产朊假丝酵母蛋白饲料的研究进展

齐慧宇,王 瑞,盛开彦,王汝琦,张 晶*,沈景林*

(1.吉林大学 动物科学学院 吉林省东北寒区畜禽饲料与饲养重点实验室,吉林 长春 130062;2.农安县畜牧总站,吉林 长春 130299)

我国蛋白质饲料资源供给不足,需依赖进口,2021年从国外进口大豆9 651.8万t,其中80%作为饲料粮。为深入贯彻落实国家粮食安全战略,扎实有序推进粮食节约行动,畜牧生产中加强实施饲料粮减量替代的计划。2021年3月15日我国农业农村部提出“玉米豆粕减量替代技术方案”,2022年科技部在“畜禽新品种培育与现代牧场科技创新”重点专项中提出“畜禽低蛋白低豆粕多元化日粮配制与节粮技术”,因此开发新型蛋白质饲料资源具有重要意义。

近年来,饲料酵母在饲料行业快速发展。因其富含蛋白质、氨基酸、维生素、矿物质、酶类等营养物质,被广泛地应用到动物养殖中。饲料酵母的菌种有酿酒酵母、假丝酵母、黑曲霉等,为了提高非常规饲料资源的营养价值,以工业废物或农副产品为原料,加入筛选的优势酵母菌种及其他营养成分,通过固态发酵或液态发酵生产酵母蛋白饲料。利用酵母菌生产蛋白饲料具有优越性,蛋白质的生产速率远远超过植物和动物合成蛋白质的速率[1]。 2011年2月1日我国开始实施《饲料添加剂产朊假丝酵母》的行业标准,产朊假丝酵母逐渐应用于养殖业中,本研究总结了产朊假丝酵母蛋白饲料及其在动物生产中的功能,以期为豆粕减量替代技术方案提供理论依据。

1 产朊假丝酵母蛋白饲料

1.1 产朊假丝酵母产朊假丝酵母(Candidautilis)属于假丝酵母属,是一种兼性厌氧菌,其细胞呈圆形、椭圆形或腊肠形,大小一般为(3.5～4.5) μm×(7.0～13.0) μm,通过多边出芽方式进行无性繁殖。产朊假丝酵母含有大量的营养物质,如蛋白质、B族维生素、矿物质和酶类等,其中蛋白质含量因菌体选择或培养条件不同差异较大,占菌体干物质的32%～75%[2]。产朊假丝酵母不仅可以利用五碳糖和六碳糖维持生长,还能利用工业和农业廉价的副产品或非常规饲料资源等合成蛋白质,是生产食用、药用或饲用蛋白质的优良菌种。另外,酿酒酵母也可以生产饲用蛋白质,它与产朊假丝酵母均作为饲用微生物添加剂应用于养殖动物中[3]。目前,产朊假丝酵母主要应用于食品和制造业中,酿酒酵母因其优良的营养特性在畜牧生产中被广泛应用。然而产朊假丝酵母的蛋白质和B族维生素含量均高于酿酒酵母[4],基于这一特点可以深入挖掘产朊假丝酵母在动物饲料中的使用价值。

1.2 产朊假丝酵母蛋白饲料蛋白质饲料主要有动物源性蛋白饲料、植物源性蛋白饲料和单细胞蛋白源饲料等。动物源性蛋白饲料包括鱼粉、血制品(血粉、血浆蛋白粉、血球蛋白粉等)、肉骨粉等。肉牛采食氧化的肉骨粉引起疯牛病,我国规定在反刍动物饲料中不允许添加动物源性饲料原料(乳制品除外);因为非洲猪瘟,我国规定在猪饲料中不允许添加血制品;鱼粉价格昂贵,进口高达10 000元/t以上,由于各国设置禁捕期,鱼粉来源受限,因此动物源性饲料原料在动物饲料中使用受限。植物源性蛋白饲料以豆粕、棉粕和菜粕为主,棉粕中存在棉酚及菜粕中存在硫代葡萄糖苷和芥酸等抗营养因子,导致棉粕和菜粕在动物饲料中使用受限。畜牧生产中通常以玉米—豆粕为基础日粮,但2022年豆粕价格最高涨到5 400元/t,严重限制豆粕在饲料中使用。为了缓解饲料业和养殖业对豆粕的需要,单细胞蛋白质饲料资源的研究受到人们的关注。以玉米加工等低值副产物为底物,产朊假丝酵母为菌种,生产的产朊假丝酵母蛋白饲料,是一种优质蛋白源。其固态发酵蛋白质含量可达26%,液体发酵蛋白质含量高达50%,在替代鱼粉、豆粕等方面具有研发的潜力。

2 产朊假丝酵母饲料的生产

通常产朊假丝酵母蛋白饲料以玉米加工副产物或其他动植物废弃物为原料,产朊假丝酵母为发酵菌种,通过固态发酵或液态发酵制备含水量高的产朊假丝酵母蛋白饲料。产朊假丝酵母蛋白饲料的成品通过干燥、粉碎加工的方式来确保产品质量安全和运输使用方便。

2.1 酵母菌种的筛选产朊假丝酵母蛋白中氨基酸、小肽、维生素及酵母代谢产物含量较高,与酿酒酵母相比,产朊假丝酵母适合做饲用蛋白原料,它能以餐厨垃圾[5]、菠萝皮渣[6]、玉米秸秆[7]等副产品发酵生产蛋白饲料。以培养基成分、培养条件(时间、温度等)、发酵条件作为筛选参数,通过对糖转化率、氮源利用率以及发酵风味、营养成分(粗蛋白质含量)等指标进行评估,定向选育高产、高抗逆的产朊假丝酵母优势菌株。

2.2 发酵工艺近年来,高效培养产朊假丝酵母的研究受到人们的关注,作为开发蛋白饲料的优势菌种,稳定提高产朊假丝酵母菌体数量十分重要。利用单因素比较试验和响应面分析方法,对产朊假丝酵母菌种的培养基成分和培养条件进行优化研究,获得二次回归模型,建立产朊假丝酵母的最优培养参数。齐宏亮等[8]研究结果表明蔗糖为碳源,蛋白胨为氮源,磷酸二氢钾为无机盐组成的最优培养基可以提高产朊假丝酵母增殖率。鲁宇橦等[9]研究发现提高产朊假丝酵母增殖率的最佳培养基成分是麦芽浸粉质量浓度为29.19 g/L、酵母浸粉质量浓度为19.30 g/L、磷酸二氢钾质量浓度为2.54 g/L。

根据菌种的发酵效果,对发酵温度、发酵时间、接种量等工艺参数进行优化,确定发酵工艺参数。张倩倩等[10]通过摇瓶发酵试验优化产朊假丝酵母的发酵参数,结果表明当最适接种量为5%、发酵温度为28℃、葡萄糖质量浓度为50 g/L、硫酸铵质量浓度为5 g/L、磷酸二氢钾质量浓度为10 g/L,这时产朊假丝酵母菌体数量显著增加。产朊假丝酵母在装液量为45/250 mL、转速200 r/min、培养时间24 h、温度30℃的条件下,菌体数量达到9.34×108CFU/mL[11]。

2.3 酶解工艺酶解工艺可以让产朊假丝酵母蛋白饲料中的营养物质更好地被动物吸收和利用。在单因素试验的基础上,以酶解温度、酶解时间、pH、外加蛋白酶的种类及添加量为影响因素,产朊假丝酵母蛋白的酶解产物中粗蛋白含量为评价指标,对酶解工艺进行优化,确定最优酶解工艺参数。田萍等[12]利用酿酒酵母和产朊假丝酵母1∶1混合发酵甜菜渣制备菌体蛋白饲料,最优酶解参数为纤维素酶添加量25 u/g、酶解时间16 h、酶解温度50℃,使发酵后的产品中粗蛋白含量提高了14%。

3 产朊假丝酵母饲料功能

3.1 维持动物生长性能产朊假丝酵母饲料在动物饲粮中的研究虽然较少,但发挥了重要的作用。产朊假丝酵母富含多种酶类,可将蛋白质等大分子物质分解为氨基酸等小分子物质,利于动物对营养物质的消化吸收,促进动物的生长发育,作为新型的蛋白饲料资源逐渐得到养殖业的认可。断奶是仔猪生长中一个关键的阶段,这时仔猪的消化吸收功能未健全,面临的营养和环境应激使它们生长缓慢或导致腹泻等疾病。因此,仔猪从营养上需要选择易消化和具有免疫功能的饲料。酵母类饲料的功能被不断挖掘,通过前人的研究,酿酒酵母饲料具有缓解仔猪断奶应激、改善动物生长性能、促进肠道发育、提高抗病能力等功能[13-17]。同为饲用微生物添加剂,产朊假丝酵母饲料的应用价值也值得深究。产朊假丝酵母发酵的酵母蛋白饲料具有替代鱼粉、血浆蛋白粉或发酵豆粕的潜力。有研究表明用酵母蛋白替代鱼粉使断奶仔猪的平均日采食量、平均日增质量显著提高,料重比显著下降,使用酵母蛋白饲料的效果优于鱼粉[18]。若替代血浆蛋白粉,仔猪生长性能不受影响,还会降低腹泻率[19]。马嘉瑜等[20]用产朊假丝酵母发酵的2种酵母蛋白饲料分别替代了饲粮中的酵母水解物、鱼粉、发酵豆粕,对断奶仔猪的生长性能和腹泻率无不利影响。CRUZ等[21]研究表明用40%的产朊假丝酵母替代日粮中的蛋白质饲料,断奶仔猪的采食量不受影响,并能够维持生长性能。SAHLMANN等[22]研究发现,在大西洋鲑鱼淡水和海水转移期间,添加25%的产朊假丝酵母使大西洋鲑鱼的采食量增加,生长速度更快。在日粮中添加产朊假丝酵母可以改善肉牛[23]、肉羊[24]的生长性能,提高饲料转化效率。此外,产朊假丝酵母菌与其他益生菌复配,表现为正协同作用,促进家禽对营养物质的消化吸收,提高家禽的生长性能,从而增加经济效益[25-26]。

3.2 维护动物肠道健康肠绒毛高度、隐窝深度以及绒毛高度/隐窝深度间接标志着小肠对营养物质吸收的能力。YANG等[27]研究发现,在断奶仔猪饲粮中添加产朊假丝酵母,会促进肠上皮细胞生长,增加回肠绒毛高度和绒毛高度/隐窝深度,降低隐窝深度。肠道中闭合蛋白(occludin)和β-防御素-2(β-definsin-2)2种紧密连接蛋白浓度升高,紧密连接蛋白对肠道紧密连接的完整性十分重要,为了防止病原菌破坏肠黏膜入侵肠道,酵母可能会通过激发肠道免疫反应来保护肠道健康。通过对肠道菌群的分析,产朊假丝酵母提高有益菌的相对丰度,降低致病菌的相对丰度,这可能与产朊假丝酵母细胞壁所含的低聚糖等生物活性成分有关。REFSTIE等[28]研究也有相似的结果,产朊假丝酵母细胞壁富含β-葡聚糖和甘露寡糖,甘露寡糖通过结合病原菌中的糖蛋白受体阻止病原菌对肠黏膜的附着,对肠道健康有保护作用。GRAMMES等[29]研究表明添加产朊假丝酵母会减轻大西洋鲑鱼饲喂豆粕后诱发的远端肠道疾病,推测产朊假丝酵母与维持肠道稳态有关,饲喂豆粕增加了大西洋鲑鱼远端肠上皮细胞的渗透性,可能通过免疫途径激活相应受体损坏肠道屏障,下调抗菌肽的基因表达,产朊假丝酵母含有的色氨酸可以通过色氨酸代谢上调抗菌肽的基因表达,调节肠道菌群,减少疾病的发生。在肉鸡饲粮中添加产朊假丝酵母等益生菌发现,肉鸡盲肠有害菌群数量减少,酵母菌通过调节肠道微生物菌群,抑制有害菌群繁殖[30]。

3.3 维持瘤胃功能瘤胃的发酵参数指标主要有瘤胃pH、挥发性脂肪酸、氨态氮、瘤胃微生物蛋白含量。虽然产朊假丝酵母关于反刍动物瘤胃的研究较少,但其他酵母菌的试验可以证明,酵母菌对瘤胃发酵的影响是有益的。惠文[15]研究发现,添加酵母培养物对奶牛瘤胃pH无显著性影响,防止精饲料过多引起酸中毒。在绵羊日粮中添加6×1010CFU/kg酿酒酵母增加了瘤胃有益菌的数量和提高挥发性脂肪酸浓度,有利于绵羊瘤胃微生物发酵,促进营养物质的消化吸收[31]。通过体外瘤胃发酵试验,发现高精料全混合日粮中添加产朊假丝酵母会提高瘤胃发酵效率[32],其中瘤胃微生物蛋白含量的增加说明产朊假丝酵母可以提高瘤胃对氨氮的利用率,促进瘤胃微生物生长。这与丁洪涛等[33]的研究结果一致,产朊假丝酵母通过调节瘤胃发酵参数维持瘤胃功能,在反刍动物生产中具有良好的饲用潜力。

3.4 缓解饲料中霉菌毒素的危害饲料在保存或运输加工过程中易染霉菌,霉菌会产生有毒代谢产物霉菌毒素,常见的霉菌毒素有黄曲霉毒素、玉米赤酶烯酮、呕吐毒素等。霉菌毒素不仅使饲料中的营养物质流失,还会影响动物机体健康。WANG等[34]研究发现,玉米赤酶烯酮通过影响细胞周期抑制细胞增殖,损害猪小肠上皮细胞。另外,霉菌毒素能通过细胞凋亡途径对奶牛乳腺上皮细胞产生毒性,导致奶牛生产性能下降[35-36]。霉菌毒素的防制措施有多种,除了从源头控制饲料的质量,还可以添加抗氧化物质增强解毒能力,ZHOU等[37]研究结果表明白藜芦醇可以减轻黄曲霉毒素B1对奶牛乳腺上皮细胞的毒性。利用微生物降解饲料中的霉菌毒素也是一种有效的方法,BZDUCHA-WROBEI等[38]研究发现,产朊假丝酵母具有降低黄曲霉毒素毒性的能力,与其他菌种复合可以提高霉菌毒素降解率[39],是降低肉羊全混合日粮中黄曲霉毒素和呕吐毒素含量的最佳菌种之一[40]。产朊假丝酵母和枯草芽孢杆菌等益生菌复合能降低黄曲霉毒素和玉米赤酶烯酮毒性,通过调节肠道菌群减轻霉菌毒素对肉鸡肠道的损伤[41-42]。产朊假丝酵母和米曲霉等益生菌复合成霉菌毒素微生物降解剂,可以减少玉米赤酶烯酮对猪肠道的损伤[43]。

4 结语

为缓解人畜争粮现象、降低对进口蛋白质原料依赖,我国提出“畜禽低蛋白低豆粕多元化日粮配制与节粮技术”。产朊假丝酵母能够利用玉米副产物等非常规饲料资源作为底物,生产富含蛋白质的高附加值酵母饲料产品。既缓解环境污染的问题,又能使农副产物变废为宝,资源化利用,提高企业经济效益。因此继续研发产朊假丝酵母蛋白饲料有望成为豆粕减量替代技术方案的有效途径之一。