多菌种组合微生物发酵降解剂的生产工艺及创新

多菌种组合微生物发酵降解剂的生产工艺及创新
作者：张吉鸥
来源：《江西畜牧兽医杂志》 2012年第2期
张吉 1*，汪江2
（1.江西省农业科学院畜牧兽医研究所，江西南昌 330200；2.江西省饲料工业办公室）
摘要：本文总结了粗饲料多菌种组合微生物发酵降解剂的固态发酵工艺，所用菌种的筛选及其优化组合，以及多菌种组合微生物发酵降解剂使用技术的创新，即作为以提高秸秆饲养效
果为目标的营养工程技术的配套产品之一进行使用。

关键词：多菌种组合；微生物发酵；工艺；降解剂应用；技术创新
1 多菌种组合微生物发酵降解粗饲料的固态发酵工艺
1.1 固态发酵完全可以生产出质量稳定的产品
用现代生物工程技术处理粗饲料，提升粗饲料价值，采用液态制种结合固态发酵的工艺，
以求降低粗饲料的处理成本。

实践证明只要在菌种扩大各阶段通过镜检跟踪好菌体生长情况，
根据菌体数量确定接种量，发酵过程中处理好温度、湿度等要素及其相互关系，固体发酵完全
可以生产出品质稳定的产品，同时避免了液态发酵的投资规模大、生产成本高以及环境污染重
等负面影响。

1.2 粗饲料微生物固态发酵工艺特点
1.2.1 多菌种组合固态发酵粗饲料的优点。

多菌种组合固态发酵粗饲料就是多种功能微生
物菌群固态发酵降解粗饲料中的植物细胞壁，将纤维素、果胶质降解为单糖和寡糖，蛋白质降
解为小肽蛋白同时去除粗饲料中有毒、有害物质，并通过微生物自身的生命活动，生成多种有
机酸、维生素、生物酶、未知生长因子，从而大大提高了发酵粗饲料的营养水平与安全性。

由
此可见，经多菌种组合固态发酵的粗饲料是一种生物活性饲料,可以减少或代替保健性添加剂与功能性添加剂的使用。

多菌种组合发酵的优点是能较好地去除粗饲料中的抗营养因子，生产成本低，在微生物发
酵过程中加入的乳酸菌、酵母菌、米曲霉、芽孢杆菌等，还可产生3%左右乳酸和发酵香味，具
有酸化剂的作用，有利于提高动物采食量，改善动物胃肠道的微环境，发挥肠道益生菌的作用。

经发酵产生的高品质的还原糖极易消化吸收。

1.2.2 好氧发酵与厌氧发酵的组合工艺。

多菌种组合的好氧发酵与厌氧发酵的组合工艺，
分成两步：即前期的好氧发酵与后期的厌氧发酵。

在发酵前期采用好氧发酵，促使芽孢杆菌、
酵母菌等好氧微生物繁殖生长，给乳酸菌造成缺氧的生长环境。

同时芽孢杆菌、酵母菌分泌产
生大量酶类、维生素等活性产物促进乳酸菌的生长。

后期的厌氧发酵，促进乳酸菌的增殖，并
产生大量乳酸。

微生物在无氧条件下发生强制自溶，细胞中的胞内酶及其他生物活性成分分泌
出来。

厌氧发酵时蛋白酶发生酶解反应，并产生香味物质。

2 粗饲料多菌种组合微生物发酵降解剂设计思路的创新
在设计粗饲料多菌种组合微生物发酵降解剂时，既充分利用经筛选的多种菌种之间的协同
作用，又根据调制（处理）对象不同，设计不同的菌种配方，形成系列产品，具有明显的针对性。

2.1 发酵用菌种的选取原则
最初发酵用菌种多采用单个菌种，由于单一菌种含有的益生菌数量较少，作用效果有限，
而且容易被仿制，现多采用多菌种组合发酵。

多菌种组合发酵较之单菌种发酵，极大地提高了
粗饲料的体外降解效率。

如纳豆芽孢杆菌与嗜酸乳杆菌混合发酵粗饲料，经发酵的粗饲料中不
仅含有大量活菌数，而且其功能与作用均优于单独用纳豆芽孢杆菌发酵。

尤其是经发酵的粗饲料，其蛋白酶活力、粗蛋白质（包括多肽）含量等营养物质增多，是动物（包括单胃在内）易
消化吸收的生物活性饲料。

多菌种组合粗饲料生物降解剂（又称发酵剂）所用菌种选取的原则：第一，生产菌种性能优良，碳源利用广谱性强，价格低廉，操作简便，易于制取；第二，菌种
的生命力强大，耐酸，耐高温，不容易自溶分解，生长速度快，繁殖力强，容易形成生长优势，能抵抗杂菌及其他不利菌群的繁殖，且发酵条件粗放，以节约设施投资；第三，除能分泌相当
数量的分解淀粉、纤维等多糖物质的酶及其他抗营养因子的酶，以提高粗饲料中碳水化合物的
消化率与利用率外，还能分泌解酶活力高的蛋白质分解酶；第四，能够利用有机氮转化为菌体
蛋白，合成和分泌更多的营养物质；第五，能够改善粗饲料的适口性且不产生有毒物质。

2.2 多菌种组合发酵所选用菌种及其功能
粗饲料发酵处理所用菌种的功能特性和生长特性对于成功降解粗饲料纤维是非常必要的。

为高效降解粗饲料纤维、抗营养因子，提高蛋白质含量，并将蛋白质降解为多肽，多采用多菌
种组合的发酵工艺。

在多菌种组合发酵粗饲料上，所选用菌种应包括纤维素分解菌、氮素转化
菌以及增加适口性的菌种。

木质素分解菌有侧孢霉、白腐真菌等。

产纤维素酶的优良菌株多为
木霉属菌，如木霉、康宁木霉、绿色木霉、长柄木霉，也有用曲霉、白曲霉、黑曲霉、宇佐美
曲霉、米曲霉、根霉与毛霉等霉菌。

酵母为氮素转化菌，它能将培养基中的氮源转化为自身的
菌体蛋白，从而增加粗饲料的蛋白质含量，转化效率较高的菌种有近平滑假丝酵母、产朊假丝
酵母或热带假丝酵母、面包酵母、啤酒酵母与酿酒酵母以及白地霉菌等。

添加乳酸菌（乳酸球
菌与植物乳杆菌等）可抑制杂菌生长并改进适口性。

如果粗饲料中加入了动物加工下脚料，还
应加入产蛋白酶活力较高的芽孢杆菌（如枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌等）。

如果加入饼粕类，除引入产蛋白酶活力较高的菌种外，还要加入脱毒菌株。

芽孢杆菌能分泌大量的蛋白质水解酶，将基料中的蛋白质尽可能地分解为小分子多肽，增加产品的营养性、功能性与适口性。

当然，
上述分类也不是绝对的，如黑曲霉、米曲霉、方斋藤曲霉(Aspe-rgillnsaitoi)、泡盛曲霉、宇佐美曲霉(Aspergillususamii)、金黄曲霉、栖土曲霉、乾氏曲霉、中泽曲霉、白曲霉、杜勃曲霉、沙门柏干酪青霉、微紫青霉、篓地青霉、丛簇青霉、拟青霉、米黑毛霉、微小毛霉、德氏
根霉、华氏根霉、少孢根霉、栗疫菌、小孢根霉、血红栓菌、乳白耙菌、啤酒酵母、黏红酵母、白假丝酵母、乳酸杆菌、枯草杆菌等微生物菌株还可以产酸性蛋白酶，其中又以黑色曲霉为主，这些曲霉产生的蛋白酶有一定耐酸性和耐热性。

但必须注意，所有菌种的组合，都要考虑菌种之间的相溶性，且“功能互补”，如利用霉
菌产生的多种酶系，降解粗饲料中的纤维素及蛋白质等物质，利用酵母菌合成菌体蛋白。

多菌
种组合粗饲料发酵剂就是从上述各类菌种中选取数个菌种组成的混合菌，这些菌种均为安全菌种。

常见的组合菌种主要由高产纤维素酶的木霉属菌、高产蛋白酶的芽孢杆菌、蛋白质含量50%以上的酿酒酵母与乳酸菌等组成。

2.3 发酵用菌种的改良
粗饲料发酵用菌种的改良一般采用紫外诱变，选育出高酶活或转化能力强的菌株作为生产
菌种。

研究者曾采用紫外线、甲基磺酸乙酯交替和复合诱变康氏木霉，获得能较好降解纤维素
的突变株。

对分离、诱变的菌株必须进行毒性试验，确定不产生有毒物质后方可使用。

2.4 发酵粗饲料用多菌种组合的比例及其品质与降解能力
2.4.1 多菌种组合发酵中各单个菌种的比例要适当。

发酵接种的菌种种类、接种总量、不
同菌种的接种比例对处理粗饲料所产生的高活性生物饲料的品质有着重大影响。

不同乳酸菌种
的产酸量、生长速度、耐热性、生长习性不同，不同芽孢杆菌菌种的作用不同，有的芽孢杆菌
能较旺盛地分泌蛋白酶使蛋白降解，而有的芽孢杆菌却没有这种作用。

乳酸菌和酵母菌发酵能
产生愉悦的酸香味，但芽孢杆菌却产生土腥味和氨味，因此这三种菌种的比例要恰当。

2.4.2 同名菌种的不同菌株的生理特性决定着各厂家粗饲料发酵剂的品质及其降解粗饲料
的能力。

在菌种的选择上，每个厂家都有自己特定的菌种组合，所用菌种一般尽管同名但却是
不同菌株。

如芽孢杆菌中研究得较多的就有枯草芽孢杆菌(KC)、蜡样芽孢杆菌(LY)、植物乳酸
菌(RS)与酪酸梭状芽孢杆菌(LS)。

有些同一名称种属下的菌株可能存在着很大差异，如同样冠
以乳酸菌或酵母菌或芽孢杆菌或双歧杆菌的菌种，但是由于同名菌种的不同菌株的生理特性
（如生长快慢、最佳生长温度、所需生长环境或条件、世代间隔与代谢产物等）与功效性存在
较大差异，所组合成的生物发酵剂最终表现的功效也会显著不同。

由于这方面的差别，导致不
同厂家即使使用相同菌株发酵剂在处理粗饲料时表现出明显不同的功效。

而正是不同菌种组合
导致了不同厂家粗饲料发酵效果的差异而最终导致产品的差异。

有些感官评定即可初步分析产
品特点，如酱香型的为芽孢杆菌或以芽孢杆菌为主的产品，面包香型的为酵母菌或以酵母菌为
主的产品，酸香型的说明发酵中大量乳酸菌发挥了作用。

因此，微生物生物发酵降解粗饲料的
菌种必须经过严格筛选，这是生产出高品质生物发酵剂的关键。

2.5 菌种的筛选方法及多菌种组合中的菌系组成
2.5.1 菌种的筛选方法。

初步挑选的上述菌种再经过富集培养基的多次复选、多种不同分
离培养基（如粗筛产纤维素酶菌株分离培养基与初筛产蛋白酶菌株分离培养基等）、斜面培养
基的筛选以及发酵基础培养基的粗饲料发酵试验，定向筛选出复合菌系。

采用高密度种子扩培
技术，可以获得10亿以上/mL的理想菌液。

2.5.2 多菌种组合中各单菌种的功能。

2.5.2.1 乳酸菌。

乳酸菌为乳酸球菌与植物乳秆菌，前者筛选自酸奶，后者筛选自青贮饲
料堆，用途为生产乳酸。

乳酸菌具潜在益生作用，经乳酸菌发酵的粗饲料具有酸甜芳香气味，
pH值下降，能有效改善粗饲料的适口性，促进畜禽生长、提高饲料转化率和生产性能。

同时可
以降低抗生素、酸化剂的添加量，降低饲料成本。

嗜酸乳杆菌是一种人体肠道中的重要微生物，能调节人体肠道微生物的菌群平衡，在代谢过程中可以产生乳酸、乙酸等，是目前乳酸菌家族
中极为重视研究与开发的益生菌。

2.5.2.2 枯草芽孢杆菌。

枯草芽孢杆菌筛选自猪粪堆，作为益生菌与生产外切蛋白酶用。

芽孢杆菌好氧生长，具有抗逆性（对环境抵抗力）强，耐酸、碱与高温，易储存等独特的生物
学特性，不仅产酶能力强且能产生多种酶类。

枯草芽孢杆菌能代谢产生蛋白酶、脂肪酶、淀粉
酶等多种孢外酶，可以降解粗饲料中某些复杂的碳水化合物，从而提高饲料的转化率，并可以
钝化大豆中的胰蛋白酶抑制因子，从而增加饲料原料的可利用种类。

2.5.2.3 粪链球菌、黑曲霉与酵母。

粪链球菌筛选自动物肠道，作为益生菌同时生产乳酸用。

黑曲霉筛选自橘子皮，生产果胶酶、纤维素酶、内切蛋白酶。

酵母筛选自豆制品厂的污泥，
与黑曲霉协同作用，利用霉菌产生的多种酶系，降解其中的纤维素及蛋白质等物质，利用酵母
菌合成菌体蛋白，同时作为益生菌。

2.5.2.4 为确保所发酵粗饲料的品质，必须严格控制菌种的传代数。

多菌种组合菌的筛选、保藏、培养、活化、传代对所发酵的粗饲料的品质有着重要影响。

多菌种组合发酵所用的各单
个菌种自上述的产品中筛选出来并经优化后，用沙土管保藏。

菌种的传代数需要控制在一定的
范围以内，当菌种不能达到通过发酵粗饲料提升其品质的要求时，必须重新筛选或诱变优化后
才能继续使用。

2.5.2.5 经发酵的粗饲料是一种高品位的活性饲料。

所筛选出的菌种，再经多代分离纯化，然后接种发酵粗饲料，经多菌种组合发酵的粗饲料基本去除抗营养因子、粗纤维显著降低、蛋
白质含量增加，不但增加了营养，而且提高了适口性。

尤其是产品中的蛋白质由发酵过程中微
生物产生的蛋白酶水解为有活性的多肽。

众所周知，活性多肽是一类易被动物机体吸收和发挥
功能的物质，因而经体外多菌种组合发酵的粗饲料是一种高品位的活性饲料。

3 秸秆多菌种组合微生物发酵降解剂使用的创新技术（见下图）
粗饲料多菌种组合微生物发酵降解剂的设计，如上所述，既充分利用多菌种间的协同作用，又根据调制对象不同，形成系列产品，其中就有针对秸秆的。

降解秸秆的多菌种组合微生物发
酵降解剂在使用上的创新，就是把它作为提高秸秆饲养效果为目标的营养工程技术（如图）的
配套产品之一进行使用，具有鲜明的技术特色。

3.1 秸秆利用的营养工程技术
秸秆作为一个潜在而巨大的粗饲料资源，由于其自身的营养（可发酵氮源、可发酵能源、
过瘤胃蛋白质与矿物质元素）缺乏，使其饲用率与饲用效果受到极大的限制和影响。

过去在秸
秆饲用方面存在一个误区，这就是仅仅依靠加工调制，忽视动物自身存在的营养潜力，使秸秆
在饲用方面的潜力未被充分挖掘。

针对这一问题，必须采取以提高秸秆饲用效果为目的的营养
工程技术。

其定义就是针对秸秆本身存在的营养缺陷（即适口性差，采食量低；消化率低；一
些营养物质缺乏或不平衡）和牛、羊等反刍动物的营养生理特点，将加工调制技术（P）、营养调控型产品的使用（M1）、饲养管理技术（M2）以及营养检测技术（M3）等多种营养技术措施
加以系统集成，充分发挥各种技术措施集成的整体优势，以达到理想的秸秆饲用效果的成套营
养技术。

这一技术被概况为“P+3M”技术，具体描述参阅图1。

P技术为加工调制技术，通过该技术以最大限度地提高动物采食量，并在一定程度上改善
消化率。

尽管在P技术中使用到“多菌种组合微生物发酵降解剂”处理秸秆这一生物技术，并
使得秸秆体外降解率达到30%左右，同时使“粗纤维-木质素-半纤维素”复合体化学键断裂，
使它们之间的“连接”松动，从而改变秸秆等低质粗饲料的结构，有利于秸秆的体内消化。

但
必须明确的是，不是用加工调制这样体外降解的“预消化”来代替牛羊瘤胃对秸秆的生物发酵
作用。

3.2 秸秆多菌种组合微生物发酵降解剂的类型及其作用机理
3.2.1 青贮型降解剂的功效及其作用机理。

3.2.1.1 青贮型降解剂的功效。

首先，提高青贮成功率，保护营养成分不流失。

其次，经
调制的秸秆类粗饲料，气味芬芳，纯正、浓郁，色泽美观，质地松软，动物适口性好，提高采
食速度40%、采食量20%~40%。

第三，各类消化酶含量大增，秸秆体外降解率达30%，是无毒、
无害的绿色饲料。

第四，如图的工程技术使用该产品，可以：①调节肠道菌系平衡，抗腹泻率
达70%。

②奶牛产奶量增加5%，乳脂率提高10%，肉牛（羊）日增重提高10%~20%。

③玉米秸秆利用率达95%，节约精饲料10%。

④秸秆利用率提高30%以上。

3.2.1.2 青贮型降解剂（青秸秆发酵）的作用机理。

首先，提供大量乳酸菌，快速生成乳酸，抑制其它有害微生物生长，提高青贮料的品质。

第二，提供的酵母菌、芽孢杆菌等，一方
面可促进乳酸菌的快速繁殖，另一方面作为益生菌在秸秆中存在，可起到调节动物肠道微生态
平衡、促进家畜健康生长的作用。

第三，制剂中所含的消化酶可使青贮料中部分多糖水解成单糖，有利于乳酸菌发酵，保持青贮料的特性与养分，提高青贮料的营养价值。

3.2.2 微贮型降解剂的功效及其作用机理
3.2.2.1 微贮型降解剂的功效。

首先，因发酵效果好，经调制的秸秆类粗饲料，气味芬芳、纯正、浓郁，色泽美观，质地松软。

其适口性得到显著的改善，提高动物采食速度20%~40%、
采食量20%~40%。

第二，增加秸秆的营养成分，粗蛋白提高11%~14%，粗脂肪提高3%~4%，有机
酸提高10倍以上，各类消化酶增加4~5倍，秸秆体外降解率达30%，是无毒、无害的绿色饲料。

第三，如图1的工程技术使用该产品，可以：①调节肠道菌系平衡，抗腹泻率达70%。

②奶牛
产奶量增加3%~5%，乳脂率提高5%~10%，肉牛（羊）日增重提高10%~20%。

③玉米秸秆利用率
达60%~80%。

④秸秆利用率提高30%以上。

3.2.2.2 微贮型降解剂（青秸秆发酵）的作用机理。

首先，木酶的纤维素酶制剂含有内切
葡聚糖酶（C1酶）、外切葡聚糖酶（Cx酶）与纤维素二糖酶，能使秸秆饲料中部分粗纤维水解成单糖或低糖，同时也使纤维素分子结构发生重大变化：支链成直链、长链成短链。

其次，乳
酸菌在发酵过程中产生大量乳酸，一方面抑制了腐败菌的生长，另一方面使秸秆得到了软化从
而改变了包括秸秆在内的粗饲料的适口性。

第三，降解剂中的微生物在发酵过程中产生大量的
菌体蛋白，增加了经发酵的秸秆（或其他粗饲料）的粗蛋白含量，同时产生大量的维生素、氨
基酸等营养物质，提高了其价值。

第四，微生物在繁殖过程中产生了大量的蛋白酶、脂肪酶、
淀粉酶等促进了动物对饲料的消化与吸收。

经发酵的秸秆（或其他粗饲料）含有大量的有益微
生物，可以有效调节机体微生态平衡，发挥防病治病、促进生长的功效。

3.3 秸秆多菌种组合微生物发酵降解剂调制秸秆的方法
秸秆多菌种组合微生物发酵降解剂其制成品是复合活干菌制剂，用其进行贮料的制作，属
于微生物贮料的范畴。

因此，在贮料的技术要求上、贮料的方法上与青贮基本相同，无特殊技
术要求。

尽管秸秆多菌种组合微生物发酵降解剂在产品设计上更接近生产实际的要求，侧重于
简便易行的操作方法，安全可靠的贮料效果。

但还需要在贮料的实际操作和使用上给予合理的
配合，才能达到理想的效果。

3.3.1 贮料方案。

首先，根据具体情况，确立贮料方案。

贮料数量的确定关键是要使其与
所饲养的家畜头数相适应。

具体的就是要使每日家畜的采食量与贮料的取料截面相适应，要绝
对避免贮料窖的面积过大，取料截面大而饲养数量少，造成不能及时使用饲喂，使水分丧失、
贮料变质。

3.3.2 贮料原则。

多菌种组合微生物发酵降解剂调制秸秆的方法与青贮基本相同，操作简便，无特殊技术要求，不需任何特殊设备，用窖贮、池贮均可，但调制时只要掌握好贮料的水
分含量（65%~70%）、逐层压实、密封这三条原则，就可达到预期的调制效果。

在气温5℃~20℃之间，3~5 d即可获得满意的调制效果。

在气温降到零下时，适当延长调制时间，也能进行正
常的调制。

3.3.3 贮料效果。

粗饲料多菌种组合微生物发酵降解剂处理秸秆使用上的创新，就是将其
作为营养工程技术中加工调制技术的配套产品，主要目的还是在提高秸秆的采食量，辅以营养
成分的改变与提高。

但是，由于秸秆自身营养缺陷的限制，仅仅依靠加工调制是不够的，同时
要充分挖掘牛、羊等反刍动物自身存在的营养潜力。

所采用的营养工程技术，就是根据牛、羊
等反刍动物的营养生理特点，将包括使用粗饲料多菌种组合微生物发酵降解剂的加工调制技术
与配套的营养调控剂（M2）的使用技术进行集成，如在处理秸秆时加入0.3%~0.5%（以干秸秆
量计算）的尿素，可明显提高饲喂效果，同时提高处理秸秆的风味。

但是，必须注意的是，尿
素用量以不超出秸秆干重的0.5%为佳，否则将影响其风味。

3.3.4 秸秆种类。

粗饲料多菌种组合微生物发酵降解剂主要用于处理（调制）如玉米秸秆、小麦秸秆等禾本科农作物秸秆，即对其进行贮制，如要进行豆科植物秸秆的贮制，宜搭配
50%~70%的禾本科秸秆，进行混合贮制。

另外，贮制小麦秸秆时，应特别注意的是，小麦秸秆与玉米秸秆不同，没有蕊体，部分为空心，表面又因有腊质结构以致其吸水性极差。

这样就给小
麦秸秆的贮制造成一定的难度，操作不当就会因水分不均使贮料品质降低。

故在贮制麦秸时，
首先要让水分能均匀渗入麦秸。

在用小型贮窖贮制时，可将预先切好的麦秸堆于窖外，喷洒粗
饲料多菌种组合微生物发酵降解剂菌液使之逐渐渗透，随后装窖，每装30 cm左右，再喷洒菌液。

在接近窖口时，随着窖口的接近，喷洒速度宜逐渐减慢。

大型窖窖贮制时，边装边慢速喷洒，每装30 cm，须压实一次，菌液喷洒量由下向上逐渐增加。

3.3.5 适用范围广。

多菌种组合微生物发酵降解剂不仅可适用于各类农作物秸秆及劣质牧
草的调制，同时也可用于各种糟渣、薯渣等的处理，但其处理技术略有不同。

（收稿日期：2012-03-10）。