酵母菌在濕鮮生物發酵飼料中的應用研究進展

姚志芳，馮宇哲，張曉衛，王磊,2 ，吳國芳,2

(1.青海大學畜牧獸醫科學院，西寧 810016；2.青海大學省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室，西寧 810016)

近年來，隨著我國畜牧業的快速發展，出現了飼糧短缺問題。開發菌體高蛋白飼料資源，優化飼糧生產結構，提高飼料利用率已成為發展畜牧業的重要途徑[1]。飼料作物的安全性和有效性與國家口糧的安全息息相關，生產安全優質的飼料和建立高效的生產體系對畜牧業持續健康發展具有重要的積極影響[2]。《飼料工業“十二五”發展規劃》指出，飼料質量安全體系的建立和飼料質量安全水平的提高是飼料發展的重點任務之一[3]。因此，研發安全性生物飼料是保證動物性食品安全的關鍵。此外，抗生素在動物養殖中的濫用導致的耐藥性、藥物殘留等副作用，給動物和人類健康帶來嚴重危害，而益生菌制劑因其具有促進動物生長[4]、改善消化機能、提高瘤胃菌體蛋白[5]和免疫力等功效在畜牧業中被廣泛應用，有效克服了使用抗生素所產生的一系列問題[6]。本文就酵母菌及其在濕鮮生物發酵飼料中的應用研究進行綜述，以期為后續的科研工作和實際生產提供一定的參考依據。

1 益生菌概述

益生菌被定義為經過嚴格選擇且足量使用時有益于宿主健康的活性微生物菌株[7]。益生菌因具有促生長生產，調控機體健康等益生作用被廣泛應用于實際生產中。近年來，益生菌制劑作為飼料添加劑已被宣布為動物生產養殖實踐中的一個重要組成部分，作為活微生物應用于飼料中被動物采食后，在動物胃腸道中生長發育，其代謝產物直接或間接地促進宿主健康，增強腸道菌群平衡，通過刺激酶活性和提高抗病性來增強生長和免疫系統[7]。飼糧中添加益生菌來改變動物的腸道菌群不僅在營養方面具有益生意義，同時作為一種生物治療方法，可以預防抗生素和藥物的副作用，預防動物發生疾病，增強動物生長[7]。益生菌可部分代替抗生素和化學治療劑，提高食品和飼料安全性，對其進行正確使用可對機體起保健作用[8]。此外，益生菌菌株還表現出抗氧化性和有益的酶活性，可以延緩或防止氧化損傷[8]。一般而言，益生菌的功效因菌株而異，因此作為發酵飼料的益生菌菌株必須滿足一些選擇標準，包括安全性、功能性和有益性[9]。因此，本試驗進行益生性酵母菌的篩選鑒定及發酵飼料相關研究。

2 酵母菌概述

酵母菌是一種單細胞真菌，至少包括100多個屬，10000多個獨立菌株，是人類利用最早、應用范圍最廣、產量最大的一種微生物，具有多種生物功效，廣泛應用于食品、醫藥、化工、農業等領域[10]。酵母菌主要生長在含糖的偏酸性潮濕環境中，廣泛分布于自然界，具有繁殖快，生長周期短，代謝旺盛，且菌體營養豐富等特點，是人們在日常生活中特別是食品加工制作中被廣泛應用的一種微生物真菌。不僅能增加食品的風味，提高食物營養價值，還具有保健調理機體的作用，在釀酒工業上被長期使用，但近些年發現其在家畜生產方面也有益生性促進作用[10]。酵母菌含有豐富的酶、B族維生素及氨基酸等營養成分，廣泛應用于飼料部門，特別是在益生菌制劑的研制和通過發酵提高飼糧營養價值方面具有廣泛研究，同時作為生長刺激劑取代抗生素，有效克服了使用抗生素所產生的耐藥性、藥物殘留等一系列問題，具有巨大的益生潛力[11]。此外，酵母菌可調控瘤胃微生物菌群、抑制甲烷的產生、穩定瘤胃內環境pH，也可提高動物免疫和抗應激能力、加強對病原微生物的抵抗，促進動物的生長發育、改善機體的消化機能，且安全性高，無殘留和副作用[12]。研究表明，通過篩選育種且優化發酵等方法獲得的酵母菌株能以硫酸銨為唯一氮源進行發酵，生產單細胞蛋白，從而降低發酵成本，為緩解我國蛋白質飼料的短缺問題提供解決思路[13]。酵母培養物一方面通過增加乳酸菌的數量降低動物消化道環境的pH值，抑制不耐酸致病菌的生長，一方面通過提供乳酸菌的營養需求作為益生菌的前生物，促進畜禽胃腸道有益菌的快速生長，為動物機體提供所需的優質蛋白質和氨基酸，提供豐富的營養物質及大量的促生長因子，發揮其益生性作用[14]。在畜牧行業，酵母菌具有十分豐富的營養價值，通過增加飼料的全價性來滿足動物對營養元素的全價需求，還作為消化劑來提高動物對營養物質的消化吸收程度，有利于加速動物的生長發育及提高動物的生產性能，同時增強有益菌的生長繁殖，提高動物的防病抗病能力，是配制畜禽、水生動物及珍貴毛皮動物飼糧的理想蛋白質原料[15]。酵母菌在提供營養和平衡機體微生物區系兩方面都有極大影響，不論作為營養物質還是微生物添加劑，在動物飼料添加劑領域具有非常大的發展空間和潛力[16]。然而，酵母菌發揮作用與其菌種及菌株生理結構密切相關[17]。近年來，活性酵母產品作為飼料添加劑被普遍使用，對動物作用效果的相關研究表明，動物采食酵母添加劑后其生產性能、產品質量安全以及瘤胃發酵等都有積極的改變效果。然而，這些積極效果的產生與采食酵母菌的種類及活性有關[15]。隨著微生物學、分子生物學等學科及相關分子技術的快速發展，篩選新型菌種且研究其作用機制已成為當前酵母研究的新熱點。就提高動物生產性能和企業經濟效益而言，研究新型酵母菌種潛在的生物學機制在畜牧業中尤為重要[15]。綜上所述，酵母菌通過發酵可提高農業副產品的營養價值，擴大飼料資源的來源，提高飼料的營養成分及可飼喂性，擴增蛋白質來源，有效改善我國畜牧業飼料資源短缺的問題，改善動物胃腸道菌群平衡，提高飼料利用率，增強免疫力，進一步促進畜牧業的快速發展[18]。隨著畜牧養殖業的規模化發展及我國飼料資源的短缺，酵母菌不論是在微生態制劑的研制方面還是在作為生物發酵飼料的益生菌菌種方面均有廣泛的應用前景。通過微生物育種、多菌種混合發酵、發酵設備及發酵工藝的改善、降低發酵成本及提高益生作用等方式擴大酵母菌在實際生活生產中的應用仍有待深入研究。

3 濕鮮生物發酵飼料概述

發酵飼料是指在人為創造的有利于發酵的條件下，微生物通過自身生長代謝及其自身多種酶通過一系列酶解反應，將植物原料中的部分粗纖維，木聚糖等動物無法直接吸收利用的大分子物質降解為易消化吸收的小分子，提高飼料原料中菌體蛋白含量，形成富含益生菌的高營養價值且無毒害作用的生物飼料[19]。濕鮮生物發酵飼料就是微生物發酵飼料在養殖業飼料實際生產應用中逐步發展出的一種發酵飼料，含有豐富的氨基酸、維生素及活性小分子肽等營養物質，具有改善飼料適口性和營養成分，調控動物胃腸道菌群結構，提高動物消化吸收力，增強免疫功能，提高生長性能，改善畜產品質量，減少生產過程中動物應激產生的應激癥狀，提高生產性能等重要作用，在發酵生產中未添加抗生素等有害添加劑，為畜牧業提供無毒無害的綠色產品，促進了畜牧養殖業的發展，有效保障了人類健康，提高了生活安全水平[20]。酵母菌作為益生性菌種在發酵飼料中具有增加飼料營養物質，改善飼料原料適口性，提高動物對飼料的消化吸收率等益生作用[21]。

4 國內外對酵母菌在濕鮮生物發酵飼料中的應用研究進展

隨著抗生素禁用等一系列安全意識的提高，益生菌發酵飼料逐步發展為畜牧業中飼料開發的研究熱點。濕鮮生物發酵飼料就是微生物發酵飼料在養殖業的飼料應用中逐步發展出的一種新型發酵飼料，遵循微生態學發酵原理，通過獨特發酵方式對發酵底物進行物理化學作用來提高營養價值和利用率，同時消除霉菌毒素等抗營養成分，具有改善飼料適口性和機體胃腸道消化系統、促進動物對飼料的消化吸收、增強動物免疫功能、提高生長性能、改善畜產品質量等重要作用，進而提高養殖效益[22]。濕鮮生物飼料產品中的益生菌通過代謝活動來維持微生態平衡，從而達到長期保存菌活性的效果，有益于益生菌產品在動物機體內的附著定植，充分發揮益生菌益生特性[23]。濕鮮生物飼料中的益生菌群分泌的各種復合酶系將飼料中粗蛋白、粗纖維等大分子有機物水解為多肽與活性小肽、多糖與低聚糖等小分子有機物，提高飼料可利用率和可飼性，同時益生菌群在動物機體內環境中形成優勢菌群，減少條件致病菌，抑制有害致病菌生長，降低疾病的發生率，加強動物健康，提高養殖效益[24]。研究表明，益生菌發酵技術近年已成為減少抗營養因子，改善營養質量和提高動物飼料營養生物利用度的有力工具，發酵過程提高了益生菌酶和代謝物的濃度，降低了腸道pH值，通過產生拮抗活性、競爭性排斥和細菌素來抑制腸道病原體的定殖[25]。與常規飼料相比，益生菌發酵飼料可有效提高肉雞體重和蛋雞的蛋品質[26]。此外，研究表明動物采食發酵飼糧后免疫力增強，應激減輕，腸道微生物菌群系統得到改善[27]。因此，發酵飼料被認為是提高動物的生長性能和增強機體健康的重要措施。然而，這些作用的潛在機制仍不夠清晰，有待進一步深入研究[28]。自20世紀80年代以來，人們通過對益生菌在飼料發酵中作為益生菌制劑的應用、對各種動物消化系統內菌群的演變規律和菌群平衡的影響以及益生菌益生特性等方面的大量研究，已使益生菌作為無毒無害無殘留的高安全性動物飼料添加劑和抗生素替代品在畜牧業中受到廣泛應用[29]。通常，益生菌被用作發酵飼料中的接種物，發酵過程可提高益生菌相關酶及其代謝產物的濃度，并將某些化合物轉變為更有效的成分，降解谷物中的抗營養因子，從而釋放出可用于動物生長所需的養分[30]。此外，乳酸等發酵代謝產物可通過降低腸道pH值來抑制病原體的增殖，并有益地改善腸道中短鏈脂肪酸的產生，起益生保健作用[31]。

酵母菌在發酵過程中通過自身繁殖，增加飼料中的營養物質含量，產生的酶通過一系列酶解反應將大分子物質分解為可利用的小分子，進而提高飼料利用率，同時也在飼料發酵過程中通過耗氧達到其他厭氧益生菌的適宜生長條件，其他益生菌通過產酸抑制并殺死其他雜菌或有害微生物來提高飼料原料適口性和營養價值，增加動物對飼料的消化吸收率[32]。此外，報道稱酵母菌生長代謝過程中可產生有抑菌殺菌作用的有機酸、乙醇及抗生素因子等代謝產物[33]。酵母菌可降解玉米為發酵底物的飼料中纖維物質，提高蛋白含量，使發酵底物營養價值升高[34]。酵母菌發酵玉米及麩皮等底物時可顯著提高其氨基酸和磷含量[35]，玉米秸稈中的粗脂肪和營養素含量經益生性酵母菌發酵均顯著增加[36]。研究表明，酵母菌發酵可減少棉酚及黃曲霉毒素等抗營養成分，提高飼料可飼性，增加畜產品品質，有利于人類健康；玉米等底物經釀酒酵母和熱帶假絲酵母發酵后，蛋白含量相應提高，部分代替動物源性蛋白質飼料，增加飼料來源，降低生產成本[37]。馬克思克魯維酵母發酵通過產植酸酶來減少發酵底物中的植酸含量，提高飼料營養價值，益于動物吸收利用[38]。酵母菌在飼料保存中有重要意義，通過向系統中添加酵母菌，有可能在密閉存儲和飼料發酵中影響微生物菌群，通過代謝活動來降低飼料原料pH值，同時產生抗微生物物質，利于飼料的長期保存[39]。酵母Wickerhamomyces anomalus是一種天然存在于谷物上的生物控制酵母，已顯示可在氣密存儲系統中有效抑制霉菌和腸桿菌科細菌等不良生物生長[40]。

酵母菌作為飼料添加劑廣泛應用于動物生產養殖。在水產動物中的研究表明，酵母菌發酵的飼料可提高蝦采食量，酵母中的抗病因子提高蝦的機體健康，酵母菌的耐高溫特性提高蝦的存活率[41]。保苗期幼參采食經消毒滅菌后用酵母菌發酵的飼料時其增重率有明顯提高，有益于其生理健康[42]。體外試驗研究表明，酵母菌發酵飼料可改善反芻動物瘤胃菌群結構，提高氨態氮和揮發性脂肪酸含量[43]。研究發現，經釀酒酵母和枯草芽孢桿菌復合發酵時明顯提高飼料原料中的活菌數、小分子肽及多肽含量，對奶牛生長生產具有重要意義[44]。但也有研究表明，高纖維飼糧經啤酒酵母發酵后對后備牛的營養效果不顯著[45]，發酵飼料在反芻動物中的應用效果有待進一步研究。此外，酵母菌在動物生長和機體健康有重要作用。Pinloche等研究表明，奶牛采食酵母菌發酵飼料后其瘤胃環境得到改善，加快了纖維等物質的溶解[46]。Suvarna等分離的酵母菌株無溶血性，可在動物腸道內黏附定植，且可存活在人工腸胃液[47]。釀酒酵母可提高育肥豬空腸絨毛高度和隱窩深度值[48]，提高仔豬體內免疫球蛋白水平，可有效抑制仔豬腹瀉，進而改善仔豬生產性能，提高存活率[49]。研究表明，魚采食酵母發酵飼料后，腸組織中的絨毛的長度和寬度及杯狀細胞和粘膜細胞顯著增加，對小腸的酶和微生物外觀具有明顯的積極影響，而對肝臟沒有任何不利影響[50]。Vidakovic等研究表明，酵母菌為生活在缺乏食物環境條件下的沙鳥和深海魚類等提供蛋白質[51]。酵母菌自身或其代謝產物均在畜牧業飼料研制和動物養殖方面有深遠影響。

酵母菌不僅單獨進行飼料的發酵，與其它益生菌共同進行飼料的發酵，通過菌種之間的相互協同作用持續發酵，提高飼料營養價值[52]。有研究表明，酵母菌與其它益生菌的混合發酵有利于加強兩者的益生作用，合理搭配酵母菌和乳酸菌進行混合發酵可使發酵產物的適口性有所提高，同時可充分發揮乳酸菌的抑菌功能及其益生作用[15]。乳酸菌和酵母菌的共生作用有利于增加微生物對生活環境的適應性，同時加強了共生菌種之間的互作[15]。研究報道，益生性產朊假絲酵母與鼠李糖乳桿菌混合發酵提高了飼料原料中的總揮發性脂肪酸和粗蛋白，進而減少豬腹瀉，改善機體健康狀況，提高豬生產性能，對豬養殖業有重要意義[53]。有研究表明，酵母菌、芽孢桿菌和乳酸菌混合發酵飼料飼喂幼參，可提高發酵原料可溶性還原糖的含量，顯著降低粗纖維含量，使幼參增重率顯著升高[54]。酵母菌與枯草芽孢桿菌和植物乳桿菌混合發酵提高了發酵底物中的粗蛋白和乳酸含量，粗纖維含量顯著降低，并且飼喂試驗結果表明，飼喂發酵后飼料可改善豬腸道菌群平衡，增強機體健康，提高生產性能[55]。還有研究表明復合發酵釀酒酵母和枯草芽孢桿菌可顯著提高發酵底物的活菌數、甘露聚糖和多肽含量，對奶牛飼料的研發有重要作用[56]。

益生菌發酵飼料對高原牧區農牧業的經濟增收和促進高原動物的產業化發展具有重要意義。在飼草料嚴重短缺的高原牧區冷季，牧民們采用補飼法來提高高原動物生產性能及越冬能力，但飼糧短缺問題并未完全解決，而開發新型飼料資源是解決該問題的重要舉措，可有效降低高原畜牧業的發展成本。研究表明，高原牦牛采食經產朊假絲酵母等益生菌混合發酵的酒糟后其生產性能和飼料消化率得到提高，且對瘤胃發酵類型及機體血清生化指標無不良影響[57]。在西藏高原以乳酸菌、芽孢桿菌及酵母菌等為發酵菌種，進行豆粕、菜籽餅與麥麩的混合厭氧發酵，三種混合飼料中粗纖維含量升高，隨豆粕的減少、菜籽餅的增多，飼料中粗蛋白質含量顯著降低，而粗脂肪含量顯著升高。該試驗結果說明，高海拔地區混合飼料經酵母菌等益生菌發酵后其營養價值得到改善。研究表明，西藏藏豬采食以酵母菌等益生菌發酵的飼料后血清中尿素氮含量減少、谷丙轉氨酶及谷草轉氨酶的活性降低，蛋白含量顯著升高。由此可見，高海拔地區混合飼料經酵母菌等益生菌發酵后應用于藏豬養殖能提高經濟效益[58]。作為畜牧業常用益生菌，酵母菌在微生態制劑研發及畜牧水產養殖中發揮中重要作用。

5 存在的問題與展望

隨著酵母菌研究的逐步深入，酵母菌的篩選工作一方面要保證所篩選的是具有生物安全性的酵母菌種；另一方面還要考慮到所篩酵母菌對其他菌群的作用效果，對發酵性能和生產性能產生不同的影響。因此，研究不同菌種發酵性能及新型酵母菌種的篩選鑒定至關重要，這需要進行大量的菌種篩選工作。如何通過分子生物學，微生物學等方法研究混菌發酵的互作機制，改善發酵設備，完善發酵工藝，擴大益生菌發酵飼料的使用范圍仍有待進一步研究。酵母菌通過發酵可提高農業副產品的營養價值，擴大飼料資源的來源，提高飼料的營養成分及可飼喂性，擴增蛋白質來源，有效改善我國畜牧業飼料資源短缺的問題，改善動物胃腸道菌群平衡，增強免疫力，提高飼料利用率，促進畜牧業快速發展。隨著畜牧養殖業的規模化發展及我國飼料資源的短缺，尤其青藏高原地區動物飼糧短缺，供應不平衡，同時地域偏遠，經濟技術落后，草產品生產技術欠缺，生產的飼草產品易發霉且不耐貯藏，營養品質差，不利于動物營養生產等問題嚴重制約著當地畜牧業的發展，而通過益生菌發酵來提高飼草料營養價值是解決青藏高原高寒地區冬季飼草料短缺的有效措施之一。通過酵母菌益生性的研究及其在飼料發酵中的應用研究，可有效提高青藏高原地區飼糧短缺問題，提高畜牧業發展。酵母菌不論是在微生態制劑的研制方面還是在作為生物發酵飼料的益生菌菌種方面均有廣泛的應用前景。通過微生物育種、多菌種混合發酵、發酵設備及發酵工藝的改善、降低發酵成本及提高益生作用等方式擴大酵母菌在實際生活生產中的應用仍有待深入研究。作為畜牧業常用益生菌，酵母菌在微生態制劑研發及畜牧水產養殖中發揮中重要作用，雖然對酵母菌及其混菌發酵的作用機制研究還不夠清晰，但隨著分子生物學和微生物學相關研究的不斷深入，定推動酵母菌發酵相關研究向前發展。