刘 源,李文辉,刘 明,郭 丹,戴 刚,杨凤娟,孙 敏*
(1.中央农业广播电视学校,北京 100125;2.廊坊市农业局,河北廊坊 065000;3.北京中农弘科生物技术有限公司,北京 102206)
酵母源生物饲料的研究进展
刘 源1,李文辉2,刘 明3,郭 丹3,戴 刚3,杨凤娟3,孙 敏3*
(1.中央农业广播电视学校,北京 100125;2.廊坊市农业局,河北廊坊 065000;3.北京中农弘科生物技术有限公司,北京 102206)
酵母属于真菌类单细胞微生物,具有兼性厌氧和较强耐酸性等特点。以酵母为基础可以衍生出很多新型生物饲料原料和饲料添加剂,这些产品能提供多种营养物质,改善畜禽消化道菌群平衡,实现促进生长与提高免疫机能的作用,达到与促生长型抗生素类似的效果,具有广阔的市场前景。本文对酵母源生物饲料的种类及效果和作用机制等方面进行分析整理,以期促进酵母源生物饲料的开发和应用。
酵母;生物饲料;应用效果;种类;作用机理
酵母菌(Yeasts)是一种单细胞真菌微生物,成球形、卵圆形或圆柱形,酵母细胞含有丰富的蛋白质、氨基酸、小肽、多糖、核酸以及多种维生素,尤其是小肽、多糖、核酸以及B族维生素,具有极高的生物学功能及营养价值。在饲料工业中,酵母可以衍生出很多新型生物饲料原料及饲料添加剂,这些新型生物饲料原料和饲料添加剂具有绿色、天然、无污染、无残留等优点,在缓解全球蛋白质饲料资源不足方面具有巨大的开发潜力,已成为当前国内外的研究重点和未来发展方向。
1.1 破壁酵母粉 破壁酵母粉是通过生物化学或物理方法破坏酵母细胞壁结构,充分将细胞内的蛋白质、游离氨基酸、小肽、核酸、维生素、矿物质以及消化酶等生物活性物质释放到胞外,营养作用和功能性都大大提高,对动物有很好的诱食性、免疫促生长作用。
蒋宗勇等[1]研究表明,添加破壁酵母粉的试验组仔猪血清总蛋白、白蛋白和球蛋白含量较对照组分别提高了17.92%、7.63%和30.67%,表明破壁酵母粉可以通过提高早期断奶仔猪机体的体液免疫和细胞免疫水平,缓解早期断奶应激引起的仔猪免疫机能下降。
1.2 活性干酵母 在酵母源生物饲料应用中,活性干酵母主要作为益生菌进行使用,它属于兼性厌氧菌。当酵母菌进入畜禽的消化道后,能将其中的氧气消耗掉,形成厌氧环境,对需氧菌(如沙门氏菌、大肠杆菌等)的繁殖和生长起到良好的抑制作用,同时促进厌氧菌(如乳酸杆菌、双歧杆菌等)的增殖,达到改善畜禽胃肠道微生态平衡的目的。酵母菌在代谢过程中,还能产生一定的淀粉酶、蛋白酶、有机酸等,产生的酶类能够促进营养物质的分解,利于畜禽对营养的吸收;产生的有机酸类物质能够促使胃肠道的pH降低,提高畜禽对饲料的消化率。
活性干酵母已广泛应用于畜禽生产中。有研究报道,在母猪日粮中添加一定量(1×107和2×107CFU/g)的活性干酵母,可显著改善母猪所产仔猪断奶前(21日龄)的平均日增重,提高哺乳母猪的采食量和仔猪断奶率,并改善母猪胃内的微生物菌群结构[2]。刘庆华等[3]报道,日粮中添加100 g/t活性干酵母显著或极显著地提高了产蛋初期铁脚麻种鸡0~13 d及0~33 d的产蛋率,但各期破蛋率与对照组相比无显著性差异。戴晋军等[4]研究发现,炎热条件下,在荷斯坦奶牛日粮中添加反刍专用活性干酵母(每天每头1 g)能降低奶牛直肠温度,并延长产奶高峰期,证明了活性干酵母对炎热条件下奶牛抗热应激可发挥较好的作用。
1.3 酵母细胞壁 酵母细胞壁是指酵母细胞经自溶或外源酶催化水解或物理机械破碎后,细胞内物质溢出到胞外,再通过离心进行质壁分离,提取的细胞壁(重相部分)干燥而制成的一种全天然绿色饲料。细胞壁占整个酵母细胞干重的20%~30%,主要由葡聚糖和甘露聚糖2类多糖组成,还含有少量的蛋白质、脂肪和矿物质,其中发挥主要作用的是β-葡聚糖和甘露聚糖[5]。
有研究发现,酵母细胞壁可通过降低血液中谷草转氨酶和谷丙转氨酶的水平、提高血液中碱性磷酸酶的活性来改善仔猪的非特异性免疫机能;同时,提高仔猪血液中特异性免疫抗体水平,进而增强猪瘟、蓝耳病和伪狂犬等疫苗的抗体效价[6]。在家禽试验中,日粮中添加1 kg/t的酵母细胞壁能显著提高白羽肉鸡中血清总蛋白和球蛋白的含量,增加新城疫抗体水平[7]。另外,维吉尼霉素+酵母细胞壁组肉鸡的耗料增重比较单独维吉尼霉素组显著降低,表明在肉鸡生产中抗生素和酵母细胞壁具有一定的协同作用[8]。此外,酵母细胞壁多糖能有效调节肠道菌群结构。王忠等[9]也发现,酵母细胞壁多糖能阻止沙门氏菌感染引起的肉鸡死亡率升高,显著降低盲肠中大肠杆菌和沙门氏菌的数量。张建斌等[10]也报道,酵母细胞壁的添加显著增加了蛋鸡盲肠中双歧杆菌和乳酸杆菌的数量,并减少了大肠杆菌的数量。
酵母细胞壁同时也是一种优良的霉菌毒素吸附剂,是市场上常见霉菌吸附剂产品中的主要成分之一。酵母细胞壁上的β-葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质与脂类形成的特殊结构可通过氢键、离子键和疏水作用吸附和降解霉菌毒素[11]。George[12]通过体外吸附试验发现,在pH为3.0时,酵母细胞壁对玉米赤霉烯酮和黄曲霉毒素的吸附率分别达79%和60%;pH为6.5时,酵母细胞壁对两者的吸附率分别达79%和54%。由此表明在酸性条件下,酵母细胞壁多糖对玉米赤霉烯酮和黄曲霉毒素的吸附率受pH影响不大。
1.4 酵母水解物 酵母水解物是指酵母细胞经蛋白内源酶(细胞内自溶酶)及外源酶水解破壁后,充分释放核酸、小肽、游离氨基酸、维生素等功效成分到细胞外,再经浓缩、干燥而获得的酵母自溶物。酵母水解物中富含游离氨基酸、小肽、核酸/核苷酸、细胞壁多糖等多种营养物质,其中,核酸/核苷酸和小肽等功能性物质具有重要的促生长和免疫调节作用。有研究报道,在母猪日粮中添加0.3%的酵母水解物,仔猪断奶存活率、母猪平均日采食量和泌乳量比对照组分别提高了7.49%、3.8%和14.9%,可见酵母水解物能够提高哺乳母猪泌乳性能,并改善仔猪的生长状况[13]。Superchi等[14]报道,在仔猪教槽料和断奶日粮(21日龄断奶)中分别添加0.1%的酵母核苷酸提取物,极显著地降低了仔猪28和35日龄的皮质醇含量,同时,显著减少21日龄的CD4+CD淋巴细胞数量,并显著抑制了仔猪35日龄时IL-6和IL-10的表达,表明在日粮中补充核苷酸能有效减轻断奶应激对仔猪的影响,增强断奶仔猪的适应能力。然而,应琳琳等[15]和Carlson等[16]研究发现,酵母水解物完全替代日粮中血浆蛋白粉后对仔猪的生产性能和胃肠道发育并没有显著的改善效果。
许多研究表明,酵母水解物对禽类、水产动物亦有促进肠道发育、降低应激、促进生长、增强免疫力的作用。徐晓明等[17]研究发现,在白羽肉鸡日粮中添加酵母水解物能促进小肠发育,改善小肠的代偿形态结构,增加小肠的消化吸收功能,从而提高饲料转化率,显著减低试验后期的病死率。周小辉等[18]研究表明,在三黄鸡饲料中添加1 kg/t酵母水解物可显著促进肉鸡生长,提高出栏重,降低耗料增重比。在水产饵料中添加适量的酵母水解物对中华鳖成鳖具有明显的诱食效果,且因其富含核酸类物质,酵母水解物有效改善了中华鳖成鳖肠道结构,起到修复肠道损伤的作用[19]。
1.5 酵母培养物 酵母培养物是一种微生态制品,是指特制谷物培养基经酵母菌在特定工艺条件下发酵后干燥而得的混合物,富含蛋白质、小肽、氨基酸、维生素、寡糖、消化酶和芳香类物质,具有良好的适口性和促生长作用,可提高畜禽的采食量和改善生产性能。酵母培养物还含有许多“未知生长因子”,可提高动物生产性能。
酵母培养物最早用于反刍动物的蛋白质补充料,可利于提高反刍动物对饲料中干物质、蛋白质、粗纤维素、钙和磷等养分的消化率[20]。众多奶牛饲喂试验发现,复合酵母培养物提高了奶牛的抗热应激能力,继而提高产奶量和牛奶中的乳脂率[21-22]。除了反刍动物,酵母培养物在单胃动物上的研究与应用也越来越广泛。有研究发现,与对照组相比,日粮中添加酵母培养物显著降低了断奶仔猪的腹泻发生率,提高仔猪的存活率[23]。武书庚等[24]研究发现,酵母培养物能够显著降低蛋鸡的料蛋比,改善蛋鸡的产蛋率和平均蛋重,延长蛋鸡的产蛋高峰期并减少死淘率。
1.6 其他发酵产品 除上述介绍的已完成工业化生产和大规模应用的酵母源生物饲料产品外,还有其他各具特色的酵母发酵产品,比如酵母发酵豆粕、酵母硒和酵母铬等,这些新型酵母源生物饲料产品对提高动物免疫力具有重要作用,发展前景广阔。
通过已有研究可知,酵母源生物饲料主要有以下功效:①为动物机体提供所必需的营养物质(蛋白质、氨基酸、小肽、维生素等),并改善肠道对饲料养分的消化、吸收,提高动物对饲料的利用率,改善动物的生产性能。②调节胃肠道微生态平衡,有效抑制病原微生物的繁殖,促进有益菌的生长。③调节畜禽免疫抗病能力,酵母细胞壁中的甘露聚糖和葡聚糖等能刺激巨噬细胞,对于畜禽的机体免疫具有非常关键的作用。此外,酵母类产品中还含有未知生长因子,具有促生长作用。
2.1 酵母源生物饲料对动物营养方面的作用 酵母类生物饲料含有丰富的蛋白质,部分类型饲料中蛋白含量可达50%~60%,主要为菌体蛋白,且富含氨基酸、小肽等物质,能够为动物提供生长所必需营养物质。王学兵等[25]研究表明,较进口鱼粉组相比,仔猪日粮中添加酵母蛋白替代进口鱼粉没有显著改变仔猪断奶后的平均日采食量和平均日增重,饲喂效果较好。酵母源生物饲料产品在单胃动物中的作用主要体现在胃、小肠和盲肠,在反刍动物中主要体现在瘤胃。精料中添加酵母培养物可显著降低饲喂后瘤胃内氨态氮的含量[26-27],其主要原因是酵母培养物可刺激瘤胃内微生物生长,而增殖的微生物能促进氨基氮的利用,提高菌体蛋白的合成,为动物机体所利用。此外,酵母类生物饲料中富含呈味核苷酸、谷氨酸等天然诱食成分,具有独特的发酵香味,增加饲料的适口性,提高家畜的采食量。刘晓琳等[28]研究发现添加复合酵母后断奶仔猪的采食量显著提高。
2.2 酵母源生物饲料对肠道菌群的作用 目前已有大量关于酵母源生物饲料调节肠道菌群的研究报道。刘希颖等[29]报道,在饲料中添加酵母培养物后,仔猪肠道内的大肠杆菌、乳酸杆菌和双歧杆菌都有一定数量的增加,但大肠杆菌与乳酸杆菌加双歧杆菌之和的比值与对照组基本相同,保持了肠道微生态平衡。关于酵母源生物饲料调节肠道菌群机理的研究也越来越多(图1)。首先,酵母属进入到动物胃肠道后,消耗胃肠道内的氧气,减少粪便中腐败物质的产生,促进厌氧菌的增殖并抑制需氧菌的生长,从而改善动物肠道微生态平衡 。其次,酵母源生物饲料能够为乳酸菌的繁殖提供营养底物,刺激乳酸菌的生长,降低胃肠道pH,调节胃肠道功能的正常运行。此外,酵母类生物饲料对调节肠道菌群的作用机理还体现于其对病原菌的粘附作用。甘露寡糖是由甘露糖和葡萄糖组成,其结构与病原菌在肠壁上的受体结构相似,某些大肠杆菌或沙门氏菌能够凝集在酵母类生物饲料中酵母细胞壁外层的甘露聚糖上,继而阻断其在肠壁上的定植,从而减少了肠道病原菌的数量[30-31]。
图1 酵母源饲料对肠道菌群作用机理图
2.3 酵母源生物饲料对动物免疫机能方面的作用 酵母细胞壁中的β-葡聚糖和甘露聚糖具有高度免疫活性,可作用于机体内免疫细胞的表面受体,激活细胞内免疫信号传导途径,诱导机体产生免疫应答,进而增加血清与肠黏膜中免疫球蛋白水平[32],增强T淋巴细胞功能和小肠内淋巴细胞的活性,提高小肠内白细胞等免疫细胞对病原体的吞噬能力,激发机体的免疫反应应答,最终达到提高动物免疫机能和抗病能力的作用[33]。也有研究表明,酵母细胞壁多糖能明显增强抗生素的效力,与抗生素联合使用能刺激巨噬细胞,增加抗生素等药物的治疗效果[8,34],同时进入肠道后还可作为营养物质被肠道内的乳酸杆菌和双歧杆菌分解利用,进而促进乳酸杆菌和双歧杆菌的大量增殖[9-10]。酵母源生物饲料中的核酸/核苷酸、小肽等均能提高动物的免疫力和抗应激能力。核酸/核苷酸是一种条件性必需营养物质,对提高畜禽采食量、调节机体免疫功能和修复肠上皮细胞损伤等方面具有重要的作用[35]。另外,酵母铬和硒等能促使免疫球蛋白的含量增加,从而使得发病率减少。
综上所述,酵母源生物饲料作为一种绿色、天然的生物产品,成本低廉,营养丰富。随着对酵母类产品的深入研究,其开发、应用也将会越来越广泛,故而具有广泛的应用前景和巨大的开发潜力。酵母源生物饲料在增强动物免疫功能、维持胃肠道微生态平衡以及改善繁殖性能等方面都具有十分积极的作用和意义。目前,对于酵母类饲料对动物的作用机理研究仍不够深入,仅在酵母源生物饲料提供的营养层面讨论,并未研究其对动物机体的作用途径。虽然有大量报道称酵母源饲料对动物的促生长作用与饲用抗生素效果类似,能替代饲用抗生素的使用,但是该作用途径是通过哪种形式体现的,并不明确。此外,对于酵母类饲料的某些功能特点,多以“未知因子”作用效果解释,未曾做到真正探究,这些问题仍是今后需要研究的重点。
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Research Progress on Application of Yeast Derived Biological Feed Products
LIU Yuan1, LI Wen‐hui2, LIU Ming3, GUO Dan3, DAI Gang3, YANG Feng‐juan3, SUN Min3*
(1. Central Agricultural Broadcasting and Television School, Beijing 100125, China; 2. Agriculture Bureau of Langfang City, Hebei Langfang 065000, China; 3.Beijing China‐Agri Hong Ke Bio‐Technology Co., Ltd, Beijing 102206, China)
Yeast is fungi single‐celled microorganism, with the characteristics of facultative anaerobic and stronger acid resistance. Yeast can be used to produce a lot of new biological feedstuf f and feed additives. These products can provide a variety of nutrients to improve the intestinal microf l ora balance of animals, and to achieve the ef f ects of promoting the growth performance and improving the immunity of livestock and poultry. They can achieve similar ef f ects to the antibiotic growth promoters, with a broader market prospects. This article analyzed and sorted out the species, application ef f ect and the mechanism of biological feed products derived from yeast, in order to promote the development and application of them.
Yeast; Biological feed; Application ef f ect; Species; Mechanism
S816
A
10.19556/j.0258-7033.2017-09-016
2017-04-06;
2017-06-23
2016年北京市科技型中小企业促进专项项目(Z1 6010101463)
刘源(1979-),硕士,主要从事农民教育培训工作,E-mail:liufrank99@163.com
*通讯作者:孙敏(1980-),硕士,主要从事添加剂产品研发和质控工作,E-mail:sunmin@hongkebio.cn