酵母培养物改善单胃动物肠道健康的作用及其可能途径

2020-09-18张文晔钟儒清董彦君张宏福

中国畜牧杂志 2020年9期

刘明，张文晔，韩慧，钟儒清，陈亮，董彦君，张宏福，伊宝*

（1.动物营养学国家重点实验室，中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京 100193；2.北京中农弘科生物技术有限公司，北京 100226；3.陕西石羊农业科技股份有限公司，陕西西安 710021）

肠道是动物重要的消化器官，也是最大的免疫系统[1]。肠道的主要作用是营养物质吸收和免疫防御屏障，健康的肠道能够保证动物机体高效地消化吸收营养物质，同时有效抵抗病原体的侵袭，从而促进动物的生长和发育[2]。酵母培养物是指在一定的工艺条件下，酵母菌在特制培养基中通过充分厌氧发酵后制成的饲用产品，主要由酵母细胞代谢产物、发酵转化的培养基和酵母细胞等组成[3]。酵母培养物最早被用作反刍动物的蛋白质补充料，目前已被广泛应用于单胃动物生产中。酵母培养物由发酵后变异的培养基、少量酵母细胞和细胞外代谢产物组成，其成分比较复杂，有效功能性成分包括寡糖、核苷酸、有机酸、小肽、醇类、酶类和其他“未知生长因子”等[2]。近年来研究表明，酵母培养物对动物机体的有益作用主要归功于其代谢产物对肠道健康的改善[4]。本文对酵母培养物增强单胃动物（主要是猪和禽）肠道免疫、维持肠道形态结构、促进肠道发育成熟和改善肠道微生物区系的作用及其可能的作用途径进行综述，为酵母培养物在单胃动物生产中的进一步研究及应用提供参考。

1 酵母培养物在单胃动物肠道健康中的改善作用

分泌型免疫球蛋白A（Secretory Immunoglobulin A，SIgA）存在于肠道黏膜表面，能够限制细菌的增殖，中和细菌毒素，是肠道黏膜免疫中最主要的效应因子。有研究报道，日粮中添加2.5、5.0、7.5 g/kg 酵母培养物能提高肉鸡血清溶菌酶含量，并在21 d 和42 d 提高了十二指肠SIgA 浓度[5]。另外，日粮中添加5 g/kg 酵母培养物显著提高了断奶仔猪肠道黏膜中辅助性T 细胞亚群Th1 细胞因子干扰素-γ（IFN-γ）的浓度，进而IFN-γ可以活化巨噬细胞，增强其吞噬作用；同时，断奶后14 d，对照组仔猪淋巴细胞数量显著升高，但是酵母培养物添加组仔猪淋巴细胞数量没有显著变化[6]。因此，酵母培养物可能通过改善肠道黏膜Th1 细胞应答反应来缓解仔猪由断奶应激引起的免疫应答，增强肠道免疫功能，从而改善肠道健康。

酵母培养物还可以改善肠道结构，保护肠道黏膜，促进肠道发育。Gao 等[5]研究发现，在肉鸡日粮中添加2.5 g/kg 酵母培养物可以提高十二指肠和空肠的绒隐比（绒毛高度/隐窝深度），对肠道黏膜具有积极作用，从而提高肉鸡的生长性能。Zhang 等[7]研究表明，肉鸡日粮中添加0.5%的酵母可显著提高肠道绒毛高度和绒隐比。肖曼等[8]研究表明，添加0.2%酵母培养物显著提高了爱拔益加肉仔鸡十二指肠、空肠和回肠绒毛高度及绒隐比，显著降低了隐窝深度。

酵母培养物能够调节微生物菌群，改善肠道生态环境。日粮中添加酵母培养物可显著降低保育猪盲肠内大肠杆菌数量[6]、蛋鸡盲肠大肠杆菌属和沙门氏菌属的数量[9]及提高白来航鸡盲肠中乳酸杆菌属的相对含量[10]，同时可提高肉鸡瘤胃球菌属、丙酸菌属、鞘氨醇单胞菌属、双歧杆菌属和拟杆菌属数量，显著降低肠杆菌科数量[11]。酵母培养物对单胃动物肠道健康的影响研究见表1。

2 酵母培养物改善肠道健康的可能作用途径

酵母培养物可能是通过其功能性成分提高肠道免疫功能、优化肠道结构及改善肠道内环境来改善肠道健康，是甘露寡糖、有机酸、核苷酸、小肽、酶类、其他营养代谢产物和“未知生长因子”等协同作用的结果。

2.1 增强肠道免疫的可能作用途径大量研究表明，酵母培养物对提高肠道免疫能力具有积极作用，进而可以提高机体的抵抗力。Toll 样受体（Toll-like Receptors，TLRs）是参与非特异性免疫的一类重要蛋白质分子，也是连接非特异性免疫和特异性免疫的桥梁。微生物相关分子模式（Microbe-associated Molecular Patterns，MAMPs）是微生物表面存在的一些保守分子，有研究发现，酵母细胞壁的成分甘露聚糖和葡聚糖作为酵母的MAMPs 与肠相关淋巴组织（GALT）中免疫细胞上的模式识别受体（TLRs）结合，释放出免疫效应分子（如β-防御素（AVBD），Cathelicidins 等）激活免疫防御反应（如吞噬作用、替代补体反应和凝集反应等），进而调节机体的免疫反应[16]。Shashidhara 等[16]研究指出，日粮中添加0.5 g/kg 和1.0 g/kg 甘露寡糖均可显著提高肉鸡对传染性法氏囊病病毒的抗体反应，且显著增强后代体内对传染性法氏囊的母体抗体效价。熊阿玲[17]研究发现，肉鸡日粮中添加甘露寡糖可上调肠道TLR2和TLR4的基因表达量，且0.3 g/kg 和0.9 g/kg 甘露寡糖分别对回肠和盲肠TLR2mRNA 表达上调作用效果最佳；0.6 g/kg甘露糖对回肠TLR4mRNA 表达上调作用效果最为明显；0.3 g/kg 和0.6 g/kg 甘露寡糖分别对21 日龄肉鸡回肠Cath-B1、AVBD9mRNA 表达上调作用效果最好；0.9 g/kg 甘露寡糖对肉鸡42 日龄回肠AVBD9mRNA 以及盲肠Cath-B1mRNA 表达上调作用效果最好。说明适宜水平的甘露寡糖可不同程度提高肉鸡回肠和盲肠TLRs的表达，进而上调AVBD 和Cathelicidins 家族抗菌肽的表达而提高肉鸡天然免疫防御功能[18]。

酵母菌中含有丰富的核苷酸，日粮中添加酵母可以作为有效的核苷酸添加途径。核苷酸可保护小肠细胞免受自由基的攻击，改善机体的免疫应答，且能降低小肠炎症发生率。参与免疫的大部分细胞不能合成足够的核苷酸，补充外源核苷酸能够维持免疫系统的正常功能。

表1 酵母培养物对单胃动物肠道健康的影响

研究发现，日粮中添加酵母壁多糖可显著提高仔猪肠道短链脂肪酸含量[19]。短链脂肪酸通过与肠上皮细胞GPR43（短链脂肪酸受体，属于G 蛋白偶联受体C家族）相结合，刺激钾离子流动，使肠上皮细胞膜形成超极化，激活NLRP3 炎性小体，促进产生白细胞介素18，进而维持肠道黏膜的完整性和稳态[20]；短链脂肪酸也能通过识别Toll 样受体，活化G 蛋白偶联受体，抑制组蛋白去乙酰酶活性等调节肠上皮细胞及肠黏膜组织内不同免疫细胞（如淋巴细胞、树突状细胞、巨噬细胞等）的功能，改变细胞分化、增殖和凋亡，从而调节肠黏膜的免疫应答过程[20]。Foxp3 在调节机体免疫自稳中起关键作用。丁酸可促进Foxp3 的表达，增加外周调节性T 细胞的产生，抑制肠道黏膜炎症反应[21]。

2.2 促进肠道发育、维持肠道形态结构的可能作用途径肠道是机体消化吸收营养物质的主要场所，对营养物质的消化吸收能力直接影响动物生产性能，正常的肠道形态结构是营养物质消化吸收的重要保障。肠道绒毛高度及表面积、隐窝深度和绒隐比是衡量肠道形态结构的重要指标。通常，绒毛高度及表面积增加可增大肠道与食物的接触面积，促进食物消化。绒隐比增加表示机体肠道发育较快，消化吸收能力强。李玉欣等[22]研究发现，0.1%和0.2%毕赤酵母甘露寡糖可以增加仔猪空肠绒毛高度和绒隐比，提高肠道对营养物质的吸收，显著提高仔猪日增重。李玉欣等[23]进一步研究发现，毕赤酵母甘露寡糖有助于提高肠道杯状细胞数量，从而提高杯状细胞的分泌产物（如黏蛋白和三叶肽等）的分泌量。而黏蛋白和三叶肽等分泌量增加会对肠道的稳定性和完整性起到保护作用[24]。

核苷酸在机体内的合成有从头合成和补救合成2 条途径[25]。补救合成途径是指外源核苷酸、核酸水解产生的自由基与机体内的磷酸核糖发生磷酸核糖化作用而合成相应的核苷酸。与从头合成途径相比，补救合成途径简单且耗能低，肠黏膜总是优先利用补救合成途径合成核苷酸。动物体快速生长的肠道细胞周转较快，对核苷酸需求较多；且肠道缺乏嘌呤从头合成所需要的关键酶（谷氨酸核糖转移酶），从头合成核苷酸的能力有限。因此，补充外源核苷酸对肠道的健康发育尤为重要[26]。日粮中添加酵母培养物可以为机体提供所需的核苷酸，有助于肠上皮细胞的更新和改善，进而促进肠黏膜发育。核苷酸是组成大分子DNA 和RNA 的单体，参与各种酶及生长因子的代谢，在细胞分裂、分化和发育过程中有至关重要的作用。外源核苷酸还可以通过影响肠道DNA 和RNA 的含量影响肠道蛋白质的合成，提高肠道相关功能蛋白的表达量[27-28]。核苷酸还能够促进肠道发育成熟，提高肠道屏障相关基因的表达量，并提高肠道菌群种类和丰度[29]。研究还发现酵母培养物中核苷酸可能通过提高肠绒毛高度或者通过影响肠细胞分裂分化等促进肠细胞生长、发育和成熟[27]。此外，酵母培养物中的核苷酸也可以被消化道的各种酶分解成核苷、碱基等易被小肠前部吸收的物质，从而促进肠绒毛生长，增加肠壁厚度[29-30]。

小肽也是酵母培养物的主要组成成分之一，其吸收速度快、耗能低，载体不易饱和，可作为能源底物优先被小肠黏膜上皮细胞吸收，促进了肠黏膜组织的快速发育。王恬等[31]认为，小肽可以促进断奶仔猪十二指肠食糜乳糖酶、淀粉酶和胰蛋白酶活性的增强。与氨基酸相比，小肽能被机体更有效地吸收，可以作为高效的氨基酸来源，促进机体内氨基酸的代谢。Hui 等[32]认为小肽可以促进肠上皮细胞增殖，抑制肠上皮细胞凋亡，起到促进肠道发育的作用。此外，有研究发现小肽可以与钙、铁、铜、锌等矿物质离子形成螯合物，提高机体对这些金属元素的吸收[33-35]。

2.3 改善肠道微生物区系的可能作用途径肠道微生物和宿主之间是互惠共生的关系，宿主给肠道微生物提供所需的生存环境和营养物质，肠道菌群对宿主的生理机能以及中枢神经系统的发育具有尤为重要的作用。大量研究表明，肠道菌群失调会破坏肠道上皮屏障的完整性、损害机体免疫和消化功能[36-37]。汪晓东[38]提出，酵母培养物代谢产生的有机酸能够降低胃肠道pH，进而促进有益菌的生长繁殖，并抑制病原菌的生长，维持机体消化道微生物稳态。同时，肠道内的有害菌（大肠杆菌、沙门氏杆菌等）具有能够与肠上皮细胞上的甘露糖受体特异性结合的I 型菌毛，而酵母细胞壁含有的甘露寡糖和β-葡聚糖与该受体有相似的结构，能够竞争性地与I 型菌毛有害菌结合并发生凝集反应，使其不能在肠道黏膜上黏附和定殖，而被排出体外，从而减少肠道致病菌数量[39]。甘露寡糖可以被肠道内有益菌（双歧杆菌、乳酸杆菌等）吸收利用，并发酵产生乙酸、丙酸、丁酸等有机酸，促进其生长和繁殖；而大肠杆菌、沙门氏菌等有害菌无法利用甘露寡糖[40]。研究发现，日粮中添加1 g/kg 甘露寡糖显著降低了蛋鸡回肠中大肠杆菌和总细菌的数量[41]。于桂阳等[42]和段绪东[43]的研究得到相似结果，将0.5～1.0 g/kg、800 mg/kg 甘露寡糖分别应用在肉鸡或母猪等的畜禽动物生产中，均能够抑制大肠杆菌繁殖，促进乳酸杆菌增殖。此外，岳文斌等[44]研究发现，3 g/kg 甘露寡糖显著抑制仔猪盲肠和结肠大肠杆菌的生长，同时显著促进了盲肠乳酸杆菌和双歧杆菌的生长，进而维持了肠道菌群的平衡。

酵母培养物中的有机酸能够促进消化道回肠乳酸杆菌和结肠双歧杆菌的增殖，抑制大肠杆菌和葡萄球菌的增殖。有机酸还可以通过电离产生氢离子降低消化道的pH；或者通过某些酶的作用进入细菌胞内从而抑制病原菌的生长和增殖[45-46]，有机酸还能够提高消化道多种酶的活性。此外，酵母培养物代谢可产生多种酶类，两者协同促进肠道中营养物质的分解，从而促使肠道对营养物质的吸收。同时，王恬等[31]认为小肽能有效诱导消化酶分泌，并提高胰蛋白酶和淀粉酶等消化酶活性。祝平等[47]认为小肽还可减少断奶后仔猪肠道内大肠杆菌和沙门菌的繁殖，增加断奶仔猪肠道内有益菌属乳酸菌的繁殖，进而优化肠道菌群结构。