺，分析了影响发酵豆粕品质的发酵菌种、水分、温度、批量大小、发酵设备等因素及传统发酵豆粕生产过程中存在的不足，如蛋白质含量低、抗营养因子去除不彻底、适口性差及成本高等问题，并对发酵豆粕的市场前景做了进一步展望。【关键词】：豆粕固体发酵饲料抗营养因子1.1豆粕及发酵豆粕简介 1.1.1豆粕简介豆粕是大豆经提取豆油后得到的副产品。研究表明，其营养成分主要有蛋白质40%～44%，脂肪1%～2%、碳水化合物10%～15%，赖氨酸2.5%～3.5%，色氨酸0.6%～0.7%，蛋氨酸0.5%～0.7%，胱氨酸0.5%～0.8%，以及多种矿物质、维生素和必需氨基酸，营养成分比较齐全且均衡，还含有异黄酮、磷脂等生物活性物质[l]。1.1.2我国饼粕资源开发利用现状因为饼粕在生产应用中的诸多优势，使得其在代替鱼粉制造发酵蛋白饲料方面的应用开始受到了越来越多的关注，虽然饼粕的发酵生产发展迅猛，但毕竟还处于发展的初期，还存在许多问题[2]，主要包括：①粗纤维含量高达14%以上，蛋白质含量20%-40%不等，有效能值不到豆粕的70%，由于残留皮壳，饼粕颜色发黑，严重影响其商品价值；②饼粕的蛋白质（氨基酸）消化利用率低，只有30%-60%，均明显低于鱼粉及豆粕等优质蛋白质饲料资源；③低质饼粕中有毒有害物质含量高。不仅严重影响畜禽生产性能，还会损害动物器官，影响动物的生长发育，甚至导致动物死亡。 1.1.3发酵豆粕简介(1)发酵豆粕发酵豆粕又名生物肽，生物豆粕，生物活性小肽，大豆肽[3]。是指利用有益微生物发酵低质豆粕，去除多种抗营养因子，同时产生微生物蛋白质，丰富并平衡豆粕中的蛋白质营养水平，最终改善豆粕的营养品质，提高饲料效率。发酵豆粕含益生菌、酶、水溶性维生素、肽、氨基酸、大豆异黄酮等功能成分。这对动物的生长十分有利。另外在发酵过程中产生的酸味物质，对于幼龄动物，具有明显的诱食效果。并且，由于部分碳水化合物被降解，豆粕致密结构变得疏松，适口性显著提高。(2)发酵豆粕的特点豆粕经过发酵产生了一减一增的双重功效[4]：一减，是将豆粕中的抗营养因子降解为动物可利用的营养素；一增，是较普通豆粕增加了活菌、肽、氨基酸、活性酶、乳酸、维生素、大豆异黄酮等活性因子。相比于普通豆粕，发酵豆粕具有以下优点。①能有效去除豆粕中的抗营养因子，其对动物的生理效应[5]见表1-1。通过微生物发酵技术,可将豆粕中目前已知的多种抗原进行降解，有效去除豆粕中的抗营养因子。微生物发酵法降解豆粕中抗营养因子主要通过微生物及其产生的代谢产物对抗营养因子的降解来实现，部分对热敏感的抗营养因子，通过加热途径即可将其去除。表1-1大豆中抗营养因子及其对动物的生理效应抗营养因子名称生理效应胰蛋白酶抑制因子降低胰（糜）蛋白酶活性，生长迟缓，胰腺增生、肿大大豆凝集素肠壁损伤，免疫反应，增加内源氮排出量，增加内源蛋白分泌抗原蛋白免疫反应，影响肠壁完整性单宁通过形成蛋白质－碳水化合物复合物，影响蛋白质和碳水化合物的消化皂甙溶血，影响肠道渗透性植酸磷与蛋白质和微量元素形成复合物，抑制微量元素的吸收大豆寡糖涨气、腹泻，影响养分消化异黄酮抑制生长，子宫增大抗维生素因子干扰动物对维生素的利用，引起维生素缺乏症6300万吨。全球畜牧业已经过10年的快速发展，其蛋白饲料的缺口更大。1.2发酵豆粕生产工艺研究现状在实际生产过程中,对产品品质影响比较大的有3个方面[10]：一个是所采用的发酵菌种;其次是发酵工艺,如浅层发酵、深层发酵、批次式发酵或连续式发酵;其三是发酵容器(发酵容器与发酵工艺相适应)。1.2.1发酵菌种适于豆粕发酵的理想微生物应具备下列特性[11]：①能较好地分解和利用豆粕，能够以豆粕为底物进行较好的生长、繁殖；②繁殖速度快，菌体蛋白含量高；③无毒性和致病性：④菌种性能稳定。发酵菌种主要有液体和固体两种。一般来说，大多数纯培养的发酵菌种是液体发酵菌种，菌种的生产是从保存斜面，菌种活化、三角瓶、小型种子罐到大型种子罐，然后用于生产性接种。液体发酵菌种比较适用于批量式生产。固体发酵菌种主要是曲种，按传统固体制曲技术制作。固体剂型的发酵剂适用于连续发酵生产线使用。常见的固体发酵菌种有细菌类和真菌类，细菌类主要有芽孢杆菌、乳酸菌；真菌类主要有酵母菌和霉菌（根霉、毛霉、木霉、曲霉）[12]。这些微生物在发酵过程中产生蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶、脂肪酶等活性较高的酶，能够有效降解豆粕中的大分子蛋白质，消除抗营养因子。此外不同的菌种还具有独特的优良性质，如芽孢杆菌菌种具有不易致死的芽孢，饲喂时能以活菌的状态进入动物的消化系统，进而抑制肠道中有害菌的生长繁殖；酵母菌菌体蛋白质含量高，氨基酸构成合理，富含B族维生素，可以同化尿素、硫酸铵等非蛋白氮源，并能产生促进细胞分裂的生物活性物质，有强化营养和抗病促生长的效果；乳酸菌在发酵过程中具有产酸作用，能降低产品pH值，产生酸甜芳香的气味，改善产品的风味和适口性。实际生产中，结合各种微生物不同的特性进行合理的选择和组合非常之关键。另外有研究表明，采用多菌种协同发酵，是考虑到芽孢杆菌、霉菌、酵母菌和乳酸菌等具有各自独特的发酵性质，如芽孢杆菌因为芽孢的存在使得耐受性极强，可以保证大量繁殖；酵母菌菌体本身蛋白质含量高，氨基酸组成合理，而且极易利用非蛋白氮合成优质的酵母菌体蛋白，提高蛋白品质；乳酸菌在发酵过程中由于其产酸作用，能降低物料pH值，抑制杂菌滋生，同时改善物料风味和适口性[13]。实际生产中，如何对各菌种进行组合，进行优势互补，对于进行一个高品质的发酵极为重要。1.2.2发酵工艺目前我国豆粕生物降解的生产工艺五花八门，从简单的手工批次操作到复杂的自动化连续流水线生产，应有尽有。归纳起来主要有酶解法和微生物发酵法[14]。酶解法可用特定酶定位产生特定肽或氨基酸，酶解过程和产物易控制，生产条件温和、产品安全性高；但由于酶解后产物需要脱苦；而且单一酶种降解产物单一，复合酶降解又增加成本，因此，人们越来越多地开始转向微生物发酵降解豆粕。应用于微生物发酵豆粕的技术方法目前主要有固态发酵技术和液态发酵技术两种。液体发酵使养分和微生物处于水溶状态，充分的水分活度使微生物充分活化，又是在物料消毒灭菌后密闭发酵，保证了产品的优良品质和稳定性。但鉴于液体发酵设备造价高，发酵过程中的废液排放造成环境污染，发酵后处理成本高，因此，基于环保和经济方面的综合考虑，对于低质的豆粕发酵，目前多采用的是固体发酵。固态发酵投资少，能耗低，技术较简单，且生产过程对无菌操作要求较低，产生的污染较少，是饲料生产业中较为适用的工艺。固体发酵多数采用开放式发酵。按照生产模式，可分为浅层发酵和深层发酵[15]。①浅层发酵的物料厚度一般在5cm以下，采取水泥地面平铺式发酵，适合好氧发酵。物料厚度薄，利于氧气扩散，需氧菌可以得以大量繁殖。另外，由于是浅层发酵，也利于菌种产生热量的扩散，使发酵始终保持在一个适合菌种生长的温度。但由于浅层发酵占地面积大，不利于高效率的发酵生产。②深层发酵的物料一般在30cm以上，多数在100cm左右，甚至有高达200cm以上的，采取水泥池自然堆放式发酵，这种物料堆放模式适合混合菌种发酵，前期好氧菌活动频繁、中后期兼性厌氧发酵。1.2.3发酵设备发酵豆粕加工装备作为生产的载体，其技术水平的高低对发酵豆粕的品质起到关键性作用，但是与豆粕发酵工艺的研究重视程度相比，在相关生产设备方面研究的投入很少，因此在缺少科研支撑的情况下，我国目前发酵豆粕饲料加工设备低水平重复，开发能力不足，标准水平低，在实际生产中大都采用通用加工设备，技术相对落后，生产环境恶劣，劳动强度大，对物料的适应性差，产品质量不稳定，生产规模小，自动化程度低，不能完全适应生物饲料加工的需要，与国外的专用发酵豆粕生产技术相比有很大的差距，这些已成为发酵豆粕饲料生产和发展的制约因素。近几年来随着国内饲料企业实力的不断增强，为了提高产品品质和生产效益，厂家对原有设备进行了结构改进创新，并出现了一些新技术装备，这对发酵豆粕在我国的推广与普及提高豆粕资源的利用率具有重要的意义。1.2.4各条件对豆粕质量的影响(1)发酵菌种对发酵豆粕品质的影响固体发酵过程中许多参数是在变动的，如水分、温度、营养素、pH值、氧气等都在发生变化，一种微生物是很难适应全部条件的[16]。当一种适应的微生物繁殖后，其活动结果改变了自身的生存环境，为其它微生物提供了最佳的生长条件，导致其它微生物的生长。不同微生物对物料的各种理化因子要求不同，而发酵过程中又难以维持某一个理化条件，因此，决定了豆粕发酵是由多种微生物共同协同或按顺序进行的。例如，当低温好氧微生物繁殖起来后，导致温度的上升和氧气的减少，使嗜温兼性厌氧微生物有机会大量繁殖，兼性厌氧微生物往往产酸，发酵物料的pH值下降，又引起嗜酸性微生物生长。所以，发酵豆粕产品质量的稳定性，单菌不如多菌，纯培养(多菌种的纯培养物之间的相容性不一定协调)不如曲种(曲种中的微生物是天然组合的，相互之间互补性强)。液体发酵菌种[l7]往往是一次性制作的，当发酵菌种培养到微生物适用于接种时(对数生长期)，开始接种，如果发酵批量大(如一个批量为20t)，则开始接种到接种完毕至少需要5h，造成菌种的种龄不一致，影响发酵效果。但固体发酵菌种由于其中的微生物处于休眠状态只有接种后才活化，因此，接种时间对发酵菌种的种龄没有影响[18]。(2)发酵批量大小对发酵豆粕品质的影响大多数豆粕发酵的研究工作都是在实验室内小批量(一般50～500g、最多不超过5000g)进行[19]。由于批量小，接种其体积自然也小，发酵剂种龄一致,但保温性能差、水分扩散快、氧气扩散大，与实际大规模生产有很大的区别，因此，实验室做出来的数据往往无法在实际生产中使用。在实际生产中，发酵物料与发酵剂、培养基、水的混合一般用常规饲料混合装置来完成[20]。由于是湿料搅拌，物料的粘滞系数很大，一般2t的搅拌器只能搅拌1t干物质。如果发酵批量大于1t，必须由2个搅拌批次来完成。如果发酵批量为20t，至少必须由20个搅拌批次来完成。一般1个搅拌批次为15rain，20个搅拌批次需要5h。第一个批次的物料已经开始发酵而最后一个批次刚搅拌完，造成一个发酵批次中的物料发酵时间不一致。其次，在中间翻料过程中，批量过大，无法完全混合，也是物料发酵程度不均匀的一个问题。而对于发酵批量为1t左右的发酵物，一个接种批次等于一个发酵批次，前后两次搅拌不参合、不交叉，因而能够保证产品接种时间的一致性。其次，一个发酵批次为1t的发酵批量，翻料时可以用搅拌机进行，因而可以对发酵物料进行翻动并完全混合，保证了物料的一致性。生产过程中发酵物达到发酵目标终点后停止发酵的唯一办法是对物料进行干燥[21]。干燥设备一般是连续生产的，国内目前大多数发酵豆粕都采用中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所生产的内置搅拌式流化床烘干机，一般干燥能力为1t/h，并联两套设备为2t/h。如果一个批次的发酵批量过大，同一个批次的物料干燥时问过长，就完全有可能造成同一批次的发酵物发酵时间不一样，引起品质差异。例如，一个发酵批次的批量为20t，在发酵终点到达之后从开始干燥起到全部干燥完毕需要10h(2t/h)0h(1t/h)，因而造成同一个发酵批次的发酵豆粕的发酵时间不一致，影响产品质量。因此，以少量，多批次，连续进行的发酵方式，即以每20min搅拌1个批次，每20min干燥1个批次，所有物料从接种到烘干的周期完全相同，保证了产品品质的一致性。(3)发酵设备对发酵豆粕品质的影响①发酵设备质地对发酵豆粕质量稳定性的影响。发酵豆粕的研究大多数是在实验室内采用玻璃瓶小批量(如50～500g)进行，由于批量太小，不能形成积温，发酵温度靠恒温箱提供，基本上属于恒温发酵。由于发酵过程的容器、物料和环境温度一致，不会产生水蒸气冷凝现象，对发酵物的水分均匀度没有影响。在实际生产过程中，物料的体积很大，发酵物的体系温度呈一定的梯度，即物料中心的温度高(可达55～60℃)，而四周接近发酵容器或表面的温度比较低，接近环境温度。热量的扩散靠水分传导，当发酵容器的质地为非吸水性材料时，水蒸气在容器表面冷凝为液态水，并吸附于四周的发酵物料中，造成与发酵容器接触的局部发酵物料水分含量远高于其它物料，引起局部发酵异常，进而影响发酵豆粕品质均匀性，有些甚至腐败霉烂，影响质量。另外，发酵容器是否与地面直接接触也影响发酵豆粕的质量及其稳定性。大多数水泥地面、地池的发酵容器直接建在地面上，一年四季的温度差异很大而无法控制。而箱式发酵的容器为木箱，一方面，木质材料为吸水性材料，容器的表面不产生冷凝水，不会造成发酵物料局部水分异常；另外，木箱与地面间隔为15—20cm，容器的温度可通过发酵房的温度来控制。一般在生产过程中，由于发酵自身产热，发酵房的温度相对比较高，容器的温度也相应比较高。因此，容器质地为非吸水性的水泥或金属不如吸水性的木质材料。②发酵设备类型对产品品质的影响。我国的发酵豆粕广泛采用固态发酵工艺生产，大多生产企业采用传统的堆砌式发酵方法或用水泥池或木箱作为发酵工具，从物料搬运混合接种布料松散和温度检测等均采用人工作业，工人的劳动强度极大，而且效率很低，发酵程度主要靠人为经验判断，但是人为的频繁进出会破坏发酵环境，极易使物料受到外界杂菌感染，严重影响发酵饲料的品质。表1-3几种常用固体发酵反应器[22]生物反应器类型优点缺点木盒式系统简单操作方便温度湿度不易控制，不易工程放大加盖盘式所需空间少卸料困难，不易工程放大垂直培养盘式适合实验室小试固态发酵系统传热困难，不易工程放大倾斜接种盒式易于装卸料，能防止湿物料堆积成团温度不易控制，不易工程放大浅盘式设计和操作简单温度湿度难以控制，装料量较少传动带式能够连续作业，节约空间湿度难以控制，成本高(4)发酵体系水分含量对发酵豆粕质量稳定性的影响在开放体系下，如果不添加人工发酵剂，只给豆粕加水，可以肯定地说，添加不同水分后，豆粕中长出来的微生物是不同的。微生物繁殖与水分活度之间的关系[23]见表1-4。如果所使用的发酵剂微生物类型与原料配制的水分不协调，必然造成反客为主的现象，即发酵物中大量繁殖起来的，不是发酵剂中的目标微生物，而是豆粕原料中自身的微生物，由于豆粕中自身的微生物含量在原料批次中差异很大，必然影响产品质量的稳定。值得一提的是，发酵豆粕生产过程中，水分的含量对后续的烘干工序影响很大，一是高水分使得发酵豆粕的粘性增加，在烘干机内部难以分散，容易结块而影响干燥的均匀度；其次是水分含量越高，烘干成本也越高。因此，为了降低烘干成本，生产厂家往往尽量降低发酵物料的水分，从而造成所接种的微生物不能很好地生长，而自然微生物则大量繁殖，由于每个批次的原料中微生物组成不同，导致产品质量发生较大的变化。由此可见，对于产品质量来说，霉菌发酵剂比细菌、酵母发酵剂稳定；曲种(以曲霉为主)发酵剂比纯培养发酵剂稳定。表1-4水分活度与微生物的生长水分活度最低水分所能抑制的微生物1.0～0.95假单胞菌、大肠杆菌、变形杆菌、志贺氏菌属、芽孢杆菌、克雷伯氏菌属、产气梭状芽孢杆菌、某些酵母0.95～0.91沙门氏杆菌属、溶副血弧菌、肉毒梭状芽孢杆菌、沙雷氏杆菌、足球菌、部分霉菌和酵母0.91～0.87假丝酵母、拟球酵母、汉逊酵母、小球菌0.87～0.80大多数霉菌(产毒素的青霉)、大多数酵母、金黄色葡萄球菌0.80～0.75大多数嗜盐细菌、产毒素的曲霉0.75～0.65嗜旱霉菌、二孢酵母0.65～0.60耐渗酵母和少数霉菌(刺孢曲霉、二孢红曲霉)<0.05微生物不能繁殖(5)发酵温度和时间对发酵豆粕品质的影响发酵温度和时间对豆粕的发酵品质的影响存在交互作用[24]。在不同温度和时间作用下发酵豆粕的pH、粗蛋白含量、酸结合力和氨基酸组成的情况都会发生变化。1.3发酵豆粕生产蛋白饲料的优点1.3.1开发新型蛋白原料，找到高质蛋白原料替代品将发酵法应用于畜牧业，主要是利用微生物的降解作用对蛋白原料进行改性，将低质的蛋白原料转化为高质的蛋白原料。对于豆粕而言，一方面，豆粕中的蛋白质被降解为小肽和氨基酸类易被动物吸收利用的物质；另一方面，豆粕中的植酸、寡糖、大豆球蛋白等抗营养因子被部分或完全消除，饲用价值提高。而对于杂粕类的蛋白饲料，应用微生物处理，除了提高蛋白的目的，重在降低其抗营养因子的拮抗作用，提高其在配方中的应用比例，菜粕经过发酵后，其含有的硫代葡萄糖甙、异硫氰酸酯、噁唑烷硫酮、植酸等含量大大降低；发酵前棉粕中的游离棉酚含量为852mg/kg，发酵后为135mg/kg。发酵效果良好的棉粕和菜粕可以添加到畜禽日粮中用以代替部分豆粕而不会影响生产性能。1.3.2发酵流程简单、成本低、便于应用推广与传统的液体发酵对比，固体发酵存在以下优点：①微生物发酵，在实际生产中只需定期对菌种进行复壮活化，与酶解中的用酶成本相比，菌种成本在整个生产费用中所占比例基本可以忽略不计；②多菌种协同发酵，发挥各自优势，抑制杂菌滋生；③开放式曲种发酵，对无菌程度的要求较低，可节省高昂的设备投资；④固体发酵，水分含量低，后处理成本降低；⑤传统的酶解豆粕制备方法，第一步先用蛋白酶将豆粕进行降解，第二步则是采用风味酶或者活性炭或者层析法对酶解产物进行脱苦；该微生物发酵法则是将大豆蛋白的水解与大豆肽的脱苦两步合二为一，节省了酶的种类和用量，也节省了成本和时间。1.3.3发酵产品绿色环保应用微生物发酵，就发酵产品而言，不仅提高了蛋白饲料的价值，而且包含有多种活性营养因子，起到了多效合一的作用[25]。发酵蛋白饲料中多包含有多种有益微生物、酸、肽、酶、微生物，以及多种细菌代谢产物，将传统营养中单独添加的多种添加剂的多重功效同时表达，一方面对于动物生产性能的提高具有积极作用；另一方面主要在于提高动物机体的免疫机能。就生产工艺而言，整个固体发酵过程无废液产生，发酵产品全部回收，安全无污染，复合绿色环保的要求。1.4发展豆粕生产蛋白饲料工艺存在的问题发酵豆粕的研究和应用还存在以下问题[26]：①发酵豆粕的工业化生产需要具备较高的技术水准．严格的工艺规范，优良的菌种，以及完善的工艺设备和配套设施，以保证产品的质量和稳定性；②发酵豆粕是以植物蛋白为原料的产品，其氨基酸组成和含量与优质进口鱼粉仍有一定的差距，其代替鱼粉的比例还不能过高，在以后的研究中，应从改善工艺、调整饲料配方等方面提高产品品质、降低饲料成本；③发酵豆粕产品在动物生产上的应用研究还应进一步拓展和深入，将其应用到更多诸如兔、羊、牛以及更多的特种经济动物中；④针对养殖生产者对其认识还不够深刻和不足，从多个方面加强对发酵豆粕的宣传和普及；⑤尽快形成权威的或行业内公认的饲料用发酵豆粕标准。以统一和规范其质量指标和分级标准。另外，发酵豆粕的生产几乎都是不经过“熟化”处理的“生料发酵”[27]，没有消毒灭菌。因此，在发酵过程中，物料自身携带的微生物、环境中的微生物都会在一定程度上起作用。自然微生物的贡献越大，发酵系统的可控性、稳定性也就越小，固体发酵不能随时搅拌，发本地体系内部温度、pH值、水分、氧气压都分布不均匀，无法随时调控；另外，大多数固体发酵都采用批次发酵而不是连续发酵，因而批次之间存在着种种差异，导致产品的稳定性难以控制。1.5发酵豆粕生蛋白饲料展望蛋白质饲料资源严重不足一直是困扰我国畜牧业健康平稳发展的瓶颈问题，业内人士都在积极寻求各种解决途径，在此情况下，以发酵豆粕为代表的一系列发酵蛋白饲料应运而生。发酵豆粕产业化始于欧洲，从20世纪90年代开始，经台湾省传入大陆。近几年，发酵豆粕的工业化生产也已在国内出现。发酵豆粕，以及下游进行分离纯化生产的生物活性肽领域己作为国际上新兴的生物高科技产业领域，是具有极大市场潜力的朝阳产业，对于缓解我国蛋白饲料的紧缺具有重要的意义，随着发酵豆粕逐渐被更多的养殖生产者所认识和接受，其市场前景非常看好。参考文献[l]姚琨，李兆勇.发酵豆粕生产工艺的最新研究进展.《饲料工业》.2011年第32卷第23期.[2]李建.发酵豆粕研究进展[J].粮食与饲料工业,2009(6):31-35.[3]张吉鹍.大豆肽蛋白饲料的营养特性及其作用机制[J].江西畜牧兽医杂志,2009(6):25-27.[4]姚琨，李富伟，李兆勇.发酵豆粕概述.蛋白饲料研究.[5]高爱琴,贾仙.豆粕饲料发酵工艺的研究[J].安徽农业科学,S7(10)：4510-4512,4521.2009.[6]蔡国林,杨旭,曹钰.微生物发酵对豆粕营养价值的影响[J].中国油脂,2008,33(10):21-24.[7]周伏忠,谢宝恩,贾蕴丽,等.几株益生菌发酵豆粕及其产物分析[J].饲料工业,2007,28(06):35-37.[8]杨旭，蔡国林，曹钰，等.固态发酵提高豆粕蛋白含量的条件优化研究[J].中国酿造,2008(5):17-20.[9]刘海燕，邱玉朗，魏炳栋，闫晓刚，于维，陈群．微生物发酵豆粕研究进展.动物营养学报．2012,24(1):35-40．[10]汤红武,薛智秀,钱红,等．酵母固体发酵对物料营养组分及生物活性的影响[J].浙江农业科学,2003(5):274-276.[11]陈萱.豆粕发酵工艺改进与发酵豆粕功能拓展的研究[D].武汉:华中农业大学,2005.[12]高翔，虞宗敢，周荣,康立新.我国发酵豆粕加工装备发展现状.中国农业科技导报，2011,1