Environmental & Sustainable Engineering
The Role of Fermentation in Producing Sustainable Animal Feed Ingredients
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La fermentation est une technologie fondamentale dans la recherche d'ingrédients alimentaires durables pour les animaux.Avec la pression croissante du secteur de l'élevage mondial pour réduire son empreinte environnementale, la fermentation offre un levier biologique pour transformer les résidus organiques et les sous-produits agricoles de faible valeur en aliments nutritifs.Ce processus peut réduire la dépendance à l'égard de cultures à forte intensité de ressources comme le soja et le maïs, atténuer les émissions de gaz à effet de serre et améliorer la santé animale.
La science de la fermentation dans la production d'aliments pour animaux
Dans les aliments pour animaux, on utilise deux formes primaires de fermentation : la fermentation à l'état solide (SSF) et la fermentation submergée (SmF). La SSF se produit sur un substrat solide humide avec peu d'eau libre, mimant la décomposition naturelle. C'est la méthode derrière le farine de soja fermenté et de nombreux aliments inoculés par des moisissures. La SmF, en revanche, se produit dans un milieu liquide et est typique pour produire des probiotiques ou des protéines monocellulaires.
La sélection microbienne est critique.Les bactéries acides lactiques (LAB), en particulier Lactobacillus espèces, dominent les aliments ensiliers et probiotiques – elles acidifient le substrat, supprimant les organismes de détérioration. Aspergillus oryzae et Rhizopus oligosporus sont des chevaux de travail fongiques dans la fermentation à l'état solide, sécrétant des enzymes qui décomposent les fibres complexes, les protéines et les facteurs antinutritionnels.
Mécanismes d'amélioration nutritionnelle
La fermentation améliore la valeur des aliments par plusieurs voies interdépendantes. Premièrement, les enzymes microbiennes hydrolysent la cellulose, l'hémicellulose et la lignine, libérant des sucres fermentables qui deviennent plus digestibles pour l'animal. Dans le soja, par exemple, la fermentation peut réduire les oligosaccharides comme le raffinose et le stachyose, ce qui provoque une flatulence et réduit l'efficacité des aliments dans les monogastriques.
Deuxièmement, la fermentation réduit ou élimine les facteurs antinutritionnels. Les inhibiteurs de la trypsine dans le soja, le phytate dans les grains et les glucosinolates dans le farine de colza peuvent tous être partiellement dégradés par une activité fongique ou bactérienne appropriée.Cela permet aux formulateurs d'aliments pour animaux d'inclure des niveaux plus élevés de sources de protéines alternatives sans compromettre les performances animales.
Principaux types d'ingrédients fermentés pour aliments du bétail
La diversité des aliments fermentés reflète la gamme de substrats et les objectifs de production. Ci-dessous sont les catégories les plus pertinentes sur le plan commercial, chacune ayant ses propres paramètres de traitement et applications.
Silage: L'aliment fermenté original
Le silage est le produit de la fermentation anaérobie de l'acide lactique de fourrage à forte teneur en matières grasses — maïs, herbe ou luzerne. Le procédé repose sur des bactéries d'acide lactique naturelles sur le matériel végétal, qui, sous scellement, convertissent les glucides solubles dans l'eau en acide lactique. La chute de pH qui en résulte (habituellement inférieure à 4,2) préserve le fourrage, empêchant la croissance de Clostridium et d'autres microbes de détérioration.
Repas de soja fermenté (FSBM)
La FSBM est produite par fermentation à l'état solide de farine de soja dégraissée et dégraissée en utilisant Aspergillus oryzae[, Bacillus subtilis[, ou une culture mixte. Le processus réduit les inhibiteurs de la trypsine de 80 à 90 % et élimine la plupart des oligosaccharides à flatulence. La teneur en protéines brutes peut augmenter de 8 à 12 % en raison de l'accumulation de biomasse microbienne. La FSBM est particulièrement précieuse dans l'aquaculture et l'alimentation des porcs comme substitut de la farine de poisson ou de soja conventionnel, en particulier pour les régimes de départ et de sevrage.
Sous-produits fermentés: Brèches, distillateurs, grains et pulpes d'agrumes
Les sous-produits agricoles et industriels sont abondants, mais contiennent souvent des facteurs d'humidité, de fibres ou d'antinutrition qui limitent leur utilisation directe. La fermentation peut détoxifier et préserver ces matériaux. Les brasseurs (BSG), sous-produit humide de la fabrication de bière, sont riches en fibres et en protéines. La fermentation acide lactique de BSG avec LAB augmente la digestibilité des protéines et prolonge la durée de conservation, ce qui est une bouffée pour les petites et moyennes exploitations.
Aliments enrichis en probiotiques
Au-delà de l'amélioration du substrat, la fermentation peut délivrer directement des microbes vivants bénéfiques à l'animal.Les aliments probiotiques contiennent des souches telles que Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium[, ou Saccharomyces cerevisiae[.Ces souches sont souvent produites en cultivant la souche dans un milieu stérile, puis en mélangeant la culture avec un support (bron de blé, cornobe ou coques de soja) et en séchant dans des conditions douces.
Les souches microbiennes au front
La performance de tout aliment fermenté dépend de la sélection des cultures de départ. Ci-dessous se trouvent certains des organismes les plus étudiés et les plus déployés sur le marché.
| Microorganism | Type | Primary Feed Application | Key Benefit |
|---|---|---|---|
| Lactobacillus plantarum | Bacterium (LAB) | Silage, probiotic supplements | Rapid lactic acid production, good survival in silage |
| Aspergillus oryzae | Fungus | FSBM, solid-state fermentation of grains | Strong protease and amylase activity, reduces anti-nutrients |
| Bacillus subtilis | Bacterium | FSBM, deodorisation of protein sources | Heat-stable spores, spore-forming probiotics |
| Saccharomyces cerevisiae | Yeast | Rumen fermentation modifier, dairy feed | Stabilises rumen pH, reduces methane production |
| Rhizopus oligosporus | Fungus | Tempeh-style feed for monogastrics | High fibre degradation, natural antimicrobials |
Avantages pour l'environnement et la durabilité
L'argument de durabilité pour les aliments fermentés repose sur trois piliers : utilisation des matières premières, réduction des émissions et épuisement des terres.En valorisant les déchets alimentaires, les résidus de cultures et les sous-produits de transformation, la fermentation transforme ce qui serait autrement une responsabilité d'élimination en une ressource productive.Cette approche circulaire réduit le besoin de cultures fourragères dédiées, qui représentent environ 30 % des terres cultivées mondiales et est un moteur majeur de la déforestation et de la perte de biodiversité.
Atténuation des gaz à effet de serre
Une étude de 2022 comparant le FSBM avec le tourteau brésilien de soja importé a révélé que la solution de rechange fermentée a réduit les émissions de gaz à effet de serre de 40 à 60 % par kilogramme d'aliments pour animaux, en grande partie en raison d'un changement d'affectation des terres évité et d'une réduction du transport. Dans le cas des sous-produits ensilés, le coût du carbone pour la gestion des déchets (par exemple, émissions de méthane provenant des décharges) est entièrement évité.
Efficacité des ressources
La fermentation à l'état solide utilise un minimum d'eau par rapport au traitement conventionnel des aliments (extrusion ou granulation). L'apport énergétique pour la fermentation (chauffage, aération, mélange) est souvent inférieur à celui nécessaire pour le séchage ou le traitement thermique des mêmes matières premières.
Valorisation des déchets Réussites
En Europe, les brasseurs de céréales épuisées sont fermentés par Lactobacillus pour produire un aliment riche en protéines (jusqu'à 32 % de protéines brutes) qui reste stable pendant des semaines sans réfrigération.En Asie du Sud-Est, les pelures de manioc, un flux massif de déchets provenant de la production d'amidon de tapioca, sont fermentées avec Aspergillus niger pour réduire la teneur en cyanure et améliorer la digestibilité, créant un aliment agréable pour les porcs.Ces exemples démontrent que la fermentation peut transformer les engagements locaux en intrants de grande valeur, réduisant ainsi la dépendance de l'industrie alimentaire à l'égard des chaînes mondiales de produits de base.
Réalités économiques et scalabilité
Malgré ses promesses, la viabilité économique des aliments fermentés demeure inégale. La production à petite échelle à la ferme peut être rentable si la main-d'oeuvre et les matières premières sont bon marché, mais la production commerciale est confrontée à des obstacles. Les fermenteurs à l'état solide nécessitent un contrôle attentif de l'humidité et de la température; la contamination par des champignons indésirables (comme les aspergillies productrices de toxines) est un risque constant. La stérilisation de grands volumes de matières solides est à forte intensité énergétique.
Les mélangeurs horizontaux à palettes avec injection de vapeur, ventilateurs d'aération automatisés et systèmes d'inoculation contrôlés par ordinateur ont amélioré la cohérence et réduit les coûts de main-d'oeuvre. L'utilisation de substrats à faible coût, comme la pâte de betterave à sucre, les résidus de transformation de pommes de terre ou les produits de boulangerie périmés, peut réduire considérablement les coûts d'entrée.
Problèmes de sécurité et de réglementation
La fermentation non contrôlée peut soutenir la croissance de bactéries pathogènes (p. ex. Clostridium botulinum ) ou de moisissures toxigènes (Aspergillus flavus , Fusarium graminearum.La fermentation de l'acide lactique, avec sa chute rapide du pH, est naturellement inhibitrice pour la plupart des pathogènes, mais la charge microbienne initiale du substrat doit être faible. La fermentation à l'état solide de champignons nécessite une surveillance attentive des aflatoxines; certaines souches Aspergillus sont plus sûres que d'autres, mais les tests génétiques et l'analyse chimique courante sont essentiels.
Dans l'UE, les ingrédients fermentés des aliments du bétail sont soumis au règlement sur l'hygiène des aliments du bétail (CE 183/2005) et doivent être enregistrés comme matières premières pour aliments des animaux, avec une traçabilité complète, des plans HACCP et des limites de contaminants. La FDA des États-Unis considère que le FSBM est un ingrédient généralement reconnu comme sûr (GRAS) lorsqu'il est produit par des souches spécifiques.
Orientations futures : Fermentation de précision et au-delà
La prochaine vague d'innovation dans les aliments fermentés sera alimentée par la fermentation de précision, l'utilisation de microorganismes génétiquement modifiés pour produire des ingrédients fonctionnels spécifiques. Par exemple, les souches de levure peuvent être conçues pour surproduction de méthionine ou de lysine, les acides aminés limitants dans de nombreuses formulations d'aliments pour animaux, réduisant le besoin de suppléments synthétiques.
Une autre frontière est l'utilisation de CRISPR-Cas9 pour modifier les souches pour une meilleure tolérance au stress, une sécrétion plus élevée d'enzymes ou une résistance à l'attaque de bactériophage pendant la production.Les entreprises commercialisent déjà Pichia pastoris -protéines microbiennes dérivées pour l'alimentation, utilisant la biologie synthétique pour obtenir des rendements protéiques qui concurrencent le soja sur une base coût-par-amino-acide.
L'intégration avec les systèmes de bioéconomie circulaire progresse également. Une installation prototype au Danemark relie la fermentation des déchets alimentaires à la production de protéines monocellulaires avec une usine de biogaz adjacente. Le dioxyde de carbone issu de la fermentation alimente la culture des algues, qui à son tour sert d'ingrédient riche en lipides.
Un chemin pratique vers l'avenir
Pour les fabricants d'aliments pour animaux et les éleveurs qui évaluent la fermentation, la première étape consiste à évaluer la disponibilité et le coût des matières premières locales.Les sous-produits à haute teneur en protéines et en fibres faibles, tels que les brasseurs, les okaras (résidus de carie de soja) ou les yogourts, sont d'excellents points de départ.
Pour ceux qui cherchent à acheter des ingrédients fermentés, recherchez des fournisseurs qui fournissent des résultats de tests indépendants de tiers pour l'activité de protéase, l'augmentation de protéines brutes et le dépistage de la mycotoxine. La volonté de partager les diagrammes de flux de processus et les identités de souches microbiennes (ou au moins un certificat de sécurité) est un bon indicateur de qualité.
La fermentation n'est pas une panacée, elle ne remplacera pas tous les aliments traditionnels du jour au lendemain. Mais à mesure que les pressions mondiales sur la terre, l'eau et le climat s'intensifient, la transformation microbienne des déchets en aliments pour animaux deviendra un outil indispensable dans la trousse à outils en protéines durables.