《Environmental Technology & Innovation》：Mitigation of Odor Emissions by Replacing Soybean Meal with Unconventional Protein Ingredients: Assessment via
in vitro Simulated Fermentation
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为应对畜禽养殖臭气污染与豆粕资源紧张的双重挑战，本研究通过体外发酵模型系统评估了八种非常规蛋白饲料（如棕榈仁粕、芝麻粕等）替代豆粕对育肥猪后肠微生物组成及代谢活性的影响。研究发现，不同饲料原料通过富集特定菌属（如乳酸杆菌Lactobacillus与巨球形菌Megasphaera）差异调控硫化氢（H2S）、氨气（NH3）等恶臭气体及短链脂肪酸（SCFAs）的生成，并揭示其与微生物代谢通路（如半胱氨酸/蛋氨酸代谢、硫代谢）的关联性。该研究为开发环保型饲料、减少豆粕使用提供了理论依据。
随着全球畜牧业规模不断扩大，人们在享受丰富畜禽产品的同时，也不得不面对日益严峻的环境污染和资源压力。其中，养殖场排放的恶臭气体，尤其是氨（NH3）和硫化氢（H2S），已成为重要的空气污染源。这些气体不仅直接刺激人畜呼吸道黏膜，引发角膜炎、结膜炎等健康问题，长期暴露还可能损害中枢神经系统，并通过大气沉降加剧土壤酸化与水體富营养化，对生态系统和公共健康构成跨界威胁。另一方面，畜牧业赖以生存的蛋白质饲料资源面临结构性短缺。豆粕作为主要蛋白原料，其价格波动和进口依赖度高，严重制约了畜牧业的可持续发展。为保障粮食安全，中国农业农村部提出了“提效减量、开源替代”的豆粕减量替代战略。我国拥有丰富的非常规蛋白饲料资源，如菜籽粕、棉籽粕、棕榈仁粕、芝麻粕等，它们成本较低，是豆粕的理想替代品，但其营养价值、抗营养因子以及氨基酸平衡问题限制了其广泛应用。目前，养殖场的臭气控制多依赖末端治理技术，而通过饲料营养从源头调控肠道菌群代谢以实现减排的研究尚不深入。同时，非常规蛋白原料在减臭方面的潜力尚未被充分挖掘，其作用机理和优化应用方案亟待探索。
在这一背景下，研究人员在《Environmental Technology》上发表了题为“Mitigation of Odor Emissions by Replacing Soybean Meal with Unconventional Protein Ingredients: Assessment via in vitro Simulated Fermentation”的研究论文。该研究旨在通过“营养调控-菌群优化-减臭减排”的关联分析，初步阐明非常规蛋白饲料原料通过调控生长猪肠道菌群发挥营养支撑和减臭作用的机制，为猪日粮中豆粕的减量替代提供理论基础，并为未来“资源节约、环境友好”型畜牧业协调发展新模式奠定初步基础。
为开展研究，作者主要运用了几项关键技术：首先，采集了包括豆粕（对照）及八种非常规蛋白原料（如脱脂米糠、花生粕、两种芝麻粕、棕榈仁粕、葵花籽粕、脱酚棉籽蛋白、玉米蛋白粉）进行营养成分分析。其次，利用体外模拟发酵技术，以育肥猪新鲜粪便菌群为接种物，在严格控制厌氧条件下进行24小时发酵。第三，使用多功能气体检测仪定量发酵末端气体产物（CH4, H2S, NH3, CO2, H2），并通过气相色谱法测定短链脂肪酸（SCFAs）含量。第四，采用16S rRNA基因测序技术分析发酵后微生物群落结构，并利用PICRUSt2基于KEGG数据库进行微生物功能通路预测。最后，运用统计学方法对气体产量、SCFAs含量与菌群丰度、功能通路进行相关性分析。研究涉及的猪粪便样本来自6头杜洛克×长白×约克夏杂交生长猪。
3.1. 不同饲料原料营养成分的测定
研究人员首先测定了各种饲料原料的粗蛋白、粗纤维、粗脂肪及18种氨基酸含量。结果显示，不同饲料原料的营养价值存在差异。脱酚棉籽蛋白-H的粗蛋白含量最高，玉米蛋白粉-J、芝麻粕-Q、花生粕-J次之。棕榈仁粕-Q、葵花籽粕-Q和芝麻粕-J的粗纤维含量相对较高。棕榈仁粕-Q的粗脂肪含量最高。在氨基酸组成方面，脱酚棉籽蛋白-H的必需氨基酸（EAA）含量最高，玉米蛋白粉-J的含硫氨基酸（SCAA）和支链氨基酸（BCAA）含量最高。这些营养成分的差异为其后续发酵特性奠定了基础。
3.2. 不同饲料原料的体外发酵产气特性
通过体外模拟发酵实验评估了七种非常规饼粕蛋白饲料原料的NH3、H2S、CH4、CO2和H2五种产气特性。与豆粕-K组相比，葵花籽粕-Q、脱酚棉籽蛋白-H和玉米蛋白粉-J组的总产气量显著降低。除花生粕-J组外，其他饲料原料的CO2产气量均显著低于豆粕-K组。芝麻-J组的H2和H2S产气量显著低于其他饲料原料。值得注意的是，不同产地的芝麻粕产气量也存在显著差异，芝麻-Q组的H2和H2S产气量显著高于芝麻-J组。结果表明，饲料原料的营养成分，特别是粗纤维含量，显著影响其发酵产气特性。
3.3. 不同饲料原料体外发酵后短链脂肪酸（SCFAs）含量
体外发酵模型分析了八种非常规饼粕蛋白饲料原料的短链脂肪酸含量。结果显示，豆粕-K和脱酚棉籽蛋白-H组的总SCFAs和乙酸含量显著高于其他组。豆粕-K组的丙酸产量显著高于其他饲料原料组。在丁酸方面，仅棕榈仁粕-Q组的产量显著高于玉米蛋白粉-J组。而异丁酸、戊酸和异戊酸的产量在各饲料原料间无显著差异。这表明饲料原料营养成分的差异通过肠道微生物发酵导致了SCFAs产量的不同。
3.4. 不同饲料原料体外发酵后微生物区系分析
不同非常规蛋白饲料原料体外发酵后，肠道微生物群落的结构和组成存在差异。Alpha多样性分析显示，棕榈仁粕-Q组的Chao指数和Shannon指数均显著高于豆粕-K组，表明其显著提高了微生物物种丰富度和多样性。Beta多样性分析表明，在属水平上，不同蛋白饲料组间微生物群落结构存在显著差异，其中芝麻粕-Q组差异较大。物种组成分析显示，乳酸杆菌（Lactobacillus）是所有饲料原料组中的优势菌属。LEfSe分析鉴定出组间差异显著的生物标志物菌属，例如，脱脂米糠-K组显著富集Family_XIII_UCG-001，芝麻粕-J组显著富集乳酸杆菌（Lactobacillus），芝麻粕-Q组显著富集巨球形菌（Megasphaera）等，棕榈仁粕-Q组显著富集Fournierella等九个菌属，脱酚棉籽蛋白-H组显著富集埃希氏菌-志贺氏菌（Escherichia-Shigella）。不同非常规蛋白饲料原料富集的细菌菌属存在显著差异。
3.5. 产气、SCFA产量与菌群的相关性
Spearman相关分析评估了前15位细菌属的相对丰度与发酵气体和SCFAs产量之间的关系。乳酸杆菌（Lactobacillus）的丰度与H2S、H2和异戊酸的产量呈显著负相关，而链球菌（Streptococcus）的丰度与它们呈显著正相关。巨球形菌（Megasphaera）与CH4、H2S、H2、丙酸、丁酸和异戊酸的产量呈正相关。一些菌属与CH4和NH3产量呈显著负相关。这些结果表明，不同的细菌属可能在发酵过程中通过竞争或协同作用影响气体和SCFAs的代谢。
3.6. 饲料原料发酵后微生物KEGG功能通路分析
分析了不同非常规蛋白饲料原料发酵后微生物群落的代谢功能特征，重点关注与恶臭物质产生相关的代谢通路。结果显示，不同饲料原料的微生物群落功能在代谢特征上存在显著差异。在氨基酸代谢方面，芝麻粕-Q组的半胱氨酸和蛋氨酸代谢、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢等通路丰度显著高于豆粕-K组。在碳水化合物代谢方面，豆粕-K组的氨基酸和核苷酸代谢、果糖和甘露糖代谢等代谢活性显著高于芝麻粕-Q组。在能量代谢通路方面，豆粕-K组的甲烷代谢活性显著高于芝麻粕-Q组，而芝麻粕-Q组的硫代谢活性显著高于豆粕-K组。此外，芝麻粕-Q和棕榈仁粕-Q组的氮代谢通路丰度显著高于豆粕-K组。这些发现从功能基因组学角度揭示了不同蛋白饲料原料的微生物代谢特征差异。
3.7. 不同饲料原料发酵后微生物KEGG功能通路与菌群的相关性
Spearman相关分析揭示了发酵后微生物群落与代谢通路之间的关联网络。巨球形菌（Megasphaera）、链球菌（Streptococcus）、普雷沃氏菌（Prevotella）等菌属与半胱氨酸和蛋氨酸代谢、氮代谢和硫代谢等多种氨基酸代谢通路呈显著正相关。相反，乳酸杆菌（Lactobacillus）的丰度与这六条代谢通路呈显著负相关。此外，乳酸杆菌（Lactobacillus）与氨基糖和核苷酸代谢、果糖和甘露糖代谢、糖酵解/糖异生等通路呈正相关。
本研究通过体外模拟发酵技术，系统比较了八种非常规蛋白饲料原料与豆粕在营养成分、产气特性、短链脂肪酸形成、肠道菌群结构及代谢通路等方面的差异，初步阐明了非常规蛋白饲料通过调控猪肠道菌群影响产臭的机制。研究结论指出，不同蛋白饲料原料营养成分的差异显著影响体外发酵产气、SCFAs产量和微生物群落结构。高粗蛋白含量的脱酚棉籽蛋白-H和豆粕-K组SCFA产量较高。高粗纤维的棕榈仁粕-Q组则显著改善了微生物群落的丰富度和多样性，富集了潜在的益生菌（如Subdoligranulum），并促进了丁酸 production。乳酸杆菌（Lactobacillus）的丰度与硫化氢（H2S）产量呈显著负相关，而巨球形菌（Megasphaera）和链球菌（Streptococcus）与臭气排放呈正相关。KEGG通路分析进一步揭示，氨基酸代谢、碳水化合物代谢和能量代谢通路参与了臭气调控，半胱氨酸/蛋氨酸代谢和硫代谢通路的活性与H2S排放直接相关。
在讨论部分，研究人员深入探讨了研究发现的意义。他们指出，饲料原料的营养特性通过调控肠道菌群结构，影响其代谢功能，最终决定发酵产物的组成，构成了一个完整的因果链。例如，芝麻粕-Q组较高的硫代谢活性和H2S产量与其富集巨球形菌（Megasphaera）和增强的半胱氨酸/蛋氨酸代谢通路密切相关。而棕榈仁粕-Q组通过其高纤维含量富集丁酸产生菌Subdoligranulum，促进了有益丁酸的生产，这对肠道健康具有积极意义。该研究首次在“营养原料-菌群结构-臭味代谢”轴框架下，系统评估了多种非常规蛋白饲料的减臭潜力与机理。基于研究结果，在实际生产中，对于注重肠道健康或需减少硫化氢排放的猪场（如高密度育肥猪场），可优先考虑使用芝麻粕-J或棕榈仁粕-Q部分替代豆粕。更广泛地说，选择豆粕替代品时，应结合生产目标，综合考虑体外产气、短链脂肪酸产量以及微生物群落调控等关键功能参数进行评估。本研究建立的方法学和评估体系为基于证据的饲料配方的制定提供了重要参数支持。
总之，该研究不仅深化了对“饲料-肠道微生物-环境排放”轴内相互作用机制的理解，而且为推进畜牧业绿色转型提供了一种融合理论意义与实践可行性的解决方案，为缓解畜牧业快速扩张与生态保护之间的矛盾提供了一条可行的技术路径。然而，本研究主要基于体外发酵结果，其生理相关性仍需通过体内动物实验进一步验证，非常规饼粕中特定营养素影响猪肠道关键细菌产臭的分子机制也有待未来深入研究。
