酵母壁多糖的生物学功能及其对反刍动物的影响

■刘孟健 张文举 姚 峻 牛俊丽

（石河子大学动物科技学院，新疆石河子832000）

牛、羊养殖产业是我国现代畜牧发展的支柱产业，但因地区气候多变加之饲养水平相对滞后，动物难以应对多种外界因素的刺激，导致胃肠道消化功能紊乱以及肠道免疫过度应答，导致动物成活率低、养殖成本增加、肉奶品质下降等问题，严重影响产业发展[1]。虽然抗生素的价格低、见效快，但其滥用造成了如动物肠道菌群破坏、机体耐药性增加、药物残留等负面影响。在我国无抗养殖的大趋势下，迫切需要开发出具有改善动物胃肠道功能的天然免疫调节剂。

酵母壁多糖作为安全、绿色、有效的免疫激活剂，具有促进生长、提高免疫、改善肠道菌群结构、抗氧化、吸附毒素等生理功能，并对机体的消化系统疾病具有一定程度的预防作用。另外，酵母壁多糖具有来源广泛、化学性质稳定、无耐药、无残留等特点，不存在配伍禁忌，能与其他益生元或益生菌制剂配合使用，具有广泛的研究应用前景。本文就酵母壁多糖的生物学功能及其对反刍动物的影响做了综述，为酵母壁多糖在反刍动物上的应用提供参考。

1 酵母壁多糖的组成和结构

酵母壁多糖是β-葡聚糖、甘露聚糖、异多糖和几丁质等组成的高分子多糖，占酵母细胞壁干重的75%～90%，其中β-葡聚糖和甘露聚糖分别占其细胞壁干重的50%～60%和35%～40%[2]，而几丁质、糖蛋白等其他物质约占其细胞壁干重的0.5%～8%。大多数酵母壁多糖产品通过破壁、脱脂、脱蛋白、脱色、干燥等一系列工艺从啤酒或葡萄酒酵母泥中提取获得，目前也有学者针对具体的生物学功能开发出了如富硒酵母壁多糖、毕赤酵母壁多糖、海洋红酵母多糖等产品。

据研究报道证实，一般分子量小于50 kDa 的多糖基本无生物学活性，而具有生物活性的酵母壁多糖分子量一般介于100～500 kDa之间，且β-葡聚糖和甘露聚糖为酵母壁多糖的主要免疫活性成分[3]。有学者运用核磁共振、原子力显微镜、气质色谱联用等技术发现酵母壁多糖具有独特的三股螺旋构象和复杂的侧链分支结构。

β-葡聚糖是由β-1,3-葡聚糖和β-1,6-葡聚糖组成的结构性多糖，其比例约为4∶1。β-葡聚糖以β-1,3-葡聚糖为骨架，β-1,6-葡聚糖为支链，其支链糖的还原端连接到主链糖的末端上，并通过氢键连接成具有网状空间结构的三维架构[4]。此架构具有良好的收缩性和弹性，在正常渗透压的情况下能大幅度延伸，当处于高渗透压下能迅速收缩，渗透压恢复正常后其可恢复原状。甘露聚糖通过α-1,6-糖苷键将多个α-甘露糖连接起来，其侧链和主链分别通过α-1,2和α-1,3 键相连，部分侧链结构组成了与抗原相关的功能结构域[5]。甘露聚糖通过乙酰基的水解反应后，其α-1,6-糖苷键被切断并生成具有2～4 个糖苷键的甘露聚糖MOS[6]。

2 酵母壁多糖的生物学功能

酵母壁多糖一般不被机体分解，能通过抗原或免疫佐剂的形式，以病原相关分子模式的机制直接作用肠道黏膜上皮细胞提高机体免疫能力；也能通过调节机体抗氧化能力、吸附病原菌毒素以及调节肠道内菌群结构和其代谢产物的方式间接发挥其生物学功能。

2.1 酵母壁多糖对肠道菌群结构的调节功能

相关研究证明，肠道菌群的平衡与稳态是动物机体健康的必要条件。肠道菌群已被认为是一个真实存在的内分泌器官，其微生物细胞总量远远超过机体细胞数量的总和，其产生的初级和次级代谢产物能够与宿主的生理机能相互作用并在更深层产生反应，大量代谢产物驱动着宿主和菌群之间的稳态平衡，与动物的生产性能、营养代谢、机体免疫有直接的关系[7]。酵母壁多糖主要通过两条途径影响肠道内微生态系统。首先酵母壁多糖能调节肠道菌群结构并影响微生物在肠道黏膜上皮细胞的黏附能力；其次酵母壁多糖能调节肠道微生物的代谢产物。

2.1.1 酵母壁多糖对肠道菌群结构的调节

酵母壁多糖能被乳酸菌及双歧杆菌等利用，从而促进肠道内益生菌的繁殖，通过菌种优势及代谢产物抑制有害菌的生长，另外酵母壁多糖还能对空间范围内的有害菌进行吸附，使其活动范围降低，以此改变肠道内菌群结构。Karaman 等[8]在研究中发现，甘露聚糖可以提高双歧杆菌的数量并降低肠道内大肠杆菌的数量，从而改变了肠道内的菌群结构。阎桂玲等[9]也发现，将啤酒酵母壁多糖按比例饲喂肉仔鸡，其盲肠内双歧杆菌数量显著增多，沙门氏菌和大肠杆菌的数量显著降低。贺琴等[10]研究发现，将酵母壁多糖按一定比例短期饲喂断奶仔猪后，能提高断奶仔猪盲肠肠道中粪球菌属、中厚壁菌门和瘤胃杆菌属等优势菌群含量，从而改善了仔猪盲肠内的微生物菌群结构。

酵母壁多糖能对微生物在肠道内的定殖产生影响，有学者认为酵母壁多糖中的β-葡聚糖和α-甘露聚糖表面对部分致病菌有凝聚能力，在不影响自身免疫功能的前提下能抑制致病菌的活动范围，从而抑制其在黏膜上皮细胞的黏附作用[11]。酵母壁多糖可诱导益生菌提高其代谢活性，通过益生菌自身的黏附、占位和其产生的代谢产物来抑制致病菌的定殖。酵母壁多糖本身就能结合肠黏膜上皮细胞受体，通过竞争性占位排斥病原体黏附在黏膜上皮，从而阻止病原微生物对宿主造成的影响[12]。

2.1.2 酵母壁多糖对肠道代谢产物的调节

酵母壁多糖可以调节微生物代谢产物的种类和数量，肠道内代谢产物的改变，会对机体的免疫反应和营养代谢产生影响，如酵母壁多糖可以提高机体肠道内短链脂肪酸如乙酸、丙酸、丁酸和乳酸的含量，其首先能有效降低肠道内pH值，抑制有害菌的生长[13]，减少黏膜的过度免疫反应及有毒物质对机体造成的影响，还能增加上皮细胞间紧密连接物的强度，改善肠道黏膜的物理屏障[14]；其次，短链脂肪酸不仅能为肠道上皮细胞提供能量，还能刺激上皮细胞的增长，增加肠绒毛的高度和隐窝的深度，使肠黏膜营养吸收表面增加，提高机体对营养吸收的能力[15]。Shanmugasudaram 等[16]研究发现，将季也蒙毕赤酵母甘露聚糖饲喂肉鸡，可以使肠道内有益菌产生大量小分子脂肪酸，这些有机酸不仅被当做营养物质由肠道上皮细胞吸收，还能降低肠道内pH值抑制有害菌生长，并维持体液电解质平衡。

2.2 酵母壁多糖的免疫调节功能

酵母壁多糖主要以抗感染为主要免疫应答目标，通过调节固定性免疫如肠道黏蛋白、细胞因子、抗体水平和紧密连接蛋白的表达，阻止病原体入侵黏膜屏障；同时改变适应性免疫淋巴细胞比例等途径，降低因病原体激发的固有免疫快速应答和相关炎症基因的适应性免疫应答，增强正常情况时肠黏膜免疫的免疫耐受，减少免疫和炎症反应的程度和次数[17]。

酵母壁多糖中的β-葡聚糖和甘露聚糖都是常见的PAMP，依赖于受体基因表达对模式识别受体PPR分子进行识别，并通过一定的免疫受体信号通路调节相关免疫基因的表达，从而对免疫进行调节[18]。其中β-葡聚糖的免疫调节机理主要有2个方面，一方面调节固有免疫细胞因子的种类和水平；另一方面通过抗原呈递细胞的呈递作用调节适应性免疫应答。在调节固有免疫方面，β-葡聚糖不仅能与Toll 样受体（TLR-2、TLR-4、TLR-6）相结合，还能与Dectin-1、补体受体CR3、清道夫等受体相结合，从而影响Mφ细胞、NK 细胞、中性粒细胞和DC 细胞等固定性免疫细胞的基因表达，进而影响细胞因子比如IL-1、IL-6、TNF-α的释放[19]。其中Dectin-1 是重要的β-葡聚糖受体，通过SYK、CARD9、Bcl10和Maltl 等一系列信号的转导，最终激活细胞核因子NF-κB，对细胞因子的基因表达产生影响[20]。此外，TLR 受体MyD88- NFκB 通路、补体受体CR3-SYK 途径或者CR3-P13KMAPK 途径也是β葡聚糖信号传导的途径，并且不同信号通路之间有着互作作用，以此相互调节固定性免疫应答。在调节适应性免疫方面，β-葡聚糖通过抗原呈递的作用调节适应性免疫应答，比如β-葡聚糖通过APC的内吞作用将多糖片段传递给细胞表面并与于T细胞的TCR 受体相结合，以此调节CD4+细胞Th1 和Th2数量的比例，同时也调节了其分泌的IL-2、IL-6、TNF-α、IFN-γ和IL-4、IL-10等细胞因子的平衡，从而调节了适应性免疫[21]。在调节炎症反应方面，酵母壁多糖可以在不影响炎性因子IL-2、IL-6和TNF-α分泌的前提下，通过提高肠道内IL-10 并降低IFN-γ的含量，增强肠道的免疫耐受并降低机体的炎症反应。动物在受到外界致病菌的刺激或肠道损伤的情况下，酵母壁多糖可以提高IL-1的基因表达水平，并加强嗜中性粒细胞的强化靶点功能，使其有效进入感染部位并杀灭病原体[22]。Shanmugasundara 等[23]研究发现，肉鸡机体在正常水平下，酵母壁多糖可以降低其外周免疫器官促炎因子IL-1 的mRNA 转录，并提高抗炎因子IL-10 的mRNA 转录水平，从而降低炎症反应及增强其免疫耐受，通过固有免疫调节促使机体将肠道内的能量及营养用于生长而非消耗在免疫反应中。

甘露聚糖的免疫机理主要通过调节固有免疫细胞的分泌对免疫产生影响。甘露聚糖能与多种受体结合，其主要的免疫受体有Dectin-2、MR、Scavenger、NOD样和Toll样等受体。其中Dectin-2是重要的甘露聚糖受体，其主要表达在Mφ细胞和DC细胞，也有研究证实Dectin-2是髓样DC针对酵母菌α-甘露寡糖产生细胞因子的唯一受体，通过SYK-NF-κB信号通路影响基因的表达，并能促进适应性免疫CD4向Th17分化[24]。此外，甘露糖受体是吞噬细胞的内吞受体之一，与甘露糖相互作用可以引发细胞内一系列的信号级联放大，激活转录，促进或抑制NO和多种细胞因子，如IL-1、IL-6、GM-CSF、TNF-a、IL-12、IL-10等的表达。甘露聚糖同样能与Toll 样受体TLR-4 结合，通过TLR-MyD88-NF-κB的免疫受体信号通路影响基因的表达[25]。

2.3 酵母壁多糖的抗氧化功能

动物正常的生理代谢及氧化呼吸供能都会产生化学性质极不稳定的自由基，影响动物的机体健康和生产性能[26]。酵母壁多糖通过提高肠道组织、肝脏组织及血清中抗氧化酶的活性而增加机体的抗氧化能力，其机制可能是：①酵母壁多糖提高机体的抗氧化酶系活性；②酵母壁多糖本身直接作用自由基，通过与自由基发生氧化反应而降低其对机体的损伤；③酵母壁多糖的空间结构有螯合催化作用，使体内自由基的反应受阻。

2.4 酵母壁多糖对毒素及病原菌的吸附功能

酵母壁多糖本身具有复杂的空间结构，能对部分真菌毒素如呕吐毒素、黄曲霉毒素、T-2毒素、赭曲霉毒素等毒素进行吸附，特别是对F-2毒素的吸附能力较高，能减轻日粮因霉变而导致的损失[27]。另外，酵母壁多糖与部分致病菌表面的类几丁质结构的结合能力较强，因此能对病原菌有竞争性吸附作用，避免病原菌接触肠道表面而快速排出体外。

3 酵母壁多糖对反刍动物的影响

反刍动物的消化系统比较复杂，消化营养性多糖被反刍动物摄入后，绝大部分由瘤胃中的微生物发酵分解为挥发性脂肪酸和二氧化碳，未被完全分解的多糖或寡糖则转移至小肠，在小肠酶的作用下最终分解为单糖被肠壁吸收，参与能量代谢。但功能性多糖例如酵母壁多糖在进入反刍动物的消化道后，由于胃肠道微生物对其利用率较低、消化酶不能将其完全分解，功能性多糖会保留一部分空间结构和侧链基团，发挥其生物学功能。有国内外学者对酵母壁多糖在反刍动物特别是对犊牛和羔羊上的应用进行了相关研究，且结果大都证明，酵母壁多糖在经过瘤胃后仍可以保留其相对生物活性，并对反刍动物的生产性能、肠道发育、肠道免疫、抗氧化及肠道微生态系统产生影响。

3.1 酵母壁多糖对反刍动物生产性能的影响

在酵母壁多糖对反刍动物生产性能的研究中，一般集中在犊牛或羔羊等幼龄动物，因幼龄反刍动物的瘤胃没有发育完全，反刍能力较弱，对酵母壁多糖的结构破坏较小，可明显提高饲料消化利用率、降低料肉比及提高日增重，其添加量一般为50～100 mg/kg或1～10 g/(头·d)。魏占虎、李冲等[28-29]发现，在全混合日粮中添加75 mg/kg的酵母β-葡聚糖，能降低断奶羔羊的料肉比，并增加其反刍时间、反刍次数以及提高饲料消化率、日增重和瘤胃中的乙酸比重。周怿等[30]也证明添加75 mg/kg 的酵母β-葡聚糖能显著提高早期断奶犊牛的日增重、饲料转化率和出粪频率。谢明欣等[31]发现，在全混合日粮中添加0.1%的酵母甘露寡糖，能显著提高高精料饲养模式下蒙古绵羊的平均日增重，并显著降低其料肉比。董金金等[32]研究发现，在不增加犊牛采食量的基础上，添加1 g/(头·d)的酵母壁多糖能显著提高其平均日增重和粗蛋白、粗脂肪和粗纤维等消化率。顾鲲涛等[33]研究发现，在基础饲粮中添加10 g/(头·d)的酵母β-葡聚糖，能显著提高围产期奶牛的干物质采食量、产奶量及乳蛋白产量，且不会对其他乳成分及比率造成影响。

3.2 酵母壁多糖对反刍动物胃肠道形态的影响

酵母壁多糖主要通过提高瘤胃上皮细胞乳头长度、肠道绒毛高度及隐窝深度改善反刍动物胃肠道的形态，从而提高营养物质的吸收效率。Lesmeister、Brewer 等[34-35]同时证明，酵母菌培养物能提高瘤胃绒毛的长度和宽度。董金金等[36]研究发现，在犊牛饲粮中添加2 g/(头·d)的酵母壁多糖，能显著提高犊牛瘤胃乳头长度、宽度和黏膜厚度，并显著提高十二指肠和空肠的绒毛高度及其与隐窝深度比。Ehsan等[37]研究发现，日粮中添加1.6%的酵母甘露寡糖，能提高绵羊瘤胃上皮细胞的形态。

3.3 酵母壁多糖对反刍动物瘤胃发酵及肠道微生物结构的影响

反刍动物的消化系统相对复杂，但目前已证明具有生物活性的多糖或寡糖可以对反刍动物的瘤胃发酵和肠道中微生物及其代谢产生影响。酵母壁多糖可以改变瘤胃或肠道中的菌群结构使得纤维降解菌的代谢发生改变，从而影响短链脂肪酸的浓度；还可以提高乳酸菌的数量而调节胃肠道的pH值水平，从而影响胃肠道的功能。Lesmeister等[34]和Goiri等[38]均研究发现，在日粮中添加2 g/(头·d)的酵母壁多糖，能显著降低犊牛和绵羊瘤胃液中NH3-N的浓度，并显著提高了MCP产量及TVFA 的浓度，增加了瘤胃中蛋白质和氨的利用率，有利于犊牛和绵羊瘤胃发酵的稳定性。李冲等[39]研究发现，在饲粮中添加150 mg/kg酵母β-葡聚糖，能显著降低羔羊血清尿素氮含量，而对其瘤胃液中的总氮、氨氮和蛋白氮含量没有显著影响；同时也显著降低了瘤胃中丁酸的比例，而对羔羊瘤胃液的pH值和总挥发性脂肪酸的浓度无显著性影响。

Yohe 等[40]以口服大肠杆菌K99 对犊牛进行功毒试验，结果发现酵母β-葡聚糖能降低大肠杆菌K99对其肠道的损伤，在显著提高犊牛直肠中菌群多样性的同时，还能显著提高乳酸菌的数量。Heinrichs 等[41]发现，添加2%～3%的酵母壁多糖能优化犊牛肠道的菌群结构，促进双歧杆菌等益生菌的增值，并抑制大肠杆菌等致病菌的增加。

3.4 酵母壁多糖对反刍动物肠道免疫的影响

反刍动物的肠道免疫与单胃动物相似，均能通过肠道黏膜的模式病原相关识别受体调节肠道免疫。但酵母壁多糖在瘤胃微生物的发酵作用后，其分子空间结构的保留程度便成为其是否具有免疫活性的关键。然而目前可以确定的是，幼仔畜的瘤胃发育尚未完全，酵母壁多糖在到达肠道之前能保留大部分的空间结构，从而能对幼龄反刍动物的肠道免疫进行调节[42]。Borderas 等[43]研究发现，酵母β-葡聚糖能显著提高犊牛IgM 和ALP 含量。杨地坤[44]研究发现，酵母甘露寡糖能显著提高绵羊血清中IgM、IgA、IgG 及IL-2 的浓度，同时还提高绵羊LBP、C3、T-SOD 和NO浓度，以此提高了动物机体的免疫能力。谢明欣等[31]研究发现，在精补料中添加0.1%的酵母甘露寡糖饲喂蒙古绵羊30 日，可显著提高绵羊血清中IgM、LBP浓度。张曼等[45-46]用酿酒酵母β-葡聚糖刺激绵羊瘤胃上皮细胞，结果显示以浓度5～100 μg/ml 的酵母β-葡聚糖均能刺激绵羊SBD-1（瘤胃上皮细胞β-防御素-1）的表达，当浓度达到100 μg/ml时会对绵羊瘤胃上皮细胞活力产生显著影响，而当浓度达到10 μg/ml时，其对SBD-1的mRNA和蛋白的表达达到最高。后探究出酿酒酵母β-葡聚糖在绵羊瘤胃上皮细胞的免疫受体为Dectin-1和TLR-2受体，然后由此受体信号通路介导SBD-1（瘤胃上皮细胞β-防御素-1）的表达。

3.5 酵母壁多糖对反刍动物抗氧化的影响

在瘤胃发育阶段的反刍动物幼畜，因其体内的抗氧化酶系还未完全建立，对胃肠道内产生过量的脂质过氧化物和超氧化自由基较为敏感，会导致胃肠道黏膜上皮细胞持续损伤。一般在饲粮中添加2～10 g/(头·d)或按精补料的0.1%添加酵母壁多糖即能达到较好的抗氧化效果。董金金等[47]研究发现，在哺乳犊牛饲粮中添加2 g/(头·d)酵母多糖，能显著提高犊牛血清中丙二醛含量，显著提高其总抗氧化能力。顾鲲涛等[33]研究发现，将酵母β-葡聚糖按10 g/(头·d)添加到围产奶牛的日粮中，能显著提搞围产奶牛产前和产后血清中谷胱甘肽过氧化物酶活性，对产前血清中丙二醛含量有降低的趋势，然而对血清中的超氧化物歧化酶和总抗氧化能力无显著性影响。谢明欣等[31]研究发现，在精补料中添加0.1%酵母甘露寡糖饲喂蒙古绵羊30 d，能显著提高其血清中总超氧化物歧化酶(TSOD)活性，但在饲喂蒙古绵羊至60 d后，其血清中的总抗氧化能力和谷胱甘肽过氧化物酶活性会显著降低。张学峰等[48]研究发现，将占日粮干物质2.0%的酵母培养物通过十二指肠灌注入绵羊体内，能显著提高绵羊血清中总抗氧化能力和总超氧化物歧化酶的含量。

4 小结

综上所述，酵母壁多糖具有促进生长、提高免疫、改善肠道菌群结构、抗氧化、吸附毒素等生物学功能。目前酵母壁多糖在反刍动物生产上的应用愈加广泛、使用效果愈加明显，但酵母壁多糖对反刍动物胃肠道微生物菌群及代谢产物的影响、肠道免疫功能及其免疫受体信号通路机制的研究较少，因此有必要对以下问题进行深入的研究：不同酵母来源的酵母壁多糖对反刍动物影响的差异；酵母壁多糖对成年和幼龄反刍动物生长性能的差异；酵母壁多糖通过哪些途径调节反刍动物瘤胃微生物菌群结构及代谢产物，并对机体产生什么样的影响；酵母壁多糖调节反刍动物的免疫受体途径；酵母壁多糖到达肠道后，其分子结构如何发生改变，是否具有免疫活性等。在我国禁抗步伐稳步推进的大环境下，酵母壁多糖定会在反刍动物的生产上拥有广阔的应用前景。