4-第四章-微生物饲料

1第四章、微生物饲料微生物饲料是指利用微生物个体繁殖或其新陈代谢活动来生产和调制的饲料，包括提供反刍动物能量的青贮饲料、提供各种动物蛋白质的单细胞蛋白、作为动物饲料添加剂使用的微生物酶制剂及益生菌剂等。第一节微生物与青贮饲料为反刍动物越冬贮藏的饲料有干草料和青贮料。干草料是由饲料作物失水干燥而制成，但因其制作过程受天气、季节和场地等因素的影响，在晾晒过程中营养物质损失较大，使其营养价值偏低，因此干草料的推广受到限制。青贮料是将青绿植物密封贮藏，通过微生物发酵，使可溶性碳水化合物转化成乳酸、乙酸等有机酸，降低青贮料的pH值，从而抑制腐败菌生长而获得的能够长期贮存、保持作物鲜嫩多汁和丰富营养的越冬饲料。在我国北方，通常将玉米及其秸秆青贮后成为冬季反刍动物的主要饲料来源。一、青贮饲料的微生物类群生活在植物表面，借助于植物渗透或分泌的营养物质进行生长繁殖的微生物，称为附生微生物，主要包括霉菌、酵母、细菌。新鲜叶面一般含有大量附生细菌，其中，乳酸菌所占比例很高，酵母菌和霉菌则相对较少。在自然青贮发酵过程中，主要是植物附生微生物参与青贮发酵过程。根据微生物在青贮发酵过程中的作用可分为有利于青贮发酵的微生物和不利于青贮发酵的微生物即有害微生物。前者主要指乳酸菌；后者是对青贮饲料营养有破坏作用的厌氧性梭菌和肠细菌、引起有氧腐败的酵母菌、霉菌以及有致病性的利斯特菌等。青贮过程的有害微生物不仅造成青贮饲料营养成分的降低，而且对动物生长及产品质量也会产生很大影响。下介绍参与青贮发酵过程的主要微生物类群。（一）乳酸菌乳酸菌是指利用可溶性碳水化合物产生乳酸的细菌总称，乳酸菌具有兼性厌氧、无芽孢、不运动、革兰阳性等特征。常见的附生乳酸菌有乳杆菌（Lactobacillus）、片球菌（Pediococcus）、明串珠菌（Leuconostoc）、肠球菌（Enterococcus）、乳球菌（Lactococcus）、链球菌（Streptococcus）。这些乳酸菌大多属于中温型微生物，生长温度为5～50℃，适宜生长温度为25～40℃。其主要特征是能利用植物分泌的可溶性碳水化合物产生乳酸和乙酸，而使pH值降低。因此乳酸菌的繁殖速度决定着青贮饲料质量。根据乳酸菌对糖代谢的产物不同，可分为三种类型：同型乳酸发酵菌株、异型乳酸发酵菌株和兼性异型乳酸发酵菌株。同型乳酸发酵是指乳酸菌的末端代谢产物只有乳酸。进行同型乳酸发酵的有嗜酸乳杆菌（Lb.acidophilus）、有害片球菌（Ped.damnosus）等，它们利用己糖如葡萄糖通过糖酵解途径，产生85％以上的乳酸，但这类菌株不能利用五碳糖或葡（萄）糖酸盐；异型乳酸发酵是指乳酸菌的末端代谢产物除乳酸外，还有乙酸或乙醇、二氧化碳等代谢产物。进行异型乳酸发酵的有如短小乳杆菌（Lb.breve）、布氏乳杆菌（Lb.buchneri）和肠膜状明串珠菌（Leu.mesenteroides）等，它们能利用己糖和戊糖，但发酵己糖的产物是乳酸、二氧化碳和乙醇（或乙酸，必须在有电子受体存在下）；兼性异型乳酸发酵是指一些乳酸菌除能利用己糖和戊糖进行同型乳酸发酵产生大量乳酸外，在特殊条件下，还能利用戊糖进行异型发酵，产生乳酸、二氧化碳和乙酸或乙醇，如植物乳杆菌（Lb.Plantarum）、干酪乳杆菌（Lb.casei）、嗜酸片球菌（Ped.acidilactici）、戊糖片球菌（Ped.pentosaceus）和粪链球菌（Entercoccusfaecium）。2乳酸菌在青贮过程中不分泌蛋白酶，对植物蛋白没有分解作用，所以优质青贮饲料中蛋白质成分损失很少。乳酸菌生长需要一定量的可溶性碳水化合物，玉米和禾本科牧草含糖量较高，将初始含水量控制在60％～70％时，乳酸菌会迅速生长。（二）肠道细菌肠道细菌属于植物附生菌，为兼性厌氧细菌。在新鲜的作物上，常见的肠道细菌有草生欧氏文菌（Erwiniaherbicola）和水生拉恩氏菌（Rahnellaaquatilis）。当作物青贮后，这些菌群很快被来自于土壤的其他肠道细菌如哈夫尼肠杆菌（Hafniaalvei）、埃希氏大肠杆菌（Escherichiacoli）和居泉沙雷氏菌（Serratiafonticola）取代。在青贮发酵中生长的肠道细菌一般是非致病的，但肠道细菌也属于有害菌，因为在青贮发酵初期，这类细菌与乳酸菌竟争利用青贮饲料的碳水化合物。有些肠道细菌有蛋白水解活性，使蛋白质脱氨、脱羧，由此降低了青贮饲料的营养价值。进而又产生了有毒化合物（如胺和分支脂肪酸）而胺使青贮饲料气味恶臭，降低动物对饲料的采食。肠道细菌还能生成生物胺增加了青贮饲料的缓冲能力，因此阻碍了青贮饲料pH值的快速降低。在pH值4.5～5.0的条件下大多数肠道细菌生长受到抑制。所以高质量的青贮饲料，pH值会快速降低，当低于4.2时，肠道细菌的生长将受到抑制。（三）梭菌梭菌为严格厌氧、革兰阳性、棒状或杆状细菌，在不良环境条件下，细胞内形成芽孢。在厌氧条件下，梭菌可以利用青贮饲料中的碳水化合物、有机酸和蛋白质，因此是青贮过程中的有害微生物之一。在青贮发酵过程中常见的梭菌有：酪丁酸梭菌（Clostridiumtyrobutyricum）、丁酸梭菌（C.butyricum）、生孢梭菌（C.sporogenes）和双酶梭菌（C.bifermentans）。前两种梭菌蛋白水解能力较弱，但能发酵糖类和乳酸；后两种蛋白水解能力较强，可降解植物蛋白和游离氨基酸，造成青贮饲料营养成分的降低。梭菌的生长通常发生在青贮初期和后期。在青贮初期，梭菌和乳酸菌一样，在厌氧环境下易于生长，但梭菌不耐酸，其适宜生长的pH值是7.0～7.4。如果青贮窖密闭不严，缓慢进入的空气会促使好氧菌对碳水化合物的消耗增大，由此降低了乳酸菌可利用的碳源，致使pH值降低缓慢，减弱了pH值对梭菌的抑制作用，造成梭菌生长。梭菌可利用糖和乳酸产生丁酸，因此，该过程又称为丁酸发酵。丁酸与乳酸相比为弱酸，丁酸发酵使青贮饲料pH值升高，由此促使其他腐败菌生长。如果青贮窖密封严紧，乳酸菌生长占据优势，迅速产生乳酸，从而使pH值降低到4.2以下，即可抑制梭菌生长。在饲喂期，青贮料的有氧腐败导致pH值升高，梭菌芽孢将萌发，使得梭菌再次生长，将乳酸转变成丁酸。别外梭菌还可分解植物蛋白释放NH3。如果梭菌控制了青贮发酵，通常有大量丁酸产生，贮料温度升高，营养成分遭到严重破坏。梭菌易于在低干物质、低可溶性碳水化合物、高缓冲能力的青贮作物上生长，适宜生长温度为30～37℃。但是梭菌生长的水活度值较高，如果青贮前将原料晾晒，使其含水量低于70％，则可抑制梭菌的生长。有些梭菌对人和动物有很强的致病性，当动物饲用了被丁酸梭菌污染的青贮饲料后，能引起牲畜致死性肠中毒。青贮饲料被梭菌污染后主要表现在pH值升高（pH5），丁酸含量增加（5g/kg干物质），并且氨、胺含量也升高。（四）酵母菌酵母菌是兼性厌氧菌，有非发酵型和发酵型两种类型。植物表面上的酵母菌通常为非发酵型，主要有掷孢酵母属（Sporobolomyces）、隐球酵母属（Cryptococcus）、红酵母属（Rhodotorula）和球拟酵母属（Torulopsis）。发酵型酵母在青贮过程进入厌氧发酵阶段时占优势，常见菌株有假丝酵母属（Candida）、汉逊酵母属（Hansenia）和酵母菌属（Saccharomces）。这些酵母菌可发酵乳酸和还原糖。在青贮发酵过程中，发酵型和非发酵型酵母菌都属于有害菌群，会对青贮发酵造成不利3影响。在厌氧条件下，酵母菌发酵糖产生乙醇，使得青贮饲料有一定的醇香味，但这个过程消耗了生成乳酸所需的碳源，从而导致青贮过程中干物质的损失并使青贮过程失败。在有氧条件下，酵母菌能利用乳酸，产生CO2和H2O，引起青贮饲料pH值升高，从则促进其他腐败菌的生长。在青贮发酵前几天，酵母菌能旺盛生长；随后，由于厌氧条件的形成、有机酸浓度的升高，酵母菌生长会受到抑制。酵母菌生长的适宜pH值为3.5～6.5，温度为20～30℃。（五）醋酸细菌醋酸细菌是一类好氧、耐酸性细菌。目前，报道与青贮有关的醋酸菌为醋杆菌属的一些种（Acetobacterspp.）。醋酸细菌的作用与酵母菌类似，氧化乳酸和乙酸生成CO2和H2O，导致青贮饲料pH值升高，从而引起青贮饲料的有氧腐败。但醋酸细菌不如酵母菌有氧腐败对青贮饲料的影响那么大。（六）芽孢杆菌芽孢杆菌同梭菌一样属于青贮发酵中的有害菌群，与梭菌不同的是芽孢杆菌为好氧或兼性好氧菌。最常见的芽孢杆菌有蜡状芽孢杆菌（B.cereus）、迟缓芽孢杆菌（B.lentus）、坚强芽孢杆菌（B.firmus）、球状芽孢杆菌（B.sphaericus）、地衣芽孢杆菌（B.licheniformis）和多黏芽孢杆菌（B.polymyxa）。兼性好氧芽孢杆菌能利用各种有机酸（乳酸、乙酸和丁酸）、乙醇、2,3-丁二醇和甘油作为碳源。芽孢杆菌还可与乳酸菌竞争生长，甚至利用少量乳酸而使青贮饲料的有氧腐败。危害性最严重的是蜡状芽孢杆菌，其孢子能通过奶牛的消化道由粪便排出体外而造成环境污染，引起牛奶和乳制品腐败变质，甚至会引起食物中毒。芽孢杆菌通常存在于青贮饲料有氧腐败的后期。为防止芽孢杆菌生长，青贮过程要减少原料被土壤或化肥的污染，青贮容器要密闭严紧、控制贮存温度不要过高。（七）霉菌霉菌为严格好氧的真核微生物，生长在青贮饲料的表层，通常在青贮饲料的饲喂阶段出现。霉菌生长的适宜条件为：相对湿度70％、pH5、有氧，并且要求有一定量的碳水化合物。霉菌在青贮过程中不易生长。污染的青贮饲料的霉菌最常见有青霉属（Penicillium）、镰孢霉属（Fusarium）、曲霉属（Aspergillus）、毛霉属（Mucor）、木霉属（Trichoderma）。霉菌污染青贮饲料后，不仅改变了青贮饲料的营养成分和风味，而且还严重威胁动物和人类健康。霉菌孢子易引起过敏反应。很多霉菌还能产生毒素物质，可引起动物消化系统、生殖系统障碍，还可引起肝脏、脾脏等免疫器官损伤。霉萄毒素还可在肉和奶制品中残留。黄曲霉毒素B1是产黄曲霉（Aspergillusflavus）产生的常见毒素，在饲料中有时能够检测到。黄曲霉毒素B1经过羊或牛等动物的体内代谢后，在其产品中仍可检测到黄曲霉毒素Bl及其衍生物M1的存在。减少青贮饲料与空气的接触或使用适当的添加剂，可减少霉菌污染。（八）利斯特菌利斯特菌属（Listeria）为好氧或兼性好氧细菌，是食物和饲料中常见的致病菌，经常出现在腐败的青贮饲料表面。该菌可穿过饲料表面进入青贮饲料深处，甚至在距饲料表面几cm处都可生长。该菌对pH值敏感，酸性条件下可抑制其生长。单核细胞增生利斯特菌（Llsteriamonocygenes）常出现在青贮发酵过程中，对动物有很强的毒性。在绵羊和山羊中流行的利斯特病就是因其食用了被单核细胞增生利斯特菌污染的青贮饲料所致。利斯特菌可出现在青贮饲料的有氧阶段，其在青贮饲料中的生长和存活取决于青贮发酵的厌氧条件和pH值。在严格厌氧和pH值低于4.4的青贮条件下，该菌很快死亡。二、青贮饲料的发酵过程由于青贮的植物表面有大量的附生微生物，同时还有来自于土壤及作物收割、切割过程4中的所带入的微生物，因此青贮发酵是由许多复杂的微生物类群相互作用进行生物质转化的过程。根据微生物种类及其代谢活动，可将青贮过程分为4个阶段。（一）有氧呼吸阶段在青贮初期，因青贮原料的形状、切割长度的差异，青贮原料间会残留少量空气，使得植物细胞继续进行有氧呼吸和代谢活动。此时进行代谢活动的还有植物表面附生微生物及随植物一起带入的好氧、兼性好氧细菌、酵母菌和霉菌等。随着各种代谢活动的进行，青贮容器内的氧气会逐渐消耗，最后造成厌氧环境，植物细胞的呼吸作用和好氧微生物的代谢活动受到限制。有氧呼吸阶段通常需要几个小时。（二）发酵或酸化阶段当青贮容器内的氧气耗尽而变成厌氧环境时，各种厌氧及兼性厌氧微生物包括乳酸菌、肠球菌、梭菌和酵母菌将利用植物表面的可溶性碳水化合物和其他营养物而生长。青贮过程管理好的青贮饲料，此时厌氧菌群中乳酸菌生长迅