随着我国规模化养殖业的迅速发展,饲料原料种类和饲料加工类型也在逐步变化。液态发酵饲料因其适用于多种不同类型粮食原料和非粮原料,且发酵后富含活性益生菌、能有效抑制动物肠道病原菌增殖、调节肠道微生态平衡并显著改善动物健康而备受关注[1-3]。在欧洲养殖业中,液态发酵饲料已得到广泛应用,21世纪初的调查数据显示,30%~50%的猪场使用液态发酵饲料,其中,荷兰规模化猪场的应用比例高达60%,法国、西班牙、瑞典等国也相继推广使用[4-5]。我国液态发酵饲料起步较晚,目前在饲料行业中所占的比例尚无明确的统计数据,但其在养殖业中的应用正逐渐受到重视。
液态发酵饲料是指将饲料原料(玉米、豆粕等常规饲料原料或尾菜、果渣等非常规饲料原料)与水和/或液体食品工业副产品(如乳制品和酿酒厂副产品)在混合罐中按一定比例(常见比例1∶1.5~1∶4.0)混合,经过一定时间的自然发酵或者控制发酵后达到稳定状态所形成的饲料[6-7]。
自然发酵是利用饲料天然存在的微生物进行发酵,通常在饲料和液体成分混合后发生。在实际养殖中,许多标榜“新鲜”的液态饲料实际上已经在饲料循环中经历了不同程度的发酵[8]。特别是在短槽自由采食模式下,槽中残余的饲料会持续发酵,并成为下一批液态饲料的接种物[9-10]。然而,自然发酵存在明显缺陷:1)会导致有害细菌和真菌的增殖;2)会造成饲料能量和氨基酸的损失;3)会产生不良微生物代谢物,如生物胺、过量的乙酸和乙醇等[9];4)发酵产物具有不可预测和不可控性[11]。
控制发酵是通过接种特定菌种(如植物乳杆菌或乳酸片球菌)进行定向发酵,可有效规避自然发酵问题。Lau等[12]研究发现,与自然发酵相比,添加同型发酵乳酸菌(植物乳杆菌、戊糖片球菌和乳酸乳球菌)能快速降低pH,减少赖氨酸分解,并提高植酸磷利用率。目前,在液态发酵饲料的实际生产中多以控制发酵为主。
我国作为农业大国,拥有极其丰富的农副产品资源,特别是果渣、尾菜、牧草等高水分原料,难以通过常规加工技术有效处理,而更适合采用液态发酵与液态饲喂进行就近处理和使用。将这些高水分农副产品废弃物转化为液态发酵饲料,不仅有助于缓解饲料行业原料短缺的现状,显著降低养殖成本,还能有效减少农副产品废弃物对环境的污染。研究表明,利用廉价农副产品发酵制备猪用液态发酵饲料,可使饲料成本降低17%[5]。但是,目前液态发酵饲料多以常规饲料作为研究对象,对非常规饲料资源的研究较为匮乏,具体工艺参数还不完善。本文系统综述了影响液态发酵饲料品质的关键因素,以期为该技术的进一步推广与应用提供理论参考。
1 液态发酵对饲料品质的影响
1.1 发酵方式
液态发酵饲料的生产方式主要包括分批发酵和连续发酵(又称为溢回发酵[15]或保留式发酵[16])。分批发酵的优势在于过程易于控制,若发生不良发酵,仅影响单批次饲料。但其缺点是需要较长时间(通常数天)才能获得优质液态发酵饲料,且每次都需要彻底清洗与灭菌,人力物力成本较高,实际生产中应用受限。连续发酵是在发酵罐中保留一定比例的发酵产物,再混合新鲜饲料和水进行发酵。与分批发酵相比,连续发酵产生的发酵饲料可以在几个小时内喂食。然而,连续发酵可能会导致菌种发生变异,并使酵母菌在发酵中占据主导地位,带来负面影响。总体来看,分批与连续发酵各有优劣,选择时需结合生产规模、成本约束、微生物稳定性要求及饲喂要求等多方面因素进行综合权衡。
1.2 发酵底物
液态发酵饲料的底物选择直接影响发酵品质。常用的底物主要包括全价饲料和谷物饲料。以全价饲料作为底物操作简单,但在发酵过程中容易发生氨基酸脱羧反应,造成营养损失。相比之下,仅以谷物饲料部分进行发酵,可有效减少合成氨基酸脱羧损失。Torres-Pitarch等[17]研究表明,将植物乳杆菌和乳酸片球菌接种至发酵罐中对谷物饲料进行液态发酵时,从混合罐到饲料槽过程中的赖氨酸损失低于9%;而在对全价饲料进行液态发酵时,该损失高达12%。该结果与O’Meara等[18]的研究结果一致,进一步证实全价饲料在发酵过程中的赖氨酸损失通常高于谷物饲料。Bunte等[19]的研究亦支持这一观点,其结果表明,经植物乳杆菌、戊糖片球菌和乳酸乳球菌发酵的液态发酵谷物饲料,在发酵前后氨基酸含量保持稳定,说明发酵过程中未发生明显的赖氨酸脱羧和生物胺产生。此外,谷物饲料发酵还具有发酵速度快的优势,主要归功于谷物饲料较全价饲料具有更低的缓冲能力[20]。
值得注意的是,饲料的物理形态同样影响液态发酵饲料的品质。非颗粒化、非加热饲料在发酵过程中游离赖氨酸降解程度较高,而颗粒化加热饲料能显著降低游离赖氨酸的降解率[21]。这种差异可能与饲料加工过程中蛋白质结构变化有关。因此,若选择全价饲料作为底物,建议采用颗粒化加热处理以减轻其氨基酸损失的缺陷;若追求更高的营养成分保留率和发酵速率,则优先选择谷物饲料进行发酵,并可进一步结合物理处理工艺优化其品质。
将非常规饲料制作为液态发酵饲料是降本增效的有力措施,但目前将非常规饲料作为液态发酵底物的研究仍较为有限。非常规饲料原料(如菜籽粕、木薯渣等)通常含有植酸、单宁、胰蛋白酶抑制剂等抗营养因子(ANFs)。在液态发酵过程中,微生物代谢虽可部分降解这些ANFs,但液态环境可能削弱其降解效率,且某些代谢产物可能会抑制乳酸菌等益生菌的生长,从而降低体系的酸化效率[22-23]。高粗纤维含量的非常规饲料原料(如柑橘渣、甘蔗渣)在液态发酵中易形成高黏度悬浊液,导致溶氧传质效率下降和微生物生长受抑制[24]。此外,一些非常规饲料原料(如尾菜、酒糟等)本身携带大量的外源微生物,也会干扰发酵体系的微生物组成[25-27]。Olstorpe等[26]研究发现,使用谷物饲料作为液态发酵底物时,体系主要微生物为戊糖片球菌和异常毕赤酵母(Pichia anomala);使用乳清和谷物饲料作为底物时,则以植物乳杆菌、膜醭毕赤酵母(Pichia membranifaciens)和马克斯克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)为主;而使用湿小麦酒糟和谷物饲料为混合底物时,体系主要微生物为戊糖片球菌和盔状毕赤酵母(Pichia galeiformis)。因此,利用非常规饲料原料作为液态发酵底物时,需充分考虑其营养成分与物理特性,并据此制定差异化的发酵措施。
2 发酵条件对液态发酵饲料品质的影响
2.1 发酵菌种
酵母菌在液态发酵中可抑制霉菌生长,并通过表面吸附机制阻断大肠杆菌与肠道上皮结合,但需注意酵母过度繁殖可能带来不良影响,如产生乙酸、乙醇和戊醇等物质,导致“异味”及饲料适口性下降[38];此外,酵母代谢淀粉生成二氧化碳,导致能量损失并可能引发管道堵塞和饲料发泡。因此,在实际生产中必须严格控制酵母生长,以确保其不与乳酸菌竞争并干扰主体发酵进程。
2.2 酶制剂和有机酸
综上所述,乳酸菌主导酸化防腐,芽孢杆菌强化酶解与消化,酵母可抑制霉菌吸附毒素,酶制剂与有机酸则提供外源催化与微生态调控支持。在实际应用中,应根据饲料组成、发酵目标和动物生理需要,科学配伍添加剂类型与用量,兼顾发酵效率、生产成本、营养成分保留与安全性。后续研究可致力于复合菌剂-酶-有机酸协同体系的构建与优化,以及其在复杂饲粮体系下的动态代谢机制。
2.3 料水比
2.4 发酵时间
确定最佳发酵时间需要综合考虑发酵目的、菌种特性以及原料组成等多种因素。若主要目标为降解植酸、非淀粉多糖等抗营养因子,则应依据其降解动力学曲线设定时间;若以提高适口性和消化率为重点,则需关注乳酸和挥发性脂肪酸等有益代谢产物的动态积累。
菌种特性也关系着发酵时间的选择。不同菌种的生长速率和代谢特性各异,例如乳酸菌生长迅速,可快速产酸降低pH,抑制有害菌,故发酵周期通常较短。而酵母菌对复杂碳水化合物的分解则需要更长时间。此外,不同饲料原料因其营养成分和物理结构差异,其最适发酵时间亦需通过试验验证。杨骏[49]研究表明,对于果蔬液态发酵饲料,酵母菌或枯草芽孢杆菌发酵的适宜发酵时长为60 h,该时段前是提升其蛋白质含量、增加生物量及降解粗纤维的关键阶段;而接种植物乳杆菌时,适宜发酵时间则需延长至72 h,因其在24~72 h对蛋白质和乳酸的合成效率最高。
综上所述,发酵时间的选择需结合具体生产目标、菌剂类型和原料特性进行系统优化。未来研究可进一步聚焦于建立基于动力学模型的发酵时间预测方法,或开发实时监测发酵进程的技术手段,为实现精准控制和提升液态发酵饲料品质提供有力支持。
2.5 发酵温度
综上所述,液态发酵饲料的推荐温度范围为20~37 ℃。可优先考虑30 ℃左右作为平衡效率、安全与成本的起始优化点;对特定功能菌种或工艺需求,则可适当提高温度。
3 液态发酵饲料的发酵设备
发酵设备是液态发酵饲料生产的核心基础设施,其结构设计与性能直接影响发酵过程的稳定性和最终饲料品质。发酵设备的物料混合效率、温控精度、气密性和材料耐腐蚀性等因素,共同决定了微生物生长环境的一致性和卫生安全水平。优良的发酵设备不仅能有效防止杂菌污染,维持发酵环境稳定,还有助于提升饲料的营养价值和安全性。然而,在实际生产中也需统筹考虑设备成本、操作复杂性和维护需求等因素,以实现经济效益与发酵品质的平衡。
搅拌频率和通风条件是调控液态发酵微环境的关键操作参数。适宜的搅拌频率可促进物料混合及微生物均匀分布,加强底物与菌体接触,从而提高发酵效率。通风条件则直接关系溶氧供应,尤其影响好氧微生物如酵母菌的代谢活动。因此,根据发酵菌株的特性和发酵目标,优化搅拌频率和通风条件对于提高液态发酵饲料品质具有重要意义。
从国内外技术发展现状来看,国外设备通常具有更高的自动化和智能化水平,常配备数字化监控系统,例如用于生物过程控制的多目标强化学习算法,可以优化复杂连续控制过程[54]。发酵设备在搅拌-通风协同控制方面亦存在一定差异。国外液态发酵设备制造商(如德国Sartorius、Cetotec等企业)的设备产品能够实现搅拌转速和通气量的高精度动态耦合控制,对溶氧(DO)等关键参数实施精准闭环调节,为好氧微生物(如酵母菌)提供稳定可靠的生长环境。此外,国外设备在材料工艺(如高抛光不锈钢焊接、特殊合金应用)和卫生设计[配备完善的原位清洗(CIP)/原位灭菌(SIP)系统]方面工艺成熟,能够有效保障设备长期运行的无菌性及抗污染能力。
我国发酵设备制造技术近年来进展显著,尤其在饲料、食品酿造等主流应用领域已具备强劲竞争力。在发酵工艺的自动化管理方面,如江苏麦克生物科技有限公司、南京润泽生物工程设备有限公司等的发酵设备已能实现对关键发酵参数的实时监测和自动调节。虽然与国外在复杂的多目标优化算法应用方面可能存在差距,但国内的自动化控制系统已能有效维持发酵环境的稳定性,从而保障发酵产品的质量和一致性。针对液态发酵过程中生物量、底物浓度和代谢产物等关键参数难以在线实时监测的瓶颈,国内研究人员突破了软测量技术的关键问题。值得一提的是,国产设备的核心优势在于较高的性价比、优质的售后服务以及更符合国内生产工艺需求的定制化方案。
展望未来,发酵设备的发展将更聚焦于智能化(如数字孪生、AI优化控制)、节能降耗及柔性模块化设计,以更好地协同优化搅拌、通风等关键工艺参数,全面提升液态发酵的效率及液态发酵饲料的稳定性和品质。
4 液态发酵饲料的液态饲喂系统
因液态发酵饲料的液态物理特性,在实际生产中,其必须借助液态饲喂系统进行输送与投喂,从而保障饲料均匀性、避免分层,并实现精准供应。液态饲喂系统在西欧等发达国家已有较长的发展历史和广泛应用。国际上的液态饲喂系统(如德国WEDA、TEWE Elektronic,丹麦ACO FUNKI设备厂商等)技术较为成熟,自动化、智能化程度高。我国液态饲喂技术起步相对较晚,但发展迅速[55]。例如,四川省已于2025年8月在遂宁市船山区桂花镇响堂村的天穗立体猪场建成并运行了省内首家智能精准液态饲喂猪场。猪场所有设备均由计算机全程控制,可实时采集数据、分析数据,实现精准营养和精准饲喂。领先企业如河南瑞昂畜牧科技有限公司,已实现液态饲喂系统从1.0到5.0版本的迭代更新,引入物联网与人工智能技术,使系统能够实时分析猪群生长数据并动态调整饲喂方案。
随着液态饲喂系统的大规模推广,系统运行过程中的清洗和维护问题日益凸显,成为影响饲喂质量和养殖安全的关键环节。目前行业内尚未建立统一的清洗标准,通常采用不清洗或仅在批次间清洗的方式,此类操作容易导致管道内饲料残留和生物被膜积聚。生物被膜是微生物及其分泌物形成的特殊结构,对抗菌剂和消毒剂具有较强抗性,可能通过机械作用或生物过程释放到液态发酵饲料中,直接影响其微生物安全性[56]。
使用抗生素会促使生物被膜中的耐药性细菌富集,这些细菌可能交叉污染饲料和动物肠道微生物群落。实际上,管道生物被膜相当于一个天然的微生物接种源,其群落组成直接决定了流经饲料的微生物特征。当检测到有害微生物成为优势菌种时,必须对饲喂系统进行彻底清洁[57]。然而,O’Meara等[18]对8个猪场的研究结果显示,常规清洗对微生物的影响有限;清洁消毒可使混合罐、回路管道和落水管中的细菌数量降低2~3个数量级,但1周内即可恢复至原有水平[57]。基于这些发现,Royer等[58]建议,在无临床问题的情况下,可适当减少清洗频率;若未清洗回路管道,则无需单独清洁混合罐。总体而言,当前仍缺乏针对生物被膜防控的规范化清洗策略,未来应深入开展管道材料、清洗剂类型、清洗间隔等参数的优化研究,推动形成基于微生物监测的智能清洗决策体系。
5 小结与展望
液态发酵饲料作为无抗养殖领域的重要技术手段,通过微生物发酵作用显著提升了饲料营养价值,在改善猪群生长性能和肠道健康方面展现出显著优势。然而,液态发酵饲料在产业化应用过程中仍面临诸多挑战,包括饲喂系统中生物被膜管理难题,以及发酵工艺参数标准化程度低、稳定性难以保障等技术瓶颈。
未来研究可着重从以下方面展开:1)开发利用更多廉价、易得的农业副产品作为发酵原料,降低饲料成本;2)深入探究菌酶协同作用机制,优化确定最佳发酵参数组合,包括菌剂配比、温度控制、料水比及发酵时间等;3)研发智能化管理系统,通过实时监控与反馈控制提升发酵品质的一致性,并降低运维成本;4)加强动物饲喂环节的系统研究,包括精准饲喂策略、不同生长阶段畜群的适宜饲喂频率和投喂量;5)加快建立统一的品质评价和生产工艺标准,为液态发酵饲料的规范化、规模化应用提供依据。通过融合微生物组学、代谢组学与智能工程等多学科前沿技术,液态发酵饲料技术有望为现代畜牧业绿色转型提供更加高效、可持续的系统解决方案。