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发酵饲料对猪肉品质的影响及机制研究进展
来源:动物营养学报    2022年11月04日    点击:6762

我国是世界上最大的养猪生产国,猪肉也是我国居民最主要消费的肉类产品,生猪养殖在我国占有非常重要的地位。

目前我国养殖的生猪90%左右是外来品种如“杜长大”等,长期以来对其高瘦肉率和高生长性能的追求导致猪肉感官品质、营养价值、肌内脂肪(IMF)和风味物质含量等肉品质指标严重下降,我国优质猪肉生产面临着巨大挑战。通过遗传育种进行品种改良是提升猪肉品质和风味的有效措施,但存在周期较长、成本较高的问题。因此,如何通过饲料营养改善猪肉品质和风味,对于优质猪肉生产和满足人们对美好生活的需求具有较为重要的意义。发酵饲料是含有益生菌及其代谢产物的活性饲料。近年研究表明,发酵可以改善饲料营养组成,提供益生菌、脂肪酸、抗氧化物质和风味物质等,进而提高饲料的利用率,促进动物肠道健康,改善猪肉品质和风味[1]。因此,使用发酵饲料可能是优质猪肉生产比较便捷的一个举措。

1.发酵饲料的现状

目前,我国发酵饲料产业快速发展,从事发酵饲料的企业已超1 000家,2025年产量将达到约4 000万t,未来5年产值将超1 000亿元[2]。在PubMed数据库中以“Fermented feed”为关键词搜索,相关研究文献已经从2000年的92篇增长到2021年的841篇,表明发酵饲料关注度和研发热度的快速提升。虽然发酵饲料生产经历了一段发酵菌种和原料混杂,发酵条件不明确和发酵产品质量参差不齐的时期,但随着国家和行业出台相应政策和标准,行业和市场发展逐渐走向了有序和规范化。2018年1月1日,我国发布生物饲料领域第1个团体标准——《生物饲料产品分类》,随后《哺乳母猪用菌酶协同发酵饲料》、《生长育肥猪用菌酶协同发酵饲料》、《饲料原料——酵母水解物》和《饲料添加剂——丁酸梭菌》等与发酵饲料有关的12个团体标准发布。2021年11月,农业农村部办公厅印发《直接饲喂微生物和发酵制品生产菌株鉴定及其安全性评价指南》的通知。这些政策和标准的建立对我国发酵饲料行业的规范和健康发展起到了重要的推动作用。

目前发酵饲料主要包括单一饲料原料发酵和混合饲料发酵,发酵原料的选择从常规饲料原料(玉米、豆粕、菜籽粕、棉籽粕等),逐渐发展到非常规低值原料(玉米胚芽粕、米糠粕、酒糟、茶渣、构树叶等)。发酵根据添加水分比例可分为固态发酵和液态发酵,根据氧需要量可分为好氧、厌氧和兼性厌氧发酵,根据发酵剂配伍可以分为单菌、混菌和菌酶协同发酵。益生菌发酵可以降解饲料中抗营养因子含量,提供有益代谢产物,提高养分利用率,调节肠道微生态平衡,增强机体抗氧化和免疫水平,有利于肠道健康和猪肉品质的改善[3]。发酵饲料未来的发展趋势主要集中在特色发酵菌种的选育、发酵机制和工艺方面的深入探究、发酵饲料数据库建立、产品安全评价和饲喂体系构建等方面。

2 发酵对饲料品质的改善作用及机制

优质的发酵菌种是生产发酵饲料的关键。目前应用较多的发酵菌种包括芽孢杆菌、乳酸菌和真菌。芽孢杆菌和真菌可将大分子物质分解,改变饲料微观结构,降解抗营养因子,从而提升饲料的营养价值。原因在于这些发酵菌种可通过分泌蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶和脂肪酶等胞外酶,可将蛋白质、淀粉、纤维素和脂肪等大分子有机物降解为较易吸收的小肽、氨基酸、低聚糖和脂肪酸等[4]。乳酸菌、丁酸梭菌和酵母等可通过产生有机酸、短链脂肪酸和细菌素,来降低发酵底物的pH,改善饲料适口性,抑制有害菌增殖和延长饲料贮存时间[5]。部分乳酸菌还可以产生抗氧化酶、γ-氨基丁酸和花青素等代谢产物,提高饲料抗氧化和益生功能。另外,酵母菌体结构细胞壁、细胞内容物等具有改善动物抗氧化和免疫功能等多重功效[6]。

益生菌发酵可以通过提高饲料氨基酸、脂肪酸、风味物质含量和生物酶活性等来改善饲料营养价值。此外,发酵条件也对发酵品质至关重要,合适的发酵条件可以避免杂菌污染和霉变。本团队使用芽孢杆菌和乳酸菌发酵玉米、豆粕、大豆皮和麸皮混合饲料,发现饲料中不饱和脂肪酸的含量显著提高,饱和脂肪酸的含量显著减少,谷胱甘肽和叶酸等抗氧化物质含量分别显著增加了60.00%和106.63%,超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)及过氧化氢酶(CAT)等抗氧化酶活性分别显著提升了45.60%、8.65%和9.44%,同时粗蛋白质、干物质、异亮氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、缬氨酸等必需氨基酸及丙氨酸、谷氨酸、酪氨酸、甘氨酸等非必需氨基酸的体外消化率均显著提高,其中蛋氨酸和苯丙氨酸的体外消化率提高超过10%[7]。冯鑫等[8]利用混合益生菌发酵棉籽粕,使棉籽粕粗蛋白质含量增加,纤维含量降低,游离棉酚的含量显著降低了75.39%,酸性蛋白酶、中性蛋白酶和木聚糖酶活性分别显著提高了44.25%、181.08%和65.00%。本团队使用芽孢杆菌和乳酸杆菌发酵黄酒糟,其纤维素含量显著降低了37.85%,小肽和总氨基酸含量显著提高了23.08%和12.20%,真蛋白、总能和总氨基酸的体外消化率分别显著提高了12.38%、9.95%和21.13%,同时改善了脂肪酸组成[9]。伏晓玉等[10]研究发现,混菌发酵使构树叶中的单宁含量显著降低了60%以上,大分子蛋白质降解为氨基酸、小肽,粗纤维降解产生芳香族物质。此外,崔艺燕等[11]研究康宁木霉发酵茶渣,发现发酵后茶渣粗蛋白质、必需氨基酸、风味氨基酸、还原糖和黄酮含量分别显著提高了28.52%、185.64%、202.82%、211.03%和69.17%,纤维含量明显降低。

饲料发酵过程中,微生物区系变化引起饲料理化性质和代谢产物的变化,最终影响饲料品质。Park等[12]采用不同菌种发酵大豆发现,细菌发酵主要产生含硫挥发物和脂肪酸衍生挥发物(如醇和酮);真菌发酵则会产生苯丙氨酸衍生的挥发性产物(如醛、酯和乙酸盐)。本团队发现枯草芽孢杆菌、植物乳杆菌、酿酒酵母和植酸酶协同发酵米糠粕过程中,微生物通过糖酵解、磷酸戊糖、三羧酸循环和脂肪酸合成等代谢途径参与米糠粕碳水化合物的降解,以及氨基酸、不饱和脂肪酸和核苷酸的合成[13]。此外,本团队还发现枯草芽孢杆菌和乳酸菌发酵玉米、豆粕和黄酒糟复合饲料过程中纤维于8~12 h发生降解,蛋白质于12~24 h降解;分泌的生物酶主要有中性蛋白酶、木聚糖苷酶和β-葡聚糖内切酶等;芽孢杆菌在好氧发酵的前12 h快速增殖,抑制了饲料中有害菌增殖,降低了饲料中菌群多样性,而厌氧发酵增加了乳酸菌等有益菌数量,显著提高了饲料菌群多样性,芽孢杆菌和乳酸菌是发酵过程中的优势菌属,生物信息分析发现,环境信息处理和细胞处理是发酵过程中微生物发挥作用的主要代谢功能[14]。

3 发酵饲料对猪肉品质的影响及调控机制

3.1 猪肉品质及其形成影响关键因素

猪肉品质主要包括感官品质、营养品质以及加工品质和卫生质量[15]。其中,感官品质主要是消费者的视觉、味觉、嗅觉和触觉对肉的综合感受,评价指标包括肉色、系水力、风味、肌肉pH、大理石纹、嫩度、多汁性等。肉色与机体抗氧化能力、pH和肌纤维类型密切相关。在一定范围内,猪肉pH又与肉色评分呈正相关[16]。嫩度和系水力则与pH和IMF含量有关。猪肉风味物质主要包含脂肪酸、核苷酸、呈味氨基酸和鲜味肽等[17]。营养品质主要指肉的营养价值,包括氨基酸、脂质(如脂肪酸)、矿物质、维生素等营养物质的含量和组成,与人们的膳食营养和健康密切相关。

IMF是影响猪肉品质的重要因素。IMF与猪肉感官品质密切相关,其分布与数量决定了大理石纹评分;同时,IMF的增加有助于改善猪肉的风味和多汁性,可改善猪肉的嫩度和风味等[18]。肌束间分布的脂肪(肌间脂肪)可有效降低肌纤维密度,合适的脂肪含量利于猪肉系水力和多汁性。在肉品风味方面,肌肉中的脂肪可为大多数挥发性风味物质提供反应前体物质,直接影响挥发性风味物质的种类和含量。IMF沉积主要受品种、环境、营养等因素影响。本团队通过比较不同猪种的IMF发现,180日龄金华猪背最长肌和腰大肌IMF含量分别为3.42%和3.58%,显著高于长白猪的2.28%和2.59%(占鲜重)[19]。Zhang等[20]研究表明,金华猪肝脏、背最长肌组织的蛋白酶体亚单位α6(PSMA6)基因表达水平显著高于巴克夏猪,且PSMA6基因在这些组织的mRNA表达量与IMF含量呈显著正相关,可促进脂肪前体细胞增殖和脂肪生成。本团队通过分析金华猪和长白猪背最长肌的基因表达谱发现,猪差异基因FLJ36031(pFLJ)可能通过调节脂肪合成相关基因如脂肪酸合成酶、乙酰辅酶A羧化酶、甘油三酯脂肪酶和激素敏感脂肪酶的表达,进而调控机体脂肪沉积[21]。Chen等[22]研究表明,莱芜猪小RNA-331-3p(miR-331-3p)在肝脏、肌肉和背部脂肪中的表达较高,其可以作为脂肪细胞增殖分化和脂肪酸代谢的调节因子,抑制细胞增殖并促进前脂肪细胞分化。Wang等[23]通过对猪IMF进行全基因组关联分析,发现轴突导向因子1(NTN1)基因可以调节成肌细胞的增殖和分化,在IMF形成过程中起重要作用。

肌纤维是决定猪肉品质另一关键因素,肌纤维类型与组成影响猪肉的肉色、pH、系水力及嫩度,同时对风味也有一定影响[24]。肌纤维可分为氧化性肌纤维(Ⅰ型、Ⅱa型)和酵解型肌纤维(Ⅱx型和Ⅱb型)。氧化型肌纤维的肌红蛋白含量显著高于酵解型肌纤维。因此,氧化型肌纤维比例高的肌肉颜色鲜红,肉色评分较高,猪肉表现出更好的感官品质[25]。研究表明,猪背最长肌MyHC Ⅰ基因可抑制肌肉氧化应激,增加氧化型肌纤维比例,并通过氧化物酶体增殖激活受体α(PPARα)增强脂肪酸氧化,从而改善肉质[25]。本团队研究发现,与长白猪相比,金华猪背最长肌含有更多的Ⅰ型、Ⅱa氧化型肌纤维和较低的Ⅱb型酵解型肌纤维含量,在长白猪背最长肌中细胞外调节蛋白激酶(ERK)表达量显著高于金华猪;超表达ERK后,显著降低Ⅰ型氧化型肌纤维含量,提高酵解型肌纤维含量,表明ERK信号通路在调控肌纤维类型转化过程中发挥了重要作用[26]。在肌管中,小RNA-22-3P(miR-22-3p)和腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)/细胞沉默调节蛋白1(Sirt1)/过氧化物酶体增殖活化受体γ辅助活化因子-1α(PGC-1α)途径可促进肌纤维类型从快肌纤维到慢肌纤维的转化[27]。线粒体及糖、脂代谢相关基因,如AMPKα1、Sirt1、PGC-1α、线粒体转录因子A(TFAM)、线粒体转录因子B1(TFB1M)、细胞色素(Cytc)、ATP合酶脂质结合蛋白(ATP5G)、肉毒碱棕榈酰基转移酶-1B(CPT-1B)和氧化物酶体增殖激活受体δ(PPARδ)等,可增加猪背最长肌琥珀酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶活性,降低乳酸脱氢酶活性,从而实现肌纤维型从快肌纤维到慢肌纤维的转变[28]。

此外,肠道微生物也与猪肉品质密切相关。Chen等[29]研究报道,猪肠道普氏菌属中的Prevotella copri可通过Toll样受体4(TLR4)和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号通路上调与脂肪生成和脂肪积累相关基因的表达,抑制脂肪分解、脂质转运和肌肉生长相关基因的表达。Qi等[30]发现,黑猪肠道丁酸梭菌含量与IMF含量呈正相关,肠道丁酸球菌属(Butyricicoccus)、真杆菌属(Eubacterium)、考拉杆菌属(Phascolarctobacterium)和原杆菌属(Oribacterium)含量与腹部脂肪和甘油三酯脂肪酶的mRNA表达量呈显著负相关;其中真杆菌属(Eubacterium)属于梭状芽胞杆菌群ⅩⅣa,其主要功能包括多糖发酵和胆汁酸脱羟基等,对肥胖和相关代谢紊乱发展具有潜在的调控作用。Fang等[31]在二花脸和巴马香猪肠道微生物的研究中,采用关联分析确定了119个与IMF含量显著相关的操作分类单元(OTU),其中瘤胃球菌属(Ruminococcus)、普氏菌属(Prevotella)和密螺旋体属(Treponema)等在多糖和氨基酸代谢中发挥着重要作用,与IMF生成、腹部脂肪和背膘的沉积相关。上述结果表明,猪肠道内特定的微生物可能通过参与机体能量代谢,调控脂肪沉积和猪肉品质形成。

3.2 发酵饲料对猪肉营养品质的影响及机制

饲料营养对猪肉营养品质的调控起关键作用[7]。黄小乘等[32]研究发现,使用酵母菌、康氏木霉、白腐菌和非淀粉多糖酶发酵的秸秆微贮饲料饲喂育肥猪后,背最长肌中粗蛋白质含量显著提高了4.73%。Qiu等[33]研究报道,酿酒酵母、枯草芽孢杆菌和乳酸菌发酵的玉米-豆粕型饲粮可能通过提高饲粮中粗蛋白质和氨基酸含量增加猪肉的蛋白质含量。韩启春[34]发现,8种菌发酵的玉米-豆粕型饲粮饲喂的猪,其肉中蛋白质含量有增长的趋势。Lu等[35]发现,10%乳酸菌、梭菌和双歧杆菌发酵的玉米-豆粕型饲粮饲喂生长育肥猪后,背最长肌中天冬氨酸、谷氨酸、丙氨酸等芳香族氨基酸的含量分别显著提高了2.21%、3.08%和0.93%。Xu等[16]发现,10%酒曲发酵小麦酒精糟使猪肉必需氨基酸、非必需氨基酸和总氨基酸含量分别显著增加了5.57%、5.45%和5.50%,进而提高猪肉的营养价值。本团队研究发现,8%枯草芽孢杆菌和戊糖片球菌发酵的玉米-豆粕饲粮可显著提高猪肉的IMF、必需氨基酸(缬氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、赖氨酸)含量,亚油酸、油酸、亚麻酸、花生四烯酸含量分别显著提高了14.86%、3.99%、34.48%和20.69%[7]。Tang等[17]发现,植物乳杆菌、枯草芽孢杆菌、产脘假丝酵母和黑曲霉菌发酵的全价饲粮饲喂育肥猪后,使背最长肌中油酸、亚油酸、花生四烯酸、总不饱和脂肪酸含量分别显著提高了5.23%、5.16%、11.76%和5.41%,降低总饱和脂肪酸(SFA)含量。Fang等[36]研究也发现,苹果渣青贮料饲喂后,育肥猪背膘中碳18~碳20的多不饱和脂肪酸含量显著提高了14.62%。上述结果表明,发酵饲料在提升猪肉的营养品质方面有比较重要的作用。

发酵饲料在改善猪肉营养品质方面发挥比较重要的作用,其机制可能是发酵饲料能提高饲料蛋白质、氨基酸和脂肪酸等营养水平,增加育肥猪采食量,提高饲料消化率,改善猪肉蛋白质与脂肪的沉积,从而提高猪肉中粗蛋白质、氨基酸、粗脂肪和脂肪酸等营养成分的含量[32]。此外,发酵饲料中益生菌及其代谢产物如乳酸、乙酸的增加也可能是引起猪肉营养沉积和脂质代谢变化的原因。Lin等[37]研究表明,6%发酵乳杆菌、枯草芽孢杆菌和酿酒酵母发酵玉米芯饲喂后,可显著提高育肥猪的采食量、日增重和养分消化率,降低料重比,显著改善肉色、IMF含量和猪肉脂肪酸组成,显著提高育肥猪肠道乳酸菌含量,并降低肠杆菌丰度。He等[38]发现,5%的枯草芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌和乳酸菌发酵麦麸饲喂生长育肥猪后,其日增重提高,料重比降低,免疫功能得到改善,肠道链球菌属(Streptococcus)丰度显著降低,毛螺菌科(Lachnospiraceae)、苏黎世杆菌属(Turicibacter)丰度显著提高。由此可见,发酵饲料也可能通过调控肠道微生物,提高育肥猪生长性能、血清抗氧化和免疫功能等,进而提高猪肉品质,但发酵饲料通过肠道微生物对猪肉的直接调控作用还有待深入研究。

3.3 发酵饲料对猪肉感官品质的影响及机制

发酵饲料对肉色和大理石纹、抗氧化和系水力及风味物质等猪肉感官指标也有较为明显的改善作用。本团队通过对发酵原料(大豆蛋白、苹果渣、燕麦、玉米、小麦、豆粕、柿子壳、苹果饲料、马铃薯浆、菜籽粕、小麦酒精糟、银杏)、发酵添加剂(中草药、大蒜粉、红参粉、小球藻)和3 562头猪的饲养试验发表的30余篇文献结果进行Meta分析发现,发酵饲料可以显著改善猪肉感官品质,包括猪肉亮度(标准均差0.4,置信区间0.04,0.7)、红度(标准均差0.7,置信区间0.1,1.2)、大理石花纹(标准均差2.1,置信区间1.2,3.0)以及风味,经过剂量效应分析,发酵原料和发酵添加剂的最优剂量分别为8%和0.15%[39]。本团队进一步研究表明,饲喂8%枯草芽孢杆菌和戊糖片球菌发酵的玉米-豆粕饲粮使猪肉眼肌面积、肉色红度和大理石评分分别显著增加了16.62%、9.12%和50.49%[7]。此外,Lu等[35]发现,10%乳酸菌、梭菌和双歧杆菌发酵的玉米-豆粕型饲粮饲喂后,使生长育肥猪背最长肌红度与黄度值显著提高了12.24%和43.99%,色泽更加鲜红亮泽。

Lu等[35]研究表明,10%乳酸菌、梭菌和双歧杆菌发酵的玉米-豆粕型饲粮饲喂生长育肥猪可以显著降低背最长肌滴水损失和剪切力,提高猪肉系水力和嫩度。任向蕾等[40]采用10%芽孢杆菌、粪肠球菌和嗜酸乳杆菌发酵玉米-豆粕型饲粮饲喂后,育肥猪后腿肉总抗氧化能力、SOD和GSH-Px活性分别显著提高了51.90%、32.51%和29.63%,滴水损失显著降低29.80%。本团队使用8%戊糖片球菌和芽孢杆菌发酵玉米-豆粕型饲粮饲喂育肥猪后,猪肉中SOD和GSH-Px活性分别显著提高了22.29%和21.10%,组织脂质过氧化物含量显著降低,滴水损失和剪切力分别显著降低了20.96%和10.64%,从而改善猪血清和肌肉的抗氧化能力,提高猪肉嫩度和系水力[7]。朱坤等[41]研究发现,唾液乳杆菌、枯草芽孢杆菌和酿酒酵母发酵全价饲料饲喂育肥猪后,显著提高了其血清中黄嘌呤、丁子香酚、丙烯酤胺和对-香豆酸等代谢产物的含量,改善猪肉的抗氧化能力,并使剪切力显著降低了6.38%,提高了猪肉嫩度。

本团队研究发现,8%枯草芽孢杆菌和戊糖片球菌发酵的玉米-豆粕饲粮饲喂育肥猪后,可以显著提高背最长肌中不饱和脂肪酸(花生四烯酸、亚油酸、油酸、亚麻酸)、鲜味氨基酸(谷氨酸、天冬酰胺、苏氨酸、丝氨酸、丙氨酸、甘氨酸)、醇类物质(异辛醇、壬醇)、醛类物质(壬醛、辛醛、庚醛、己醛、苯甲醛)及酮类物质(3-羟基-2丁酮、苯乙酮、甲基庚烯酮)等风味物质的含量[7]。黄小乘等[32]研究也表明,酵母菌、康氏木霉、白腐菌和非淀粉多糖酶发酵秸杆饲粮饲喂后,使育肥猪背最长肌的呈味氨基酸如甘氨酸、脯氨酸、丙氨酸以及棕榈酸、亚油酸含量分别显著提高了8.20%、14.33%、10.44%、3.54%和54.11%,改善了猪肉风味。宋博等[42]研究报道,10%酵母菌、乳酸菌和纤维素酶发酵的构树饲粮饲喂育肥猪,使猪背最长肌中组氨酸、精氨酸、甘氨酸、牛磺酸和β-氨基异丁酸等含量分别显著提高了45.20%、30.87%、43.00%、20.64%和40.52%。任向蕾等[40]采用电子鼻分析和感官评定发现,10%芽孢杆菌、粪肠球菌和嗜酸乳杆菌发酵玉米-豆粕型饲粮饲喂后,可以提高育肥猪后腿肉中脂肪族化合物的含量,并使嫩度、风味和多汁感评分分别显著提高了6.26%、5.73%和15.01%。上述研究结果提示,发酵饲料具有改善猪肉风味的功能。

发酵饲料调控猪肉感官品质的机制可能是有机酸促进了胃液的分泌,并提高肌红蛋白与铁的结合,改善肉色、嫩度和系水力等[41]。此外,饲料发酵后鲜味氨基酸、肌苷酸、有机酸和挥发性物质等风味物质含量提高,从而有利于改善猪肉中各种呈味物质,进而提升肉品风味。同时,发酵饲料中含有的具有抗氧化能力的益生菌如乳酸菌、小肽和抗氧化酶等,增强了机体和猪肉的抗氧化能力。发酵饲料对IMF沉积调控可能是通过调节育肥猪脂肪中氧化物酶体增殖激活受体γ(PPARγ)的表达来实现的[34];对肌纤维发育及类型调控的可能机制是增加胰岛素/蛋白激酶B(AKT)/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白1(mTORC1)蛋白合成级联反应和激活肌肉萎缩因子(MAFbx)/叉头转录因子1(Foxo1)途径,以及对核糖体蛋白、肌肉收缩和肌肉肥大相关蛋白的调节[33]。

4 小结

发酵饲料可以提供益生菌、氨基酸、风味物质、抗氧化酶等,提高饲料营养价值,进而改善猪肉感官和营养品质,在优质安全猪肉生产中发挥着比较重要的作用。不同的发酵菌种、发酵形式和条件可能对猪肉品质和风味的改善有着不同程度的影响,但目前发酵饲料如何调控猪肉品质和风味的机制研究尚不深入。同时发酵饲料还存在评价体系不完善、产品品质检测不全面、发酵机制不明确等问题。未来,发酵饲料研究将主要围绕特色发酵菌种选育、活性代谢产物挖掘、优质猪肉生产、生产工艺标准化和安全性评价与产品质量评估标准建立等方向重点展开。

肉品质和风味[1]。因此,使用发酵饲料可能是优质猪肉生产比较便捷的一个举措。

1.发酵饲料的现状

目前,我国发酵饲料产业快速发展,从事发酵饲料的企业已超1 000家,2025年产量将达到约4 000万t,未来5年产值将超1 000亿元[2]。在PubMed数据库中以“Fermented feed”为关键词搜索,相关研究文献已经从2000年的92篇增长到2021年的841篇,表明发酵饲料关注度和研发热度的快速提升。虽然发酵饲料生产经历了一段发酵菌种和原料混杂,发酵条件不明确和发酵产品质量参差不齐的时期,但随着国家和行业出台相应政策和标准,行业和市场发展逐渐走向了有序和规范化。2018年1月1日,我国发布生物饲料领域第1个团体标准——《生物饲料产品分类》,随后《哺乳母猪用菌酶协同发酵饲料》、《生长育肥猪用菌酶协同发酵饲料》、《饲料原料——酵母水解物》和《饲料添加剂——丁酸梭菌》等与发酵饲料有关的12个团体标准发布。2021年11月,农业农村部办公厅印发《直接饲喂微生物和发酵制品生产菌株鉴定及其安全性评价指南》的通知。这些政策和标准的建立对我国发酵饲料行业的规范和健康发展起到了重要的推动作用。

目前发酵饲料主要包括单一饲料原料发酵和混合饲料发酵,发酵原料的选择从常规饲料原料(玉米、豆粕、菜籽粕、棉籽粕等),逐渐发展到非常规低值原料(玉米胚芽粕、米糠粕、酒糟、茶渣、构树叶等)。发酵根据添加水分比例可分为固态发酵和液态发酵,根据氧需要量可分为好氧、厌氧和兼性厌氧发酵,根据发酵剂配伍可以分为单菌、混菌和菌酶协同发酵。益生菌发酵可以降解饲料中抗营养因子含量,提供有益代谢产物,提高养分利用率,调节肠道微生态平衡,增强机体抗氧化和免疫水平,有利于肠道健康和猪肉品质的改善[3]。发酵饲料未来的发展趋势主要集中在特色发酵菌种的选育、发酵机制和工艺方面的深入探究、发酵饲料数据库建立、产品安全评价和饲喂体系构建等方面。

2 发酵对饲料品质的改善作用及机制

优质的发酵菌种是生产发酵饲料的关键。目前应用较多的发酵菌种包括芽孢杆菌、乳酸菌和真菌。芽孢杆菌和真菌可将大分子物质分解,改变饲料微观结构,降解抗营养因子,从而提升饲料的营养价值。原因在于这些发酵菌种可通过分泌蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶和脂肪酶等胞外酶,可将蛋白质、淀粉、纤维素和脂肪等大分子有机物降解为较易吸收的小肽、氨基酸、低聚糖和脂肪酸等[4]。乳酸菌、丁酸梭菌和酵母等可通过产生有机酸、短链脂肪酸和细菌素,来降低发酵底物的pH,改善饲料适口性,抑制有害菌增殖和延长饲料贮存时间[5]。部分乳酸菌还可以产生抗氧化酶、γ-氨基丁酸和花青素等代谢产物,提高饲料抗氧化和益生功能。另外,酵母菌体结构细胞壁、细胞内容物等具有改善动物抗氧化和免疫功能等多重功效[6]。

益生菌发酵可以通过提高饲料氨基酸、脂肪酸、风味物质含量和生物酶活性等来改善饲料营养价值。此外,发酵条件也对发酵品质至关重要,合适的发酵条件可以避免杂菌污染和霉变。本团队使用芽孢杆菌和乳酸菌发酵玉米、豆粕、大豆皮和麸皮混合饲料,发现饲料中不饱和脂肪酸的含量显著提高,饱和脂肪酸的含量显著减少,谷胱甘肽和叶酸等抗氧化物质含量分别显著增加了60.00%和106.63%,超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)及过氧化氢酶(CAT)等抗氧化酶活性分别显著提升了45.60%、8.65%和9.44%,同时粗蛋白质、干物质、异亮氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、缬氨酸等必需氨基酸及丙氨酸、谷氨酸、酪氨酸、甘氨酸等非必需氨基酸的体外消化率均显著提高,其中蛋氨酸和苯丙氨酸的体外消化率提高超过10%[7]。冯鑫等[8]利用混合益生菌发酵棉籽粕,使棉籽粕粗蛋白质含量增加,纤维含量降低,游离棉酚的含量显著降低了75.39%,酸性蛋白酶、中性蛋白酶和木聚糖酶活性分别显著提高了44.25%、181.08%和65.00%。本团队使用芽孢杆菌和乳酸杆菌发酵黄酒糟,其纤维素含量显著降低了37.85%,小肽和总氨基酸含量显著提高了23.08%和12.20%,真蛋白、总能和总氨基酸的体外消化率分别显著提高了12.38%、9.95%和21.13%,同时改善了脂肪酸组成[9]。伏晓玉等[10]研究发现,混菌发酵使构树叶中的单宁含量显著降低了60%以上,大分子蛋白质降解为氨基酸、小肽,粗纤维降解产生芳香族物质。此外,崔艺燕等[11]研究康宁木霉发酵茶渣,发现发酵后茶渣粗蛋白质、必需氨基酸、风味氨基酸、还原糖和黄酮含量分别显著提高了28.52%、185.64%、202.82%、211.03%和69.17%,纤维含量明显降低。

饲料发酵过程中,微生物区系变化引起饲料理化性质和代谢产物的变化,最终影响饲料品质。Park等[12]采用不同菌种发酵大豆发现,细菌发酵主要产生含硫挥发物和脂肪酸衍生挥发物(如醇和酮);真菌发酵则会产生苯丙氨酸衍生的挥发性产物(如醛、酯和乙酸盐)。本团队发现枯草芽孢杆菌、植物乳杆菌、酿酒酵母和植酸酶协同发酵米糠粕过程中,微生物通过糖酵解、磷酸戊糖、三羧酸循环和脂肪酸合成等代谢途径参与米糠粕碳水化合物的降解,以及氨基酸、不饱和脂肪酸和核苷酸的合成[13]。此外,本团队还发现枯草芽孢杆菌和乳酸菌发酵玉米、豆粕和黄酒糟复合饲料过程中纤维于8~12 h发生降解,蛋白质于12~24 h降解;分泌的生物酶主要有中性蛋白酶、木聚糖苷酶和β-葡聚糖内切酶等;芽孢杆菌在好氧发酵的前12 h快速增殖,抑制了饲料中有害菌增殖,降低了饲料中菌群多样性,而厌氧发酵增加了乳酸菌等有益菌数量,显著提高了饲料菌群多样性,芽孢杆菌和乳酸菌是发酵过程中的优势菌属,生物信息分析发现,环境信息处理和细胞处理是发酵过程中微生物发挥作用的主要代谢功能[14]。

3 发酵饲料对猪肉品质的影响及调控机制

3.1 猪肉品质及其形成影响关键因素

猪肉品质主要包括感官品质、营养品质以及加工品质和卫生质量[15]。其中,感官品质主要是消费者的视觉、味觉、嗅觉和触觉对肉的综合感受,评价指标包括肉色、系水力、风味、肌肉pH、大理石纹、嫩度、多汁性等。肉色与机体抗氧化能力、pH和肌纤维类型密切相关。在一定范围内,猪肉pH又与肉色评分呈正相关[16]。嫩度和系水力则与pH和IMF含量有关。猪肉风味物质主要包含脂肪酸、核苷酸、呈味氨基酸和鲜味肽等[17]。营养品质主要指肉的营养价值,包括氨基酸、脂质(如脂肪酸)、矿物质、维生素等营养物质的含量和组成,与人们的膳食营养和健康密切相关。

IMF是影响猪肉品质的重要因素。IMF与猪肉感官品质密切相关,其分布与数量决定了大理石纹评分;同时,IMF的增加有助于改善猪肉的风味和多汁性,可改善猪肉的嫩度和风味等[18]。肌束间分布的脂肪(肌间脂肪)可有效降低肌纤维密度,合适的脂肪含量利于猪肉系水力和多汁性。在肉品风味方面,肌肉中的脂肪可为大多数挥发性风味物质提供反应前体物质,直接影响挥发性风味物质的种类和含量。IMF沉积主要受品种、环境、营养等因素影响。本团队通过比较不同猪种的IMF发现,180日龄金华猪背最长肌和腰大肌IMF含量分别为3.42%和3.58%,显著高于长白猪的2.28%和2.59%(占鲜重)[19]。Zhang等[20]研究表明,金华猪肝脏、背最长肌组织的蛋白酶体亚单位α6(PSMA6)基因表达水平显著高于巴克夏猪,且PSMA6基因在这些组织的mRNA表达量与IMF含量呈显著正相关,可促进脂肪前体细胞增殖和脂肪生成。本团队通过分析金华猪和长白猪背最长肌的基因表达谱发现,猪差异基因FLJ36031(pFLJ)可能通过调节脂肪合成相关基因如脂肪酸合成酶、乙酰辅酶A羧化酶、甘油三酯脂肪酶和激素敏感脂肪酶的表达,进而调控机体脂肪沉积[21]。Chen等[22]研究表明,莱芜猪小RNA-331-3p(miR-331-3p)在肝脏、肌肉和背部脂肪中的表达较高,其可以作为脂肪细胞增殖分化和脂肪酸代谢的调节因子,抑制细胞增殖并促进前脂肪细胞分化。Wang等[23]通过对猪IMF进行全基因组关联分析,发现轴突导向因子1(NTN1)基因可以调节成肌细胞的增殖和分化,在IMF形成过程中起重要作用。

肌纤维是决定猪肉品质另一关键因素,肌纤维类型与组成影响猪肉的肉色、pH、系水力及嫩度,同时对风味也有一定影响[24]。肌纤维可分为氧化性肌纤维(Ⅰ型、Ⅱa型)和酵解型肌纤维(Ⅱx型和Ⅱb型)。氧化型肌纤维的肌红蛋白含量显著高于酵解型肌纤维。因此,氧化型肌纤维比例高的肌肉颜色鲜红,肉色评分较高,猪肉表现出更好的感官品质[25]。研究表明,猪背最长肌MyHC Ⅰ基因可抑制肌肉氧化应激,增加氧化型肌纤维比例,并通过氧化物酶体增殖激活受体α(PPARα)增强脂肪酸氧化,从而改善肉质[25]。本团队研究发现,与长白猪相比,金华猪背最长肌含有更多的Ⅰ型、Ⅱa氧化型肌纤维和较低的Ⅱb型酵解型肌纤维含量,在长白猪背最长肌中细胞外调节蛋白激酶(ERK)表达量显著高于金华猪;超表达ERK后,显著降低Ⅰ型氧化型肌纤维含量,提高酵解型肌纤维含量,表明ERK信号通路在调控肌纤维类型转化过程中发挥了重要作用[26]。在肌管中,小RNA-22-3P(miR-22-3p)和腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)/细胞沉默调节蛋白1(Sirt1)/过氧化物酶体增殖活化受体γ辅助活化因子-1α(PGC-1α)途径可促进肌纤维类型从快肌纤维到慢肌纤维的转化[27]。线粒体及糖、脂代谢相关基因,如AMPKα1、Sirt1、PGC-1α、线粒体转录因子A(TFAM)、线粒体转录因子B1(TFB1M)、细胞色素(Cytc)、ATP合酶脂质结合蛋白(ATP5G)、肉毒碱棕榈酰基转移酶-1B(CPT-1B)和氧化物酶体增殖激活受体δ(PPARδ)等,可增加猪背最长肌琥珀酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶活性,降低乳酸脱氢酶活性,从而实现肌纤维型从快肌纤维到慢肌纤维的转变[28]。

此外,肠道微生物也与猪肉品质密切相关。Chen等[29]研究报道,猪肠道普氏菌属中的Prevotella copri可通过Toll样受体4(TLR4)和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号通路上调与脂肪生成和脂肪积累相关基因的表达,抑制脂肪分解、脂质转运和肌肉生长相关基因的表达。Qi等[30]发现,黑猪肠道丁酸梭菌含量与IMF含量呈正相关,肠道丁酸球菌属(Butyricicoccus)、真杆菌属(Eubacterium)、考拉杆菌属(Phascolarctobacterium)和原杆菌属(Oribacterium)含量与腹部脂肪和甘油三酯脂肪酶的mRNA表达量呈显著负相关;其中真杆菌属(Eubacterium)属于梭状芽胞杆菌群ⅩⅣa,其主要功能包括多糖发酵和胆汁酸脱羟基等,对肥胖和相关代谢紊乱发展具有潜在的调控作用。Fang等[31]在二花脸和巴马香猪肠道微生物的研究中,采用关联分析确定了119个与IMF含量显著相关的操作分类单元(OTU),其中瘤胃球菌属(Ruminococcus)、普氏菌属(Prevotella)和密螺旋体属(Treponema)等在多糖和氨基酸代谢中发挥着重要作用,与IMF生成、腹部脂肪和背膘的沉积相关。上述结果表明,猪肠道内特定的微生物可能通过参与机体能量代谢,调控脂肪沉积和猪肉品质形成。

3.2 发酵饲料对猪肉营养品质的影响及机制

饲料营养对猪肉营养品质的调控起关键作用[7]。黄小乘等[32]研究发现,使用酵母菌、康氏木霉、白腐菌和非淀粉多糖酶发酵的秸秆微贮饲料饲喂育肥猪后,背最长肌中粗蛋白质含量显著提高了4.73%。Qiu等[33]研究报道,酿酒酵母、枯草芽孢杆菌和乳酸菌发酵的玉米-豆粕型饲粮可能通过提高饲粮中粗蛋白质和氨基酸含量增加猪肉的蛋白质含量。韩启春[34]发现,8种菌发酵的玉米-豆粕型饲粮饲喂的猪,其肉中蛋白质含量有增长的趋势。Lu等[35]发现,10%乳酸菌、梭菌和双歧杆菌发酵的玉米-豆粕型饲粮饲喂生长育肥猪后,背最长肌中天冬氨酸、谷氨酸、丙氨酸等芳香族氨基酸的含量分别显著提高了2.21%、3.08%和0.93%。Xu等[16]发现,10%酒曲发酵小麦酒精糟使猪肉必需氨基酸、非必需氨基酸和总氨基酸含量分别显著增加了5.57%、5.45%和5.50%,进而提高猪肉的营养价值。本团队研究发现,8%枯草芽孢杆菌和戊糖片球菌发酵的玉米-豆粕饲粮可显著提高猪肉的IMF、必需氨基酸(缬氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、赖氨酸)含量,亚油酸、油酸、亚麻酸、花生四烯酸含量分别显著提高了14.86%、3.99%、34.48%和20.69%[7]。Tang等[17]发现,植物乳杆菌、枯草芽孢杆菌、产脘假丝酵母和黑曲霉菌发酵的全价饲粮饲喂育肥猪后,使背最长肌中油酸、亚油酸、花生四烯酸、总不饱和脂肪酸含量分别显著提高了5.23%、5.16%、11.76%和5.41%,降低总饱和脂肪酸(SFA)含量。Fang等[36]研究也发现,苹果渣青贮料饲喂后,育肥猪背膘中碳18~碳20的多不饱和脂肪酸含量显著提高了14.62%。上述结果表明,发酵饲料在提升猪肉的营养品质方面有比较重要的作用。

发酵饲料在改善猪肉营养品质方面发挥比较重要的作用,其机制可能是发酵饲料能提高饲料蛋白质、氨基酸和脂肪酸等营养水平,增加育肥猪采食量,提高饲料消化率,改善猪肉蛋白质与脂肪的沉积,从而提高猪肉中粗蛋白质、氨基酸、粗脂肪和脂肪酸等营养成分的含量[32]。此外,发酵饲料中益生菌及其代谢产物如乳酸、乙酸的增加也可能是引起猪肉营养沉积和脂质代谢变化的原因。Lin等[37]研究表明,6%发酵乳杆菌、枯草芽孢杆菌和酿酒酵母发酵玉米芯饲喂后,可显著提高育肥猪的采食量、日增重和养分消化率,降低料重比,显著改善肉色、IMF含量和猪肉脂肪酸组成,显著提高育肥猪肠道乳酸菌含量,并降低肠杆菌丰度。He等[38]发现,5%的枯草芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌和乳酸菌发酵麦麸饲喂生长育肥猪后,其日增重提高,料重比降低,免疫功能得到改善,肠道链球菌属(Streptococcus)丰度显著降低,毛螺菌科(Lachnospiraceae)、苏黎世杆菌属(Turicibacter)丰度显著提高。由此可见,发酵饲料也可能通过调控肠道微生物,提高育肥猪生长性能、血清抗氧化和免疫功能等,进而提高猪肉品质,但发酵饲料通过肠道微生物对猪肉的直接调控作用还有待深入研究。

3.3 发酵饲料对猪肉感官品质的影响及机制

发酵饲料对肉色和大理石纹、抗氧化和系水力及风味物质等猪肉感官指标也有较为明显的改善作用。本团队通过对发酵原料(大豆蛋白、苹果渣、燕麦、玉米、小麦、豆粕、柿子壳、苹果饲料、马铃薯浆、菜籽粕、小麦酒精糟、银杏)、发酵添加剂(中草药、大蒜粉、红参粉、小球藻)和3 562头猪的饲养试验发表的30余篇文献结果进行Meta分析发现,发酵饲料可以显著改善猪肉感官品质,包括猪肉亮度(标准均差0.4,置信区间0.04,0.7)、红度(标准均差0.7,置信区间0.1,1.2)、大理石花纹(标准均差2.1,置信区间1.2,3.0)以及风味,经过剂量效应分析,发酵原料和发酵添加剂的最优剂量分别为8%和0.15%[39]。本团队进一步研究表明,饲喂8%枯草芽孢杆菌和戊糖片球菌发酵的玉米-豆粕饲粮使猪肉眼肌面积、肉色红度和大理石评分分别显著增加了16.62%、9.12%和50.49%[7]。此外,Lu等[35]发现,10%乳酸菌、梭菌和双歧杆菌发酵的玉米-豆粕型饲粮饲喂后,使生长育肥猪背最长肌红度与黄度值显著提高了12.24%和43.99%,色泽更加鲜红亮泽。

Lu等[35]研究表明,10%乳酸菌、梭菌和双歧杆菌发酵的玉米-豆粕型饲粮饲喂生长育肥猪可以显著降低背最长肌滴水损失和剪切力,提高猪肉系水力和嫩度。任向蕾等[40]采用10%芽孢杆菌、粪肠球菌和嗜酸乳杆菌发酵玉米-豆粕型饲粮饲喂后,育肥猪后腿肉总抗氧化能力、SOD和GSH-Px活性分别显著提高了51.90%、32.51%和29.63%,滴水损失显著降低29.80%。本团队使用8%戊糖片球菌和芽孢杆菌发酵玉米-豆粕型饲粮饲喂育肥猪后,猪肉中SOD和GSH-Px活性分别显著提高了22.29%和21.10%,组织脂质过氧化物含量显著降低,滴水损失和剪切力分别显著降低了20.96%和10.64%,从而改善猪血清和肌肉的抗氧化能力,提高猪肉嫩度和系水力[7]。朱坤等[41]研究发现,唾液乳杆菌、枯草芽孢杆菌和酿酒酵母发酵全价饲料饲喂育肥猪后,显著提高了其血清中黄嘌呤、丁子香酚、丙烯酤胺和对-香豆酸等代谢产物的含量,改善猪肉的抗氧化能力,并使剪切力显著降低了6.38%,提高了猪肉嫩度。

本团队研究发现,8%枯草芽孢杆菌和戊糖片球菌发酵的玉米-豆粕饲粮饲喂育肥猪后,可以显著提高背最长肌中不饱和脂肪酸(花生四烯酸、亚油酸、油酸、亚麻酸)、鲜味氨基酸(谷氨酸、天冬酰胺、苏氨酸、丝氨酸、丙氨酸、甘氨酸)、醇类物质(异辛醇、壬醇)、醛类物质(壬醛、辛醛、庚醛、己醛、苯甲醛)及酮类物质(3-羟基-2丁酮、苯乙酮、甲基庚烯酮)等风味物质的含量[7]。黄小乘等[32]研究也表明,酵母菌、康氏木霉、白腐菌和非淀粉多糖酶发酵秸杆饲粮饲喂后,使育肥猪背最长肌的呈味氨基酸如甘氨酸、脯氨酸、丙氨酸以及棕榈酸、亚油酸含量分别显著提高了8.20%、14.33%、10.44%、3.54%和54.11%,改善了猪肉风味。宋博等[42]研究报道,10%酵母菌、乳酸菌和纤维素酶发酵的构树饲粮饲喂育肥猪,使猪背最长肌中组氨酸、精氨酸、甘氨酸、牛磺酸和β-氨基异丁酸等含量分别显著提高了45.20%、30.87%、43.00%、20.64%和40.52%。任向蕾等[40]采用电子鼻分析和感官评定发现,10%芽孢杆菌、粪肠球菌和嗜酸乳杆菌发酵玉米-豆粕型饲粮饲喂后,可以提高育肥猪后腿肉中脂肪族化合物的含量,并使嫩度、风味和多汁感评分分别显著提高了6.26%、5.73%和15.01%。上述研究结果提示,发酵饲料具有改善猪肉风味的功能。

发酵饲料调控猪肉感官品质的机制可能是有机酸促进了胃液的分泌,并提高肌红蛋白与铁的结合,改善肉色、嫩度和系水力等[41]。此外,饲料发酵后鲜味氨基酸、肌苷酸、有机酸和挥发性物质等风味物质含量提高,从而有利于改善猪肉中各种呈味物质,进而提升肉品风味。同时,发酵饲料中含有的具有抗氧化能力的益生菌如乳酸菌、小肽和抗氧化酶等,增强了机体和猪肉的抗氧化能力。发酵饲料对IMF沉积调控可能是通过调节育肥猪脂肪中氧化物酶体增殖激活受体γ(PPARγ)的表达来实现的[34];对肌纤维发育及类型调控的可能机制是增加胰岛素/蛋白激酶B(AKT)/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白1(mTORC1)蛋白合成级联反应和激活肌肉萎缩因子(MAFbx)/叉头转录因子1(Foxo1)途径,以及对核糖体蛋白、肌肉收缩和肌肉肥大相关蛋白的调节[33]。

4 小结

发酵饲料可以提供益生菌、氨基酸、风味物质、抗氧化酶等,提高饲料营养价值,进而改善猪肉感官和营养品质,在优质安全猪肉生产中发挥着比较重要的作用。不同的发酵菌种、发酵形式和条件可能对猪肉品质和风味的改善有着不同程度的影响,但目前发酵饲料如何调控猪肉品质和风味的机制研究尚不深入。同时发酵饲料还存在评价体系不完善、产品品质检测不全面、发酵机制不明确等问题。未来,发酵饲料研究将主要围绕特色发酵菌种选育、活性代谢产物挖掘、优质猪肉生产、生产工艺标准化和安全性评价与产品质量评估标准建立等方向重点展开。


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关键词: 饲料 禾丰

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