產(chǎn)朊假絲酵母蛋白飼料的研究進展

齊慧宇,王 瑞,盛開彥,王汝琦,張 晶*,沈景林*

(1.吉林大學 動物科學學院 吉林省東北寒區(qū)畜禽飼料與飼養(yǎng)重點實驗室,吉林 長春 130062;2.農(nóng)安縣畜牧總站,吉林 長春 130299)

我國蛋白質飼料資源供給不足,需依賴進口,2021年從國外進口大豆9 651.8萬t,其中80%作為飼料糧。為深入貫徹落實國家糧食安全戰(zhàn)略,扎實有序推進糧食節(jié)約行動,畜牧生產(chǎn)中加強實施飼料糧減量替代的計劃。2021年3月15日我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出“玉米豆粕減量替代技術方案”,2022年科技部在“畜禽新品種培育與現(xiàn)代牧場科技創(chuàng)新”重點專項中提出“畜禽低蛋白低豆粕多元化日糧配制與節(jié)糧技術”,因此開發(fā)新型蛋白質飼料資源具有重要意義。

近年來,飼料酵母在飼料行業(yè)快速發(fā)展。因其富含蛋白質、氨基酸、維生素、礦物質、酶類等營養(yǎng)物質,被廣泛地應用到動物養(yǎng)殖中。飼料酵母的菌種有釀酒酵母、假絲酵母、黑曲霉等,為了提高非常規(guī)飼料資源的營養(yǎng)價值,以工業(yè)廢物或農(nóng)副產(chǎn)品為原料,加入篩選的優(yōu)勢酵母菌種及其他營養(yǎng)成分,通過固態(tài)發(fā)酵或液態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)酵母蛋白飼料。利用酵母菌生產(chǎn)蛋白飼料具有優(yōu)越性,蛋白質的生產(chǎn)速率遠遠超過植物和動物合成蛋白質的速率[1]。 2011年2月1日我國開始實施《飼料添加劑產(chǎn)朊假絲酵母》的行業(yè)標準,產(chǎn)朊假絲酵母逐漸應用于養(yǎng)殖業(yè)中,本研究總結了產(chǎn)朊假絲酵母蛋白飼料及其在動物生產(chǎn)中的功能,以期為豆粕減量替代技術方案提供理論依據(jù)。

1 產(chǎn)朊假絲酵母蛋白飼料

1.1 產(chǎn)朊假絲酵母產(chǎn)朊假絲酵母(Candidautilis)屬于假絲酵母屬,是一種兼性厭氧菌,其細胞呈圓形、橢圓形或臘腸形,大小一般為(3.5～4.5) μm×(7.0～13.0) μm,通過多邊出芽方式進行無性繁殖。產(chǎn)朊假絲酵母含有大量的營養(yǎng)物質,如蛋白質、B族維生素、礦物質和酶類等,其中蛋白質含量因菌體選擇或培養(yǎng)條件不同差異較大,占菌體干物質的32%～75%[2]。產(chǎn)朊假絲酵母不僅可以利用五碳糖和六碳糖維持生長,還能利用工業(yè)和農(nóng)業(yè)廉價的副產(chǎn)品或非常規(guī)飼料資源等合成蛋白質,是生產(chǎn)食用、藥用或飼用蛋白質的優(yōu)良菌種。另外,釀酒酵母也可以生產(chǎn)飼用蛋白質,它與產(chǎn)朊假絲酵母均作為飼用微生物添加劑應用于養(yǎng)殖動物中[3]。目前,產(chǎn)朊假絲酵母主要應用于食品和制造業(yè)中,釀酒酵母因其優(yōu)良的營養(yǎng)特性在畜牧生產(chǎn)中被廣泛應用。然而產(chǎn)朊假絲酵母的蛋白質和B族維生素含量均高于釀酒酵母[4],基于這一特點可以深入挖掘產(chǎn)朊假絲酵母在動物飼料中的使用價值。

1.2 產(chǎn)朊假絲酵母蛋白飼料蛋白質飼料主要有動物源性蛋白飼料、植物源性蛋白飼料和單細胞蛋白源飼料等。動物源性蛋白飼料包括魚粉、血制品(血粉、血漿蛋白粉、血球蛋白粉等)、肉骨粉等。肉牛采食氧化的肉骨粉引起瘋牛病,我國規(guī)定在反芻動物飼料中不允許添加動物源性飼料原料(乳制品除外);因為非洲豬瘟,我國規(guī)定在豬飼料中不允許添加血制品;魚粉價格昂貴,進口高達10 000元/t以上,由于各國設置禁捕期,魚粉來源受限,因此動物源性飼料原料在動物飼料中使用受限。植物源性蛋白飼料以豆粕、棉粕和菜粕為主,棉粕中存在棉酚及菜粕中存在硫代葡萄糖苷和芥酸等抗營養(yǎng)因子,導致棉粕和菜粕在動物飼料中使用受限。畜牧生產(chǎn)中通常以玉米—豆粕為基礎日糧,但2022年豆粕價格最高漲到5 400元/t,嚴重限制豆粕在飼料中使用。為了緩解飼料業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)對豆粕的需要,單細胞蛋白質飼料資源的研究受到人們的關注。以玉米加工等低值副產(chǎn)物為底物,產(chǎn)朊假絲酵母為菌種,生產(chǎn)的產(chǎn)朊假絲酵母蛋白飼料,是一種優(yōu)質蛋白源。其固態(tài)發(fā)酵蛋白質含量可達26%,液體發(fā)酵蛋白質含量高達50%,在替代魚粉、豆粕等方面具有研發(fā)的潛力。

2 產(chǎn)朊假絲酵母飼料的生產(chǎn)

通常產(chǎn)朊假絲酵母蛋白飼料以玉米加工副產(chǎn)物或其他動植物廢棄物為原料,產(chǎn)朊假絲酵母為發(fā)酵菌種,通過固態(tài)發(fā)酵或液態(tài)發(fā)酵制備含水量高的產(chǎn)朊假絲酵母蛋白飼料。產(chǎn)朊假絲酵母蛋白飼料的成品通過干燥、粉碎加工的方式來確保產(chǎn)品質量安全和運輸使用方便。

2.1 酵母菌種的篩選產(chǎn)朊假絲酵母蛋白中氨基酸、小肽、維生素及酵母代謝產(chǎn)物含量較高,與釀酒酵母相比,產(chǎn)朊假絲酵母適合做飼用蛋白原料,它能以餐廚垃圾[5]、菠蘿皮渣[6]、玉米秸稈[7]等副產(chǎn)品發(fā)酵生產(chǎn)蛋白飼料。以培養(yǎng)基成分、培養(yǎng)條件(時間、溫度等)、發(fā)酵條件作為篩選參數(shù),通過對糖轉化率、氮源利用率以及發(fā)酵風味、營養(yǎng)成分(粗蛋白質含量)等指標進行評估,定向選育高產(chǎn)、高抗逆的產(chǎn)朊假絲酵母優(yōu)勢菌株。

2.2 發(fā)酵工藝近年來,高效培養(yǎng)產(chǎn)朊假絲酵母的研究受到人們的關注,作為開發(fā)蛋白飼料的優(yōu)勢菌種,穩(wěn)定提高產(chǎn)朊假絲酵母菌體數(shù)量十分重要。利用單因素比較試驗和響應面分析方法,對產(chǎn)朊假絲酵母菌種的培養(yǎng)基成分和培養(yǎng)條件進行優(yōu)化研究,獲得二次回歸模型,建立產(chǎn)朊假絲酵母的最優(yōu)培養(yǎng)參數(shù)。齊宏亮等[8]研究結果表明蔗糖為碳源,蛋白胨為氮源,磷酸二氫鉀為無機鹽組成的最優(yōu)培養(yǎng)基可以提高產(chǎn)朊假絲酵母增殖率。魯宇橦等[9]研究發(fā)現(xiàn)提高產(chǎn)朊假絲酵母增殖率的最佳培養(yǎng)基成分是麥芽浸粉質量濃度為29.19 g/L、酵母浸粉質量濃度為19.30 g/L、磷酸二氫鉀質量濃度為2.54 g/L。

根據(jù)菌種的發(fā)酵效果,對發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間、接種量等工藝參數(shù)進行優(yōu)化,確定發(fā)酵工藝參數(shù)。張倩倩等[10]通過搖瓶發(fā)酵試驗優(yōu)化產(chǎn)朊假絲酵母的發(fā)酵參數(shù),結果表明當最適接種量為5%、發(fā)酵溫度為28℃、葡萄糖質量濃度為50 g/L、硫酸銨質量濃度為5 g/L、磷酸二氫鉀質量濃度為10 g/L,這時產(chǎn)朊假絲酵母菌體數(shù)量顯著增加。產(chǎn)朊假絲酵母在裝液量為45/250 mL、轉速200 r/min、培養(yǎng)時間24 h、溫度30℃的條件下,菌體數(shù)量達到9.34×108CFU/mL[11]。

2.3 酶解工藝酶解工藝可以讓產(chǎn)朊假絲酵母蛋白飼料中的營養(yǎng)物質更好地被動物吸收和利用。在單因素試驗的基礎上,以酶解溫度、酶解時間、pH、外加蛋白酶的種類及添加量為影響因素,產(chǎn)朊假絲酵母蛋白的酶解產(chǎn)物中粗蛋白含量為評價指標,對酶解工藝進行優(yōu)化,確定最優(yōu)酶解工藝參數(shù)。田萍等[12]利用釀酒酵母和產(chǎn)朊假絲酵母1∶1混合發(fā)酵甜菜渣制備菌體蛋白飼料,最優(yōu)酶解參數(shù)為纖維素酶添加量25 u/g、酶解時間16 h、酶解溫度50℃,使發(fā)酵后的產(chǎn)品中粗蛋白含量提高了14%。

3 產(chǎn)朊假絲酵母飼料功能

3.1 維持動物生長性能產(chǎn)朊假絲酵母飼料在動物飼糧中的研究雖然較少,但發(fā)揮了重要的作用。產(chǎn)朊假絲酵母富含多種酶類,可將蛋白質等大分子物質分解為氨基酸等小分子物質,利于動物對營養(yǎng)物質的消化吸收,促進動物的生長發(fā)育,作為新型的蛋白飼料資源逐漸得到養(yǎng)殖業(yè)的認可。斷奶是仔豬生長中一個關鍵的階段,這時仔豬的消化吸收功能未健全,面臨的營養(yǎng)和環(huán)境應激使它們生長緩慢或導致腹瀉等疾病。因此,仔豬從營養(yǎng)上需要選擇易消化和具有免疫功能的飼料。酵母類飼料的功能被不斷挖掘,通過前人的研究,釀酒酵母飼料具有緩解仔豬斷奶應激、改善動物生長性能、促進腸道發(fā)育、提高抗病能力等功能[13-17]。同為飼用微生物添加劑,產(chǎn)朊假絲酵母飼料的應用價值也值得深究。產(chǎn)朊假絲酵母發(fā)酵的酵母蛋白飼料具有替代魚粉、血漿蛋白粉或發(fā)酵豆粕的潛力。有研究表明用酵母蛋白替代魚粉使斷奶仔豬的平均日采食量、平均日增質量顯著提高,料重比顯著下降,使用酵母蛋白飼料的效果優(yōu)于魚粉[18]。若替代血漿蛋白粉,仔豬生長性能不受影響,還會降低腹瀉率[19]。馬嘉瑜等[20]用產(chǎn)朊假絲酵母發(fā)酵的2種酵母蛋白飼料分別替代了飼糧中的酵母水解物、魚粉、發(fā)酵豆粕,對斷奶仔豬的生長性能和腹瀉率無不利影響。CRUZ等[21]研究表明用40%的產(chǎn)朊假絲酵母替代日糧中的蛋白質飼料,斷奶仔豬的采食量不受影響,并能夠維持生長性能。SAHLMANN等[22]研究發(fā)現(xiàn),在大西洋鮭魚淡水和海水轉移期間,添加25%的產(chǎn)朊假絲酵母使大西洋鮭魚的采食量增加,生長速度更快。在日糧中添加產(chǎn)朊假絲酵母可以改善肉牛[23]、肉羊[24]的生長性能,提高飼料轉化效率。此外,產(chǎn)朊假絲酵母菌與其他益生菌復配,表現(xiàn)為正協(xié)同作用,促進家禽對營養(yǎng)物質的消化吸收,提高家禽的生長性能,從而增加經(jīng)濟效益[25-26]。

3.2 維護動物腸道健康腸絨毛高度、隱窩深度以及絨毛高度/隱窩深度間接標志著小腸對營養(yǎng)物質吸收的能力。YANG等[27]研究發(fā)現(xiàn),在斷奶仔豬飼糧中添加產(chǎn)朊假絲酵母,會促進腸上皮細胞生長,增加回腸絨毛高度和絨毛高度/隱窩深度,降低隱窩深度。腸道中閉合蛋白(occludin)和β-防御素-2(β-definsin-2)2種緊密連接蛋白濃度升高,緊密連接蛋白對腸道緊密連接的完整性十分重要,為了防止病原菌破壞腸黏膜入侵腸道,酵母可能會通過激發(fā)腸道免疫反應來保護腸道健康。通過對腸道菌群的分析,產(chǎn)朊假絲酵母提高有益菌的相對豐度,降低致病菌的相對豐度,這可能與產(chǎn)朊假絲酵母細胞壁所含的低聚糖等生物活性成分有關。REFSTIE等[28]研究也有相似的結果,產(chǎn)朊假絲酵母細胞壁富含β-葡聚糖和甘露寡糖,甘露寡糖通過結合病原菌中的糖蛋白受體阻止病原菌對腸黏膜的附著,對腸道健康有保護作用。GRAMMES等[29]研究表明添加產(chǎn)朊假絲酵母會減輕大西洋鮭魚飼喂豆粕后誘發(fā)的遠端腸道疾病,推測產(chǎn)朊假絲酵母與維持腸道穩(wěn)態(tài)有關,飼喂豆粕增加了大西洋鮭魚遠端腸上皮細胞的滲透性,可能通過免疫途徑激活相應受體損壞腸道屏障,下調抗菌肽的基因表達,產(chǎn)朊假絲酵母含有的色氨酸可以通過色氨酸代謝上調抗菌肽的基因表達,調節(jié)腸道菌群,減少疾病的發(fā)生。在肉雞飼糧中添加產(chǎn)朊假絲酵母等益生菌發(fā)現(xiàn),肉雞盲腸有害菌群數(shù)量減少,酵母菌通過調節(jié)腸道微生物菌群,抑制有害菌群繁殖[30]。

3.3 維持瘤胃功能瘤胃的發(fā)酵參數(shù)指標主要有瘤胃pH、揮發(fā)性脂肪酸、氨態(tài)氮、瘤胃微生物蛋白含量。雖然產(chǎn)朊假絲酵母關于反芻動物瘤胃的研究較少,但其他酵母菌的試驗可以證明,酵母菌對瘤胃發(fā)酵的影響是有益的?；菸腫15]研究發(fā)現(xiàn),添加酵母培養(yǎng)物對奶牛瘤胃pH無顯著性影響,防止精飼料過多引起酸中毒。在綿羊日糧中添加6×1010CFU/kg釀酒酵母增加了瘤胃有益菌的數(shù)量和提高揮發(fā)性脂肪酸濃度,有利于綿羊瘤胃微生物發(fā)酵,促進營養(yǎng)物質的消化吸收[31]。通過體外瘤胃發(fā)酵試驗,發(fā)現(xiàn)高精料全混合日糧中添加產(chǎn)朊假絲酵母會提高瘤胃發(fā)酵效率[32],其中瘤胃微生物蛋白含量的增加說明產(chǎn)朊假絲酵母可以提高瘤胃對氨氮的利用率,促進瘤胃微生物生長。這與丁洪濤等[33]的研究結果一致,產(chǎn)朊假絲酵母通過調節(jié)瘤胃發(fā)酵參數(shù)維持瘤胃功能,在反芻動物生產(chǎn)中具有良好的飼用潛力。

3.4 緩解飼料中霉菌毒素的危害飼料在保存或運輸加工過程中易染霉菌,霉菌會產(chǎn)生有毒代謝產(chǎn)物霉菌毒素,常見的霉菌毒素有黃曲霉毒素、玉米赤酶烯酮、嘔吐毒素等。霉菌毒素不僅使飼料中的營養(yǎng)物質流失,還會影響動物機體健康。WANG等[34]研究發(fā)現(xiàn),玉米赤酶烯酮通過影響細胞周期抑制細胞增殖,損害豬小腸上皮細胞。另外,霉菌毒素能通過細胞凋亡途徑對奶牛乳腺上皮細胞產(chǎn)生毒性,導致奶牛生產(chǎn)性能下降[35-36]。霉菌毒素的防制措施有多種,除了從源頭控制飼料的質量,還可以添加抗氧化物質增強解毒能力,ZHOU等[37]研究結果表明白藜蘆醇可以減輕黃曲霉毒素B1對奶牛乳腺上皮細胞的毒性。利用微生物降解飼料中的霉菌毒素也是一種有效的方法,BZDUCHA-WROBEI等[38]研究發(fā)現(xiàn),產(chǎn)朊假絲酵母具有降低黃曲霉毒素毒性的能力,與其他菌種復合可以提高霉菌毒素降解率[39],是降低肉羊全混合日糧中黃曲霉毒素和嘔吐毒素含量的最佳菌種之一[40]。產(chǎn)朊假絲酵母和枯草芽孢桿菌等益生菌復合能降低黃曲霉毒素和玉米赤酶烯酮毒性,通過調節(jié)腸道菌群減輕霉菌毒素對肉雞腸道的損傷[41-42]。產(chǎn)朊假絲酵母和米曲霉等益生菌復合成霉菌毒素微生物降解劑,可以減少玉米赤酶烯酮對豬腸道的損傷[43]。

4 結語

為緩解人畜爭糧現(xiàn)象、降低對進口蛋白質原料依賴,我國提出“畜禽低蛋白低豆粕多元化日糧配制與節(jié)糧技術”。產(chǎn)朊假絲酵母能夠利用玉米副產(chǎn)物等非常規(guī)飼料資源作為底物,生產(chǎn)富含蛋白質的高附加值酵母飼料產(chǎn)品。既緩解環(huán)境污染的問題,又能使農(nóng)副產(chǎn)物變廢為寶,資源化利用,提高企業(yè)經(jīng)濟效益。因此繼續(xù)研發(fā)產(chǎn)朊假絲酵母蛋白飼料有望成為豆粕減量替代技術方案的有效途徑之一。