酵母培養物調控瘤胃功能的研究進展

譚 健 趙慧穎 蔣林樹 趙玉超

(北京農學院動物科學技術學院,奶牛營養學北京市重點實驗室,北京 102206)

瘤胃作為反芻動物獨特的消化器官,是營養物質消化吸收的主要部位。瘤胃內棲息著大量復雜且多樣的微生物群體,是一個高效、有序的天然“發酵罐”,對于維持反芻動物的正常生理功能和生產性能至關重要[1]。近年來,反芻動物的集約化飼養方式和高谷物飼喂模式被廣泛采用,雖然這些方式提高了反芻動物的生長性能,但對瘤胃健康與功能造成了極大的負面影響[2]。

當前,植物提取物和益生菌等飼料添加劑的開發應用已成為反芻動物營養領域的研究熱點[3]。添加益生菌可以通過改善瘤胃健康、增強營養物質的吸收、促進瘤胃內飼料纖維的降解利用,從而提高反芻動物的生產性能[4]。同時,也有大量研究報道在反芻動物飼糧中添加酵母培養物,可以通過增加采食量[5]、穩定瘤胃pH[6-7]、提高飼料消化率[8]以及增強動物機體免疫力[9-10]來提高反芻動物的生產性能[11]。酵母作為反芻動物飼料添加劑中常用的益生菌,在維持或恢復胃腸道微生物平衡方面發揮著重要作用,尤其是當高精料飼喂可能導致消化道微生態紊亂狀態下,功效更為顯著[12]。酵母和酵母產品被廣泛應用于反芻動物生產中,通過與瘤胃內其他微生物競爭發酵和提高飼料效率,防止瘤胃酸中毒[13]。

然而,在反芻動物飼糧中添加酵母的試驗結果并不完全一致[14],有研究認為這是由于試驗中使用的酵母形式或菌株的可變性而產生的差異[15],也有報道認為酵母在瘤胃內的存活時間有限,使得試驗效果不穩定[16]。酵母培養物作為酵母的發酵產物,具備酵母的生物學功能,同時保存更加方便,效果更加穩定。因此,本文針對酵母培養物調控反芻動物瘤胃發酵和瘤胃微生物的作用機制和研究進展進行綜述,為酵母培養物在改善反芻動物瘤胃健康上的研究提供理論依據。

1 酵母培養物概述

1.1 酵母培養物的組成

酵母是真菌界的單細胞真核生物,主要由細胞壁和細胞內成分2個部分組成,一般大小在5～10 μm。酵母的細胞內成分營養豐富,包括多肽、氨基酸、碳水化合物、脂質、維生素(尤其是B族維生素)和礦物質[17]。酵母的細胞壁是一個層狀結構(圖1),由多糖和糖蛋白組成,包括甘露寡糖、甘露糖蛋白、β-1,3葡聚糖、β-1,6葡聚糖和幾丁質等物質。酵母細胞壁中的這些物質具有顯著的抗菌能力,對維持動物免疫功能具有潛在益處[18]。

圖1 酵母細胞壁層狀結構

目前,酵母主要以釀酒酵母制劑的形式添加到反芻動物飼糧中。酵母制劑根據產品中活酵母細胞數量分為2種類型,即活性干酵母(活酵母細胞數量>109CFU/g)和酵母培養物[19]。酵母培養物是通過將活酵母細胞(主要為釀酒酵母)接種到特定的培養基中,經過液態-固態兩相發酵工藝,隨后將整個發酵培養基進行濃縮和干燥而制成。酵母培養物是一種獨特的微生態產物,由酵母生物量(包括一些殘留的活細胞、死細胞和酵母細胞壁碎片)、發酵代謝物和殘留的生長培養基組成,其中含有豐富的生物活性物質,包括蛋白質、小肽、低聚糖、維生素、礦物質、酶和許多未知生長因子,這些都可以對動物產生有益的營養和健康作用[20]。此外,發酵培養基的組成和發酵條件會影響所產生的代謝物的組成[21],當酵母細胞發酵培養基中存在糖時,它們產生各種代謝產物,包括肽、醇、酯和有機酸[22]。酵母培養物中存在的化合物和發酵代謝產物使其成為了促營養的飼料添加劑,在飼糧中添加酵母培養物對反芻動物的生產性能、免疫功能和抗氧化能力等方面產生了積極作用[23-25]。

1.2 酵母培養物改善反芻動物生產性能的作用機制

在前人研究的基礎上,本文歸納總結了酵母培養物提高反芻動物生產性能的作用機制模式(圖2),酵母培養物的攝入可提高反芻動物瘤胃細菌活力,改變部分瘤胃發酵參數,提高菌體蛋白合成和纖維分解率,促進采食量與小腸端營養物質供給增加,最終提高反芻動物的生產性能[26-27]。Desnoyers等[14]進行的釀酒酵母(包括不同酵母產品)對瘤胃發酵參數和產奶量影響的薈萃分析發現,添加釀酒酵母可顯著提高奶牛的干物質采食量(DMI)、總產奶量、總揮發性脂肪酸(TVFA)濃度和有機物消化率。Poppy等[16]針對補充釀酒酵母培養物對泌乳奶牛生產性能影響的薈萃分析發現,泌乳奶牛飼糧中添加酵母培養物可提高DMI、總產奶量和乳蛋白產量。

VFA:揮發性脂肪酸 volatile fatty acids;↑:上升 increased;↓:下降 decreased。

酵母培養物在動物機體中發揮作用的物質基礎:一是酵母培養物通過其初級代謝物(蛋白質、氨基酸和肽類等)及次級代謝物中的營養活性成分和未知生長因子發揮營養調控作用[28];二是酵母培養物中殘留的酵母細胞壁具有提高免疫能力的作用,進而能夠提高反芻動物的生產性能[29]。例如,Du等[30]研究表明,給熱應激奶牛飼喂酵母培養物可降低奶牛的直腸溫度和呼吸頻率,減少乳體細胞數,調節血清激素水平,提高奶牛的抗氧化能力與免疫力。

2 酵母培養物對瘤胃微生物的影響

瘤胃環境在一定程度上具有可塑性,微生物與宿主互作直接或間接影響動物的生理生長與健康。飼糧營養調控可影響瘤胃菌群結構,進而影響它們的發酵產物,從而提高反芻動物的養分利用率[31];同時,瘤胃中各種細菌的豐度與飼料效率和動物生產性能密切相關,細菌群落在調節宿主生理功能方面也發揮著重要作用[32-33]。本文總結了酵母培養物對不同生理或生長階段的反芻動物瘤胃微生物的影響,詳見表1。

表1 酵母培養物對不同生理或生長階段反芻動物瘤胃微生物的影響

反芻動物攝入高淀粉飼糧時,非結構性碳水化合物被瘤胃微生物快速分解產生葡萄糖,乳酸生成菌利用葡萄糖產生大量乳酸,導致瘤胃內乳酸堆積,降低了瘤胃pH;同時結構性碳水化合物被纖維分解菌利用,可發酵產生揮發性脂肪酸(VFA),進一步降低瘤胃pH,改變了瘤胃微環境,降低了乳酸利用菌和纖維分解菌的活性和數量[40-41]。酵母培養物通過自身富含的有機酸、B族維生素和氨基酸等生長因子對反芻動物瘤胃微生物產生積極的調控作用,這些生長因子能夠刺激纖維素分解菌(纖維桿菌和瘤胃球菌)和乳酸利用菌(巨藻屬和硒單胞菌)的增殖來改善瘤胃的發酵功能[42-44]。毋昊[45]研究發現,在1歲齡山羊飼糧中添加酵母培養物可以顯著提高其瘤胃中普雷沃氏菌屬、瘤胃球菌屬和琥珀酸菌屬的相對豐度。在公羔羊飼糧中添加15 g/d的滅活酵母培養物顯著增加了瘤胃擬桿菌門、纖維桿菌門、瘤胃菌屬的相對豐度,降低了理研菌屬的相對豐度[46]。樸光赫[47]研究發現,在綿羊飼糧中添加酵母培養物和米曲霉培養物,在門水平上可以增加瘤胃中擬桿菌門和纖維桿菌門的相對豐度,并減少變形菌門的相對豐度;在屬水平上提高了產乙酸菌(普雷沃氏菌屬、琥珀酸單胞菌屬、毛螺菌科未培養菌屬、卟啉單胞菌屬等)、產丙酸菌(月形單胞菌屬等)和產丁酸菌的相對豐度。

此外,在奶牛上的研究還證明了酵母培養物可改善纖維分解菌的生長。例如,在泌乳中期的荷斯坦奶牛飼糧中添加酵母培養物可以顯著增加瘤胃中反芻真桿屬和黃色瘤胃球菌等纖維消化菌的相對豐度,顯著降低淀粉瘤胃桿菌和溶淀粉琥珀單胞菌等淀粉消化菌的相對豐度[39]。郭婷[48]研究發現,在圍產期奶牛飼糧中添加120 g/d的酵母培養物,在門水平上顯著提高了奶牛瘤胃內藍細菌門、擬桿菌門和疣微菌門的相對豐度,并降低了浮霉菌門、螺旋菌門的相對豐度,在屬水平上顯著提高了瘤胃內丁酸弧菌屬、毛螺菌屬、梭菌屬、乳桿菌屬、纖維菌屬及桿菌屬的相對豐度,并顯著降低了厭氧弧菌屬、琥珀酸菌屬和月形單胞菌屬的相對豐度。

酵母培養物對瘤胃細菌豐度的影響可能歸因于酵母細胞壁中的甘露寡糖和葡聚糖,它們可以在瘤胃中高度降解,提供可發酵的代謝物、礦物質和酶,這些代謝物可以改變瘤胃細菌的特征和生理,刺激纖維素、淀粉和蛋白質水解細菌的生長[49-50]。但是,不同研究之間的對比可以看出酵母培養物造成的差異菌群仍存在明顯差異,這些結果的變異可能是由于動物模型(種類、生長生理階段)、飼糧組成、酵母培養物產品和劑量的不同。

此外,研究表明酵母可以影響瘤胃原蟲的生長。原蟲貢獻了瘤胃內50%的生物量,可緩解細菌對淀粉和可溶性糖的爆發性發酵,穩定瘤胃pH[51]。具體而言,瘤胃原蟲可吞噬淀粉顆粒,并阻止解淀粉細菌合成乳酸,從而在底物方面與細菌競爭,導致瘤胃pH上升,從而促進纖維分解菌的生長,提高對纖維的消化[49]。而關于酵母培養物對反芻動物瘤胃原蟲的影響報道不一,劉大程[52]研究發現,在綿羊飼糧中添加酵母培養物顯著提高了瘤胃中內毛蟲和雙毛蟲等總纖毛蟲數量。而孫滿吉等[53]則報道,直接飼喂酵母培養物對荷斯坦奶牛瘤胃原蟲數量并無顯著影響。目前在反芻動物飼糧中添加酵母培養物對瘤胃原蟲影響的研究相對較少,通過探究酵母培養物對反芻動物瘤胃原蟲的影響或可進一步揭示酵母培養物在瘤胃發酵中的調控機制。

3 酵母培養物對瘤胃發酵的影響

3.1 瘤胃VFA

飼糧碳水化合物由瘤胃細菌、真菌等微生物發酵生成VFA,占反芻動物能量需求的近50%[54]。補充酵母培養物可以改變瘤胃微生物種群,使瘤胃環境更有利于纖維消化菌生存,從而導致瘤胃產生的單個VFA的類型和比例發生變化。李琛[55]研究了飼喂不同酵母培養物對泌乳早期荷斯坦奶牛瘤胃發酵的影響,其中飼喂30 g/d的國產酵母培養物顯著增加了奶牛瘤胃內乙酸、丙酸和TVFA濃度,降低了乙丙比。研究顯示,在熱應激條件下的生長公牛飼糧中添加酵母培養物,顯著提高了瘤胃微生物蛋白、乙酸、丙酸和TVFA濃度[23]。體外研究也表明,以荷斯坦奶牛為瘤胃液供體,在底物中添加酵母培養物可以顯著提高丙酸的摩爾比例和TVFA濃度,降低乙酸的摩爾比例[56]。Denev等[57]研究表明,酵母培養物能顯著提高反芻動物瘤胃微生物的纖維素分解活性,增加瘤胃微生物總數,促進纖維消化,減少乳酸積累,降低瘤胃液中氧濃度以及提高飼糧中供應的淀粉利用率,并通過這種方式影響VFA的產生速度,從而增加瘤胃環境的穩定性。但Carpinelli等[38]的研究表明,在圍產期奶牛飼糧中添加酵母培養物降低了產前瘤胃內異戊酸濃度,提高了產后瘤胃內戊酸濃度,但對TVFA濃度并無顯著影響。Shi等[58]研究表明,在圍產期荷斯坦奶牛飼糧中酵母培養物對瘤胃單個VFA和TVFA濃度均無顯著影響。與圍產期奶牛類似,在泌乳中期奶牛飼糧中添加酵母培養物不影響主要VFA(乙酸、丙酸和丁酸鹽)產量[59]。綜上可知,在反芻動物飼糧中添加酵母培養物對于改變瘤胃單個VFA的比例和提高TVFA濃度有一定作用,但反芻動物在不同的生理狀態或采食特定結構的飼糧時,酵母培養物的加入對瘤胃VFA并無顯著影響,需要結合體內體外方法進一步研究其作用效果。

3.2 瘤胃pH

高精料飼喂模式導致的瘤胃酸中毒可分為急性或亞急性,急性酸中毒是指瘤胃內乳酸濃度升高,導致瘤胃pH降至5.0以下,亞急性胃酸中毒的特征是pH介于5.0～5.8,持續時間超過每天3 h[60]。大多數研究都支持這樣的假設,即乳酸積累的減少和微生物多樣性的增加會導致瘤胃pH的改善。已發表的文獻對比顯示,酵母培養物對瘤胃pH的影響并不一致。Tun等[61]評估了酵母培養物在奶牛體內和體外的補充效果,發現酵母培養物保護了瘤胃微生物多樣性,降低了瘤胃酸中毒的風險。Erasmus等[62]研究表明,在荷斯坦奶牛飼糧中添加10 g/d的酵母培養物可以提高奶牛的DMI和產奶量,在維持pH在健康狀態的情況下,將瘤胃乳酸峰值濃度從1.93 mmol/L降至1.73 mmol/L。在泌乳早期荷斯坦奶牛的高淀粉飼糧中添加15 g/d酵母培養物可顯著提高瘤胃pH(對照組5.72 vs. 試驗組6.12),降低瘤胃乳酸濃度(對照組7.72 mmol/L vs. 試驗組1.33 mmol/L),并降低奶牛飼喂高淀粉飼糧時引起的亞急性瘤胃酸中毒的風險,同時改善泌乳性能[7]。在綿羊急性瘤胃酸中毒的防治中使用酵母培養物同樣是有益的,研究發現綿羊急性乳酸酸中毒48 h后,瘤胃內乳酸濃度顯著降低(對照組15.2 mmol/L vs. 試驗組0.45 mmol/L),從而提高了瘤胃pH(對照組5.70 vs. 試驗組7.08),降低瘤胃滲透壓(對照組309 mOsm/L vs. 試驗組202 mOsm/L)[63]。而Song等[25]的研究表明,將酵母培養物添加到育肥羔羊的顆粒狀全混合日糧中對瘤胃pH并無顯著影響。Hristov等[64]研究表明,在荷斯坦奶牛飼糧中添加酵母培養物對瘤胃pH也無顯著影響。綜上所述,在反芻動物飼糧中添加酵母培養物在穩定瘤胃pH方面效果顯著,并且在高精料飼喂模式下,酵母培養物的攝入可以緩解瘤胃pH下降并降低亞急性瘤胃酸中毒的程度。

3.3 營養物質消化率

如前文所述,在反芻動物飼糧中添加酵母培養物對提高纖維消化率具有積極作用。Song等[25]研究表明,在3月齡綿羊的全混合日糧中添加5 g/kg的酵母培養物,平均日增重(ADG)增加31.1 g,NDF和酸性洗滌纖維(ADF)消化率顯著提高。在綿羊飼糧中添加10 g/(d·只)酵母培養物可以顯著提高干物質(DM)、NDF、ADF和粗蛋白質(CP)消化率[65]。付曉然等[66]研究表明,在湖羊公羔飼糧中添加平均體重1%的酵母培養物,NDF消化率增加23.06%,ADF消化率增加31.3%,當添加量達到平均體重的2%時,NDF消化率增加32.14%,ADF消化率增加47.15%。在奶牛上也有類似報道,添加100 g/(d·頭)的酵母培養物可顯著提高奶牛的DMI以及DM和NDF消化率[67]。酵母培養物對促進幼齡反芻動物的消化效果更加顯著,Lesmeister等[68]研究表明,在荷斯坦犢牛開食料中加入2% DM的酵母培養物可以顯著增加總DMI、ADG和平均日臀寬變化,并改善犢牛的瘤胃發育。在荷斯坦小母牛的高精料飼糧中加入酵母培養物可以顯著降低瘤胃泡沫強度,具有降低腹脹風險的潛在益處[69]。在3月齡綿羊高精料飼糧中添加4 g/(d·只)酵母培養物可以顯著提高羔羊的CP消化率、細胞壁消化率和血漿葡萄糖濃度[70]。

基于以上報道可以看出,在反芻動物飼糧中添加酵母培養物可以明顯提高纖維消化率,但其作用機制可能并不僅僅局限于纖維分解菌的生長與活性的提高。傳統研究認為酵母培養物的攝入提高了纖維素分解菌在植物細胞壁的定植效率[44]。目前也有研究認為,酵母培養物可能會刺激瘤胃厭氧真菌定植于飼料纖維,使飼料纖維更容易被纖維分解菌接觸分解,從而提高纖維消化率,而不是對纖維分解菌的增殖產生直接影響[71]。總之,雖然酵母培養物可以提高反芻動物的纖維消化率,但仍需要進一步研究影響酵母培養物功效的混雜因素(即酵母類型、劑量和發酵工藝),以確定其在反芻動物中的應用。

4 小結與展望

在飼料端全面“禁抗”時代,酵母培養物作為一種無毒無害的飼料添加劑,在反芻動物營養中起著益生元的作用。酵母培養物可通過自身富含的營養物質和未知生長因子,促進瘤胃有益微生物的生長,緩解高精料飼喂模式導致的瘤胃pH降低,進而提高纖維分解菌的活性,提高纖維的消化率,改變瘤胃VFA的組成,改善瘤胃功能與健康,提升反芻動物生產性能。

酵母菌株及其培養基成分與瘤胃微生物群的復雜相互作用對于理解微生物轉移及其隨后產生的代謝物至關重要。大多數研究中采用的酵母培養物是商業產品,鮮有關于酵母培養物生產的信息,發酵培養基、發酵條件(如pH、溫度、發酵時間)和代謝物組成并未明確報道,這些關鍵信息的缺失可能限制了酵母培養物調控瘤胃功能機制的深入研究。同時,酵母培養物的使用缺乏一致的結果,需要使用相同的試驗方法、酵母培養物產品和劑量進行進一步的研究,以確定其對瘤胃微生物群、發酵和最終生產參數的影響。此外,當反芻動物在不同的生理狀態或采食特定結構的飼糧時,有針對性地使用酵母培養物,可能會通過及時的補充所需生物活性物質來最大限度地提高生產性能。因此,未來的研究中需要關注酵母培養物的生產工藝與成分構成,針對不同生理和生長階段的反芻動物飼喂合適的酵母培養物,并通過傳統營養學與現代分析手段進一步明確酵母培養物改善瘤胃功能的分子機制。