作者：李德发
作者简介：李德发，男，1953年12月出生，中国工程院院士，中国农业大学动物科学与技术学院教授，博士生导师。1989年获美国堪萨斯州立大学动物营养与饲料加工学博士学位，现任国家饲料工程技术研究中心主任，中国农业大学动物科技学院院长，农业部饲料工业中心主任，中国畜牧兽医学会动物营养学分会名誉会长，动物营养与代谢国家重点实验室副主任。主要从事动物营养与饲料科学的研究、技术集成与转移、工程支持和人才培养，是我国该学科学术带头人之一。主持国家攻关课题4项、国家自然科学基金项目5项，国家和农业部专项工程建设项目4项。1992年获国家技术监督局科技进步二等奖；1996年获国家“八五”攻关先进个人奖；1996年获农业部科技进步三等奖；1999年获北京市科技进步三等奖；2000获亚澳动物科学协会杰出研究奖；2000年获中国优秀博士后奖；2000获宝钢教育理事会优秀教师奖；2000获中国高校科学技术二等奖；2001获国家“九五”攻关先进个人奖；2001获中国高校科学技术一等奖；2003年获国家科技进步二等奖；2003获北京市科技进步二等奖。发表论文400余篇，其中80余篇被SCI收录。申请专利6项，主编论著10余本。
生物饲料是以微生物发酵技术为核心生产的动物饲料或饲料原料，其主要特征是含有大量的乳酸菌或酵母菌等有益于动物健康的微生物。自2006年1月起，欧盟已全面禁止在动物饲料中添加抗生素。随后，日本和韩国等亚洲国家也相继制定了畜禽无抗生素饲养规范。2008年北京奥运会前后，我国在生物饲料和畜禽无抗生素养殖方面也得到了社会各界前所未有的重视。微生物发酵技术为饲料工业提供了氨基酸(赖氨酸、苏氨酸和异亮氨酸等)、维生素(主要是B族)、酶制剂、有机酸(乳酸、乙酸)和活菌制剂等大量产品。传统的饲料加工手段(粉碎、混合、膨化、制粒等)基本没有涉及生物化学变化，微生物发酵是高度集中的生物化学反应，可以对饲料原料进行深度加工。很多饲料营养学家断言，不利用微生物的代谢作用，饲料加工很难有新的突破；发展生物饲料产业，动物的健康养殖很难推广实施。
1 替代抗生素的主要制剂
1.1 活菌制剂
益生菌又称微生物活菌制剂或微生态制剂，是由许多有益微生物及其代谢产物构成的可以直接饲喂动物的活菌制剂。它们可以在动物胃肠道内抑制和排除有害微生物，代谢产生大量的有机酸，降低胃肠道内的pH值，或者产生过氧化氢和少量抗菌物质如乳酸链球菌肽、嗜酸素等，从而保证了胃肠道的正常菌群结构。当动物不断从饲料中获得益生菌，可以保证消化道有益微生物的绝对优势，维持动物肠道内环境的稳定，保证动物的健康生长。
1.2 功能性寡糖
功能性寡糖是由2-10个单糖脱水缩合而成的含有直链或支链的具有生物活性的低度聚合糖类。功能性寡糖不被单胃动物自身分泌的消化酶作用，当进入肠道后段可作为营养物质被动物肠道内的有益菌消化利用，从而使有益菌得到选择性增加，抑制了有害菌的生长，提高了动物的抗病能力。合适的功能性寡糖结构受体可与病原菌的外源凝集素结合，进而使病原菌不致于吸附到肠壁上，可携带病原菌通过肠道排出体外，防止其在肠道内繁殖。有些功能性寡糖还可以充当免疫刺激的辅助因子，提高动物免疫力，从而可以全部或部分代替抗生素类饲料添加剂。
植物提取物也称为中草药制剂，比较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：大蒜素对葡萄球菌、脑膜炎、肺炎双球菌、链球菌、白喉、痢疾、伤寒、副伤寒、大肠杆菌、结核杆菌、霍乱弧菌等都有明显的抑制或杀灭作用。它通过激活单核细胞的分泌功能，使溶菌酶大量释放，溶菌酶能水解细菌细胞壁中的黏多肽，从而使其裂解和死亡，起到抗感染作用。
茶多酚：又名茶单宁、茶躁质，是茶叶中多酚类化合物的总称。主要含黄烷醇类、羟基-4-黄烷醇类及佯盐、黄酮醇类及黄酮类、酚酸类和缩酚类等4类化合物，其中黄烷醇中的儿茶素是其最主要的成分，含量约占茶多酚的70％左右。茶多酚具有增强机体抵抗力、抑菌、抗病。茶多酚对动物的抗病毒作用，表现为茶多酚可通过调节免疫球蛋白等途径抑制病毒，保护动物细胞免受感染和提高感染动物的存活率。另外，茶多酚还可以作为免疫增强剂，促进抗体的产生。
阿魏酸：化学名称为4一羟基一3一甲氧基肉桂酸，是桂皮酸的衍生物之一。阿魏酸有广谱的抑菌消炎作用，能抑制宋内氏志贺氏菌、肺炎杆菌、肠杆菌、大肠杆菌、柠檬酸杆菌、绿脓杆菌等致病性细菌繁殖。阿魏酸对胃肠道没有刺激作用，在体内的存在形式和代谢产物都是水溶性的，能被机体吸收并可从尿中排出。不会在体内累积，也不会在畜产品中残留，几乎没有任何毒性。
牛至油：是从唇形科多年生草本植物牛至中提取的含有多种有效成分的挥发油类。牛至油可以破坏病原微生物细胞的内外物质交换平衡，导致病原微生物细胞膜通透性发生变化，破坏病原微生物细胞正常的代谢机能：进入病原微生物细胞，改变胞内细胞器的膜性结构，使重要细胞器的生理功能丧失；改变线粒体膜的通透性，阻止氧化呼吸进程，破坏能量代谢；进入核糖、内质网和高尔基体阻碍蛋白质及毒素等的合成和分泌，抑制病原微生物的生长。
1.4 特定的化合物
某些特定的化合物可以作为抗生素的替代产品，而不仅不会在动物体内长期残留，对生态环境也没有不可降解的压力。有关这类产品的研究报告很多，但是真正形成商品的还很少。目前市场上比较典型产品主要有二甲酸钾、糖萜素和乳铁蛋白等。二甲酸钾是一种新型饲料添加剂，是欧盟批准的第一种用于替代抗生素促生长剂的非抗生素饲料添加剂产品，对仔猪的促生长和防治下痢有显著效果。它可以降低沙门菌在生长育肥猪中的流行，还可以向小肠输送甲酸，在小肠内抑制革兰氏阴性菌(如大肠杆菌、沙门菌)的生长。乳铁蛋白，简称LF，是一种铁结合性糖蛋白，具有广谱抗菌作用。LF既抑制需铁的革兰氏阴性菌(如沙门菌、大肠杆菌和志贺氏菌等)，也抑制革兰氏阳性菌(如单细胞增生性李斯特菌、葡萄球菌等)，但是动物肠道有益菌如粪链球菌、双歧杆菌和乳酸菌等对LF具强抗性。另外，乳铁蛋白还具有抗病毒作用，天然的LF能够抑制人体免疫缺陷病毒和巨细胞病毒对M 细胞合成纤维细胞的病变作用，此外，还能抑制流感病毒的活性。但是由于乳铁蛋白太昂贵，在实际生产中目前还很少使用。糖萜素是以糖和三萜皂苷为主体研制而成的产品，也是我国自行研究开发获农业部批准的第一个饲料添加剂创新产品，并获得国家绿色发展中心认证的全国AA级纯天然绿色饲料添加剂。糖萜素所含的生物活性物质(包括糖类(30％)、三萜皂苷(30％)和有机酸)具有调节网状内皮系统，增强巨噬细胞、淋巴细胞、白细胞介素的活性。提高抗体水平、调节cAMP与cGMP含量和补体的生成等作用。其表现为增强机体非特异性免疫反应，提高畜禽的健康状况，同时协同增强特异性免疫效果，加强细胞免疫和体液免疫，提高疾病疫苗接种效果，延长免疫持续时间，提高治疗效果，缩短治疗和康复时间，提高畜禽生产性能。
1.5 抗菌肽
抗菌肽是一类小分子肽，也称为细菌素。这类物质主要通过对微生物细胞膜的降解作用，使细胞膜产生泄漏，胞内原生质流失，导致微生物细胞死亡。这类物质有很强的专一性，种类很多，而且半衰期比较短，不会对生态环境造成压力，是一种很理想的抗生素替代品。抗菌肽的主要特点：① 高效的抗菌活性，抗菌谱一般包括大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、单细胞增生性李斯特菌和沙门菌等有害菌；② 可以被动物消化道内的蛋白酶(胃蛋白酶和胰蛋白酶)降解，不存在残留问题；⑧ 特异的杀菌方式(破坏靶细胞的膜结构)，不会诱发抗药性； 较强的热稳定性和耐酸性；⑤ 对人和动物无害，也不会产生副作用。上述产品的添加量一般都在0．1％数量级，虽然对畜禽健康有一定的效果，但是在我国常规饲养条件下达到无抗要求还是很困难的。如果添加量达到1．0％或5．0％，效果会如何?经济上有可行性吗?什么样的产品最有可能实现无抗?如果不考虑饲养成本，加大添加比例，植物提取物、活菌制剂(包括微生物发酵复合物)，都有可能实现无抗生素饲养。从经济性考虑，活菌制剂比植物提取物更有优势，也更有潜力。今后研究的重点应该考虑如何降低这类添加剂生产成本，使它们能够更大程度地使用而基本不增加养殖成本。
2 生物饲料
发酵饲料的实质可以看作为活菌制剂和发酵底物的复合物，是以植物性农副产品为主要原料(底物)，通过微生物的代谢作用，降解部分多糖、蛋白质和脂肪等大分子物质，生成有机酸、可溶性多肽等小分子物质，形成营养丰富、适口性好、活菌含量高的生物饲料或饲料原料。
2.1 微生物发酵饲料的基本原则
合作原则：在自然界中，微生物的纯种培养几乎是不存在的。如同人类社会一样，微生物之间也存在着相互依赖、相互协作关系，它们之间有着很高的合作效率。从理论上讲，它们的合作效率要高于人类社会。
健康第一原则：动物消化道的微生物组成(或者称为微生态区系)是生物长期进化的结果，是与环境相对应的平衡体系。这种体系是确保动物在对应的生存环境下具有尽可能高的健康水平，其次才考虑它们的生长繁殖能力。
平衡原则：动物处于自由健康状态时，它的微生物区系是一种近乎完美的平衡，我们人类是不可能创造优于这种平衡(包括激素、能量和蛋白等代谢系统的协调)的区系。但是当区系处于失衡或者动物处于亚健康状态时，我们可以通过某些措施帮助它们恢复失去的平衡。
2.2 饲用微生物制剂的功效
体现饲用微生物制剂的效果需要结合多方面的因素。如果动物健康状况很好，制剂加与不加基本没有差异。如果添加量很小，效果很有限，很难体现出差异。微生物的种类与使用的动物没有对应关系，也不会有效果。动物健康的问题都有其特殊性，即使都属于消化道疾病，也不可能有一种通杀的药。健康动物消化道的微生物组成处于比较理想的平衡状态。消化道健康有问题，微生物组成肯定有变化。消除这种差异可以使消化道微生物的组成快速恢复健康平衡，从而使动物快速恢复健康。
2.3 恢复微生态平衡的方法
有病的消化道中，一定有某一种或者几种微生物的数量很少，同时可能有一种或者几种微生物的数量特别多。我们可以采用添加所缺乏的微生物以补充其不足，这类微生物就是我们所说的有益菌。也可以用药物杀灭的办法减少多余的微生物，这类微生物就是通常所说的有害菌。微生物的组成比例有相应的弹性，只要不超过这个弹性，表现出来的症状都是健康的。一般来说，弹性越大，对环境的适应能力也越强。
2.4 高活性生物饲料的主要特征
具有天然的发酵香味，较好的适口性，良好的诱食诱食效果。含有大量的有益菌。有害菌(以大肠杆菌、沙门菌和金黄色葡萄球菌为典型代表)数量极低，不超过10cfu／g。成品的pH值较低，在4．5左右，含有较多的有机酸(以乳酸和乙酸为主)。
3 生产工艺
3.1 纯培养的一般工艺
目前流行的微生物活菌制剂基本都是采用纯培养生产，其典型的工艺如下：原料一消毒一冷却一接种一培养一千燥一包装。原料需要消毒，成品需要干燥，在发酵过程中需要严格控制空气的流通和发酵热的释放，操作控制很繁琐。考虑技术理论时很认真仔细，但是往往不重视技术的经济性，很少考虑技术的可操作性。一个经济上不可行的技术在实际生产中时很难推广。
3.2 传统的厌氧发酵
呼吸消耗很小，一般不超过1．0％，代谢产物主要是有机酸和二氧化碳，有利于保存物料的营养。发酵过程散热量较小，操作容易控制。设备投资少，生产成本低，容易推广。发酵装置更简单，搬运更方便。气压控制不受环境和方位限制。保存时间更长，原料更广泛，温度梯度变化小。
传统的厌氧发酵饲料生产方式很多，比较常见的是养殖户用酵母菌和乳酸菌接种饲料，装入密封的包装袋，袋口用绳扎紧，饲料的含水量在30％~40％。在夏季，发酵3-5d就有明显的酸香味。在冬季，需要适当延长发酵时间。饲养员主要根据排出的酸香味来判定发酵的成熟度。
传统厌氧发酵的优点：如果环境温度适宜，时间控制得当，采用袋装式“土办法”发酵，也可以获得质量很好的微生物发酵饲料，活性乳酸菌的含量能达到108cfu／g以上。这种工艺虽然简便，但是受限制的因素太多，质量很难把握，基本没有标准，完全靠经验，产品基本不能流通。传统厌氧发酵存在的问题：如果环境温度长期低于12℃，发酵很可能失败。酵母在低温下长期代谢低迷，耗氧速度很慢，物料中的氧气能长时间与乳酸菌接触，导致乳酸菌活力大减，繁殖很慢，甚至死亡。不能很好地确定什么时候产气结束，什么时候发酵结束，同时又要求发酵成熟以后需要尽早使用，不然就有霉变的可能。
3.3 理想的发酵工艺
为了使这种袋装发酵技术进入程序化、工业化应用，生物饲料的质量能得到有效保证，我们必须完成以下几个前提条件：发酵过程基本不受环境温度限制；产品质量不受存放时间限制，或者保质期能达到3个月以上；产品在储存和运输过程中不受外界空气干扰。
理想的发酵工艺是原料接种以后，直接进入包装袋中，热合封口。包装袋上附加一个可以调节气压的硅胶膜。在发酵过程中产生二氧化碳，气压达到设定压力，呼吸阀开放。低于设定压力，呼吸阀自动关闭。发酵物料的含水量保持在34％~36％比较经济。在北京，夏天发酵4d、春天发酵18d、冬天发酵30d，物料基本成熟。时间越长，效果越好。物料中蛋白含量增加，微生物的生长代谢速度会下降。糖类含量增加，微生物的生长速度会增加。只要包装袋保持完整、不破损，一年四季都能生产。
为了进一步简化操作，降低生产成本。该技术还采用了一种能使接种的微生物快速生长繁殖的激活剂。在这种制剂的协助下，即使在接种量仅为0．01％的条件下(原料不需要经过消毒)也能使有益微生物在24h内(20℃以上的环境)处于绝对的数量优势，从而有效地抑制了杂菌的污染。该技术有如下几个显著优势：发酵原料不需要消毒，发酵质量不受外界气温影响，物料产生温度梯度差异不超过3℃；设备投资少，操作简便，产品质量稳定，特别适合在我国农村推广应用；发酵原料的含水量在.. 30％~50％，蛋白含量在4．5％~42．0％，操作弹性极大，可以大比例使用廉价的玉米浆、豆渣和果渣等高水分含量的农业和轻工副产物，与传统的发酵技术相比具有很大的成本优势。
4 相关问题
在发酵豆粕过程需要关注发酵菌种种类、营养物质降解情况，充分了解微生物作用机理，利用小肽分析技术、抗原蛋白分析技术、有毒有害物的分析技术、抗原性分析技术等。一般来说，脂肪饲料中的短链脂肪酸含量高于长链脂肪酸，不饱和脂肪酸高于饱和脂肪酸，长短链脂肪酸混合高于单一脂酸。提高脂肪饲料消化率可以通过以下途径：采用乳化剂提高水溶性，利用酶切技术使脂肪链变短，加载体促进流通性，大力应用加热和包被技术。
