酵母細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)組成、生物學(xué)功能及在養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用

邵 強，黃友解，韓 月，鄒 梅，王友明

(1.浙江大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，浙江杭州 310058； 2.蒼南縣農(nóng)業(yè)局)

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酵母細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)組成、生物學(xué)功能及在養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用

邵 強1，黃友解2，韓 月1，鄒 梅1，王友明1

(1.浙江大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，浙江杭州 310058； 2.蒼南縣農(nóng)業(yè)局)

酵母細(xì)胞壁是一種綠色添加劑，富含β-葡聚糖和甘露聚糖(MOS)等多種生物活性物質(zhì)，具有增強免疫、防治疾病、促進生長、緩解應(yīng)激、吸附霉菌毒素、補充營養(yǎng)等多種生理功能，且其來源廣泛，生產(chǎn)成本低廉，現(xiàn)已應(yīng)用到豬、禽、反芻家畜、水產(chǎn)等動物養(yǎng)殖。

近年來，隨著養(yǎng)殖業(yè)向集約化、規(guī)模化、高密度轉(zhuǎn)型，飼養(yǎng)畜禽容易遭受多種應(yīng)激影響，主要表現(xiàn)為免疫力降低、易發(fā)病、死亡率高，畜產(chǎn)品質(zhì)量受影響，可明顯降低養(yǎng)殖效益。通過飼料添加劑手段解決以上問題，成為一種常規(guī)途徑。研究表明，酵母細(xì)胞壁是一種新型的綠色飼料添加劑，其主要成分對多種動物具有促進生長、增強免疫、防治疾病、緩解應(yīng)激、吸附霉菌毒素、補充營養(yǎng)等多種生理功能，已在豬、雞、牛、羊、水產(chǎn)動物中得到廣泛應(yīng)用，且取得了良好效果。

本文主要從酵母細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)組成，產(chǎn)品生產(chǎn)工藝，主要生理功能及作用機理，畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用等方面進行綜述，為飼料酵母產(chǎn)品的深入開發(fā)利用提供參考。

1 酵母細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)組成

酵母細(xì)胞壁約占整個細(xì)胞干重的20%～30%，具有維持細(xì)胞形態(tài)和細(xì)胞間識別的重要作用。按結(jié)構(gòu)劃分，酵母細(xì)胞壁可分為3層，內(nèi)層為葡聚糖層，中間層主要由蛋白質(zhì)組成，外層為甘露聚糖層，層與層之間可部分鑲嵌(詳見圖1)；按化學(xué)組成劃分，甘露聚糖約占酵母細(xì)胞壁干重的30%，β-葡聚糖約占30%,糖蛋白和幾丁質(zhì)約占20%，蛋白質(zhì)、類脂、無機鹽等其他成分約占20%[1]。

最內(nèi)層的β-葡聚糖屬結(jié)構(gòu)多糖，與原生質(zhì)體膜相連接，構(gòu)成了酵母細(xì)胞壁的主要成分，功能是支撐外部甘露聚糖。β-葡聚糖由β-1,3-葡聚糖和β-1,6-葡聚糖組成，兩者比例為85∶15。β-葡聚糖以β-1,3-葡聚糖為骨架，β-1,6-葡聚糖為支鏈，β-1,6-葡聚糖的還原端連接到β-1,3-葡聚糖非還原端的末端葡萄糖上，并在氫鍵作用下共同構(gòu)成一個三維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有較強彈性，在正常滲透壓下可大量延伸。而當(dāng)細(xì)胞處于高滲透壓情況下時，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可迅速收縮，只占原來體積的40%左右，當(dāng)滲透壓恢復(fù)正常后，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)則可恢復(fù)原狀[2]。

甘露聚糖具有細(xì)胞識別和控制細(xì)胞壁孔徑等多種生理功能。甘露聚糖以共價鍵與蛋白質(zhì)連在一起，主鏈為單鏈，通過α-1，6-糖苷鍵將多個α-甘露糖連接形成，甘露糖側(cè)鏈則以α-1，2和α-1,3鍵與主鏈連接，部分側(cè)鏈則結(jié)合有決定酵母細(xì)胞抗原相關(guān)的功能基團。β-1,6-葡聚糖和甘露聚糖的連接在酵母細(xì)胞壁的合成中具有重要作用[3]。

圖1 酵母細(xì)胞壁組成和結(jié)構(gòu)

2 酵母細(xì)胞壁產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝

酵母細(xì)胞壁產(chǎn)品是酵母細(xì)胞經(jīng)自溶、外源酶水解、機械破碎等處理后，通過離心分離獲得細(xì)胞壁，最后經(jīng)濃縮、干燥等工藝獲得的產(chǎn)品，成品為淡黃色至黃褐色粉末、無異味。

2.1 一般生產(chǎn)工藝 酵母泥→加水稀釋(洗滌，減少篩分阻力)→過濾除雜→沉降分離(傾出上清液)→脫苦脫臭(加水、加鹽，獲得較高純度的酵母液)→酵母自溶(控制條件：溫度、時間、pH值等)→破壁酵母酶解(控制pH值、溫度、時間、加酶量)→滅菌滅酶(控制溫度、時間)→離心分離(分離酵母細(xì)胞壁、酵母提取物)→ 濃縮→干燥→酵母細(xì)胞壁成品。

2.2 影響產(chǎn)品質(zhì)量的控制因素 一是自溶過程。自溶溫度、pH、反應(yīng)時間、助溶劑組成、添加量等。二是酶解過程。酶制劑選擇、酶解參數(shù)(pH值、溫度、時間、加酶量)等。三是噴霧干燥。干燥時間、溫度等均會影響成品含水量及顏色。

段勝林等(2012)[4]研究發(fā)現(xiàn)，適宜自溶條件為：自溶溫度50～60℃，pH 5.0～6.0，剪切微化處理約9 h以上，選用0.8%濃度NaCl和200 mg/L VB2作為酵母自溶促進劑，料液比1∶8～10，在此條件下提取率可達70%左右。

經(jīng)綜合分析，酵母細(xì)胞壁產(chǎn)品的適宜提取條件:溫度60℃，料液比1∶10 ，蛋白酶添加量0.02%～0.03%，NaOH濃度2%。

3 酵母細(xì)胞壁產(chǎn)品的主要生物學(xué)功能及作用機理

研究表明，酵母細(xì)胞壁能激發(fā)動物機體的免疫功能和抗病力，參與和促炎細(xì)胞因子TNF-α釋放，參與其他細(xì)胞因子如IL-1、IL-2和IL-6釋放。其功能主要依賴于特有的β-葡聚糖和甘露聚糖的功能作用。

3.1 β-葡聚糖 酵母細(xì)胞壁的β-葡聚糖具有免疫調(diào)節(jié)功能，這與其獨特的三股螺旋結(jié)構(gòu)有關(guān)，螺旋外側(cè)有部分親水基團，是非特異性免疫刺激多糖，能與機體的免疫細(xì)胞受體特異性結(jié)合，刺激B細(xì)胞、T細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞產(chǎn)生大量巨噬細(xì)胞，進而調(diào)控機體免疫。β-葡聚糖通過巨噬細(xì)胞發(fā)揮生理功能：一是強化吞噬功能；二是通過巨噬細(xì)胞的抗原呈遞作用，促進特異性免疫應(yīng)答；三是活化的巨噬細(xì)胞可分泌多種生物活性物質(zhì)，如TNF-α、IL-1、NO、活性氧等。其中IL-1和NO是重要的免疫調(diào)節(jié)因子，具有抗病毒、抗細(xì)菌、抗腫瘤等活性，TNF-α具有提高血管上皮細(xì)胞通透性、促進免疫效應(yīng)分子聚集、刺激其他炎性細(xì)胞因子釋放等作用。徐軍發(fā)等(2002)[5]研究指出，酵母多糖是一種免疫調(diào)節(jié)劑，可誘導(dǎo)小鼠腹腔巨噬細(xì)胞產(chǎn)生IL-1和NO。Suzuki等(2001)[6]研究表明，β-1,3-葡聚糖和β-1,6-葡聚糖可通過激活巨噬細(xì)胞，刺激T細(xì)胞向輔助性Thl細(xì)胞亞群分化，進而提高宿主抗腫瘤和抗病原微生物的功能?？拙S華等(2001)[7]研究指出，β-葡聚糖是一種重要的消化道黏膜免疫增強劑。眾所周知，巨噬細(xì)胞是重要的組織修復(fù)指導(dǎo)細(xì)胞，嗜中性粒細(xì)胞是重要的抗感染細(xì)胞，而這兩大類細(xì)胞包面均含有β-1,3-葡聚糖受體，是β-葡聚糖的效應(yīng)細(xì)胞。β-葡聚糖通過活化胃腸道組織中的巨噬細(xì)胞(組織修復(fù))和嗜中性粒細(xì)胞(抗感染)，活化“免疫一神經(jīng)一內(nèi)分泌”調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，增強細(xì)胞抗應(yīng)激、抗感染能力，增強巨噬細(xì)胞的組織修復(fù)作用，加速潰瘍修復(fù)。Miss S等(2003)[8]研究指出，β-1,3-葡聚糖還可作為免疫佐劑，刺激抗體產(chǎn)生。研究結(jié)果表明β-葡聚糖(酵母細(xì)胞壁提取)對斷奶仔豬具有明顯的免疫功能，可顯著提高仔豬體內(nèi)藍耳病抗體滴度。Figueras A等(1998)[9]研究，應(yīng)用酵母β-葡聚糖作為疫苗免疫佐劑的使用效果，試驗表明葡聚糖作為免疫佐劑使用時，疫苗與佐劑使用的先后順序不同會對免疫效果產(chǎn)生影響；以接種疫苗后再注射葡聚糖，效果較好。

β-葡聚糖的抗氧化功能表明，酵母β-葡聚糖可以抑制由OH引起的磷脂酰膽堿脂質(zhì)體過氧化反應(yīng)，顯著降低共軛二烯鍵生成。羧甲基化的β-1,3-葡聚糖還具有清除自由基的功能，具有明顯的抗氧化活性。據(jù)對患關(guān)節(jié)炎的小鼠注射羧甲基葡聚糖后，其血漿中羧基含量測定，說明小鼠組織氧化程度緩解，這為羧甲基葡聚糖應(yīng)用于關(guān)節(jié)炎疾病的治療提供了新思路。

β-葡聚糖的其他生物學(xué)功能。有綜述顯示，在動物消化道中β-1,3-葡聚糖具有不吸收、不可溶、不產(chǎn)生粘性，能清理腸道、清除游離基、溶解膽固醇、預(yù)防高脂血癥等功能，還可抵抗濾過性細(xì)菌、真菌、病毒等引起的感染。

此外，β-1,3-葡聚糖是一種低熱量的食品添加劑，能明顯降低血液中葡萄糖含量，控制肥胖，預(yù)防糖尿病和心血管疾病。

3.2 甘露聚糖 酵母細(xì)胞壁產(chǎn)品中的甘露聚糖，現(xiàn)已確認(rèn)的兩個功能是吸附病原菌和調(diào)節(jié)免疫。

腸道病原菌感染的關(guān)鍵是能成功粘附到腸粘膜，粘附的機理是病原菌的鞭毛或絨毛上的外源凝集素能特異性識別宿主上皮細(xì)胞膜的受體并與之結(jié)合。甘露聚糖主要通過以下兩方面發(fā)揮抗菌功能：一是干擾腸道病原體的定植。原理是病原菌在腸壁上的特異受體與甘露聚糖的結(jié)構(gòu)特別相似，腸道內(nèi)如有豐富的甘露糖源，就可與病原菌的特異受體結(jié)合，阻止病原菌附著于腸壁上，從而有效抑制感染。病原菌與甘露聚糖結(jié)合后，也不能利用甘露聚糖作為其生長的能量來源，所以甘露聚糖具有防止病原菌定植和繁殖的雙重作用，故又稱其為“病原菌吸附劑”或“病原菌清除劑”。二是甘露聚糖可作為腸道內(nèi)有益菌(如雙歧桿菌、乳酸桿菌等)的營養(yǎng)物質(zhì)，可促進有益菌大量繁殖，進一步抑制有害菌生長。據(jù)Alitech(1994)[10]報道，甘露聚糖可被雙歧桿菌和乳酸桿菌等有益菌選擇性發(fā)酵利用，促進其生長繁殖，產(chǎn)生乙酸和乳酸，導(dǎo)致腸道pH降低，進一步抑制產(chǎn)氣莢膜梭菌等有害菌的生長繁殖，從而起到抑菌作用。

閻桂玲等(2008)[11]研究表明，啤酒酵母甘露聚糖可促進有益菌生長, 提高腸道內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸含量。

甘露聚糖的免疫調(diào)節(jié)功能，主要體現(xiàn)在可增強細(xì)胞因子釋放和干擾素活性，促進或協(xié)調(diào)不同免疫細(xì)胞的活動，增強白細(xì)胞等向感染部位遷移，活化巨噬細(xì)胞。Che TM等(2012)[12]研究發(fā)現(xiàn)，在豬繁殖與呼吸綜合征病毒感染的斷奶仔豬日糧中添加甘露聚糖，能顯著降低仔豬血清中的TNF-α含量，增加 IL-10含量和淋巴細(xì)胞數(shù)量，從而保障豬體健康；Eicher SO等(2006)[13]研究表明，甘露聚糖能通過緩解斷奶仔豬細(xì)菌感染，調(diào)節(jié)先天性免疫，促進仔豬生長。

甘露聚糖還能激活免疫應(yīng)答，與疫苗一起使用時，能與某些病毒、毒素、真核細(xì)胞結(jié)合，結(jié)合后的甘露聚糖作為外源性抗原助劑，能緩解抗原吸收，提高抗原效價，所以甘露聚糖作為助劑可以提高機體的細(xì)胞體液免疫。

另外，甘露聚糖還可通過氫鍵和范德華力等分子間作用力穩(wěn)固吸附多種霉菌毒素，形成多糖-毒素復(fù)合物，阻止毒素被腸道吸收，其特殊的空間結(jié)構(gòu)也為毒素的結(jié)合提供了更多位點。Swamy H等(1998)[14]研究表明，甘露聚糖能緩解黃曲霉毒素對肉雞日增重和采食量產(chǎn)生的的不利影響，降低器官腫脹危害。

3.3 酵母細(xì)胞壁的能量效應(yīng) 葡聚糖、甘露聚糖在大腸中可被雙歧桿菌等腸內(nèi)細(xì)菌發(fā)酵利用，產(chǎn)生短鏈脂肪酸。短鏈脂肪酸一部分被大腸黏膜上皮細(xì)胞利用轉(zhuǎn)化成能量，另一部分被轉(zhuǎn)移到肝臟利用。上述機能也可增加有機酸含量，減少腐敗物質(zhì)產(chǎn)生，降低氨和硫化氫的排放。

4 酵母細(xì)胞壁產(chǎn)品在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

4.1 養(yǎng)豬生產(chǎn)中的應(yīng)用 金淑英等(2001)[15]以28 日齡杜長大斷奶仔豬為試驗對象，試驗組在飼料中添加1%酵母多糖，試驗期28 d，與對照組相比，試驗組日增重提高6.06%，腹瀉率降低50%，效果優(yōu)于抗生素的使用。高婕等(2014)[16]選用21 日齡杜長大斷奶仔豬，在日糧中添加不同數(shù)量的酵母細(xì)胞壁水解物，發(fā)現(xiàn)其可以改善斷奶仔豬的生產(chǎn)性能，降低料重比和腹瀉率，并以0.2%添加量效果為最佳。此外，還有研究者發(fā)現(xiàn)，酵母細(xì)胞壁能提高仔豬的非特異性免疫功能，降低谷草轉(zhuǎn)氨酶和谷丙轉(zhuǎn)氨酶的水平,提高堿性磷酸酶活性；可明顯提高生長豬的采食量，日增重和白蛋白、血紅蛋白、血小板等水平，降低料重比。

4.2 養(yǎng)禽生產(chǎn)中的應(yīng)用 Zhang AW等(2005)[17]在肉雞日糧中添加啤酒酵母細(xì)胞壁，發(fā)現(xiàn)可明顯改善回腸絨毛發(fā)育，提高肌肉嫩度，降低0-3周齡雞的料重比，提高0-5周齡雞的日增重。劉影等(2008)[18]試驗表明，酵母細(xì)胞壁有增加肉雞腸道sIgA 的趨勢，可提高腸道黏膜免疫反應(yīng)；還能促進免疫器官發(fā)育，提高肉雞胸腺、法氏囊、脾臟的相對重量。此外，還有研究者發(fā)現(xiàn)，酵母細(xì)胞壁能提高肉雞血清球蛋白及新城疫抗體水平。在肉仔雞日糧中添加酵母細(xì)胞壁，能顯著提高日增重，提高飼料轉(zhuǎn)化效率，提高脾臟相對重量，促進盲腸內(nèi)乳酸桿菌增殖。

4.3 反芻動物中的應(yīng)用 杉浦創(chuàng)等(2003)[19]在反芻動物日糧中添加酵母細(xì)胞壁可增強動物抗病力，防止?fàn)倥?、羔羊腹瀉，提高日增重，降低料重比。發(fā)現(xiàn)口服干酵母細(xì)胞壁能促進新生犢牛未成熟T、B淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化率，提高IgG含量，提高犢牛免疫力。還有研究者發(fā)現(xiàn)在早期斷奶犢牛飼料中添加75 mg/kg β-葡聚糖，可降低料重比，控制犢牛腹瀉，改善機體蛋白質(zhì)代謝，顯著降低血清白蛋白和血清甘油三酯濃度。

5 小結(jié)與展望

酵母細(xì)胞壁應(yīng)用于養(yǎng)殖業(yè)，其酵母原料來源廣泛，產(chǎn)量高，生產(chǎn)成本低廉，具有多種生理功能，所以酵母細(xì)胞壁作為飼料添加劑具有廣闊的市場前景。從研究和應(yīng)用角度看，酵母細(xì)胞壁功能比較明確，是一種綠色添加劑，對減少或替代抗生素使用，提升畜產(chǎn)品品質(zhì)具有很大幫助。

根據(jù)目前的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為以下幾方面尚需加強研究與應(yīng)用探索：一是酵母細(xì)胞壁功能研究主要集中于β-葡聚糖和甘露聚糖兩種成分，其他成分是否發(fā)揮著重要生理功能仍需作進一步研究；二是酵母細(xì)胞壁產(chǎn)品生產(chǎn)過程中受破壁、自溶、酶解等多方面因素影響，不同工藝和條件對產(chǎn)品的純度與活性可能產(chǎn)生不同影響，因此工藝簡單、高產(chǎn)量的生產(chǎn)提取工藝有待進一步完善；三是不同品種、生長階段、生理狀態(tài)下的動物，適宜添加量，適宜的使用方法(飼喂、佐劑、注射、浸浴等)，應(yīng)該經(jīng)過充分試驗確定。四是探索酵母細(xì)胞壁與其他營養(yǎng)素的關(guān)系，進而篩選出與其功能協(xié)同的添加劑，需要開展進一步研究。

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2016-10-25

寧波市科技富民重點項目(2015C10034)；南湖區(qū)科技計劃重點項目(SA2014I01044)

邵強(1991-)，男，山東平邑，碩士研究生，E-mail:343614346@qq.com，研究方向動物營養(yǎng)與生物飼料添加劑

S816.7

A

1005-7307(2017)01-0013-004