饲用酶和酵母衍生物可减轻球虫病对肉鸡肠道健康和功能的危害

王晶晶 译自，Vol.6(2019)：1～13

孟祥光 审

到2050 年，全球人口预计将达到96 亿。在此期间，肉鸡产量预计将增长121%，以满足人类对动物蛋白质的需求。然而，动物蛋白质生产企业面临着以符合道德、环境可持续性和健康的方式生产食品的压力。例如，畜牧业使用大量的抗生素进行治疗、预防细菌性感染和促进动物的生长。世界各地对抗生素滥用以及与抗生素耐药性病原体有关的问题日益关注。这些担忧迫使消费者和立法机构要求在动物生产中停止和/或限制使用抗生素生长促进剂(antibiotic growth promoter，AGP)。此外，消费者对采用有机、全植物型日粮和牧场饲养方式饲养的特色家禽产品的需求不断增长。家禽生产方式的这些改变给生产者带来了新的挑战，并加剧了与鸡健康、动物福利和法规相关的原有挑战。在家禽健康和营养方面，主要问题是肠道疾病的发病率增加，如球虫病、坏死性肠炎、营养物质消化和吸收受损，最终导致饲料转化效率低下，死亡率和屠宰加工厂的报废率增加。所有这些都证明了有效控制和预防家禽肠道病原体的重要性，从而为日益增长的人口确保食品安全。

球虫病由顶复门艾美耳属的原生动物寄生虫引起，与家禽生产的进步和现代化有着莫名的联系，全球每年因暴发球虫病及由此引发死亡造成的经济损失达30 多亿美元。原生动物侵入家禽的肠道细胞是其生命周期的一部分，这会导致肠道的消化吸收和屏障功能受损以及继发性细菌感染。这种寄生虫在家禽肠道内表现出明显的物种特异性发育部位和病理病灶。堆型艾美耳球虫、巨型艾美耳球虫和柔嫩艾美耳球虫是商用肉鸡生产系统中最常见的球虫。在这些生产系统中，高密度的饲养方式有利于艾美耳球虫的传播。感染艾美耳球虫还会加快病原体在鸡肠道中增殖，例如梭状芽孢杆菌、产气荚膜梭菌、鼠伤寒沙门菌和肠炎沙门菌。因此，球虫病不仅会影响鸡的健康，而且还会危及食品安全。

认识到球虫病对家禽生产的不良影响，家禽业长期以来一直在开发和采用抗球虫药或活虫苗或这些措施的组合策略来控制球虫病。然而，对艾美耳球虫耐药性的担忧和公众对动物生产中使用药物后产生药物残留的担忧限制了家禽业采用化学药物来治疗球虫病。球虫苗的接种效果取决于艾美耳球虫在每个鸡群的最佳循环，并且对野生型虫株的交叉保护率不能达到100%。此外，球虫苗的接种包括在雏鸡出生的第1 天提供活的艾美耳球虫，而这可能会增加肠道紊乱的风险。传统的球虫病控制策略应用了许多替代性饲料添加剂，据称这些添加剂可以减轻或补救由球虫病引起的鸡肠道结构和功能的损伤。本综述的目的是评估已发表的关于饲用酶和酵母衍生物在调控鸡球虫病上所起功效的数据。

1 饲用酶

将外源性酶应用于家禽营养的建议最初是在近100 年前提出的，然而，由于成本过高，直到此后的几十年才在动物营养中应用。木聚糖酶和β-葡聚糖酶是最早的商用饲用酶，用于处理大麦和小麦等有黏性问题的饲料。先前的研究表明，在富含黏性饲料的日粮中添加这些酶，可以提高饲料的消化率、动物的生长速度，降低饲料成本。这些研究帮助研究人员了解了酶的作用模式，并促进了进一步的研发工作，以改变针对特定底物的异常活性，提高酶的稳定性来抵御苛刻的饲料加工条件和动物胃肠道环境。事实上，饲用酶在非反刍动物营养中的效用已受到广泛的接受。饲用酶主要用于单胃动物的饲喂方案，前提是动物不能100%地消化日粮成分。例如，肉鸡会将所摄入干物质的25%～30%通过粪便排出。这是因为植酸等抗营养因子，或胃肠道的条件和消化酶的组成导致日粮的部分组分不可消化。大多数商用饲用酶的开发和应用都是针对此类抗营养因子的。此外，在雏鸡上应用饲用酶是因为雏鸡的胃肠道发育不全，主要是免疫系统不成熟、内源性酶分泌能力有限以及肠道微生物群不稳定。因此，最初在家禽营养中采用饲用酶技术是为了降解饲料中的抗营养因子，并补充受损家禽肠道中的内源性酶，尤其是刚出壳的雏鸡。

2 饲用酶在家禽营养中不断变化的作用

不管是现在，还是将来，饲料成本的压力都是影响家禽生产实现盈利和取得可持续发展的决定性因素，而饲用酶通过增加饲料原料选择的灵活性在降低饲料成本方面发挥着既定作用。此外，减少动物蛋白质价值链中营养物质排泄的需要提高了饲用酶在家禽生产中的实用性。然而，新出现的问题，如对抗生素生长促进剂的限制使用，激发了饲用酶应用的新方向和前景。新的证据开始围绕着将饲用酶作为动物肠道健康管理综合方案的一部分进行评估。其特点是肠道微生物群以肠腔内营养物质(日粮和/或内源性营养物质)为营养来源。由于对底物的偏好及其生长需求的差异，食糜的组成和结构在很大程度上会影响胃肠道微生物群。微生物群的组成和代谢功能在一定程度上反映了饲料组成。因此，控制日粮消化率可能会影响胃肠道微生物群。此外，纤维降解酶可以释放水解产物——益生元，从而调节肠道微生物群。

3 酵母及其衍生物

酵母是单细胞生物，大小为 5 µm～ 10 µm，属于真菌界的真核微生物。酵母在众多复杂的生态系统中居很重要的地位，并参与其他微生物的共生、互生、寄生和竞争性相互作用。自1680 年A van Leeuwenhoek 首次发现酵母和19 世纪50 年代Louis Pasteur 发现其在发酵中的功能以来，人类已将酵母用于食品和饮料生产。有趣的是，尽管已知的酵母有1 000 多种，但商业性开发的却很少。大多数酵母既无害也无益，对人类和/或动物有致病性的酵母几乎没有。酵母属约有20 个酵母种，在工业上具有重要的应用价值，例如乙醇、面包、单细胞蛋白和维生素生产。据估计，全球酿酒酵母的年产量超过了所有其他工业微生物的产量。产朊假丝酵母(以前归类为球拟酵母)在商业上称为圆酵母，非常独特，因为它可以通过利用戊糖将木浆加工成纸。另一种重要的酵母是马克斯克鲁维酵母，还称为乳清酵母，用于乳制品加工。尽管酵母的商业性开发主要基于传统的发酵过程，但分子生物学的进步为开发用于多种应用的酵母菌株提供了大量的机会。例如，毕赤酵母[Komagataella (Pichia) pastoris]、酿酒酵母(S.cerevisiae)、汉逊酵母[Ogataea (Hansenula) polymorpha]，可用于蛋白质的异源生产。

许多与酵母相关的饲料原料和饲料添加剂在世界各地均有生产和销售，并应用于畜牧业。主要的饲料原料，如干酒糟及其可溶物(distillers dried grains with soluble，DDGS)、酿酒酵母、乳清酵母和烘焙副产品，均来自酵母发酵过程。酵母可用作人类和动物的蛋白质、矿物质、维生素(尤其是B 族维生素)和其他营养物质的丰富来源。与植物、动物和其他微生物来源的蛋白质相比，酵母生产的单细胞蛋白质被认为具有巨大的优势，因为酵母能在工业和农业副产物等各种基质中快速生长。此外，酵母细胞的个体相对较大，且具有絮凝能力，使其在发酵培养基中比细菌更容易收获。其他特殊的酵母产品，如酵母硒和红法夫酵母，可改善鲑鱼和鳟鱼的肉色。营养酵母及其制品在饲料工业中可用作氨基酸和微量营养物质的来源。不过，酵母产品在畜牧业中的应用已经发展到利用其功能属性。特别令人感兴趣的是细胞内容物的功能性成分，例如肽、酶、核苷酸和细胞壁成分，如β-葡聚糖、糖蛋白、甘露聚糖和几丁质。本文将在后面的小节中简要介绍酵母及其衍生物的功能属性，业已证明这些属性会影响家禽的健康和免疫状态。

3.1 活酵母

大多数酵母品种被许多国家或地区的食品监管机构，例如欧洲食品安全局、美国饲料控制官员协会和加拿大食品检验局指定的安全资格认定机构认为是安全的。然而，一般来说，大多数用于家禽生产的商用益生菌饲料添加剂是细菌制剂。少数非细菌类益生菌(酵母或真菌) 包括米曲霉、齐藤假丝酵母(Candida saitoana)、布拉迪酵母(Saccharomyces bourlardii)和酿酒酵母(S.cerevisiae)。酵母益生菌在反刍动物的营养中是必不可少的，因为其能有效调节瘤胃微生物群。活性干酵母是畜牧生产中最常见的被用作益生菌的活酵母之一。在畜牧业中，被用作饲料添加剂的酵母益生菌通常含有载体材料，例如石灰石、稻壳、可溶性酒糟。这些材料通常每克含有5×109个菌落形成单位，占纯活性干酵母菌落形成单位的20%～25%。商用酵母益生菌主要以干货形式生产，人们对其在饲料生产过程中的稳定性提出了担忧。例如，对添加活性酵母细胞的饲料进行制粒(82 ℃) 或挤压 (72 ℃，31 s)。制粒不影响总酵母数，但会使活性酵母数减少10 倍。挤压会减少总酵母数和活性酵母数。大多数家禽日粮都采用严苛的加工工艺，包括减少粒度和水热加工，以提高饲料利用率和卫生。这表明，如果未对酵母细胞采取保护措施，经过水热加工后，家禽饲料所含的存活酵母细胞会降至很低的水平。

3.2 酵母衍生物

酵母衍生物统称为酵母培养物，主要由酵母和条件发酵过程中产生的发酵产物组合而成，也可能存在少量的活性酵母细胞。其生产需要用活的酵母细胞接种在特定培养基上，然后在特定条件下发酵，随后干燥发酵培养基。通常将收获的物质配制成饲料添加剂或进行下游加工以生产特种产品。特种产品的生产被认为是许多酵母型功能性饲料添加剂能否用于家禽业的关键。酵母作为异养生物，其能量和碳代谢密切相关，酵母细胞能够根据发酵培养基的组成和发酵条件产生各种衍生物。因此，通过控制酵母培养物可以生产出独特的饲料添加剂，其含有对动物营养和健康有益的单一或组合的衍生物。

3.3 酶

酶由法国化学家Anselme Payen 于1833年首次发现。几十年后，Louis Pasteur 得出结论，发酵与酵母细胞的生命和组织有关，但与细胞死亡无关。因此，可以说酵母是生产酶的先驱生物，然而，饲料市场由细菌和丝状真菌衍生的酶为主。这主要是因为非酵母类微生物表达系统在某些产品和工艺开发方面具有优势。然而，随着生物技术的进步，一些酵母，例如毕赤酵母、酿酒酵母、汉逊酵母和某些其他酵母菌种已被开发用于酶和蛋白质的工业生产。不过，这些精制的酵母蛋白主要用于生产特殊化学品，例如医药中间体。

3.4 核苷酸

在整个酵母中，总核酸的含量占细胞干重的3%～12%。酵母还富含内源性核酸酶和蛋白酶，可通过自溶将核酸、DNA 和RNA 降解为核苷酸。通过控制pH、温度和持续时间，以及使用盐和外源性酶等添加剂，酵母细胞的自溶可以得到优化和标准化，以保证产品质量的一致性。这些更改越来越多地用于生产各种工业用酵母核苷酸产品。例如，在正常的自溶条件下，RNA 主要降解为三种核苷酸，而在受控的酶解条件下，会产生5 种核苷酸。

3.5 细胞壁成分

酵母的细胞壁占酵母干重的15%～20%，含有大量的β-葡聚糖和甘露聚糖以及微量的几丁质。从结构上看，细胞壁由内层的不溶性β-葡聚糖和甘露聚糖、中层的可溶性β-葡聚糖和外层的糖蛋白组成。应注意的是，这些层不是离散的，而是形成复杂的结构，不易分解。β-1,3 葡聚糖是酵母细胞壁中的主要多糖成分，研究证明其具有免疫调节作用。在这种情况下，人们对通过机械(例如，珠磨、超声处理、高压均质化)和非机械(例如，热解、渗透震荡、化学和酶解)方法精制提取β-葡聚糖的兴趣越来越大。

(未完待续)