张 弦 章亭洲 瞿明仁*

(1.江西农业大学江西省动物营养重点实验室/饲料工程研究中心，南昌 330045；2.浙江科峰生物技术有限公司，海宁 314423)

饲用活性干酵母(active dry yeast for feed，ADY)是具有活性的酵母菌经液态发酵通风培养、脱水干燥而制得的酵母活细胞产品，含量不低于1.5×1010CFU/g[1]，在饲粮中的添加量通常在1～40 g/(头·d)。酵母培养物(yeast cultures，YC)是活性酵母经液态、固体发酵后，浓缩、干燥获得的产品，富含酵母细胞壁(含有免疫活性多糖、β-葡聚糖、甘露寡糖)、细胞可溶物(含有小肽、氨基酸、螯合矿物质、维生素、多种酶类和核酸)、细胞外代谢产物(含有小肽、苹果酸等有机酸、果聚糖和甘露聚糖等低聚糖)和发酵后培养基所含的多种营养成分，其组成主要决定于发酵菌种、培养基配比[2]和发酵工艺条件[3]，在饲粮中的添加量通常在50～300 g/(头·d)。也有些研究中的酵母培养物是指活菌达到较高数量的固态培养基或液体酵母培养物[4]，这类产品兼具活酵母及酵母培养物的特点。酵母相关饲用产品种类繁多，包括饲用活性干酵母、酵母培养物、酵母细胞壁、酵母水解物、酵母核酸、酵母单细胞蛋白、酵母发酵饲料、富集微量元素酵母等[5]。本文针对饲用活性干酵母和酵母培养物在反刍动物上的作用机制、应用研究及菌株筛选等方面进行综述，为在反刍动物饲料营养中的研究和应用提供参考。

1 酵母菌株的筛选

自然界中酵母菌的种类数量丰富，目前大约有60个不同的酵母菌属，共约500种，在动物饲粮中也广泛分布，其中的大多数种类对人类和动物既无害也无益，其中酿酒酵母、产朊假丝酵母等属于常见有益菌，念珠菌属、隐球菌属等为有害菌。酵母菌株的选择显然是至关重要的，这不仅仅是使用效果的考量，也涉及到生物安全的问题，选用的菌株必须在饲料添加剂目录中，如酿酒酵母和产朊假丝酵母。在活酵母和酵母培养物的生产中主要采用酿酒酵母作为生产菌株，其具有蛋白质含量高、细胞体积大等特点；而产朊假丝酵母的特点在于除了能利用己糖外，还能广泛地利用戊糖、糖醛酸等，同时具有抗病性强、生长周期短等特点，其发酵过程中会产生大量的假菌丝，菌落数较酿酒酵母低，主要用于生产菌体蛋白[6]，目前在反刍动物上应用的相关研究较少，其与酿酒酵母对反刍动物的影响并无相关比较数据。布拉迪酵母是研究最多的益生菌之一，它属于酿酒酵母的一个变种，具有改善肠道健康、预防和治疗腹泻的功能，目前已经广泛应用于动物营养领域[7]。与其他酵母相比，布拉迪酵母菌的最适生长温度为37 ℃，可以耐受pH 1.5的环境[8]。研究认为，布拉迪酵母菌在肠道能够有效生长，并竞争性抑制有害菌的增殖，从而预防和治疗腹泻，在肠道免疫调节功能方面，布拉迪酵母优于其他益生菌，如动物双歧杆菌和干酪乳杆菌[9]。

酵母菌的生长特性及代谢产物是决定产品能否具有功效的主要因素之一。酵母细胞内的主要营养成分包括氨基酸、肽、碳水化合物、核酸、酶和辅助因子等[10]。国内对饲用酵母菌株的筛选已经有大量相关研究，包括体外发酵试验[11]、乳酸利用能力[12]、产纤维素能力、产营养活性物质(β-葡聚糖、甘露聚糖、有机酸、氨基酸和多肽)[13]、高产甘油[14]、瘤胃内源酵母菌筛选、低产气等。虽然已知酵母菌株不能在瘤胃内有效定植，但一些菌株可以在瘤胃液中保持代谢活性长达48 h。酵母菌的最适pH环境为4.5～7.0，最适合生长温度为28～30 ℃，但大多数的酵母菌在pH 3.0的环境下仍然能生长，部分酵母菌可以承受pH 1.5的环境，在37 ℃的环境下酵母菌也能正常生长[15]。尽管酿酒酵母可以在微氧的环境下生存，但是氧气对于维持细胞活性是非常重要的，酵母不仅需要氧气作为呼吸作用末端电子受体，还需要氧作为细胞膜脂肪酸和甾醇生物合成的必需生长因子，因此在厌氧的条件下，酵母增殖减速，其代谢产物也会发生改变[16]。

2 活性干酵母和酵母培养物在生产上的区别

活性干酵母的评价指标主要是活菌数，如何提高酵母菌的数量及活性一直以来都是产品开发研究的重点。有学者研究了饲用酵母的高密度发酵与干燥的工艺优化，制成产品的活细胞数超过200亿/g[17-18]。Sullivan等[19]的研究发现，活性干酵母在40 ℃环境下保存时，活菌数每月会降低90%；添加到维生素预混料或谷物中的活酵母在22 ℃环境下保存2周的活性无明显降低，这表明活性干酵母的使用对温度环境有一定的要求。湿热条件是杀灭微生物最为有效的方法之一，饲料制粒过程会显著降低酵母菌的活性[20]。目前也有通过包被工艺生产耐高温的专用活酵母，可以有效满足饲料工业对制粒的需求[21]。但有研究发现虽然经过制粒后饲料中的活酵母数量从106CFU/g降低到103CFU/g，酵母存活率<1%，却同样能发挥较好的促生长作用[22]。

酵母培养物的生产工艺主要包括液态培养、固态有氧发酵和固态厌氧发酵等。酵母菌在有氧条件下快速增殖，生成大量菌体蛋白、酵母多糖、维生素等有益成分，而在厌氧环境下的代谢产物可能类似于活酵母在瘤胃、肠道厌氧环境下的代谢产物，因而也能产生类似于活性干酵母的应用效果，何家运[23]发现不经固态厌氧发酵的酵母培养物产品在控制仔猪腹泻上效果有所降低。饲粮高温加工过程对酵母代谢产物的活性无显著影响，因此制粒的过程并不影响酵母培养物的效果[24]。

有观点认为，酵母的大多数营养成分存在于酵母细胞内，细胞壁会阻碍机体对营养物质的消化和吸收，因此必须对酵母细胞进行自溶、裂解[25]。活酵母和死酵母在氨基酸、维生素的消化率和生物利用率上的差异尚不清楚，而在饲粮干燥过程中高温引起的美拉德反应会降低氨基酸的利用率[26]，并加速脂质过氧化，从而降低脂溶性维生素的生物活性[27]，而考虑到生产死酵母产品需要较高的干燥温度，活酵母细胞的消化率和生物利用率可能更大。酵母培养物的应用效果受菌株、发酵工艺等因素影响，不同产品效果差异较大，针对不同生产工艺生产的酵母培养物，其适宜添加量、特定饲粮条件下的应用效果及其对胃肠道微生物区系的影响等方面还有待进一步深入研究。酵母培养物的固态发酵底物主要是玉米、豆粕、麸皮、杂粕、白酒糟、糖蜜等，各成分比例、前处理工艺、发酵工艺等对发酵过程均能产生一定的影响，如何提高主要活性成分的含量一直是研究的重点[28]。酵母培养物生产工艺的研究主要在发酵条件[23]、酵母自溶条件[25]等。固态发酵过程相对于液态发酵比较难以控制，容易出现发酵不均、散热不及、水分不均、杂菌污染等现象，如何合理有效地控制发酵过程，保障发酵质量安全一直是生产上关注的焦点[6]。

3 活性干酵母和酵母培养物对反刍动物的调控作用机制

3.1 对瘤胃发酵功能的调控机制

在羔羊瘤胃中，活酵母的数量在约30 h内仍可接近初始添加水平，在采食8 h后可从粪便中检出，在摄入102 h后不再能检测到，活酵母不能在瘤胃内定植，17%～23%的酵母菌在通过胃肠道的消化过程后仍然能够存活，并可能在肠道内发挥作用[29]。活酵母菌发挥作用的一个主要方式是通过呼吸作用降低瘤胃中氧气浓度，从而维持瘤胃的厌氧环境，促进厌氧菌的生长，而瘤胃内厌氧真菌对纤维物质的降解起主导作用。新生犊牛饲喂活酵母可以降低瘤胃液中的氧化还原电位(氧含量降低)，提高微生物的定植速度，瘤胃发酵功能显著提高[30]。然而，Oeztuerk等[31]的瘤胃液体外培养试验发现，布拉迪酵母经高压灭菌后对瘤胃微生物的刺激作用并无显著差异，这表明酵母细胞本身的营养成分就具有一定的功效。研究发现，在高精料底物条件下，酵母菌与产乳酸菌(牛链球菌和乳酸菌)竞争性利用瘤胃内单糖，并刺激乳酸利用菌(如埃氏巨型球菌)的生长，后者可以将乳酸转化为丁酸和丙酸，从而降低瘤胃内乳酸的蓄积，提高pH[32-33]。Thrune等[34]研究发现，添加活酵母组瘤胃总挥发性脂肪酸含量有降低的趋势，同时平均pH(6.53±0.07)显著高于对照组(6.32±0.07)，瘤胃pH最大值和最小值均显著高于对照组；在亚急性瘤胃酸中毒条件下，添加酵母后瘤胃液低pH显著低于对照组。添加活性干酵母可以提高秦川牛瘤胃内与纤维降解相关酶的活性，包括β-葡萄糖苷酶、羧甲基纤维素酶、木聚糖酶等，酸性洗涤纤维(ADF)、中性洗涤纤维(NDF)的消化利用率提高[35]。

酵母培养物与活酵母对瘤胃发酵功能的调控机制相似，其本身含有的营养成分可以刺激瘤胃微生物的生长，维持厌氧环境，提高瘤胃发酵效率[36]。研究发现，酵母培养物可以通过改善纤维降解菌的生长活性，增强瘤胃发酵功能，增加微生物蛋白(MCP)的合成，刺激乳酸利用菌的生长，减少乳酸蓄积，尤其是在饲粮质量较低的情况下[37]。试验表明，饲粮中添加酵母培养物可以增加普雷沃氏菌(Prevotellabrevis)、黄色瘤胃球菌(R.flavefaciens)、纤毛虫(Ciliateprotozoa)和双歧杆菌(Bifidobacteriumspp.)的相对丰度[38]。围产期奶牛饲粮中添加富甘油酵母菌培养物能通过上调磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(PEPCK)的活性及PEPCK-C的mRNA和蛋白表达水平，以及上调葡萄糖激酶(GK)的活性和mRNA表达水平来促进葡萄糖异生作用，从而提高奶牛血糖水平，改善奶牛能量平衡状态[39]。有报道称，在反刍动物饲粮中添加酵母培养物可以改变瘤胃微生物的氢化代谢途径，饲粮来源的亚油酸、亚麻酸和油酸以及有益的生物氢化物中间体将在瘤胃中逃脱完全的生物氢化作用，被乳腺组织和肌肉组织所吸收利用，从而改善乳肉品质[33]。研究发现，酿酒酵母培养物和酿酒酵母细胞壁可以诱导或促进反刍动物上皮细胞防御素的表达，对胃肠道黏膜形成保护，抑制和杀灭有害菌并调节有益菌数量和种类以维持胃肠道微生态平衡[40-41]。此外，也有学者发现酵母培养物有降低瘤胃氨态氮浓度，减少粪氨和甲烷排放的趋势，提高微生物蛋白的合成产量，从而向后消化道提供更多的氨基酸[42]。

3.2 对反刍动物抗应激和免疫调节的作用机制

动物机体的很多疾病都是由氧化应激引起的，酵母菌体内及其代谢产物中含有大量具有抗氧化活性的物质，有研究发现酵母自溶产物中谷胱甘肽含量较高，同时具有较高的总抗氧化能力、二苯基苦基苯肼(DPPH)自由基清除能力、一氧化氮清除能力和羟基自由基清除能力，可作为新型天然抗氧化剂和免疫刺激剂用于功能性食品或药物[4,10]。酵母多糖是酵母的主要活性成分之一，其可以改善聚羟基脂肪酸酯(PHA)刺激的淋巴细胞的氧化还原状态，减少热应激引起的氧化损伤，进而调节凋亡相关基因的表达，增强淋巴细胞对热应激条件的适应能力[4]。

在热应激条件下，泌乳早期奶牛饲粮中添加活酵母可提高能量校准乳(ECM)产量，且干物质采食量(DMI)不受影响，干物质转化为ECM的效率提高7.4%[43]。奶牛饲粮中添加活酵母有助于提高瘤胃、结肠中上皮屏障基因和抗炎相关基因的表达，增强编码抗菌肽基因防御素β1(DEFB1)的表达[44]。

酵母培养物能下调热应激奶牛外周血淋巴细胞的热休克蛋白70(HSP70)mRNA表达水平，减少凋亡相关基因Bax-αmRNA的表达水平，抑制细胞凋亡；刺激ConAn介导的T细胞转化，提高奶牛的淋巴细胞白细胞介素-2(IL-2)和免疫球蛋白G(IgG)水平，增强热应激奶牛的细胞免疫和体液免疫[45]。Vailati-Riboni等[46]通过转录组学研究发现，奶牛饲粮中添加酵母培养物可以提高细胞免疫相关基因、上皮组织保护相关基因和抗炎活性相关基因的表达，乳腺细胞的抗菌能力得到有效提升。

3.3 对反刍动物甲烷产量的影响及作用机制

反刍动物胃肠道发酵过程中产生大量的甲烷(瘤胃发酵占87%～90%，肠道发酵占10%～13%[47])，成年肉牛平均日甲烷排放量高达161～323 g，造成的能量损失占采食量的2%～12%[48]。研究表明，反刍动物甲烷产量受到饲粮种类[49-50]、抗生素(如莫能菌素等)、环境温度等众多因素的影响。酵母产品对反刍动物甲烷产量的影响仍然存在较多的争议。体外研究表明，在共培养乙酸生成菌和甲烷合成菌时，氢主要用于甲烷的合成，添加活酵母后，乙酸生成菌对氢的利用率显著增加，甲烷产量降低[51]。在体外研究中，高精料饲粮添加不同来源的活酵母制剂，各试验组甲烷浓度均低于对照组，但差异不显著[52]。许斌斌[53]研究了不同剂量下活性酿酒酵母对肉牛肠道甲烷排放的影响，结果表明，添加6 g/(头·d)可以显著降低肉牛甲烷排放量。而在Oh等[54]的研究中以酵母为基础的微生态产品对泌乳奶牛的甲烷产量并无显著影响。一项Meta分析讨论了酵母产品对奶牛和肉牛甲烷产量的影响，其中包括6项研究，分析结果表明，酵母产品作为饲料添加剂在减少奶牛和肉牛甲烷产量方面并无显著效果[37]。不同酵母对甲烷产量和甲烷/DMI影响的试验存在较大的差异，可能是由于受到酵母菌株、饲粮组成和环境因素的影响。酵母产品对反刍动物瘤胃产甲烷的影响及机制仍未透彻，值得进一步深入研究。

3.4 对饲料霉菌毒素的影响

霉菌毒素是饲料中一类重要的天然毒素，对动物机体健康和食品安全具有重大危害。关于酵母对霉菌毒素的作用，Pfliegler等[55]、Shetty等[56]已有详细的综述介绍。研究证明，酵母细胞壁的主要活性成分(β-葡聚糖和甘露寡糖)具有改善免疫功能的效果，在动物消化道中可以吸附饲料中主要的霉菌毒素(黄曲霉毒素、赭曲霉毒素A、T-2毒素和玉米赤霉烯酮)，有效缓解毒素对动物健康和生产带来的不利影响[56]。研究发现，在奶山羊饲粮中添加酵母细胞壁或其主要活性成分β-葡聚糖可以有效吸附黄曲霉毒素B1(AFB1)，降低羊奶中黄曲霉毒素M1(AFM1)的含量[57]，对食品安全具有积极的作用。

4 活性干酵母和酵母培养物在反刍动物上的应用

4.1 在幼年反刍动物上的应用

活酵母和酵母培养物均能提高初生犊牛消化系统内的微生物定植速度，这对于其随后的瘤胃功能、免疫系统构建和肠道健康等都具有重要的意义[58]，但具体的效果与犊牛的日龄、饲粮组成、饲养管理水平和酵母菌等有关[59]。研究表明，酿酒酵母可以提高犊牛的DMI、饲料转化率和生长性能，同时也能有效促进瘤胃发育[60-61]。断奶前犊牛饲喂酵母产品的效果最为明显，可有效降低腹泻评分、减少腹泻天数，从而降低犊牛阶段抗生素治疗的频率，提高生长性能[62-63]。

Galvão等[64]研究发现，对母源抗体水平低的犊牛补充活酵母，可以提高犊牛免疫力，改善生长性能。犊牛在0～60日龄饲喂活酵母对瘤胃菌群(古细菌除外)的均匀性和多样性有一定的影响，且这些影响可以持续32个月，但对于生产性能的影响并不显著[65]。犊牛从出生时就开始补充活酵母有助于提高肠道内源性免疫球蛋白A(IgA)的产生，从而降低病原体侵害的风险[66]。热应激环境下，在牛奶中添加活的布拉迪酵母可以降低犊牛的直肠温度、心率和腹泻率[67]。

饲喂酵母培养物能显著提高断奶前后犊牛的日增重，提高犊牛瘤胃液pH，改善断奶应激[68]。Mitchell等[69]的研究表明，在不同粗饲料(苜蓿草、燕麦草、玉米青贮)条件下断奶犊牛饲喂酵母培养物可以改善瘤胃菌群组成，但对瘤胃液pH、采食量、生长性能或营养消化率并无显著影响。围产期奶牛饲喂酵母培养物可以提高初乳中的免疫球蛋白水平，从而提高犊牛的被动免疫水平[70]。不同菌株生产的酵母培养物对动物生产性能的影响存在一定的差异，Tripathi等[71]对4种酵母培养物进行验证，结果表明有3种酵母培养物能提高羔羊的生产性能，而1种酵母培养物能降低生产性能。幼年反刍动物与成年反刍动物在消化系统、饲粮组成和疾病管理上均存在较大差异，需针对幼年反刍动物的生长特点和多重需求，进一步开发研究酵母产品，提升相关产品的专业性和针对性。

4.2 在奶牛上的应用

Desnoyer等[72]对110篇研究论文、157项试验和376个处理进行定量Meta分析发现，在反刍动物饲粮中添加酵母类产品(包括活酵母和酵母培养物)，平均奶产量增加0.8 kg/d，饲粮中精料与中性洗涤纤维的比例越高则有机物消化率提升越大。Poppy等[73]也进行了类似的Meta分析，其结论表明，商业化的酿酒酵母产品提高牛奶产量1.18 kg/d(脂肪校正乳1.61 kg/d)，乳脂肪产量提高0.06 kg/d，乳蛋白质产量提高0.03 kg/d，泌乳早期DMI增加0.62 kg/d，泌乳后期DMI增加0.78 kg/d。从采食行为上看，奶牛饲粮中添加活酵母后，采食间隔缩短(20.0 min vs. 25.8 min)，日采食次数增加(9.0 次/d vs. 7.8次/d)，反刍时间增加(570.3 min/d vs. 544.9 min/d)，乳脂含量增加(3.71% vs. 3.55%)[74]。在高淀粉和低淀粉饲粮条件下，酵母培养物均能提高奶产量；高精料饲粮条件下，酵母培养物可以降低瘤胃液pH、瘤胃乳酸浓度，从而降低亚急性瘤胃酸中毒风险[75-76]。富甘油酵母菌制剂能显著升高血浆钙、血糖水平，显著降低血浆β-羟丁酸和非酯化脂肪酸(NEFA)水平，临床和亚临床性酮病的发病率明显降低[39]。总体而言，活酵母或酵母培养物对产奶量的效果大致是显著的，对乳蛋白等主要乳成分含量的效果存在一定的不确定性，这可能与泌乳阶段、泌乳牛生产潜力等诸多影响因素有关。

4.3 在肉牛和肉羊上的应用

Ding等[77]研究发现，酿酒酵母对肉牛饲料干物质和NDF的降解率有显著影响，增加了瘤胃总细菌、真菌、原生动物和乳酸利用菌的数量，降低了淀粉降解菌和乳酸产生菌的数量。曹文新[61]的研究发现，饲粮中添加灭活酵母培养物有提高羔羊日增重的趋势，可以显著降低料重比，提高干物质、粗蛋白质、总能的表观消化率，提高瘤胃丙酸和总挥发性脂肪酸浓度。饲喂活性干酵母可显著改善肉牛瘤胃发酵相关指标，提高苜蓿干草干物质、NDF、粗蛋白质，青贮玉米干物质、NDF及菜籽粕粗蛋白质的有效降解率[35]。Wagner等[78]的一项Meta分析结果表明，肉牛饲喂酵母培养物有助于提高平均日采食量(6.5%)、DMI(1%)和料重比(2.6%)，同时酵母培养物的饲喂时间越长，效果越明显。这些差异可能部分归因于不同的基础饲粮，特别是饲粮精料水平。以往的研究表明，活酵母和酵母培养物的益生菌作用与其稳定瘤胃pH的作用有关，而瘤胃pH受精料水平的影响，因此活酵母对养分降解特性和瘤胃菌群组成的影响可能与饲粮精粗比有关。另外，活酵母和酵母培养物具有提高肉牛胴体质量等级的趋势[11,79-80]。

5 小 结

饲用活性干酵母和酵母培养物在反刍动物营养领域已经得到了广泛应用。酵母菌株的筛选有诸多方向，不论是酵母的代谢产物或其本身营养成分，对反刍动物生产性能都有一定的促进作用。活性干酵母和酵母培养物在生产工艺上的研究方向有所不同，活性干酵母的研究主要在于提高生产、储存和加工过程中的酵母活菌数；而酵母培养物的生产研究主要集中于优化生产工艺，提高活性产物。活性干酵母在使用时需注意避免过高的环境温度，制粒时可考虑选择能耐受高温工艺的活酵母产品。活性干酵母同其他益生菌类似，主要是通过菌体在胃肠道内的代谢产物以及菌体本身的营养物质发挥作用；酵母培养物主要是酵母菌体、菌体代谢产物和变性培养基中的大量营养活性物质发挥作用。随着分析技术的发展，通过气相色谱-离子迁移(GC-IMS)技术分析发酵过程中挥发性有机化合物组成及含量、LC-MS非靶标代谢组学分析差异代谢物、发酵菌种全基因组测序和功能分析等已经广泛应用于微生物发酵领域，将来必然是酵母菌株筛选、发酵工艺优化的研究和发展方向。大量研究表明，2种酵母产品在应用效果上具有一定的相似性，在幼龄反刍动物可以促进瘤胃发育、降低腹泻率，改善生长性能；在成年反刍动物可以有效维持瘤胃厌氧环境、调控瘤胃微生物组成，稳定瘤胃液pH，提高动物抗应激水平。同时随着多组学技术的发展(宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学和代谢组学)，反刍动物瘤胃微生物及其代谢功能的研究已进入新的时代[81]，活性干酵母和酵母培养物对反刍动物的作用机理研究也将更加深入。