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發酵飼料對豬肉品質的影響及機制研究進展
來源:動物營養學報    2022年11月04日    點擊:1696

我國是世界上最大的養豬生產國,豬肉也是我國居民最主要消費的肉類產品,生豬養殖在我國占有非常重要的地位。

目前我國養殖的生豬90%左右是外來品種如“杜長大”等,長期以來對其高瘦肉率和高生長性能的追求導致豬肉感官品質、營養價值、肌內脂肪(IMF)和風味物質含量等肉品質指標嚴重下降,我國優質豬肉生產面臨著巨大挑戰。通過遺傳育種進行品種改良是提升豬肉品質和風味的有效措施,但存在周期較長、成本較高的問題。因此,如何通過飼料營養改善豬肉品質和風味,對于優質豬肉生產和滿足人們對美好生活的需求具有較為重要的意義。發酵飼料是含有益生菌及其代謝產物的活性飼料。近年研究表明,發酵可以改善飼料營養組成,提供益生菌、脂肪酸、抗氧化物質和風味物質等,進而提高飼料的利用率,促進動物腸道健康,改善豬肉品質和風味[1]。因此,使用發酵飼料可能是優質豬肉生產比較便捷的一個舉措。

1.發酵飼料的現狀

目前,我國發酵飼料產業快速發展,從事發酵飼料的企業已超1 000家,2025年產量將達到約4 000萬t,未來5年產值將超1 000億元[2]。在PubMed數據庫中以“Fermented feed”為關鍵詞搜索,相關研究文獻已經從2000年的92篇增長到2021年的841篇,表明發酵飼料關注度和研發熱度的快速提升。雖然發酵飼料生產經歷了一段發酵菌種和原料混雜,發酵條件不明確和發酵產品質量參差不齊的時期,但隨著國家和行業出臺相應政策和標準,行業和市場發展逐漸走向了有序和規范化。2018年1月1日,我國發布生物飼料領域第1個團體標準——《生物飼料產品分類》,隨后《哺乳母豬用菌酶協同發酵飼料》、《生長育肥豬用菌酶協同發酵飼料》、《飼料原料——酵母水解物》和《飼料添加劑——丁酸梭菌》等與發酵飼料有關的12個團體標準發布。2021年11月,農業農村部辦公廳印發《直接飼喂微生物和發酵制品生產菌株鑒定及其安全性評價指南》的通知。這些政策和標準的建立對我國發酵飼料行業的規范和健康發展起到了重要的推動作用。

目前發酵飼料主要包括單一飼料原料發酵和混合飼料發酵,發酵原料的選擇從常規飼料原料(玉米、豆粕、菜籽粕、棉籽粕等),逐漸發展到非常規低值原料(玉米胚芽粕、米糠粕、酒糟、茶渣、構樹葉等)。發酵根據添加水分比例可分為固態發酵和液態發酵,根據氧需要量可分為好氧、厭氧和兼性厭氧發酵,根據發酵劑配伍可以分為單菌、混菌和菌酶協同發酵。益生菌發酵可以降解飼料中抗營養因子含量,提供有益代謝產物,提高養分利用率,調節腸道微生態平衡,增強機體抗氧化和免疫水平,有利于腸道健康和豬肉品質的改善[3]。發酵飼料未來的發展趨勢主要集中在特色發酵菌種的選育、發酵機制和工藝方面的深入探究、發酵飼料數據庫建立、產品安全評價和飼喂體系構建等方面。

2 發酵對飼料品質的改善作用及機制

優質的發酵菌種是生產發酵飼料的關鍵。目前應用較多的發酵菌種包括芽孢桿菌、乳酸菌和真菌。芽孢桿菌和真菌可將大分子物質分解,改變飼料微觀結構,降解抗營養因子,從而提升飼料的營養價值。原因在于這些發酵菌種可通過分泌蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶和脂肪酶等胞外酶,可將蛋白質、淀粉、纖維素和脂肪等大分子有機物降解為較易吸收的小肽、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過產生有機酸、短鏈脂肪酸和細菌素,來降低發酵底物的pH,改善飼料適口性,抑制有害菌增殖和延長飼料貯存時間[5]。部分乳酸菌還可以產生抗氧化酶、γ-氨基丁酸和花青素等代謝產物,提高飼料抗氧化和益生功能。另外,酵母菌體結構細胞壁、細胞內容物等具有改善動物抗氧化和免疫功能等多重功效[6]。

益生菌發酵可以通過提高飼料氨基酸、脂肪酸、風味物質含量和生物酶活性等來改善飼料營養價值。此外,發酵條件也對發酵品質至關重要,合適的發酵條件可以避免雜菌污染和霉變。本團隊使用芽孢桿菌和乳酸菌發酵玉米、豆粕、大豆皮和麩皮混合飼料,發現飼料中不飽和脂肪酸的含量顯著提高,飽和脂肪酸的含量顯著減少,谷胱甘肽和葉酸等抗氧化物質含量分別顯著增加了60.00%和106.63%,超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)及過氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶活性分別顯著提升了45.60%、8.65%和9.44%,同時粗蛋白質、干物質、異亮氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、纈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體外消化率均顯著提高,其中蛋氨酸和苯丙氨酸的體外消化率提高超過10%[7]。馮鑫等[8]利用混合益生菌發酵棉籽粕,使棉籽粕粗蛋白質含量增加,纖維含量降低,游離棉酚的含量顯著降低了75.39%,酸性蛋白酶、中性蛋白酶和木聚糖酶活性分別顯著提高了44.25%、181.08%和65.00%。本團隊使用芽孢桿菌和乳酸桿菌發酵黃酒糟,其纖維素含量顯著降低了37.85%,小肽和總氨基酸含量顯著提高了23.08%和12.20%,真蛋白、總能和總氨基酸的體外消化率分別顯著提高了12.38%、9.95%和21.13%,同時改善了脂肪酸組成[9]。伏曉玉等[10]研究發現,混菌發酵使構樹葉中的單寧含量顯著降低了60%以上,大分子蛋白質降解為氨基酸、小肽,粗纖維降解產生芳香族物質。此外,崔藝燕等[11]研究康寧木霉發酵茶渣,發現發酵后茶渣粗蛋白質、必需氨基酸、風味氨基酸、還原糖和黃酮含量分別顯著提高了28.52%、185.64%、202.82%、211.03%和69.17%,纖維含量明顯降低。

飼料發酵過程中,微生物區系變化引起飼料理化性質和代謝產物的變化,最終影響飼料品質。Park等[12]采用不同菌種發酵大豆發現,細菌發酵主要產生含硫揮發物和脂肪酸衍生揮發物(如醇和酮);真菌發酵則會產生苯丙氨酸衍生的揮發性產物(如醛、酯和乙酸鹽)。本團隊發現枯草芽孢桿菌、植物乳桿菌、釀酒酵母和植酸酶協同發酵米糠粕過程中,微生物通過糖酵解、磷酸戊糖、三羧酸循環和脂肪酸合成等代謝途徑參與米糠粕碳水化合物的降解,以及氨基酸、不飽和脂肪酸和核苷酸的合成[13]。此外,本團隊還發現枯草芽孢桿菌和乳酸菌發酵玉米、豆粕和黃酒糟復合飼料過程中纖維于8~12 h發生降解,蛋白質于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-葡聚糖內切酶等;芽孢桿菌在好氧發酵的前12 h快速增殖,抑制了飼料中有害菌增殖,降低了飼料中菌群多樣性,而厭氧發酵增加了乳酸菌等有益菌數量,顯著提高了飼料菌群多樣性,芽孢桿菌和乳酸菌是發酵過程中的優勢菌屬,生物信息分析發現,環境信息處理和細胞處理是發酵過程中微生物發揮作用的主要代謝功能[14]。

3 發酵飼料對豬肉品質的影響及調控機制

3.1 豬肉品質及其形成影響關鍵因素

豬肉品質主要包括感官品質、營養品質以及加工品質和衛生質量[15]。其中,感官品質主要是消費者的視覺、味覺、嗅覺和觸覺對肉的綜合感受,評價指標包括肉色、系水力、風味、肌肉pH、大理石紋、嫩度、多汁性等。肉色與機體抗氧化能力、pH和肌纖維類型密切相關。在一定范圍內,豬肉pH又與肉色評分呈正相關[16]。嫩度和系水力則與pH和IMF含量有關。豬肉風味物質主要包含脂肪酸、核苷酸、呈味氨基酸和鮮味肽等[17]。營養品質主要指肉的營養價值,包括氨基酸、脂質(如脂肪酸)、礦物質、維生素等營養物質的含量和組成,與人們的膳食營養和健康密切相關。

IMF是影響豬肉品質的重要因素。IMF與豬肉感官品質密切相關,其分布與數量決定了大理石紋評分;同時,IMF的增加有助于改善豬肉的風味和多汁性,可改善豬肉的嫩度和風味等[18]。肌束間分布的脂肪(肌間脂肪)可有效降低肌纖維密度,合適的脂肪含量利于豬肉系水力和多汁性。在肉品風味方面,肌肉中的脂肪可為大多數揮發性風味物質提供反應前體物質,直接影響揮發性風味物質的種類和含量。IMF沉積主要受品種、環境、營養等因素影響。本團隊通過比較不同豬種的IMF發現,180日齡金華豬背最長肌和腰大肌IMF含量分別為3.42%和3.58%,顯著高于長白豬的2.28%和2.59%(占鮮重)[19]。Zhang等[20]研究表明,金華豬肝臟、背最長肌組織的蛋白酶體亞單位α6(PSMA6)基因表達水平顯著高于巴克夏豬,且PSMA6基因在這些組織的mRNA表達量與IMF含量呈顯著正相關,可促進脂肪前體細胞增殖和脂肪生成。本團隊通過分析金華豬和長白豬背最長肌的基因表達譜發現,豬差異基因FLJ36031(pFLJ)可能通過調節脂肪合成相關基因如脂肪酸合成酶、乙酰輔酶A羧化酶、甘油三酯脂肪酶和激素敏感脂肪酶的表達,進而調控機體脂肪沉積[21]。Chen等[22]研究表明,萊蕪豬小RNA-331-3p(miR-331-3p)在肝臟、肌肉和背部脂肪中的表達較高,其可以作為脂肪細胞增殖分化和脂肪酸代謝的調節因子,抑制細胞增殖并促進前脂肪細胞分化。Wang等[23]通過對豬IMF進行全基因組關聯分析,發現軸突導向因子1(NTN1)基因可以調節成肌細胞的增殖和分化,在IMF形成過程中起重要作用。

肌纖維是決定豬肉品質另一關鍵因素,肌纖維類型與組成影響豬肉的肉色、pH、系水力及嫩度,同時對風味也有一定影響[24]。肌纖維可分為氧化性肌纖維(Ⅰ型、Ⅱa型)和酵解型肌纖維(Ⅱx型和Ⅱb型)。氧化型肌纖維的肌紅蛋白含量顯著高于酵解型肌纖維。因此,氧化型肌纖維比例高的肌肉顏色鮮紅,肉色評分較高,豬肉表現出更好的感官品質[25]。研究表明,豬背最長肌MyHC Ⅰ基因可抑制肌肉氧化應激,增加氧化型肌纖維比例,并通過氧化物酶體增殖激活受體α(PPARα)增強脂肪酸氧化,從而改善肉質[25]。本團隊研究發現,與長白豬相比,金華豬背最長肌含有更多的Ⅰ型、Ⅱa氧化型肌纖維和較低的Ⅱb型酵解型肌纖維含量,在長白豬背最長肌中細胞外調節蛋白激酶(ERK)表達量顯著高于金華豬;超表達ERK后,顯著降低Ⅰ型氧化型肌纖維含量,提高酵解型肌纖維含量,表明ERK信號通路在調控肌纖維類型轉化過程中發揮了重要作用[26]。在肌管中,小RNA-22-3P(miR-22-3p)和腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)/細胞沉默調節蛋白1(Sirt1)/過氧化物酶體增殖活化受體γ輔助活化因子-1α(PGC-1α)途徑可促進肌纖維類型從快肌纖維到慢肌纖維的轉化[27]。線粒體及糖、脂代謝相關基因,如AMPKα1、Sirt1、PGC-1α、線粒體轉錄因子A(TFAM)、線粒體轉錄因子B1(TFB1M)、細胞色素(Cytc)、ATP合酶脂質結合蛋白(ATP5G)、肉毒堿棕櫚?;D移酶-1B(CPT-1B)和氧化物酶體增殖激活受體δ(PPARδ)等,可增加豬背最長肌琥珀酸脫氫酶和蘋果酸脫氫酶活性,降低乳酸脫氫酶活性,從而實現肌纖維型從快肌纖維到慢肌纖維的轉變[28]。

此外,腸道微生物也與豬肉品質密切相關。Chen等[29]研究報道,豬腸道普氏菌屬中的Prevotella copri可通過Toll樣受體4(TLR4)和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號通路上調與脂肪生成和脂肪積累相關基因的表達,抑制脂肪分解、脂質轉運和肌肉生長相關基因的表達。Qi等[30]發現,黑豬腸道丁酸梭菌含量與IMF含量呈正相關,腸道丁酸球菌屬(Butyricicoccus)、真桿菌屬(Eubacterium)、考拉桿菌屬(Phascolarctobacterium)和原桿菌屬(Oribacterium)含量與腹部脂肪和甘油三酯脂肪酶的mRNA表達量呈顯著負相關;其中真桿菌屬(Eubacterium)屬于梭狀芽胞桿菌群ⅩⅣa,其主要功能包括多糖發酵和膽汁酸脫羥基等,對肥胖和相關代謝紊亂發展具有潛在的調控作用。Fang等[31]在二花臉和巴馬香豬腸道微生物的研究中,采用關聯分析確定了119個與IMF含量顯著相關的操作分類單元(OTU),其中瘤胃球菌屬(Ruminococcus)、普氏菌屬(Prevotella)和密螺旋體屬(Treponema)等在多糖和氨基酸代謝中發揮著重要作用,與IMF生成、腹部脂肪和背膘的沉積相關。上述結果表明,豬腸道內特定的微生物可能通過參與機體能量代謝,調控脂肪沉積和豬肉品質形成。

3.2 發酵飼料對豬肉營養品質的影響及機制

飼料營養對豬肉營養品質的調控起關鍵作用[7]。黃小乘等[32]研究發現,使用酵母菌、康氏木霉、白腐菌和非淀粉多糖酶發酵的秸稈微貯飼料飼喂育肥豬后,背最長肌中粗蛋白質含量顯著提高了4.73%。Qiu等[33]研究報道,釀酒酵母、枯草芽孢桿菌和乳酸菌發酵的玉米-豆粕型飼糧可能通過提高飼糧中粗蛋白質和氨基酸含量增加豬肉的蛋白質含量。韓啟春[34]發現,8種菌發酵的玉米-豆粕型飼糧飼喂的豬,其肉中蛋白質含量有增長的趨勢。Lu等[35]發現,10%乳酸菌、梭菌和雙歧桿菌發酵的玉米-豆粕型飼糧飼喂生長育肥豬后,背最長肌中天冬氨酸、谷氨酸、丙氨酸等芳香族氨基酸的含量分別顯著提高了2.21%、3.08%和0.93%。Xu等[16]發現,10%酒曲發酵小麥酒精糟使豬肉必需氨基酸、非必需氨基酸和總氨基酸含量分別顯著增加了5.57%、5.45%和5.50%,進而提高豬肉的營養價值。本團隊研究發現,8%枯草芽孢桿菌和戊糖片球菌發酵的玉米-豆粕飼糧可顯著提高豬肉的IMF、必需氨基酸(纈氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、賴氨酸)含量,亞油酸、油酸、亞麻酸、花生四烯酸含量分別顯著提高了14.86%、3.99%、34.48%和20.69%[7]。Tang等[17]發現,植物乳桿菌、枯草芽孢桿菌、產脘假絲酵母和黑曲霉菌發酵的全價飼糧飼喂育肥豬后,使背最長肌中油酸、亞油酸、花生四烯酸、總不飽和脂肪酸含量分別顯著提高了5.23%、5.16%、11.76%和5.41%,降低總飽和脂肪酸(SFA)含量。Fang等[36]研究也發現,蘋果渣青貯料飼喂后,育肥豬背膘中碳18~碳20的多不飽和脂肪酸含量顯著提高了14.62%。上述結果表明,發酵飼料在提升豬肉的營養品質方面有比較重要的作用。

發酵飼料在改善豬肉營養品質方面發揮比較重要的作用,其機制可能是發酵飼料能提高飼料蛋白質、氨基酸和脂肪酸等營養水平,增加育肥豬采食量,提高飼料消化率,改善豬肉蛋白質與脂肪的沉積,從而提高豬肉中粗蛋白質、氨基酸、粗脂肪和脂肪酸等營養成分的含量[32]。此外,發酵飼料中益生菌及其代謝產物如乳酸、乙酸的增加也可能是引起豬肉營養沉積和脂質代謝變化的原因。Lin等[37]研究表明,6%發酵乳桿菌、枯草芽孢桿菌和釀酒酵母發酵玉米芯飼喂后,可顯著提高育肥豬的采食量、日增重和養分消化率,降低料重比,顯著改善肉色、IMF含量和豬肉脂肪酸組成,顯著提高育肥豬腸道乳酸菌含量,并降低腸桿菌豐度。He等[38]發現,5%的枯草芽孢桿菌、凝結芽孢桿菌和乳酸菌發酵麥麩飼喂生長育肥豬后,其日增重提高,料重比降低,免疫功能得到改善,腸道鏈球菌屬(Streptococcus)豐度顯著降低,毛螺菌科(Lachnospiraceae)、蘇黎世桿菌屬(Turicibacter)豐度顯著提高。由此可見,發酵飼料也可能通過調控腸道微生物,提高育肥豬生長性能、血清抗氧化和免疫功能等,進而提高豬肉品質,但發酵飼料通過腸道微生物對豬肉的直接調控作用還有待深入研究。

3.3 發酵飼料對豬肉感官品質的影響及機制

發酵飼料對肉色和大理石紋、抗氧化和系水力及風味物質等豬肉感官指標也有較為明顯的改善作用。本團隊通過對發酵原料(大豆蛋白、蘋果渣、燕麥、玉米、小麥、豆粕、柿子殼、蘋果飼料、馬鈴薯漿、菜籽粕、小麥酒精糟、銀杏)、發酵添加劑(中草藥、大蒜粉、紅參粉、小球藻)和3 562頭豬的飼養試驗發表的30余篇文獻結果進行Meta分析發現,發酵飼料可以顯著改善豬肉感官品質,包括豬肉亮度(標準均差0.4,置信區間0.04,0.7)、紅度(標準均差0.7,置信區間0.1,1.2)、大理石花紋(標準均差2.1,置信區間1.2,3.0)以及風味,經過劑量效應分析,發酵原料和發酵添加劑的最優劑量分別為8%和0.15%[39]。本團隊進一步研究表明,飼喂8%枯草芽孢桿菌和戊糖片球菌發酵的玉米-豆粕飼糧使豬肉眼肌面積、肉色紅度和大理石評分分別顯著增加了16.62%、9.12%和50.49%[7]。此外,Lu等[35]發現,10%乳酸菌、梭菌和雙歧桿菌發酵的玉米-豆粕型飼糧飼喂后,使生長育肥豬背最長肌紅度與黃度值顯著提高了12.24%和43.99%,色澤更加鮮紅亮澤。

Lu等[35]研究表明,10%乳酸菌、梭菌和雙歧桿菌發酵的玉米-豆粕型飼糧飼喂生長育肥豬可以顯著降低背最長肌滴水損失和剪切力,提高豬肉系水力和嫩度。任向蕾等[40]采用10%芽孢桿菌、糞腸球菌和嗜酸乳桿菌發酵玉米-豆粕型飼糧飼喂后,育肥豬后腿肉總抗氧化能力、SOD和GSH-Px活性分別顯著提高了51.90%、32.51%和29.63%,滴水損失顯著降低29.80%。本團隊使用8%戊糖片球菌和芽孢桿菌發酵玉米-豆粕型飼糧飼喂育肥豬后,豬肉中SOD和GSH-Px活性分別顯著提高了22.29%和21.10%,組織脂質過氧化物含量顯著降低,滴水損失和剪切力分別顯著降低了20.96%和10.64%,從而改善豬血清和肌肉的抗氧化能力,提高豬肉嫩度和系水力[7]。朱坤等[41]研究發現,唾液乳桿菌、枯草芽孢桿菌和釀酒酵母發酵全價飼料飼喂育肥豬后,顯著提高了其血清中黃嘌呤、丁子香酚、丙烯酤胺和對-香豆酸等代謝產物的含量,改善豬肉的抗氧化能力,并使剪切力顯著降低了6.38%,提高了豬肉嫩度。

本團隊研究發現,8%枯草芽孢桿菌和戊糖片球菌發酵的玉米-豆粕飼糧飼喂育肥豬后,可以顯著提高背最長肌中不飽和脂肪酸(花生四烯酸、亞油酸、油酸、亞麻酸)、鮮味氨基酸(谷氨酸、天冬酰胺、蘇氨酸、絲氨酸、丙氨酸、甘氨酸)、醇類物質(異辛醇、壬醇)、醛類物質(壬醛、辛醛、庚醛、己醛、苯甲醛)及酮類物質(3-羥基-2丁酮、苯乙酮、甲基庚烯酮)等風味物質的含量[7]。黃小乘等[32]研究也表明,酵母菌、康氏木霉、白腐菌和非淀粉多糖酶發酵秸桿飼糧飼喂后,使育肥豬背最長肌的呈味氨基酸如甘氨酸、脯氨酸、丙氨酸以及棕櫚酸、亞油酸含量分別顯著提高了8.20%、14.33%、10.44%、3.54%和54.11%,改善了豬肉風味。宋博等[42]研究報道,10%酵母菌、乳酸菌和纖維素酶發酵的構樹飼糧飼喂育肥豬,使豬背最長肌中組氨酸、精氨酸、甘氨酸、?;撬岷挺?氨基異丁酸等含量分別顯著提高了45.20%、30.87%、43.00%、20.64%和40.52%。任向蕾等[40]采用電子鼻分析和感官評定發現,10%芽孢桿菌、糞腸球菌和嗜酸乳桿菌發酵玉米-豆粕型飼糧飼喂后,可以提高育肥豬后腿肉中脂肪族化合物的含量,并使嫩度、風味和多汁感評分分別顯著提高了6.26%、5.73%和15.01%。上述研究結果提示,發酵飼料具有改善豬肉風味的功能。

發酵飼料調控豬肉感官品質的機制可能是有機酸促進了胃液的分泌,并提高肌紅蛋白與鐵的結合,改善肉色、嫩度和系水力等[41]。此外,飼料發酵后鮮味氨基酸、肌苷酸、有機酸和揮發性物質等風味物質含量提高,從而有利于改善豬肉中各種呈味物質,進而提升肉品風味。同時,發酵飼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,增強了機體和豬肉的抗氧化能力。發酵飼料對IMF沉積調控可能是通過調節育肥豬脂肪中氧化物酶體增殖激活受體γ(PPARγ)的表達來實現的[34];對肌纖維發育及類型調控的可能機制是增加胰島素/蛋白激酶B(AKT)/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白1(mTORC1)蛋白合成級聯反應和激活肌肉萎縮因子(MAFbx)/叉頭轉錄因子1(Foxo1)途徑,以及對核糖體蛋白、肌肉收縮和肌肉肥大相關蛋白的調節[33]。

4 小結

發酵飼料可以提供益生菌、氨基酸、風味物質、抗氧化酶等,提高飼料營養價值,進而改善豬肉感官和營養品質,在優質安全豬肉生產中發揮著比較重要的作用。不同的發酵菌種、發酵形式和條件可能對豬肉品質和風味的改善有著不同程度的影響,但目前發酵飼料如何調控豬肉品質和風味的機制研究尚不深入。同時發酵飼料還存在評價體系不完善、產品品質檢測不全面、發酵機制不明確等問題。未來,發酵飼料研究將主要圍繞特色發酵菌種選育、活性代謝產物挖掘、優質豬肉生產、生產工藝標準化和安全性評價與產品質量評估標準建立等方向重點展開。

肉品質和風味[1]。因此,使用發酵飼料可能是優質豬肉生產比較便捷的一個舉措。

1.發酵飼料的現狀

目前,我國發酵飼料產業快速發展,從事發酵飼料的企業已超1 000家,2025年產量將達到約4 000萬t,未來5年產值將超1 000億元[2]。在PubMed數據庫中以“Fermented feed”為關鍵詞搜索,相關研究文獻已經從2000年的92篇增長到2021年的841篇,表明發酵飼料關注度和研發熱度的快速提升。雖然發酵飼料生產經歷了一段發酵菌種和原料混雜,發酵條件不明確和發酵產品質量參差不齊的時期,但隨著國家和行業出臺相應政策和標準,行業和市場發展逐漸走向了有序和規范化。2018年1月1日,我國發布生物飼料領域第1個團體標準——《生物飼料產品分類》,隨后《哺乳母豬用菌酶協同發酵飼料》、《生長育肥豬用菌酶協同發酵飼料》、《飼料原料——酵母水解物》和《飼料添加劑——丁酸梭菌》等與發酵飼料有關的12個團體標準發布。2021年11月,農業農村部辦公廳印發《直接飼喂微生物和發酵制品生產菌株鑒定及其安全性評價指南》的通知。這些政策和標準的建立對我國發酵飼料行業的規范和健康發展起到了重要的推動作用。

目前發酵飼料主要包括單一飼料原料發酵和混合飼料發酵,發酵原料的選擇從常規飼料原料(玉米、豆粕、菜籽粕、棉籽粕等),逐漸發展到非常規低值原料(玉米胚芽粕、米糠粕、酒糟、茶渣、構樹葉等)。發酵根據添加水分比例可分為固態發酵和液態發酵,根據氧需要量可分為好氧、厭氧和兼性厭氧發酵,根據發酵劑配伍可以分為單菌、混菌和菌酶協同發酵。益生菌發酵可以降解飼料中抗營養因子含量,提供有益代謝產物,提高養分利用率,調節腸道微生態平衡,增強機體抗氧化和免疫水平,有利于腸道健康和豬肉品質的改善[3]。發酵飼料未來的發展趨勢主要集中在特色發酵菌種的選育、發酵機制和工藝方面的深入探究、發酵飼料數據庫建立、產品安全評價和飼喂體系構建等方面。

2 發酵對飼料品質的改善作用及機制

優質的發酵菌種是生產發酵飼料的關鍵。目前應用較多的發酵菌種包括芽孢桿菌、乳酸菌和真菌。芽孢桿菌和真菌可將大分子物質分解,改變飼料微觀結構,降解抗營養因子,從而提升飼料的營養價值。原因在于這些發酵菌種可通過分泌蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶和脂肪酶等胞外酶,可將蛋白質、淀粉、纖維素和脂肪等大分子有機物降解為較易吸收的小肽、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過產生有機酸、短鏈脂肪酸和細菌素,來降低發酵底物的pH,改善飼料適口性,抑制有害菌增殖和延長飼料貯存時間[5]。部分乳酸菌還可以產生抗氧化酶、γ-氨基丁酸和花青素等代謝產物,提高飼料抗氧化和益生功能。另外,酵母菌體結構細胞壁、細胞內容物等具有改善動物抗氧化和免疫功能等多重功效[6]。

益生菌發酵可以通過提高飼料氨基酸、脂肪酸、風味物質含量和生物酶活性等來改善飼料營養價值。此外,發酵條件也對發酵品質至關重要,合適的發酵條件可以避免雜菌污染和霉變。本團隊使用芽孢桿菌和乳酸菌發酵玉米、豆粕、大豆皮和麩皮混合飼料,發現飼料中不飽和脂肪酸的含量顯著提高,飽和脂肪酸的含量顯著減少,谷胱甘肽和葉酸等抗氧化物質含量分別顯著增加了60.00%和106.63%,超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)及過氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶活性分別顯著提升了45.60%、8.65%和9.44%,同時粗蛋白質、干物質、異亮氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、纈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體外消化率均顯著提高,其中蛋氨酸和苯丙氨酸的體外消化率提高超過10%[7]。馮鑫等[8]利用混合益生菌發酵棉籽粕,使棉籽粕粗蛋白質含量增加,纖維含量降低,游離棉酚的含量顯著降低了75.39%,酸性蛋白酶、中性蛋白酶和木聚糖酶活性分別顯著提高了44.25%、181.08%和65.00%。本團隊使用芽孢桿菌和乳酸桿菌發酵黃酒糟,其纖維素含量顯著降低了37.85%,小肽和總氨基酸含量顯著提高了23.08%和12.20%,真蛋白、總能和總氨基酸的體外消化率分別顯著提高了12.38%、9.95%和21.13%,同時改善了脂肪酸組成[9]。伏曉玉等[10]研究發現,混菌發酵使構樹葉中的單寧含量顯著降低了60%以上,大分子蛋白質降解為氨基酸、小肽,粗纖維降解產生芳香族物質。此外,崔藝燕等[11]研究康寧木霉發酵茶渣,發現發酵后茶渣粗蛋白質、必需氨基酸、風味氨基酸、還原糖和黃酮含量分別顯著提高了28.52%、185.64%、202.82%、211.03%和69.17%,纖維含量明顯降低。

飼料發酵過程中,微生物區系變化引起飼料理化性質和代謝產物的變化,最終影響飼料品質。Park等[12]采用不同菌種發酵大豆發現,細菌發酵主要產生含硫揮發物和脂肪酸衍生揮發物(如醇和酮);真菌發酵則會產生苯丙氨酸衍生的揮發性產物(如醛、酯和乙酸鹽)。本團隊發現枯草芽孢桿菌、植物乳桿菌、釀酒酵母和植酸酶協同發酵米糠粕過程中,微生物通過糖酵解、磷酸戊糖、三羧酸循環和脂肪酸合成等代謝途徑參與米糠粕碳水化合物的降解,以及氨基酸、不飽和脂肪酸和核苷酸的合成[13]。此外,本團隊還發現枯草芽孢桿菌和乳酸菌發酵玉米、豆粕和黃酒糟復合飼料過程中纖維于8~12 h發生降解,蛋白質于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-葡聚糖內切酶等;芽孢桿菌在好氧發酵的前12 h快速增殖,抑制了飼料中有害菌增殖,降低了飼料中菌群多樣性,而厭氧發酵增加了乳酸菌等有益菌數量,顯著提高了飼料菌群多樣性,芽孢桿菌和乳酸菌是發酵過程中的優勢菌屬,生物信息分析發現,環境信息處理和細胞處理是發酵過程中微生物發揮作用的主要代謝功能[14]。

3 發酵飼料對豬肉品質的影響及調控機制

3.1 豬肉品質及其形成影響關鍵因素

豬肉品質主要包括感官品質、營養品質以及加工品質和衛生質量[15]。其中,感官品質主要是消費者的視覺、味覺、嗅覺和觸覺對肉的綜合感受,評價指標包括肉色、系水力、風味、肌肉pH、大理石紋、嫩度、多汁性等。肉色與機體抗氧化能力、pH和肌纖維類型密切相關。在一定范圍內,豬肉pH又與肉色評分呈正相關[16]。嫩度和系水力則與pH和IMF含量有關。豬肉風味物質主要包含脂肪酸、核苷酸、呈味氨基酸和鮮味肽等[17]。營養品質主要指肉的營養價值,包括氨基酸、脂質(如脂肪酸)、礦物質、維生素等營養物質的含量和組成,與人們的膳食營養和健康密切相關。

IMF是影響豬肉品質的重要因素。IMF與豬肉感官品質密切相關,其分布與數量決定了大理石紋評分;同時,IMF的增加有助于改善豬肉的風味和多汁性,可改善豬肉的嫩度和風味等[18]。肌束間分布的脂肪(肌間脂肪)可有效降低肌纖維密度,合適的脂肪含量利于豬肉系水力和多汁性。在肉品風味方面,肌肉中的脂肪可為大多數揮發性風味物質提供反應前體物質,直接影響揮發性風味物質的種類和含量。IMF沉積主要受品種、環境、營養等因素影響。本團隊通過比較不同豬種的IMF發現,180日齡金華豬背最長肌和腰大肌IMF含量分別為3.42%和3.58%,顯著高于長白豬的2.28%和2.59%(占鮮重)[19]。Zhang等[20]研究表明,金華豬肝臟、背最長肌組織的蛋白酶體亞單位α6(PSMA6)基因表達水平顯著高于巴克夏豬,且PSMA6基因在這些組織的mRNA表達量與IMF含量呈顯著正相關,可促進脂肪前體細胞增殖和脂肪生成。本團隊通過分析金華豬和長白豬背最長肌的基因表達譜發現,豬差異基因FLJ36031(pFLJ)可能通過調節脂肪合成相關基因如脂肪酸合成酶、乙酰輔酶A羧化酶、甘油三酯脂肪酶和激素敏感脂肪酶的表達,進而調控機體脂肪沉積[21]。Chen等[22]研究表明,萊蕪豬小RNA-331-3p(miR-331-3p)在肝臟、肌肉和背部脂肪中的表達較高,其可以作為脂肪細胞增殖分化和脂肪酸代謝的調節因子,抑制細胞增殖并促進前脂肪細胞分化。Wang等[23]通過對豬IMF進行全基因組關聯分析,發現軸突導向因子1(NTN1)基因可以調節成肌細胞的增殖和分化,在IMF形成過程中起重要作用。

肌纖維是決定豬肉品質另一關鍵因素,肌纖維類型與組成影響豬肉的肉色、pH、系水力及嫩度,同時對風味也有一定影響[24]。肌纖維可分為氧化性肌纖維(Ⅰ型、Ⅱa型)和酵解型肌纖維(Ⅱx型和Ⅱb型)。氧化型肌纖維的肌紅蛋白含量顯著高于酵解型肌纖維。因此,氧化型肌纖維比例高的肌肉顏色鮮紅,肉色評分較高,豬肉表現出更好的感官品質[25]。研究表明,豬背最長肌MyHC Ⅰ基因可抑制肌肉氧化應激,增加氧化型肌纖維比例,并通過氧化物酶體增殖激活受體α(PPARα)增強脂肪酸氧化,從而改善肉質[25]。本團隊研究發現,與長白豬相比,金華豬背最長肌含有更多的Ⅰ型、Ⅱa氧化型肌纖維和較低的Ⅱb型酵解型肌纖維含量,在長白豬背最長肌中細胞外調節蛋白激酶(ERK)表達量顯著高于金華豬;超表達ERK后,顯著降低Ⅰ型氧化型肌纖維含量,提高酵解型肌纖維含量,表明ERK信號通路在調控肌纖維類型轉化過程中發揮了重要作用[26]。在肌管中,小RNA-22-3P(miR-22-3p)和腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)/細胞沉默調節蛋白1(Sirt1)/過氧化物酶體增殖活化受體γ輔助活化因子-1α(PGC-1α)途徑可促進肌纖維類型從快肌纖維到慢肌纖維的轉化[27]。線粒體及糖、脂代謝相關基因,如AMPKα1、Sirt1、PGC-1α、線粒體轉錄因子A(TFAM)、線粒體轉錄因子B1(TFB1M)、細胞色素(Cytc)、ATP合酶脂質結合蛋白(ATP5G)、肉毒堿棕櫚?;D移酶-1B(CPT-1B)和氧化物酶體增殖激活受體δ(PPARδ)等,可增加豬背最長肌琥珀酸脫氫酶和蘋果酸脫氫酶活性,降低乳酸脫氫酶活性,從而實現肌纖維型從快肌纖維到慢肌纖維的轉變[28]。

此外,腸道微生物也與豬肉品質密切相關。Chen等[29]研究報道,豬腸道普氏菌屬中的Prevotella copri可通過Toll樣受體4(TLR4)和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號通路上調與脂肪生成和脂肪積累相關基因的表達,抑制脂肪分解、脂質轉運和肌肉生長相關基因的表達。Qi等[30]發現,黑豬腸道丁酸梭菌含量與IMF含量呈正相關,腸道丁酸球菌屬(Butyricicoccus)、真桿菌屬(Eubacterium)、考拉桿菌屬(Phascolarctobacterium)和原桿菌屬(Oribacterium)含量與腹部脂肪和甘油三酯脂肪酶的mRNA表達量呈顯著負相關;其中真桿菌屬(Eubacterium)屬于梭狀芽胞桿菌群ⅩⅣa,其主要功能包括多糖發酵和膽汁酸脫羥基等,對肥胖和相關代謝紊亂發展具有潛在的調控作用。Fang等[31]在二花臉和巴馬香豬腸道微生物的研究中,采用關聯分析確定了119個與IMF含量顯著相關的操作分類單元(OTU),其中瘤胃球菌屬(Ruminococcus)、普氏菌屬(Prevotella)和密螺旋體屬(Treponema)等在多糖和氨基酸代謝中發揮著重要作用,與IMF生成、腹部脂肪和背膘的沉積相關。上述結果表明,豬腸道內特定的微生物可能通過參與機體能量代謝,調控脂肪沉積和豬肉品質形成。

3.2 發酵飼料對豬肉營養品質的影響及機制

飼料營養對豬肉營養品質的調控起關鍵作用[7]。黃小乘等[32]研究發現,使用酵母菌、康氏木霉、白腐菌和非淀粉多糖酶發酵的秸稈微貯飼料飼喂育肥豬后,背最長肌中粗蛋白質含量顯著提高了4.73%。Qiu等[33]研究報道,釀酒酵母、枯草芽孢桿菌和乳酸菌發酵的玉米-豆粕型飼糧可能通過提高飼糧中粗蛋白質和氨基酸含量增加豬肉的蛋白質含量。韓啟春[34]發現,8種菌發酵的玉米-豆粕型飼糧飼喂的豬,其肉中蛋白質含量有增長的趨勢。Lu等[35]發現,10%乳酸菌、梭菌和雙歧桿菌發酵的玉米-豆粕型飼糧飼喂生長育肥豬后,背最長肌中天冬氨酸、谷氨酸、丙氨酸等芳香族氨基酸的含量分別顯著提高了2.21%、3.08%和0.93%。Xu等[16]發現,10%酒曲發酵小麥酒精糟使豬肉必需氨基酸、非必需氨基酸和總氨基酸含量分別顯著增加了5.57%、5.45%和5.50%,進而提高豬肉的營養價值。本團隊研究發現,8%枯草芽孢桿菌和戊糖片球菌發酵的玉米-豆粕飼糧可顯著提高豬肉的IMF、必需氨基酸(纈氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、賴氨酸)含量,亞油酸、油酸、亞麻酸、花生四烯酸含量分別顯著提高了14.86%、3.99%、34.48%和20.69%[7]。Tang等[17]發現,植物乳桿菌、枯草芽孢桿菌、產脘假絲酵母和黑曲霉菌發酵的全價飼糧飼喂育肥豬后,使背最長肌中油酸、亞油酸、花生四烯酸、總不飽和脂肪酸含量分別顯著提高了5.23%、5.16%、11.76%和5.41%,降低總飽和脂肪酸(SFA)含量。Fang等[36]研究也發現,蘋果渣青貯料飼喂后,育肥豬背膘中碳18~碳20的多不飽和脂肪酸含量顯著提高了14.62%。上述結果表明,發酵飼料在提升豬肉的營養品質方面有比較重要的作用。

發酵飼料在改善豬肉營養品質方面發揮比較重要的作用,其機制可能是發酵飼料能提高飼料蛋白質、氨基酸和脂肪酸等營養水平,增加育肥豬采食量,提高飼料消化率,改善豬肉蛋白質與脂肪的沉積,從而提高豬肉中粗蛋白質、氨基酸、粗脂肪和脂肪酸等營養成分的含量[32]。此外,發酵飼料中益生菌及其代謝產物如乳酸、乙酸的增加也可能是引起豬肉營養沉積和脂質代謝變化的原因。Lin等[37]研究表明,6%發酵乳桿菌、枯草芽孢桿菌和釀酒酵母發酵玉米芯飼喂后,可顯著提高育肥豬的采食量、日增重和養分消化率,降低料重比,顯著改善肉色、IMF含量和豬肉脂肪酸組成,顯著提高育肥豬腸道乳酸菌含量,并降低腸桿菌豐度。He等[38]發現,5%的枯草芽孢桿菌、凝結芽孢桿菌和乳酸菌發酵麥麩飼喂生長育肥豬后,其日增重提高,料重比降低,免疫功能得到改善,腸道鏈球菌屬(Streptococcus)豐度顯著降低,毛螺菌科(Lachnospiraceae)、蘇黎世桿菌屬(Turicibacter)豐度顯著提高。由此可見,發酵飼料也可能通過調控腸道微生物,提高育肥豬生長性能、血清抗氧化和免疫功能等,進而提高豬肉品質,但發酵飼料通過腸道微生物對豬肉的直接調控作用還有待深入研究。

3.3 發酵飼料對豬肉感官品質的影響及機制

發酵飼料對肉色和大理石紋、抗氧化和系水力及風味物質等豬肉感官指標也有較為明顯的改善作用。本團隊通過對發酵原料(大豆蛋白、蘋果渣、燕麥、玉米、小麥、豆粕、柿子殼、蘋果飼料、馬鈴薯漿、菜籽粕、小麥酒精糟、銀杏)、發酵添加劑(中草藥、大蒜粉、紅參粉、小球藻)和3 562頭豬的飼養試驗發表的30余篇文獻結果進行Meta分析發現,發酵飼料可以顯著改善豬肉感官品質,包括豬肉亮度(標準均差0.4,置信區間0.04,0.7)、紅度(標準均差0.7,置信區間0.1,1.2)、大理石花紋(標準均差2.1,置信區間1.2,3.0)以及風味,經過劑量效應分析,發酵原料和發酵添加劑的最優劑量分別為8%和0.15%[39]。本團隊進一步研究表明,飼喂8%枯草芽孢桿菌和戊糖片球菌發酵的玉米-豆粕飼糧使豬肉眼肌面積、肉色紅度和大理石評分分別顯著增加了16.62%、9.12%和50.49%[7]。此外,Lu等[35]發現,10%乳酸菌、梭菌和雙歧桿菌發酵的玉米-豆粕型飼糧飼喂后,使生長育肥豬背最長肌紅度與黃度值顯著提高了12.24%和43.99%,色澤更加鮮紅亮澤。

Lu等[35]研究表明,10%乳酸菌、梭菌和雙歧桿菌發酵的玉米-豆粕型飼糧飼喂生長育肥豬可以顯著降低背最長肌滴水損失和剪切力,提高豬肉系水力和嫩度。任向蕾等[40]采用10%芽孢桿菌、糞腸球菌和嗜酸乳桿菌發酵玉米-豆粕型飼糧飼喂后,育肥豬后腿肉總抗氧化能力、SOD和GSH-Px活性分別顯著提高了51.90%、32.51%和29.63%,滴水損失顯著降低29.80%。本團隊使用8%戊糖片球菌和芽孢桿菌發酵玉米-豆粕型飼糧飼喂育肥豬后,豬肉中SOD和GSH-Px活性分別顯著提高了22.29%和21.10%,組織脂質過氧化物含量顯著降低,滴水損失和剪切力分別顯著降低了20.96%和10.64%,從而改善豬血清和肌肉的抗氧化能力,提高豬肉嫩度和系水力[7]。朱坤等[41]研究發現,唾液乳桿菌、枯草芽孢桿菌和釀酒酵母發酵全價飼料飼喂育肥豬后,顯著提高了其血清中黃嘌呤、丁子香酚、丙烯酤胺和對-香豆酸等代謝產物的含量,改善豬肉的抗氧化能力,并使剪切力顯著降低了6.38%,提高了豬肉嫩度。

本團隊研究發現,8%枯草芽孢桿菌和戊糖片球菌發酵的玉米-豆粕飼糧飼喂育肥豬后,可以顯著提高背最長肌中不飽和脂肪酸(花生四烯酸、亞油酸、油酸、亞麻酸)、鮮味氨基酸(谷氨酸、天冬酰胺、蘇氨酸、絲氨酸、丙氨酸、甘氨酸)、醇類物質(異辛醇、壬醇)、醛類物質(壬醛、辛醛、庚醛、己醛、苯甲醛)及酮類物質(3-羥基-2丁酮、苯乙酮、甲基庚烯酮)等風味物質的含量[7]。黃小乘等[32]研究也表明,酵母菌、康氏木霉、白腐菌和非淀粉多糖酶發酵秸桿飼糧飼喂后,使育肥豬背最長肌的呈味氨基酸如甘氨酸、脯氨酸、丙氨酸以及棕櫚酸、亞油酸含量分別顯著提高了8.20%、14.33%、10.44%、3.54%和54.11%,改善了豬肉風味。宋博等[42]研究報道,10%酵母菌、乳酸菌和纖維素酶發酵的構樹飼糧飼喂育肥豬,使豬背最長肌中組氨酸、精氨酸、甘氨酸、?;撬岷挺?氨基異丁酸等含量分別顯著提高了45.20%、30.87%、43.00%、20.64%和40.52%。任向蕾等[40]采用電子鼻分析和感官評定發現,10%芽孢桿菌、糞腸球菌和嗜酸乳桿菌發酵玉米-豆粕型飼糧飼喂后,可以提高育肥豬后腿肉中脂肪族化合物的含量,并使嫩度、風味和多汁感評分分別顯著提高了6.26%、5.73%和15.01%。上述研究結果提示,發酵飼料具有改善豬肉風味的功能。

發酵飼料調控豬肉感官品質的機制可能是有機酸促進了胃液的分泌,并提高肌紅蛋白與鐵的結合,改善肉色、嫩度和系水力等[41]。此外,飼料發酵后鮮味氨基酸、肌苷酸、有機酸和揮發性物質等風味物質含量提高,從而有利于改善豬肉中各種呈味物質,進而提升肉品風味。同時,發酵飼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,增強了機體和豬肉的抗氧化能力。發酵飼料對IMF沉積調控可能是通過調節育肥豬脂肪中氧化物酶體增殖激活受體γ(PPARγ)的表達來實現的[34];對肌纖維發育及類型調控的可能機制是增加胰島素/蛋白激酶B(AKT)/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白1(mTORC1)蛋白合成級聯反應和激活肌肉萎縮因子(MAFbx)/叉頭轉錄因子1(Foxo1)途徑,以及對核糖體蛋白、肌肉收縮和肌肉肥大相關蛋白的調節[33]。

4 小結

發酵飼料可以提供益生菌、氨基酸、風味物質、抗氧化酶等,提高飼料營養價值,進而改善豬肉感官和營養品質,在優質安全豬肉生產中發揮著比較重要的作用。不同的發酵菌種、發酵形式和條件可能對豬肉品質和風味的改善有著不同程度的影響,但目前發酵飼料如何調控豬肉品質和風味的機制研究尚不深入。同時發酵飼料還存在評價體系不完善、產品品質檢測不全面、發酵機制不明確等問題。未來,發酵飼料研究將主要圍繞特色發酵菌種選育、活性代謝產物挖掘、優質豬肉生產、生產工藝標準化和安全性評價與產品質量評估標準建立等方向重點展開。


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關鍵詞: 飼料 禾豐

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