酵母菌在湿鲜生物发酵饲料中的应用研究进展

姚志芳，冯宇哲，张晓卫，王磊,2 ，吴国芳,2

(1.青海大学畜牧兽医科学院，西宁 810016；2.青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，西宁 810016)

近年来，随着我国畜牧业的快速发展，出现了饲粮短缺问题。开发菌体高蛋白饲料资源，优化饲粮生产结构，提高饲料利用率已成为发展畜牧业的重要途径[1]。饲料作物的安全性和有效性与国家口粮的安全息息相关，生产安全优质的饲料和建立高效的生产体系对畜牧业持续健康发展具有重要的积极影响[2]。《饲料工业“十二五”发展规划》指出，饲料质量安全体系的建立和饲料质量安全水平的提高是饲料发展的重点任务之一[3]。因此，研发安全性生物饲料是保证动物性食品安全的关键。此外，抗生素在动物养殖中的滥用导致的耐药性、药物残留等副作用，给动物和人类健康带来严重危害，而益生菌制剂因其具有促进动物生长[4]、改善消化机能、提高瘤胃菌体蛋白[5]和免疫力等功效在畜牧业中被广泛应用，有效克服了使用抗生素所产生的一系列问题[6]。本文就酵母菌及其在湿鲜生物发酵饲料中的应用研究进行综述，以期为后续的科研工作和实际生产提供一定的参考依据。

1 益生菌概述

益生菌被定义为经过严格选择且足量使用时有益于宿主健康的活性微生物菌株[7]。益生菌因具有促生长生产，调控机体健康等益生作用被广泛应用于实际生产中。近年来，益生菌制剂作为饲料添加剂已被宣布为动物生产养殖实践中的一个重要组成部分，作为活微生物应用于饲料中被动物采食后，在动物胃肠道中生长发育，其代谢产物直接或间接地促进宿主健康，增强肠道菌群平衡，通过刺激酶活性和提高抗病性来增强生长和免疫系统[7]。饲粮中添加益生菌来改变动物的肠道菌群不仅在营养方面具有益生意义，同时作为一种生物治疗方法，可以预防抗生素和药物的副作用，预防动物发生疾病，增强动物生长[7]。益生菌可部分代替抗生素和化学治疗剂，提高食品和饲料安全性，对其进行正确使用可对机体起保健作用[8]。此外，益生菌菌株还表现出抗氧化性和有益的酶活性，可以延缓或防止氧化损伤[8]。一般而言，益生菌的功效因菌株而异，因此作为发酵饲料的益生菌菌株必须满足一些选择标准，包括安全性、功能性和有益性[9]。因此，本试验进行益生性酵母菌的筛选鉴定及发酵饲料相关研究。

2 酵母菌概述

酵母菌是一种单细胞真菌，至少包括100多个属，10000多个独立菌株，是人类利用最早、应用范围最广、产量最大的一种微生物，具有多种生物功效，广泛应用于食品、医药、化工、农业等领域[10]。酵母菌主要生长在含糖的偏酸性潮湿环境中，广泛分布于自然界，具有繁殖快，生长周期短，代谢旺盛，且菌体营养丰富等特点，是人们在日常生活中特别是食品加工制作中被广泛应用的一种微生物真菌。不仅能增加食品的风味，提高食物营养价值，还具有保健调理机体的作用，在酿酒工业上被长期使用，但近些年发现其在家畜生产方面也有益生性促进作用[10]。酵母菌含有丰富的酶、B族维生素及氨基酸等营养成分，广泛应用于饲料部门，特别是在益生菌制剂的研制和通过发酵提高饲粮营养价值方面具有广泛研究，同时作为生长刺激剂取代抗生素，有效克服了使用抗生素所产生的耐药性、药物残留等一系列问题，具有巨大的益生潜力[11]。此外，酵母菌可调控瘤胃微生物菌群、抑制甲烷的产生、稳定瘤胃内环境pH，也可提高动物免疫和抗应激能力、加强对病原微生物的抵抗，促进动物的生长发育、改善机体的消化机能，且安全性高，无残留和副作用[12]。研究表明，通过筛选育种且优化发酵等方法获得的酵母菌株能以硫酸铵为唯一氮源进行发酵，生产单细胞蛋白，从而降低发酵成本，为缓解我国蛋白质饲料的短缺问题提供解决思路[13]。酵母培养物一方面通过增加乳酸菌的数量降低动物消化道环境的pH值，抑制不耐酸致病菌的生长，一方面通过提供乳酸菌的营养需求作为益生菌的前生物，促进畜禽胃肠道有益菌的快速生长，为动物机体提供所需的优质蛋白质和氨基酸，提供丰富的营养物质及大量的促生长因子，发挥其益生性作用[14]。在畜牧行业，酵母菌具有十分丰富的营养价值，通过增加饲料的全价性来满足动物对营养元素的全价需求，还作为消化剂来提高动物对营养物质的消化吸收程度，有利于加速动物的生长发育及提高动物的生产性能，同时增强有益菌的生长繁殖，提高动物的防病抗病能力，是配制畜禽、水生动物及珍贵毛皮动物饲粮的理想蛋白质原料[15]。酵母菌在提供营养和平衡机体微生物区系两方面都有极大影响，不论作为营养物质还是微生物添加剂，在动物饲料添加剂领域具有非常大的发展空间和潜力[16]。然而，酵母菌发挥作用与其菌种及菌株生理结构密切相关[17]。近年来，活性酵母产品作为饲料添加剂被普遍使用，对动物作用效果的相关研究表明，动物采食酵母添加剂后其生产性能、产品质量安全以及瘤胃发酵等都有积极的改变效果。然而，这些积极效果的产生与采食酵母菌的种类及活性有关[15]。随着微生物学、分子生物学等学科及相关分子技术的快速发展，筛选新型菌种且研究其作用机制已成为当前酵母研究的新热点。就提高动物生产性能和企业经济效益而言，研究新型酵母菌种潜在的生物学机制在畜牧业中尤为重要[15]。综上所述，酵母菌通过发酵可提高农业副产品的营养价值，扩大饲料资源的来源，提高饲料的营养成分及可饲喂性，扩增蛋白质来源，有效改善我国畜牧业饲料资源短缺的问题，改善动物胃肠道菌群平衡，提高饲料利用率，增强免疫力，进一步促进畜牧业的快速发展[18]。随着畜牧养殖业的规模化发展及我国饲料资源的短缺，酵母菌不论是在微生态制剂的研制方面还是在作为生物发酵饲料的益生菌菌种方面均有广泛的应用前景。通过微生物育种、多菌种混合发酵、发酵设备及发酵工艺的改善、降低发酵成本及提高益生作用等方式扩大酵母菌在实际生活生产中的应用仍有待深入研究。

3 湿鲜生物发酵饲料概述

发酵饲料是指在人为创造的有利于发酵的条件下，微生物通过自身生长代谢及其自身多种酶通过一系列酶解反应，将植物原料中的部分粗纤维，木聚糖等动物无法直接吸收利用的大分子物质降解为易消化吸收的小分子，提高饲料原料中菌体蛋白含量，形成富含益生菌的高营养价值且无毒害作用的生物饲料[19]。湿鲜生物发酵饲料就是微生物发酵饲料在养殖业饲料实际生产应用中逐步发展出的一种发酵饲料，含有丰富的氨基酸、维生素及活性小分子肽等营养物质，具有改善饲料适口性和营养成分，调控动物胃肠道菌群结构，提高动物消化吸收力，增强免疫功能，提高生长性能，改善畜产品质量，减少生产过程中动物应激产生的应激症状，提高生产性能等重要作用，在发酵生产中未添加抗生素等有害添加剂，为畜牧业提供无毒无害的绿色产品，促进了畜牧养殖业的发展，有效保障了人类健康，提高了生活安全水平[20]。酵母菌作为益生性菌种在发酵饲料中具有增加饲料营养物质，改善饲料原料适口性，提高动物对饲料的消化吸收率等益生作用[21]。

4 国内外对酵母菌在湿鲜生物发酵饲料中的应用研究进展

随着抗生素禁用等一系列安全意识的提高，益生菌发酵饲料逐步发展为畜牧业中饲料开发的研究热点。湿鲜生物发酵饲料就是微生物发酵饲料在养殖业的饲料应用中逐步发展出的一种新型发酵饲料，遵循微生态学发酵原理，通过独特发酵方式对发酵底物进行物理化学作用来提高营养价值和利用率，同时消除霉菌毒素等抗营养成分，具有改善饲料适口性和机体胃肠道消化系统、促进动物对饲料的消化吸收、增强动物免疫功能、提高生长性能、改善畜产品质量等重要作用，进而提高养殖效益[22]。湿鲜生物饲料产品中的益生菌通过代谢活动来维持微生态平衡，从而达到长期保存菌活性的效果，有益于益生菌产品在动物机体内的附着定植，充分发挥益生菌益生特性[23]。湿鲜生物饲料中的益生菌群分泌的各种复合酶系将饲料中粗蛋白、粗纤维等大分子有机物水解为多肽与活性小肽、多糖与低聚糖等小分子有机物，提高饲料可利用率和可饲性，同时益生菌群在动物机体内环境中形成优势菌群，减少条件致病菌，抑制有害致病菌生长，降低疾病的发生率，加强动物健康，提高养殖效益[24]。研究表明，益生菌发酵技术近年已成为减少抗营养因子，改善营养质量和提高动物饲料营养生物利用度的有力工具，发酵过程提高了益生菌酶和代谢物的浓度，降低了肠道pH值，通过产生拮抗活性、竞争性排斥和细菌素来抑制肠道病原体的定殖[25]。与常规饲料相比，益生菌发酵饲料可有效提高肉鸡体重和蛋鸡的蛋品质[26]。此外，研究表明动物采食发酵饲粮后免疫力增强，应激减轻，肠道微生物菌群系统得到改善[27]。因此，发酵饲料被认为是提高动物的生长性能和增强机体健康的重要措施。然而，这些作用的潜在机制仍不够清晰，有待进一步深入研究[28]。自20世纪80年代以来，人们通过对益生菌在饲料发酵中作为益生菌制剂的应用、对各种动物消化系统内菌群的演变规律和菌群平衡的影响以及益生菌益生特性等方面的大量研究，已使益生菌作为无毒无害无残留的高安全性动物饲料添加剂和抗生素替代品在畜牧业中受到广泛应用[29]。通常，益生菌被用作发酵饲料中的接种物，发酵过程可提高益生菌相关酶及其代谢产物的浓度，并将某些化合物转变为更有效的成分，降解谷物中的抗营养因子，从而释放出可用于动物生长所需的养分[30]。此外，乳酸等发酵代谢产物可通过降低肠道pH值来抑制病原体的增殖，并有益地改善肠道中短链脂肪酸的产生，起益生保健作用[31]。

酵母菌在发酵过程中通过自身繁殖，增加饲料中的营养物质含量，产生的酶通过一系列酶解反应将大分子物质分解为可利用的小分子，进而提高饲料利用率，同时也在饲料发酵过程中通过耗氧达到其他厌氧益生菌的适宜生长条件，其他益生菌通过产酸抑制并杀死其他杂菌或有害微生物来提高饲料原料适口性和营养价值，增加动物对饲料的消化吸收率[32]。此外，报道称酵母菌生长代谢过程中可产生有抑菌杀菌作用的有机酸、乙醇及抗生素因子等代谢产物[33]。酵母菌可降解玉米为发酵底物的饲料中纤维物质，提高蛋白含量，使发酵底物营养价值升高[34]。酵母菌发酵玉米及麸皮等底物时可显著提高其氨基酸和磷含量[35]，玉米秸秆中的粗脂肪和营养素含量经益生性酵母菌发酵均显著增加[36]。研究表明，酵母菌发酵可减少棉酚及黄曲霉毒素等抗营养成分，提高饲料可饲性，增加畜产品品质，有利于人类健康；玉米等底物经酿酒酵母和热带假丝酵母发酵后，蛋白含量相应提高，部分代替动物源性蛋白质饲料，增加饲料来源，降低生产成本[37]。马克思克鲁维酵母发酵通过产植酸酶来减少发酵底物中的植酸含量，提高饲料营养价值，益于动物吸收利用[38]。酵母菌在饲料保存中有重要意义，通过向系统中添加酵母菌，有可能在密闭存储和饲料发酵中影响微生物菌群，通过代谢活动来降低饲料原料pH值，同时产生抗微生物物质，利于饲料的长期保存[39]。酵母Wickerhamomyces anomalus是一种天然存在于谷物上的生物控制酵母，已显示可在气密存储系统中有效抑制霉菌和肠杆菌科细菌等不良生物生长[40]。

酵母菌作为饲料添加剂广泛应用于动物生产养殖。在水产动物中的研究表明，酵母菌发酵的饲料可提高虾采食量，酵母中的抗病因子提高虾的机体健康，酵母菌的耐高温特性提高虾的存活率[41]。保苗期幼参采食经消毒灭菌后用酵母菌发酵的饲料时其增重率有明显提高，有益于其生理健康[42]。体外试验研究表明，酵母菌发酵饲料可改善反刍动物瘤胃菌群结构，提高氨态氮和挥发性脂肪酸含量[43]。研究发现，经酿酒酵母和枯草芽孢杆菌复合发酵时明显提高饲料原料中的活菌数、小分子肽及多肽含量，对奶牛生长生产具有重要意义[44]。但也有研究表明，高纤维饲粮经啤酒酵母发酵后对后备牛的营养效果不显著[45]，发酵饲料在反刍动物中的应用效果有待进一步研究。此外，酵母菌在动物生长和机体健康有重要作用。Pinloche等研究表明，奶牛采食酵母菌发酵饲料后其瘤胃环境得到改善，加快了纤维等物质的溶解[46]。Suvarna等分离的酵母菌株无溶血性，可在动物肠道内黏附定植，且可存活在人工肠胃液[47]。酿酒酵母可提高育肥猪空肠绒毛高度和隐窝深度值[48]，提高仔猪体内免疫球蛋白水平，可有效抑制仔猪腹泻，进而改善仔猪生产性能，提高存活率[49]。研究表明，鱼采食酵母发酵饲料后，肠组织中的绒毛的长度和宽度及杯状细胞和粘膜细胞显著增加，对小肠的酶和微生物外观具有明显的积极影响，而对肝脏没有任何不利影响[50]。Vidakovic等研究表明，酵母菌为生活在缺乏食物环境条件下的沙鸟和深海鱼类等提供蛋白质[51]。酵母菌自身或其代谢产物均在畜牧业饲料研制和动物养殖方面有深远影响。

酵母菌不仅单独进行饲料的发酵，与其它益生菌共同进行饲料的发酵，通过菌种之间的相互协同作用持续发酵，提高饲料营养价值[52]。有研究表明，酵母菌与其它益生菌的混合发酵有利于加强两者的益生作用，合理搭配酵母菌和乳酸菌进行混合发酵可使发酵产物的适口性有所提高，同时可充分发挥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对生活环境的适应性，同时加强了共生菌种之间的互作[15]。研究报道，益生性产朊假丝酵母与鼠李糖乳杆菌混合发酵提高了饲料原料中的总挥发性脂肪酸和粗蛋白，进而减少猪腹泻，改善机体健康状况，提高猪生产性能，对猪养殖业有重要意义[53]。有研究表明，酵母菌、芽孢杆菌和乳酸菌混合发酵饲料饲喂幼参，可提高发酵原料可溶性还原糖的含量，显著降低粗纤维含量，使幼参增重率显著升高[54]。酵母菌与枯草芽孢杆菌和植物乳杆菌混合发酵提高了发酵底物中的粗蛋白和乳酸含量，粗纤维含量显著降低，并且饲喂试验结果表明，饲喂发酵后饲料可改善猪肠道菌群平衡，增强机体健康，提高生产性能[55]。还有研究表明复合发酵酿酒酵母和枯草芽孢杆菌可显著提高发酵底物的活菌数、甘露聚糖和多肽含量，对奶牛饲料的研发有重要作用[56]。

益生菌发酵饲料对高原牧区农牧业的经济增收和促进高原动物的产业化发展具有重要意义。在饲草料严重短缺的高原牧区冷季，牧民们采用补饲法来提高高原动物生产性能及越冬能力，但饲粮短缺问题并未完全解决，而开发新型饲料资源是解决该问题的重要举措，可有效降低高原畜牧业的发展成本。研究表明，高原牦牛采食经产朊假丝酵母等益生菌混合发酵的酒糟后其生产性能和饲料消化率得到提高，且对瘤胃发酵类型及机体血清生化指标无不良影响[57]。在西藏高原以乳酸菌、芽孢杆菌及酵母菌等为发酵菌种，进行豆粕、菜籽饼与麦麸的混合厌氧发酵，三种混合饲料中粗纤维含量升高，随豆粕的减少、菜籽饼的增多，饲料中粗蛋白质含量显著降低，而粗脂肪含量显著升高。该试验结果说明，高海拔地区混合饲料经酵母菌等益生菌发酵后其营养价值得到改善。研究表明，西藏藏猪采食以酵母菌等益生菌发酵的饲料后血清中尿素氮含量减少、谷丙转氨酶及谷草转氨酶的活性降低，蛋白含量显著升高。由此可见，高海拔地区混合饲料经酵母菌等益生菌发酵后应用于藏猪养殖能提高经济效益[58]。作为畜牧业常用益生菌，酵母菌在微生态制剂研发及畜牧水产养殖中发挥中重要作用。

5 存在的问题与展望

随着酵母菌研究的逐步深入，酵母菌的筛选工作一方面要保证所筛选的是具有生物安全性的酵母菌种；另一方面还要考虑到所筛酵母菌对其他菌群的作用效果，对发酵性能和生产性能产生不同的影响。因此，研究不同菌种发酵性能及新型酵母菌种的筛选鉴定至关重要，这需要进行大量的菌种筛选工作。如何通过分子生物学，微生物学等方法研究混菌发酵的互作机制，改善发酵设备，完善发酵工艺，扩大益生菌发酵饲料的使用范围仍有待进一步研究。酵母菌通过发酵可提高农业副产品的营养价值，扩大饲料资源的来源，提高饲料的营养成分及可饲喂性，扩增蛋白质来源，有效改善我国畜牧业饲料资源短缺的问题，改善动物胃肠道菌群平衡，增强免疫力，提高饲料利用率，促进畜牧业快速发展。随着畜牧养殖业的规模化发展及我国饲料资源的短缺，尤其青藏高原地区动物饲粮短缺，供应不平衡，同时地域偏远，经济技术落后，草产品生产技术欠缺，生产的饲草产品易发霉且不耐贮藏，营养品质差，不利于动物营养生产等问题严重制约着当地畜牧业的发展，而通过益生菌发酵来提高饲草料营养价值是解决青藏高原高寒地区冬季饲草料短缺的有效措施之一。通过酵母菌益生性的研究及其在饲料发酵中的应用研究，可有效提高青藏高原地区饲粮短缺问题，提高畜牧业发展。酵母菌不论是在微生态制剂的研制方面还是在作为生物发酵饲料的益生菌菌种方面均有广泛的应用前景。通过微生物育种、多菌种混合发酵、发酵设备及发酵工艺的改善、降低发酵成本及提高益生作用等方式扩大酵母菌在实际生活生产中的应用仍有待深入研究。作为畜牧业常用益生菌，酵母菌在微生态制剂研发及畜牧水产养殖中发挥中重要作用，虽然对酵母菌及其混菌发酵的作用机制研究还不够清晰，但随着分子生物学和微生物学相关研究的不断深入，定推动酵母菌发酵相关研究向前发展。