飼用酶和酵母衍生物可減輕球蟲病對肉雞腸道健康和功能的危害

王晶晶 譯自，Vol.6(2019)：1～13

孟祥光 審

到2050 年，全球人口預計將達到96 億。在此期間，肉雞產(chǎn)量預計將增長121%，以滿足人類對動物蛋白質(zhì)的需求。然而，動物蛋白質(zhì)生產(chǎn)企業(yè)面臨著以符合道德、環(huán)境可持續(xù)性和健康的方式生產(chǎn)食品的壓力。例如，畜牧業(yè)使用大量的抗生素進行治療、預防細菌性感染和促進動物的生長。世界各地對抗生素濫用以及與抗生素耐藥性病原體有關的問題日益關注。這些擔憂迫使消費者和立法機構(gòu)要求在動物生產(chǎn)中停止和/或限制使用抗生素生長促進劑(antibiotic growth promoter，AGP)。此外，消費者對采用有機、全植物型日糧和牧場飼養(yǎng)方式飼養(yǎng)的特色家禽產(chǎn)品的需求不斷增長。家禽生產(chǎn)方式的這些改變給生產(chǎn)者帶來了新的挑戰(zhàn)，并加劇了與雞健康、動物福利和法規(guī)相關的原有挑戰(zhàn)。在家禽健康和營養(yǎng)方面，主要問題是腸道疾病的發(fā)病率增加，如球蟲病、壞死性腸炎、營養(yǎng)物質(zhì)消化和吸收受損，最終導致飼料轉(zhuǎn)化效率低下，死亡率和屠宰加工廠的報廢率增加。所有這些都證明了有效控制和預防家禽腸道病原體的重要性，從而為日益增長的人口確保食品安全。

球蟲病由頂復門艾美耳屬的原生動物寄生蟲引起，與家禽生產(chǎn)的進步和現(xiàn)代化有著莫名的聯(lián)系，全球每年因暴發(fā)球蟲病及由此引發(fā)死亡造成的經(jīng)濟損失達30 多億美元。原生動物侵入家禽的腸道細胞是其生命周期的一部分，這會導致腸道的消化吸收和屏障功能受損以及繼發(fā)性細菌感染。這種寄生蟲在家禽腸道內(nèi)表現(xiàn)出明顯的物種特異性發(fā)育部位和病理病灶。堆型艾美耳球蟲、巨型艾美耳球蟲和柔嫩艾美耳球蟲是商用肉雞生產(chǎn)系統(tǒng)中最常見的球蟲。在這些生產(chǎn)系統(tǒng)中，高密度的飼養(yǎng)方式有利于艾美耳球蟲的傳播。感染艾美耳球蟲還會加快病原體在雞腸道中增殖，例如梭狀芽孢桿菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌、鼠傷寒沙門菌和腸炎沙門菌。因此，球蟲病不僅會影響雞的健康，而且還會危及食品安全。

認識到球蟲病對家禽生產(chǎn)的不良影響，家禽業(yè)長期以來一直在開發(fā)和采用抗球蟲藥或活蟲苗或這些措施的組合策略來控制球蟲病。然而，對艾美耳球蟲耐藥性的擔憂和公眾對動物生產(chǎn)中使用藥物后產(chǎn)生藥物殘留的擔憂限制了家禽業(yè)采用化學藥物來治療球蟲病。球蟲苗的接種效果取決于艾美耳球蟲在每個雞群的最佳循環(huán)，并且對野生型蟲株的交叉保護率不能達到100%。此外，球蟲苗的接種包括在雛雞出生的第1 天提供活的艾美耳球蟲，而這可能會增加腸道紊亂的風險。傳統(tǒng)的球蟲病控制策略應用了許多替代性飼料添加劑，據(jù)稱這些添加劑可以減輕或補救由球蟲病引起的雞腸道結(jié)構(gòu)和功能的損傷。本綜述的目的是評估已發(fā)表的關于飼用酶和酵母衍生物在調(diào)控雞球蟲病上所起功效的數(shù)據(jù)。

1 飼用酶

將外源性酶應用于家禽營養(yǎng)的建議最初是在近100 年前提出的，然而，由于成本過高，直到此后的幾十年才在動物營養(yǎng)中應用。木聚糖酶和β-葡聚糖酶是最早的商用飼用酶，用于處理大麥和小麥等有黏性問題的飼料。先前的研究表明，在富含黏性飼料的日糧中添加這些酶，可以提高飼料的消化率、動物的生長速度，降低飼料成本。這些研究幫助研究人員了解了酶的作用模式，并促進了進一步的研發(fā)工作，以改變針對特定底物的異?；钚?，提高酶的穩(wěn)定性來抵御苛刻的飼料加工條件和動物胃腸道環(huán)境。事實上，飼用酶在非反芻動物營養(yǎng)中的效用已受到廣泛的接受。飼用酶主要用于單胃動物的飼喂方案，前提是動物不能100%地消化日糧成分。例如，肉雞會將所攝入干物質(zhì)的25%～30%通過糞便排出。這是因為植酸等抗營養(yǎng)因子，或胃腸道的條件和消化酶的組成導致日糧的部分組分不可消化。大多數(shù)商用飼用酶的開發(fā)和應用都是針對此類抗營養(yǎng)因子的。此外，在雛雞上應用飼用酶是因為雛雞的胃腸道發(fā)育不全，主要是免疫系統(tǒng)不成熟、內(nèi)源性酶分泌能力有限以及腸道微生物群不穩(wěn)定。因此，最初在家禽營養(yǎng)中采用飼用酶技術是為了降解飼料中的抗營養(yǎng)因子，并補充受損家禽腸道中的內(nèi)源性酶，尤其是剛出殼的雛雞。

2 飼用酶在家禽營養(yǎng)中不斷變化的作用

不管是現(xiàn)在，還是將來，飼料成本的壓力都是影響家禽生產(chǎn)實現(xiàn)盈利和取得可持續(xù)發(fā)展的決定性因素，而飼用酶通過增加飼料原料選擇的靈活性在降低飼料成本方面發(fā)揮著既定作用。此外，減少動物蛋白質(zhì)價值鏈中營養(yǎng)物質(zhì)排泄的需要提高了飼用酶在家禽生產(chǎn)中的實用性。然而，新出現(xiàn)的問題，如對抗生素生長促進劑的限制使用，激發(fā)了飼用酶應用的新方向和前景。新的證據(jù)開始圍繞著將飼用酶作為動物腸道健康管理綜合方案的一部分進行評估。其特點是腸道微生物群以腸腔內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)(日糧和/或內(nèi)源性營養(yǎng)物質(zhì))為營養(yǎng)來源。由于對底物的偏好及其生長需求的差異，食糜的組成和結(jié)構(gòu)在很大程度上會影響胃腸道微生物群。微生物群的組成和代謝功能在一定程度上反映了飼料組成。因此，控制日糧消化率可能會影響胃腸道微生物群。此外，纖維降解酶可以釋放水解產(chǎn)物——益生元，從而調(diào)節(jié)腸道微生物群。

3 酵母及其衍生物

酵母是單細胞生物，大小為 5 μm～ 10 μm，屬于真菌界的真核微生物。酵母在眾多復雜的生態(tài)系統(tǒng)中居很重要的地位，并參與其他微生物的共生、互生、寄生和競爭性相互作用。自1680 年A van Leeuwenhoek 首次發(fā)現(xiàn)酵母和19 世紀50 年代Louis Pasteur 發(fā)現(xiàn)其在發(fā)酵中的功能以來，人類已將酵母用于食品和飲料生產(chǎn)。有趣的是，盡管已知的酵母有1 000 多種，但商業(yè)性開發(fā)的卻很少。大多數(shù)酵母既無害也無益，對人類和/或動物有致病性的酵母幾乎沒有。酵母屬約有20 個酵母種，在工業(yè)上具有重要的應用價值，例如乙醇、面包、單細胞蛋白和維生素生產(chǎn)。據(jù)估計，全球釀酒酵母的年產(chǎn)量超過了所有其他工業(yè)微生物的產(chǎn)量。產(chǎn)朊假絲酵母(以前歸類為球擬酵母)在商業(yè)上稱為圓酵母，非常獨特，因為它可以通過利用戊糖將木漿加工成紙。另一種重要的酵母是馬克斯克魯維酵母，還稱為乳清酵母，用于乳制品加工。盡管酵母的商業(yè)性開發(fā)主要基于傳統(tǒng)的發(fā)酵過程，但分子生物學的進步為開發(fā)用于多種應用的酵母菌株提供了大量的機會。例如，畢赤酵母[Komagataella (Pichia) pastoris]、釀酒酵母(S.cerevisiae)、漢遜酵母[Ogataea (Hansenula) polymorpha]，可用于蛋白質(zhì)的異源生產(chǎn)。

許多與酵母相關的飼料原料和飼料添加劑在世界各地均有生產(chǎn)和銷售，并應用于畜牧業(yè)。主要的飼料原料，如干酒糟及其可溶物(distillers dried grains with soluble，DDGS)、釀酒酵母、乳清酵母和烘焙副產(chǎn)品，均來自酵母發(fā)酵過程。酵母可用作人類和動物的蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、維生素(尤其是B 族維生素)和其他營養(yǎng)物質(zhì)的豐富來源。與植物、動物和其他微生物來源的蛋白質(zhì)相比，酵母生產(chǎn)的單細胞蛋白質(zhì)被認為具有巨大的優(yōu)勢，因為酵母能在工業(yè)和農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物等各種基質(zhì)中快速生長。此外，酵母細胞的個體相對較大，且具有絮凝能力，使其在發(fā)酵培養(yǎng)基中比細菌更容易收獲。其他特殊的酵母產(chǎn)品，如酵母硒和紅法夫酵母，可改善鮭魚和鱒魚的肉色。營養(yǎng)酵母及其制品在飼料工業(yè)中可用作氨基酸和微量營養(yǎng)物質(zhì)的來源。不過，酵母產(chǎn)品在畜牧業(yè)中的應用已經(jīng)發(fā)展到利用其功能屬性。特別令人感興趣的是細胞內(nèi)容物的功能性成分，例如肽、酶、核苷酸和細胞壁成分，如β-葡聚糖、糖蛋白、甘露聚糖和幾丁質(zhì)。本文將在后面的小節(jié)中簡要介紹酵母及其衍生物的功能屬性，業(yè)已證明這些屬性會影響家禽的健康和免疫狀態(tài)。

3.1 活酵母

大多數(shù)酵母品種被許多國家或地區(qū)的食品監(jiān)管機構(gòu)，例如歐洲食品安全局、美國飼料控制官員協(xié)會和加拿大食品檢驗局指定的安全資格認定機構(gòu)認為是安全的。然而，一般來說，大多數(shù)用于家禽生產(chǎn)的商用益生菌飼料添加劑是細菌制劑。少數(shù)非細菌類益生菌(酵母或真菌) 包括米曲霉、齊藤假絲酵母(Candida saitoana)、布拉迪酵母(Saccharomyces bourlardii)和釀酒酵母(S.cerevisiae)。酵母益生菌在反芻動物的營養(yǎng)中是必不可少的，因為其能有效調(diào)節(jié)瘤胃微生物群?；钚愿山湍甘切竽辽a(chǎn)中最常見的被用作益生菌的活酵母之一。在畜牧業(yè)中，被用作飼料添加劑的酵母益生菌通常含有載體材料，例如石灰石、稻殼、可溶性酒糟。這些材料通常每克含有5×109個菌落形成單位，占純活性干酵母菌落形成單位的20%～25%。商用酵母益生菌主要以干貨形式生產(chǎn)，人們對其在飼料生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定性提出了擔憂。例如，對添加活性酵母細胞的飼料進行制粒(82 ℃) 或擠壓 (72 ℃，31 s)。制粒不影響總酵母數(shù)，但會使活性酵母數(shù)減少10 倍。擠壓會減少總酵母數(shù)和活性酵母數(shù)。大多數(shù)家禽日糧都采用嚴苛的加工工藝，包括減少粒度和水熱加工，以提高飼料利用率和衛(wèi)生。這表明，如果未對酵母細胞采取保護措施，經(jīng)過水熱加工后，家禽飼料所含的存活酵母細胞會降至很低的水平。

3.2 酵母衍生物

酵母衍生物統(tǒng)稱為酵母培養(yǎng)物，主要由酵母和條件發(fā)酵過程中產(chǎn)生的發(fā)酵產(chǎn)物組合而成，也可能存在少量的活性酵母細胞。其生產(chǎn)需要用活的酵母細胞接種在特定培養(yǎng)基上，然后在特定條件下發(fā)酵，隨后干燥發(fā)酵培養(yǎng)基。通常將收獲的物質(zhì)配制成飼料添加劑或進行下游加工以生產(chǎn)特種產(chǎn)品。特種產(chǎn)品的生產(chǎn)被認為是許多酵母型功能性飼料添加劑能否用于家禽業(yè)的關鍵。酵母作為異養(yǎng)生物，其能量和碳代謝密切相關，酵母細胞能夠根據(jù)發(fā)酵培養(yǎng)基的組成和發(fā)酵條件產(chǎn)生各種衍生物。因此，通過控制酵母培養(yǎng)物可以生產(chǎn)出獨特的飼料添加劑，其含有對動物營養(yǎng)和健康有益的單一或組合的衍生物。

3.3 酶

酶由法國化學家Anselme Payen 于1833年首次發(fā)現(xiàn)。幾十年后，Louis Pasteur 得出結(jié)論，發(fā)酵與酵母細胞的生命和組織有關，但與細胞死亡無關。因此，可以說酵母是生產(chǎn)酶的先驅(qū)生物，然而，飼料市場由細菌和絲狀真菌衍生的酶為主。這主要是因為非酵母類微生物表達系統(tǒng)在某些產(chǎn)品和工藝開發(fā)方面具有優(yōu)勢。然而，隨著生物技術的進步，一些酵母，例如畢赤酵母、釀酒酵母、漢遜酵母和某些其他酵母菌種已被開發(fā)用于酶和蛋白質(zhì)的工業(yè)生產(chǎn)。不過，這些精制的酵母蛋白主要用于生產(chǎn)特殊化學品，例如醫(yī)藥中間體。

3.4 核苷酸

在整個酵母中，總核酸的含量占細胞干重的3%～12%。酵母還富含內(nèi)源性核酸酶和蛋白酶，可通過自溶將核酸、DNA 和RNA 降解為核苷酸。通過控制pH、溫度和持續(xù)時間，以及使用鹽和外源性酶等添加劑，酵母細胞的自溶可以得到優(yōu)化和標準化，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。這些更改越來越多地用于生產(chǎn)各種工業(yè)用酵母核苷酸產(chǎn)品。例如，在正常的自溶條件下，RNA 主要降解為三種核苷酸，而在受控的酶解條件下，會產(chǎn)生5 種核苷酸。

3.5 細胞壁成分

酵母的細胞壁占酵母干重的15%～20%，含有大量的β-葡聚糖和甘露聚糖以及微量的幾丁質(zhì)。從結(jié)構(gòu)上看，細胞壁由內(nèi)層的不溶性β-葡聚糖和甘露聚糖、中層的可溶性β-葡聚糖和外層的糖蛋白組成。應注意的是，這些層不是離散的，而是形成復雜的結(jié)構(gòu)，不易分解。β-1,3 葡聚糖是酵母細胞壁中的主要多糖成分，研究證明其具有免疫調(diào)節(jié)作用。在這種情況下，人們對通過機械(例如，珠磨、超聲處理、高壓均質(zhì)化)和非機械(例如，熱解、滲透震蕩、化學和酶解)方法精制提取β-葡聚糖的興趣越來越大。

(未完待續(xù))