《Animal Feed Science and Technology》：Alterations in rumen microbiota and methane production through fermentation of soybean meal with
Lactobacillus rhamnosus
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本研究通过固态发酵工艺利用乳酸杆菌处理大豆粕，显著提升其粗蛋白、可溶蛋白等营养价值，改善瘤胃发酵参数并降低甲烷排放，机制涉及微生物群落结构及代谢功能调控。
李云飞|冯宝山|朱伟|姜桂娥|刘廷宇|张宏伟|李欣|李艳|李建国|高艳霞|徐宏健
中国河北省保定市河北农业大学动物科学技术学院，邮编071000
摘要
本实验旨在研究豆粕在固态发酵过程中使用鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus）发酵后其营养价值的变化，并评估其对瘤胃发酵模式、瘤胃微生物群的结构与功能以及体外发酵过程中甲烷（CH?）排放的影响。实验中，将豆粕与小麦麸皮混合后用鼠李糖乳杆菌进行发酵。随后的体外发酵试验采用完全随机设计，分为豆粕组（SBM）和发酵豆粕组（FSBM）。结果表明，鼠李糖乳杆菌发酵显著提高了粗蛋白（CP）、非蛋白氮（NPN）和可溶性蛋白（SP）的含量，而中性洗涤纤维不溶性蛋白（NDFIP）含量显著下降。此外，发酵豆粕组的有机酸浓度和鼠李糖乳杆菌的相对丰度也有所增加。体外发酵结果显示，发酵豆粕组的氨氮（NH?-N）和丙酸浓度较高，中性洗涤纤维（NDF）的消化率也较高，但丁酸浓度、总气体产生量、甲烷（CH?）和二氧化碳（CO?）的产生量较低。宏基因组分析显示，饲料中添加发酵豆粕后，瘤胃内Clostridium_sp._CAG:793和Succiniclasticum_ruminis的数量增加，而Lachnospiraceae unclassified和Butyrivibrio的数量减少，这导致促进丙酸产生的酶上调，而促进丁酸产生的酶下调。综上所述，使用鼠李糖乳杆菌对豆粕进行固态发酵显著提高了其营养价值和消化率，并通过改变瘤胃微生物群的结构与功能调节了碳水化合物代谢途径，从而减少了甲烷产生的底物，进而降低了甲烷排放。本研究为发酵豆粕作为减少反刍动物甲烷排放的可持续饲料策略提供了有价值的见解。然而，仍需在实际条件下进行进一步的体内研究以评估其在饲料中的效果。
引言
温室效应是主要的全球环境问题，其中甲烷是导致全球变暖的第二大温室气体。统计数据显示，甲烷占全球温室气体的18%，并且预计未来这一比例将继续上升（IPCC，2022年）。作为瘤胃发酵的副产品，甲烷排放不仅代表了能量损失，还显著加剧了温室效应（Mitsumori和Sun，2008年）。因此，减少反刍动物的甲烷排放是缓解温室效应的有效方法。现有减少反刍动物甲烷排放的研究主要分为三类：（1）调整饲料组成，如增加脂肪含量、减少纤维和改变精料比例（Jiao等，2014年；Rasmussen和Harrison，2011年；Russell，1998年）；（2）添加饲料添加剂，如植物提取物、精油、化学化合物（3-硝基丙醇、硝酸盐和卤素等）（Honan等，2021年）；（3）对饲料进行物理、化学和生物处理（Li等，2021年；Moss，1994年；Xie等，2022年）。在这些策略中，对饲料的处理方法显著影响了其营养价值、瘤胃发酵和生产过程中的温室气体排放。特别是生物发酵可以提高反刍动物的营养价值和饲料利用率（Nie等，2015年；Wang等，2019年），并且已被证明能有效减少甲烷排放（Li等，2021年）。
豆粕是畜牧业重要的蛋白质饲料来源，年消费量巨大。尽管豆粕富含蛋白质和氨基酸，但其中的抗营养因子会通过影响蛋白质消化率、肠道营养吸收和瘤胃发酵来降低畜牧业的生产性能（Dias Rde等，2015年）。固态发酵是指微生物在固体材料中发酵的过程（Pandey，2003年），由于其简单性、低成本和环境可持续性，在畜牧业中得到广泛应用。先前的研究表明，固态发酵可以提高饲料的营养价值（Jiang等，2021年），饲料的营养质量也与甲烷产生有关（Eugène等，2004年）。作为关键饲料成分，豆粕的营养价值直接影响畜牧业的利用效率。通过固态发酵可以利用微生物去除抗营养因子并分解复杂的底物分子，从而提高豆粕的营养价值（Samtiya等，2020年）。作为一种同型发酵乳酸菌，鼠李糖乳杆菌不仅能在发酵过程中快速产生乳酸从而降低环境pH值（Gad等，2024年），还能因其强黏附特性有效抑制霉菌生长。同时，它还能结合饲料中可能存在的黄曲霉素和其他霉菌毒素，显著降低毒素污染风险并抑制有害微生物的繁殖（Zhang等，2023年）。此外，一些研究表明，饲喂鼠李糖乳杆菌可通过改变瘤胃发酵模式来影响甲烷排放（Philippeau等，2017年）。在豆粕的发酵过程中添加蛋白酶可将大分子蛋白质转化为易于吸收的小分子肽和氨基酸，从而提高利用率。使用酸性蛋白酶可确保在酸性发酵环境中保持酶的活性（Heng等，2022年）。饲喂发酵饲料可通过增加丙酸的产生来改善瘤胃发酵模式并减少甲烷排放。这一过程需要氢作为底物，而氢也是甲烷菌产生甲烷所需的底物之一（Eugène等，2004年）。此外，发酵饲料中的乳酸菌通过降低瘤胃pH值来抑制甲烷菌的活性，从而减少甲烷的产生（Russell，1998年）。先前的研究表明，生物发酵在不同程度上都能减少甲烷产生，例如在发酵全混合日粮（Li等，2021年）、青贮饲料（Huyen等，2020年）和发酵菜籽饼中（Gao等，2023年）。
尽管现有研究表明，乳酸菌发酵的饲料可以减少奶牛的甲烷排放（Huyen等，2020年），但尚不清楚豆粕在鼠李糖乳杆菌发酵后其营养价值、瘤胃发酵和甲烷减排情况。因此，本研究评估了发酵豆粕的营养价值、发酵参数和细菌组成。此外，还通过将发酵豆粕加入实验日粮进行了体外发酵试验，研究了营养物质的消化率、气体产生量、瘤胃发酵参数、微生物组成和代谢功能。
材料与方法
本研究在中国保定市河北农业大学动物科学技术学院进行，动物实验程序获得了河北农业大学实验动物伦理委员会的批准（2023052）。豆粕和小麦麸皮来源于中国保定市的宏达牧场。
鼠李糖乳杆菌发酵对化学成分和发酵参数的影响
如表1所示，发酵后豆粕组（SBM）的粗蛋白（CP）、可溶性蛋白（SP）、非蛋白氮（NPN）和能量密度（EE）含量显著增加（P < 0.05），而中性洗涤纤维不溶性蛋白（NDFIP）、中性洗涤纤维（NDF）和干物质消化率（ADL）含量显著下降（P < 0.05）。表2显示，发酵豆粕组（FSBM）的pH值显著降低（P < 0.001），同时氨氮（NH?-N）、乙酸（acetate）、丙酸（propionate）和乳酸（lactic acid）的浓度显著增加（P < 0.001）。
豆粕和发酵豆粕的微生物多样性与群落
细菌的α多样性见图1A。
鼠李糖乳杆菌发酵对化学成分和发酵参数的影响
在本研究中，蛋白质含量的增加可能与鼠李糖乳杆菌分解碳水化合物（如中性洗涤纤维NDF）有关，从而提高了蛋白质的相对含量（Jiang等，2021年）。此外，可溶性蛋白（SP）含量的升高和中性洗涤纤维不溶性蛋白（NDFIP）含量的降低表明发酵过程促进了高分子量不溶性蛋白质的降解。
结论
本研究表明，用鼠李糖乳杆菌发酵的豆粕能够降解大分子蛋白质，从而提高饮食中粗蛋白的消化率。发酵过程中，鼠李糖乳杆菌的生长增加了乳酸浓度，降低了pH值并抑制了有害细菌的生长。饲喂发酵豆粕主要改变了瘤胃细菌群的结构与功能。
未引用的参考文献
(Alka等，2012年；Cao等，2010年；Dias等，2015年；Hoedt等，2018年；Kumar等，2014年；Leahy等，2013年；Li等，2021a年；Van等，1991年；Tufail等，2024年；Xiao等，2022年；Zhong等，2020年)
CRediT作者贡献声明
冯宝山：研究调查、数据整理。
张宏伟：撰写、审稿与编辑、资源提供。
刘廷宇：资源提供、概念构思。
徐宏健：监督、项目管理、资金获取。
高艳霞：监督、项目管理、资金获取。
李建国：监督、项目管理、资金获取。
朱伟：数据可视化、数据整理。
姜桂娥：资源提供、概念构思。
李艳：撰写、审稿与编辑、数据整理。
利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFD1300202）、CARS-36-20项目（CARS-36-20）、河北省现代农业产业技术创新体系奶牛创新团队（HBCT2023180207和HBCT2024230205）、河北省教育厅科研项目（QN2025134）、河北省自然科学基金（C2024204012）、河北省高层次人才项目（6012018）以及河北农业大学人才引进专项研究项目的资助。
