桑树属于桑科(Moraceae)桑属(Morus), 为落叶性多年生木本植物, 其抗逆性强, 种植面积范围广[1]。桑叶具有较高的营养价值, 含22.0%~29.8%粗蛋白质, 氨基酸组成较平衡, 富含多种维生素和微量元素及植物甾醇、黄酮类、生物碱和多糖等多种生物活性物质, 是一种优质的饲用植物资源[2-3]。然而, 成熟的桑叶和桑枝中粗纤维含量较高, 且含有单宁等抗营养因子, 在一定程度上限制了其在动物生产中的大规模应用[4]。研究发现, 桑叶经发酵后, 粗纤维、抗营养因子含量显著降低, 粗蛋白质及可溶性蛋白质含量等显著升高[5], 同时, 桑叶中的生物活性物质的含量及组成也得到了优化, 极大地改善和提高了桑叶的饲用价值[6]。诸多研究已证实, 在饲粮中添加发酵桑叶具有促进动物生长[7]、调节机体免疫力[8]、提高机体抗氧化能力[9]、调节血脂代谢[10]及改善畜产品品质[11]等功效。由此可见, 发酵桑叶是一种新型蛋白质饲料资源, 合理开发和应用发酵桑叶可有效缓解我国蛋白质饲料资源短缺及潜在的生物安全问题, 在畜牧生产中具有广阔的应用前景。
1 桑叶中主要的营养和生物活性成分 1.1 桑叶的营养价值桑叶的营养价值较高, 富含粗蛋白质、氨基酸、脂肪酸、矿物元素和维生素等营养成分[12]。成熟桑叶含有75%~90%水分, 以干物质为基础, 含有22.0%~29.8%粗蛋白质、8%~12%粗纤维、8%~12%粗灰分和4%~10%粗脂肪[13-15]。本文就桑叶的部分常规营养成分含量与几种饲料原料进行对比(表 1), 发现桑叶的营养价值甚至高于苜蓿。
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表 1 桑叶与其他饲料原料营养成分含量(干物质基础) Table 1 Nutritional component contents of mulberry leaves and other feed ingredients (DM basis) |
Adeduntan等[19]发现桑叶中主要的抗营养因子是植酸和单宁, 其中植酸含量高达488.9 mg/kg, 单宁含量为5.32 mg/kg。饲粮中的单宁可与淀粉酶、胰蛋白酶等消化酶的底物发生反应, 降低了营养物质的利用率[20]。植酸会与矿物元素和维生素结合形成沉淀或络合物, 不利于动物对矿物质和维生素的吸收与利用[21]。本文对比了桑叶、辣木叶、南洋樱叶以及银合欢叶的部分抗营养因子含量, 见表 2。
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表 2 桑叶与其他饲料原料的抗营养因子含量 Table 2 Anti-nutritional factor contents of mulberry leaves and other feed ingredients |
桑叶中生物活性成分含量和种类也较为丰富, 主要包括黄酮类、甾类和生物碱, 还有多种多糖、挥发性油、有机酸等, 具有抗氧化、抗炎、降血脂、降血糖等生理功能[23]。陶程[24]和郝静怡[25]测定了桑叶的部分生物活性成分(表 3), 发现1-脱氧野尻霉素(DNJ)和绿原酸含量较高, 其中DNJ是一种重要的生物碱, 具有降血糖、改善胰岛素抵抗的作用, 目前桑叶已成为提取天然DNJ的主要来源。
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表 3 桑叶的生物活性成分 Table 3 Bioactive components of mulberry leaves |
在饲粮中添加一定比例的发酵桑叶粉可以提高其产品品质, 但是在饲粮中添加较高比例的发酵桑叶粉可导致畜禽的生长性能下降[9]。究其原因, 主要是桑叶粉中的粗纤维含量较高, 且含有单宁和植酸等, 使饲粮中抗营养因子含量超过畜禽耐受水平, 影响畜禽的生产性能和机体健康[26]。诸多试验证明, 木本植物经微生物发酵处理后, 多肽和氨基酸含量升高, 抗营养因子含量降低, 并且富含益生菌、生物活性成分等多种有益产物[27-30]。市场上常用细菌(乳杆菌、芽孢杆菌等)和真菌(酵母菌、霉菌等)作为发酵菌种[31], 一般情况下, 芽孢杆菌和米曲菌主要产生蛋白酶, 乳酸菌和乳杆菌主要消除抗营养因子, 而木霉和根霉对活性成分进行优化[32-33]。因此, 不同菌种的配伍对发酵底物的营养成分变化是不一样的。而目前关于不同菌种对桑叶进行发酵处理后营养成分的变化研究较少, 因此本文对此进行综述。
2.1 桑叶发酵后营养成分含量变化微生物发酵可通过其生命活动改变桑叶中的营养成分组成及含量, 桑叶经过微生物发酵后, 大分子蛋白质被降解成小肽、可溶性蛋白质和游离氨基酸, 其中非蛋白氮经微生物作用可转化为菌体蛋白, 提高真蛋白含量[33]。研究表明, 枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和乳酸菌等生长过程中会产生淀粉酶、纤维素酶等酶类, 对桑叶中的粗纤维以及抗营养因子进行降解, 可以大量的消除抗营养因子[34]。桑叶发酵后营养成分含量变化见表 4。
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表 4 桑叶发酵后营养成分含量变化 Table 4 Change of nutritional component contents of mulberry leaves after fermentation |
微生物发酵桑叶过程中, 常发生生物转化反应, 实现对桑叶中生物活性成分的修饰和优化。通过近几年微生物发酵研究发现, 黄酮类的生物转化的报道相对较多。黄酮类化合物是桑叶的重要活性成分组成, 多以酯类、糖基化、聚合物等形式存在, 致使其生物利用率低[37], 通过微生物分解代谢的作用, 可改变其原来结构, 提高黄酮类化合物的利用率[38]。桑叶发酵后生物活性成分含量变化见表 5。
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表 5 桑叶发酵后生物活性成分含量变化 Table 5 Change of bioactive components contents of mulberry leaves after fermentation |
在生猪饲粮中添加5%~15%发酵桑叶粉可显著提高生长性能、缩短生长周期、降低饲料成本以及改善肠道健康。但其最高添加量不超过15%, 添加过量的发酵桑叶粉会显著降低断奶仔猪的生长性能; 在育肥猪饲粮中添加适量比例的发酵桑叶粉可以改善产品品质, 且添加5%~15%效果最好[45-47]。李栋栋等[45]发现饲粮中添加2%~4%发酵桑叶粉能显著提高断奶仔猪的料重比, 每千克饲粮可节约1.67~2.29元的生产成本。林标声等[46]发现, 在断奶仔猪饲粮中添加5%发酵桑叶复合物能有效治疗仔猪病毒性胃肠炎, 发酵桑叶粉中存在大量的益生菌, 进而可调节仔猪胃肠道的菌群环境, 从而维持胃肠道健康。张娜娜等[47]通过育肥猪试验发现, 在基础饲粮中添加15%发酵桑叶粉可显著提高育肥猪的平均日增重, 缩短生长周期, 这可能是桑叶粉经过发酵后, 其粗纤维含量降低, 粗蛋白质含量提高, 抗营养因子作用减小, 有效改善其适口性, 从而提高育肥猪的生长性能。丁鹏等[7]通过试验发现, 饲喂添加9%桑叶粉全价发酵料组的宁乡花猪料重比显著降低, 有效提高了宁乡花猪的生长性能。添加发酵桑叶粉可降低宁乡花猪的背膘厚, 且随着发酵桑叶粉剂量的增加效果更为明显。这可能是发酵桑叶粉中黄酮类化合物和生物碱可以调控脂质代谢, 且有研究证明桑叶中的DNJ通过调控细胞外蛋白激酶(ERK)/过氧化物酶体增殖剂激活受体γ(PPARγ)信号通路抑制猪肌内脂肪细胞分化过程中的脂质积累[48]。
综上可知, 在断奶仔猪阶段, 由于其消化道尚未发育健全, 添加2%~4%的发酵桑叶粉可增加饲粮特殊香味和诱食性, 提高断奶仔猪的生长性能, 有利于断奶仔猪对营养物质的消化吸收和利用。随着仔猪的生长发育, 其消化系统发育健全, 在生长育肥阶段, 可添加15%以内的发酵桑叶粉, 在提高生长性能的同时改善了猪肉品质, 在一定程度上降低了生产成本。
3.2 发酵桑叶在肉鸡生产上的应用肉鸡饲粮中添加发酵桑叶粉, 具有提高机体抗氧化能力、增强免疫功能和改善肉品质等作用。黄静等[9]研究发现, 饲粮中添加20%发酵桑叶粉能显著提高胡须鸡血清总蛋白(TP)和球蛋白(GLB)含量, 同时显著降低血清总胆固醇(TC)和甘油三酯(TG)含量。这说明发酵桑叶粉具有增强免疫力和降低血脂等作用。为探究发酵桑叶粉在胡须鸡饲粮中最适添加量和饲用效果, 黄静等[49]进行了后续研究, 综合各项指标发现, 添加10%~20%发酵桑叶粉能增强胡须鸡血清中谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)和超氧化物歧化酶(SOD)活性, 并在一定程度上提高胡须鸡生长性能, 饲用效果较好。邝哲师等[11]研究发现, 饲粮中添加20%发酵桑叶粉能显著降低胡须鸡肌肉pH45 min, 缓解肌肉糖原酵解和肌肉酸败的速度, 从而延长货架期; 随着发酵桑叶粉添加量的增加, 肉色黄度(b*)值逐渐减少, 可能是桑叶中丰富的黄酮、多糖生物碱等生物活性物质具有明显的抗氧化作用, 减弱了肌红蛋白的氧化程度[50]。此外, 有研究发现, 在饲粮中添加发酵桑叶粉可引起肉鸡肠道菌群的变化, 主要变化为显著增加了乳酸菌的含量, 降低大肠杆菌的含量。通过发酵处理, 饲粮pH降低, 为肠道中乳酸菌等有益菌提供酸性环境, 促使有益菌通过营养竞争和占位作用来抑制有害菌的大量繁殖[51]。因此, 在肉鸡饲粮中添加5%~10%的发酵桑叶粉有利于提高肉鸡免疫功能和抗氧化能力, 还具有调控肉鸡脂质代谢、改善肉品质和促进肠道健康功能。
3.3 发酵桑叶在反刍动物生产上的应用在反刍动物饲粮中添加发酵桑叶粉可在不影响其生产性能的状况下, 提高经济效益, 提高肉品质以及降低瘤胃挥发性脂肪酸含量。吴配全等[52]研究发现, 饲粮中添加20%及以下的发酵桑叶粉对生长育肥牛生长性能和血液生化指标无显著影响, 且每千克饲粮可降低0.29~0.49元的生产成本。吴浩[53]在饲粮中添加22.5%发酵桑叶粉可改善胴体品质, 提高屠宰率和眼肌面积, 同时调控肉牛体内脂质代谢。而肖建中等[54]则发现, 在新晃黄牛饲粮中添加30%发酵桑叶粉, 对其脂质代谢的影响不显著, 但能够显著改善肉品质和增强机体免疫力。Zhou等[55]和Li等[56]发现, 在肉牛饲粮中添加青贮桑叶粉, 对肉牛的生长性能无显著影响, 能显著降低瘤胃内挥发性脂肪酸含量, 但对其粪便菌群的影响极少。刘自新等[57]将青贮桑叶粉加入滩寒杂交肉羊饲粮中进行育肥试验, 结果表明, 添加青贮桑叶粉能显著提高肉羊平均日增重, 降低料重比。
3.4 发酵桑叶在水产养殖生产上的应用鱼粉因具有高蛋白质、丰富氨基酸含量的特点, 被广泛应用在水产饲料中, 近年来随着养殖规模的不断扩大, 鱼粉的价格不断上涨, 寻找新的蛋白质来源已经成为国内外研究热点, 由于发酵桑叶粉粗蛋白质消化吸收率高、氨基酸组成丰富、价格较低等特点, 所以在水产养殖中的应用潜力巨大。陈文燕等[58]研究了不同比例发酵桑叶粉替代鱼粉在罗非鱼生产上的应用, 试验表明, 在饲粮(5%鱼粉)中, 发酵桑叶替代40%鱼粉对罗非鱼的生长性能无显著差异, 当替代量高于40%时, 不利于罗非鱼的生长。徐韬等[59]研究了发酵桑叶粉替代15%、30%的鱼粉对大口黑鲈的影响, 发现了添加低剂量发酵桑叶粉替代鱼粉对大口黑鲈的生长性能无显著影响, 添加高剂量发酵桑叶粉会显著降低大口黑鲈终末体重和特定生长率, 此外, 饲喂添加高剂量发酵桑叶粉的大口黑鲈其血清低密度脂蛋白(LDL)和丙二醛(MDA)含量显著降低, 超氧化物歧化酶活性显著升高。因此, 进一步说明了发酵桑叶粉可以改善其脂质代谢和增强机体抗氧化能力。在水产饲料中发酵桑叶粉可替代10%~15%的鱼粉, 保证水产生物生长状况良好的情况下有效节约生产成本。
4 小结利用微生物发酵技术, 可以显著降低桑叶粉中的抗营养因子含量, 并可将大分子物质转化为小分子物质, 有利于动物机体对营养物质的消化吸收; 同时, 对其活性成分进行了优化, 具有广阔的应用前景。虽然发酵桑叶粉在动物生产上得到了部分应用, 并取得了一定的效果。但对于不同种类、不同发育阶段的动物, 发酵桑叶粉的最适添加量还需要开展更多研究加以确定。现阶段发酵桑叶粉使用的发酵菌群种类多, 发酵工艺多样, 容易造成产品不稳定。因此, 发酵桑叶在不同品种、不同发育阶段的畜禽中的应用及其功能性作用和作用机理还有待进一步研究。
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