生物飼料在水產養殖中的應用
導 語
隨著國民經濟水平高速發展、城鄉居民生活水平日益提升，加上對水產品認知不斷提升，人們對食用水產品的安全和品質等方面有了更加嚴格的要求。近年來魚粉等精飼料因資源緊缺而價格上漲，意味著僅僅靠傳統的飼料配方和制作工藝已無法適應當前的水產飼料工業，必須尋求可替代魚粉等精飼料的廉價而又穩定的蛋白質源，緩解蛋白質原料的供應不足。為了解決此類問題，科研工作者們不斷研究與探索，逐漸把關注點轉移到生物飼料上。生物飼料與傳統飼料相比有其自身獨特的優越性，符合當前健康環保型漁業發展的要求，加上微生物發酵工藝正日趨成熟，生物飼料必將引發飼料行業的一場新變革。
一、生物飼料
生物飼料是以飼料和飼料添加劑為對象，以基因工程、蛋白質工程、發酵工程等現代生物技術為手段，利用微生物發酵開發的新型飼料和飼料添加劑的總稱。主要包括飼料酶制劑、抗菌蛋白質、天然植物提取物等。在水產生物飼料方面講，生物飼料是在雜糧、雜粕和農副產品下腳料中人工接種一種或多種有益菌，通過有益菌的發酵作用，降解其中的蛋白質、脂肪、抗營養因子生成可溶性多肽、有機酸、酶等小分子物質，使之適口性好、營養豐富、更能被魚蝦消化吸收。
1．生物飼料的組成
采用生物發酵的方法生產的飼料含有多種營養因子，使用的發酵原料來源十分廣泛。實際生產中使用的生物發酵原料包括發酵豆粕，發酵棉籽粕，發酵菜籽粕，發酵麩皮，青貯飼料，單細胞細菌蛋白質和酵母蛋白質。當前我國使用很多下腳料和廢棄物等作為生物發酵飼料的原料，它們都是一些十分常見的種類，包括秸稈加工飼料、餅粕(如油茶籽餅、蓖麻餅、玉米胚芽粕、花生粕、椰子粕、葵花籽粕、棗粕等)、動物下腳料、潲水發酵飼料、渣(木薯渣、甘薯渣、菊苣渣、菊芋渣、馬鈴薯渣、魔芋渣、果渣、豆渣)、酒糟(白酒糟、黃酒糟、啤酒糟)、菌糠類(米糠、統糠、高粱糠、麩皮、玉米皮)等。
2．生物飼料發酵可用微生物
我國有豐富的微生物資源，發酵工業中使用的微生物主要有細菌、酵母和霉菌。目前，市場上用于飼料發酵的益生菌種類主要是乳酸菌、芽孢桿菌、酵母菌和霉菌。
(1)乳酸菌：乳酸菌是應用最早、最廣泛的益生菌，是一類能在可利用的碳水化合物發酵過程中產生大量乳酸的細菌的總稱。它通常是厭氧或兼性厭氧菌，耐酸，在pH低于4．5時仍可生長。目前，廣泛應用于發酵飼料的乳酸菌主要有乳酸桿菌和雙歧桿菌培養物等幾大類。乳酸菌在發酵豆粕、棉粕、秸稈過程中會產生大量乳酸，降低pH，有效抑制病原菌繁殖，改善飼料品質，加速魚、蝦生長。同時，在乳酸菌體內和代謝產物中存在的超氧化物歧化酶，可使動物的體液免疫和細胞免疫能力提高。利用益生乳酸菌發酵而成的飼料對促進魚、蝦的健康生長具有重要的實踐意義；生物飼料在發酵過程中會產生多種氨基酸和維生素，并含有多種礦物質，所以乳酸菌發酵飼料技術屬于一種生態健康型飼料生產技術。
(2)芽孢桿菌：芽孢桿菌是一種好氧或兼性厭氧革蘭氏陽性菌，在缺乏營養物質或不利環境下可形成內生孢子，克服了水產動物酶制劑易失活和熱穩定性差的問題，還具有凈化水質等作用。目前在生產中應用的芽孢桿菌有近10種，主要為以下3種：地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌和蠟樣芽孢桿菌。芽孢桿菌在腸道中生長繁殖能消耗大量氧氣，從而使腸道處于厭氧環境，抑制有害微生物的增殖；并且芽孢桿菌能直接產生多種營養物質(維生素、氨基酸、促生長因子等)，如枯草芽孢桿菌就能產生B族維生素及各種消化酶，還可降解植物性飼料中的纖維素、半纖維素和木質素等，所以芽孢桿菌發酵飼料具有提高飼料轉化率、減少魚蝦發病率的效果。芽孢桿菌制成的生物飼料，可耐高溫、耐酸堿和耐擠壓，而且芽孢桿菌在飼料加工、儲藏和投喂過程中活力和性能均穩定不減。許國煥等使用分別加有枯草芽孢桿菌和凝結芽孢桿菌的餌料飼喂奧尼羅非魚，經過一段時間飼喂后發現奧尼羅非魚體重分別提高12．27％和8．56％，飼料系數分別降低10．92％和8．18％，結果表明，加有這兩種益生菌的餌料使奧尼羅非魚具有良好的吸收和消化能力，生長發育速度較快。劉小剛等在異育銀鯽基礎飼料中添加0．2％的芽孢桿菌，結果表明，添加0．2％芽孢桿菌的異育銀鯽腸道、肝胰臟蛋白質酶活性分別比對照組提高466．2％和85．4％。
(3)酵母菌：酵母為單細胞真核生物，一般為兼性厭氧，不可運動，細胞大多呈圓形、橢圓形，個別種類可形成假菌絲。在自然界分布廣泛，大多數生長在含糖量較高的環境中，喜酸性(pH 4．0～5．0)，生長溫度在25～30℃。酵母價格低廉，繁殖迅速，極易獲得，目前有20多種在生產中應用，主要是釀酒酵母、熱帶假絲酵母、產朊假絲酵母等。飼料酵母含有動物生長發育所必需的各種營養物質，包含多種氨基酸、多糖、蛋白質、脂肪、維生素、消化酶、蛋白質酶、纖維素酶等，將其應用于發酵飼料中可以使發酵飼料的營養價值得到提高。酵母菌可以直接和腸道病原體結合，達到中和腸道毒素的作用，此外酵母菌還具有濃烈的酵母香味，可以增強魚蝦食欲，促進消化吸收。楊旭等發現，使用酵母菌發酵可以有效改善豆粕中氨基酸含量，其中蘇氨酸、蛋氨酸和賴氨酸的含量比發酵前分別提高了17．01％、56．41％和16．28％，豆粕中必需氨基酸的實際含量提高了6．58％，從而顯著提高了豆粕的飼料品質和蛋白質含量。
(4)霉菌：霉菌是真菌類的一種，即能長出可見菌絲的一類真菌，以無性或有性孢子進行繁殖，營養方式為異養，多營腐生生活。絕大多數霉菌會使飼料原料產生霉變，生成有毒物質，對水產動物的健康造成了極大危害。但當前研究發現利用霉菌的發酵效應可使廉價的粗蛋白質原料作為發酵底物，催化它合成纖維素酶、半纖維素酶和蛋白質酶，從而生產出高活性的蛋白質飼料或者粗酶制劑。黑曲霉、米曲霉等是目前常用的霉菌，可以將纖維和淀粉很好地分解利用，同時發現存在于霉菌中的真菌多糖可以幫助魚、蝦抵御外界病毒、細菌等有害微生物。劉金海以黑曲霉菌株為發酵菌種，以白酒渣、香菇殘渣為發酵原料，經7天發酵制成“紅酒香菇多糖”營養飼料添加劑。
二、生物飼料發酵工藝
生物飼料的發酵生產工藝有多種形式，例如固體發酵、厭氧發酵、液體表面發酵、液體深層發酵、吸附在固體載體表面的膜狀發酵以及其他形式的固定化細胞發酵等。目前應用最多的還是固態發酵和液體深層發酵。
液體發酵工藝中，發酵液含水量在90％以上，而固體發酵的含水量只有50％～60％。發酵結束后，對于90％的水分的處理難度遠遠高于對50％水分的處理，所以生物發酵飼料常用固體發酵工藝。固態發酵主要是指在沒有或幾乎沒有自由水存在的條件下，在有一定濕度的水不溶性固態基質中，用一種或多種微生物發酵的一個生物反應過程。固態發酵是以氣相為連續相的生物反應過程，發酵過程中受發酵基質特征、通風程度、含水量、溫度、pH等多種因素影響，所以在發酵過程中應根據不同的發酵情況設計不同的工藝流程。吝常華等通過固態發酵方法利用豆粕與解淀粉芽孢桿菌、植物乳桿菌、釀酒酵母成功地生產出發酵飼料，與發酵前相比，發酵產物中小肽、粗蛋白質、粗灰分和粗脂肪含量顯著提高。該法技術簡單、培養基來源廣泛、投入少、產量高、節能環保，但也存在著易染雜菌、通風散熱困難、發酵參數難以控制和不適于工業化批量生產等問題。
液態深層發酵是現代發酵工業生產中常用的一種發酵技術，其主要有分批發酵、連續發酵和補料分批發酵三種類型。與固態發酵一樣，液態深層發酵也受溫度、pH、時間等關鍵因素影響。孫科等在黑曲霉液體深層發酵檸檬酸優化研究中發現，在對發酵效果的影響中：原料處理方式>發酵溫度>初始pH>溶解氧>接種>發酵時間>攪拌轉速，并以此設計出最佳的發酵方式。此法具有發酵周期短、勞動強度低、生產效率高、適合于工業化生產和便于無菌操作等優點，但也存在著操作要求嚴格、生產成本較高等缺點。
三、生物飼料的優點
通過微生物發酵，可以將秸稈、蔗渣及藥渣等農產品廢棄物和各種雜粕轉化為營養豐富的生物飼料，降低污染，變廢為寶。由生物飼料構建的飼料配方體系，能夠集成替代抗生素綜合解決方案，具有提高飼料轉化率、增強飼料適口性、改善腸道微生物菌群、凈化水體、提高水產動物免疫力等優點。
1．飼料利用率提高，降低飼料成本
有益微生物在水產動物體內代謝產生大量的蛋白質酶、脂肪酶、纖維素酶、植酸酶等酶類和B族維生素、氨基酸等營養因子，可以有效促進水產動物消化吸收，顯著提高飼料的利用率。比如微生物產生的酶通過生化反應轉化飼料原料中的植物細胞壁成分，將纖維素、果膠質等難以降解的大分子物質轉變為單糖和寡糖等小分子物質，并伴隨多種有機酸、生物酶以及多種生長因子產生，極大地提高發酵物料的營養水平和消化利用率。此外能量飼料經發酵后轉化成了菌體蛋白質飼料，可減少50％左右的蛋白質飼料的用量，可不用或少用魚粉，從而有效降低成本。周國忠在鯉魚、草魚日糧中飼喂54％的風干人工瘤胃發酵飼料，飼喂80天后，試驗組增重比對照組高19．4％，基礎餌料系數比對照組少耗163％，每千克增重節省0．93％基礎餌料。
2．飼料適口性增強
生物飼料中富含呈味核苷酸、谷氨酸等天然誘食成分，具有獨特的發酵香味，能刺激水產動物的食欲，促進消化液的分泌，提高消化酶的活性，加速飼料營養成分的分解，從而促進營養物質的吸收，使得所養魚、蝦采食量和采食速度全面提高。
3．改善水產動物的胃腸道環境，促進體內微生態平衡
生物飼料中含有乳酸菌、酵母菌、芽孢桿菌、鏈球菌等各種有益菌。這些有益菌在代謝過程中會產生大量有機酸(如乳酸和乙酸)，降低腸道pH，有效抑制各類有害菌的生長繁殖；同時乳酸菌可以產生抗菌物質，包括嗜酸菌素、溶菌酶、過氧化氫等。在水產動物攝食消化過程中，體內含有的有害菌群和有益菌群都在其中生長繁衍，當有益微生物奪取了病原菌在腸道微生態環境中的定植部位和營養物質，有益菌群可以占據絕對優勢，抑制其他病原性微生物的附著和繁殖，提高水產動物的抵抗力，促進腸道微生態環境平衡。比如乳酸和鏈球菌肽等，在魚蝦腸道內能抑制沙門氏菌、志賀氏菌、綠膿桿菌和大腸桿菌的生長。此外有些有益微生物可以產生溶菌酶，也可起到抑制病原菌的生長作用，進而改善魚蝦胃腸道微生態環境。
四、生物飼料在水產養殖中的應用
我國擁有3.2 萬千米海岸線和43 萬千米江河線，水產養殖發展迅速。水產類對飼料的蛋白質要求高，魚粉一直是最主要的蛋白質原料，但隨著魚粉需求量逐年上升，導致其價格不斷上漲且供應不穩定，而研究發現粕類等原料經過微生物發酵后可有效消除或降低飼料原料中抗營養因子，替代魚粉用于魚、蝦等養殖中。此外，當前國家限制了許多藥物飼料添加劑的使用，特別是部分抗生素的限制使用，使整個水產養殖行業發展綠色環保的生物飼料來作為一部分抗生素的替代品變得十分迫切。
生物飼料包含多種飼料產品，但目前在飼料工業中還是以價格低廉、來源豐富，且蛋白質含量高的植物蛋白質飼料形成的生物飼料為主，主要包括豆粕、菜籽粕、棉籽粕、花生粕等。本文主要以發酵豆粕為例，闡述相關發酵豆粕型生物飼料在水產養殖中的應用。已知豆粕蛋白質含量高達44%～49%，成本低，但豆粕中存在許多抗營養因子，如胰蛋白酶抑制劑、血球凝集素、植酸、大豆抗原蛋白等。微生物發酵豆粕會產生多種蛋白酶，這些蛋白酶可以降解豆粕中的蛋白質類抗營養因子，同時發酵過程還可消耗非蛋白質類抗營養因子，從而減輕抗營養因子對動物健康及生長產生的不良影響。劉穩結等將豆粕與混合菌發酵，測定主要營養成分和抗營養因子的含量，結果表明，豆粕發酵后蛋白質含量增加了22.03%；游離氨基酸含量增加了88.18%，抗原蛋白降解率達81.77%，營養價值顯著提高，抗營養成分大幅度降解，無異味，蛋白質含量接近三級魚粉水平。
在豆粕發酵過程中對其質量產生影響的主要發酵工藝參數包括：接種量、發酵溫度、發酵時間、料水比等，不同的發酵模式，影響豆粕發酵效果的主要工藝參數也不同。目前，發酵豆粕的工業生產通常采用固體發酵進行大規模生產，而固體發酵主要的影響工藝參數是發酵時間，其次為發酵溫度和料水比。在實際生產中，通常使用常規的飼料混合裝置將發酵物料與發酵劑、培養基、水混合，發酵混合物的水分含量一般可達到25%，因此材料的黏度系數較大，一般2 噸混合裝置只能攪拌1 噸發酵物料。受發酵容器、發酵方式、發酵菌種等因素影響，在實際生產中需要依據不同的發酵條件設計出最佳的發酵方案所需的各項發酵工藝參數。比如李立文采用枯草芽孢桿菌、酵母菌和乳酸菌混合發酵豆粕，通過比較多組不同的接種量、料水比、發酵時間、發酵溫度等發酵參數形成的發酵方式，發現最佳發酵方案為：接種量枯草芽孢桿菌4%、酵母菌5%、乳酸菌2%，料水比1∶0.9、發酵的起始溫度為30℃，發酵時間為72小時，培養基的初始pH為中性。
生物飼料在水中的溶解速度慢、不容易污染水質，且保質期明顯延長。利用發酵豆粕產生的生物飼料養殖的魚蝦具有生長速度快、抗病力強、日食餌量快且多、養殖周期短、賣相好等優點。目前發酵豆粕為主的生物飼料在水產養殖中的應用十分常見，已有不少研究表明，適量添加發酵豆粕替代飼料中的魚粉可以顯著促進水產動物的生長。比如李曉穎等進行了40 天添加含有抗菌肽成分的發酵豆粕替代魚粉對羅非魚生長性能的影響研究，發現適量添加發酵豆粕組的羅非魚生長發育得到提高，餌料系數得到降低。在此基礎上，宋慶新發現使用不同水平的發酵豆粕代替飼料中的魚粉對各種組織蛋白酶的活性具有顯著影響，隨著替代水平的增加，胃腸道蛋白酶的活性先上升、后下降，實驗證明只有添加適量發酵豆粕才有優良的促消化生長的效果，添加過量只會適得其反。已知與哺乳動物相比，魚類的免疫系統并不是很完善，非特異性免疫防御機制是魚類抵抗病原的第一道屏障。而有關試驗發現，使用添加發酵豆粕的生物飼料可以顯著提高水產動物免疫能力。比如陳萱等報道，在日糧中添加發酵豆粕能夠提高異育銀鯽吞噬百分比和吞噬指數，其中發酵豆粕30%組白細胞吞噬百分比和吞噬指數分別較對照組提高12.5%(P＜0.05)和32.56%(P＜0.05)。宋文新在黑鯛幼魚飼料中發酵豆粕部分替代魚粉的研究中發現用10%的發酵豆粕替代，可以提高黑鯛幼魚超氧化物歧化酶活性，血清溶菌酶活性顯著增加；當替代水平達到30%、40%和50%時，超氧化物歧化酶活性顯著低于對照組，表明發酵豆粕不能代替魚粉過高，只有適量的發酵豆粕才能促進免疫功能。
五、生物飼料在水產養殖中的應用展望
據最新的中國漁業統計年鑒顯示， 截至2017 年，全國水產品總產量達到6445.33 萬噸，全國水產養殖量達到4905.99 萬噸，養殖產量占總產量的76.12%，中國已經是名副其實的水產養殖大國。隨著養殖規模的不斷擴大，魚粉等精飼料資源逐漸面臨枯竭和價格持續上漲等不利條件；加上現代人對綠色安全水產品的要求，中國作為一個水產品生產大國，迫切需要解決相關問題。目前微生物發酵飼料作為一種新型環保飼料，不添加抗生素，抗營養因子低，富含益生菌、乳酸等營養物質，是一類優良的魚粉、骨粉等動物性蛋白質替代物。此外現代化微生物發酵工藝愈發先進，發酵技術在飼料工業生產中正大量投入使用。這都促使了我國許多的飼料企業、研究單位、養殖戶使用和研究各種類型的生物飼料用于飼料配制和養殖，諸如山東寶來利來生物股份有限公司、華中農業大學農業微生物國家重點實驗室、四川新希望集團有限公司、通威股份有限公司等。
雖然我國生物飼料發展迅速，但在實際飼料生產工業中仍然存在著許多不能忽視的問題：①與發達國家的生物飼料工業相比，我國生物飼料起步較晚，還沒有形成統一的生產技術標準，發酵設備在滅菌消毒和操作執行方面亟需專業人員，發酵環境衛生條件也較差；②目前使用的菌種都是市場上流通的大眾菌種，來源廣泛，產品質量難以保證；③發酵成本較高，飼料轉化率較低。這都需要我們在不斷探索和實踐中進行聯合創新和研究，通過優化發酵工藝路線，改進發酵設備，以此提高發酵飼料的質量，為水產養殖業的發展提供更加健康、可持續的發展保障。
從未來飼料工業和養殖業發展來看，優質綠色生物飼料成為市場的主流是一種必然的趨勢。應用現代生物工程技術成果，重視綠色生物飼料產品資源的開發利用，已成為促進水產養殖業發展的重要課題。我國目前生物飼料的年總產值近50 億元，并以年均20%的速度遞增，發展潛力十分巨大，應大力提倡使用優質綠色生物飼料新技術。按照中國飼料業發展規劃，預計到2020 年，我國配合飼料的需求量將達到1.7 億噸，這對于當前在提高水產動物生產性能、提高飼料轉化率、減輕環境污染方面表現優異的生物飼料產品而言，無疑有著廣闊的推廣應用前景和市場?？梢灶A見，未來10 年，通過生物飼料產品的研發、生產和高效應用配套技術，可大幅提高我國水產業的生產水平。
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