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酵母細胞壁多糖又稱酵母多糖,作為一種安全、高效的生物活性飼料添加劑,具有多種生物學功能,如增強動物機體免疫力、調(diào)節(jié)腸道微生物菌群區(qū)系結構;此外,酵母多糖還可吸附霉菌毒素等有害物質(zhì)以提高畜禽生長性能。研究表明,酵母多糖可以提高仔豬和育肥豬的生長性能以及母豬的繁殖性能。本文綜述了酵母多糖的組成結構和生物學功能,并總結了對其在生豬養(yǎng)殖上的應用,為酵母多糖在養(yǎng)豬生產(chǎn)實踐中的應用提供科學依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。
關鍵詞：酵母多糖 / 組成結構 / 生物學功能 / 生豬養(yǎng)殖
作者：劉泰然, 劉真, 張云常, 劉明 酵母多糖(yeast polysaccharides,YPS)是來自于酵母細胞壁中的高分子多糖復合體,具有促進腸道微生態(tài)區(qū)系、促進免疫調(diào)節(jié)、增加細胞抗氧化活性以及吸附霉菌毒素等多重生物學活性。YPS主要成分是β-葡聚糖和甘露聚糖[1]。YPS是酵母源生物飼料產(chǎn)品中重要的功能性成分,作為安全、高效的飼料添加劑廣泛應用于養(yǎng)殖行業(yè),對畜禽生長具有促進作用。本文綜述了YPS的組成結構、生物學功能及其在生豬養(yǎng)殖上的應用研究進展。酵母細胞壁是在酵母細胞形態(tài)建立和維持中起重要作用的結構,它不僅保護酵母細胞免受外界環(huán)境傷害,并提供與周圍環(huán)境交流的方式[2]。酵母細胞壁占細胞干重的15%~30%,體積的25%~50%[3-4]。酵母細胞壁分為多層結構,由多糖和蛋白質(zhì)構成,包括甘露聚糖、糖蛋白和β-葡聚糖,其中β-葡聚糖和甘露聚糖是構成YPS的重要成分,幾丁質(zhì)通過共價鍵與β-葡聚糖連接,是酵母細胞壁內(nèi)層的主要成分[5]。酵母細胞壁結構見圖1。
β-葡聚糖位于酵母細胞壁內(nèi)層,靠近細胞膜,占細胞壁干重的30%~34%[6]。β-葡聚糖由葡萄糖分子經(jīng)β-1,3糖苷鍵和β-1,6糖苷鍵連接而成,分子質(zhì)量在27.9~175.0 ku,分子結構如圖2所示。β-1,3糖苷鍵構成的主鏈和β-1,6糖苷鍵構成的側(cè)鏈共同組成β-葡聚糖三螺旋結構[7]。根據(jù)酵母細胞壁葡聚糖在水溶液中的溶解度分為水溶性葡聚糖、堿溶性葡聚糖和堿不溶性葡聚糖3類,其結構的組成有助于維持酵母細胞壁的形狀和韌性[8]。
甘露聚糖主要位于酵母細胞外表層,占細胞壁質(zhì)量的30%~50%[9]。甘露聚糖由α-1,6糖苷鍵組成的主鏈和α-1,2或α-1,3糖苷鍵連接多個甘露糖分子組成的側(cè)鏈構成,分子質(zhì)量在20~200 ku,分子結構如圖3所示[10-11]。甘露聚糖通過與蛋白質(zhì)共價連接形成甘露糖蛋白,其主要由80%~90%的甘露糖和5%~20%的蛋白質(zhì)組成[12]。酵母甘露糖蛋白是高度糖基化的多肽,含有50%~95%的碳水化合物[8]。酵母甘露糖蛋白被分為N-糖基化甘露糖蛋白與O-糖基化甘露糖蛋白2類。甘露聚糖長鏈(α-1,6)和短鏈(α-1,2或α-1,3)通過N-乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc)與天冬酰胺殘基之間的N-糖苷鍵連接形成N-糖基化甘露糖蛋白[13]。O-糖基化甘露糖蛋白由5個甘露糖單位短鏈組成,前2個殘基由α-1,2糖苷鍵連接,后2個殘基由α-1,3糖苷鍵連接,其含有50%蛋白質(zhì)[8]。甘露糖的碳水化合物側(cè)鏈上存在多個磷酸二脂鍵[9],這些磷酸化甘露糖殘基維持細胞壁完整性,有助于細胞表面的穩(wěn)定結構和功能[3]。
腸道微生物在宿主體內(nèi)參與多種生理過程,如營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收和宿主免疫應答等[15]。YPS能豐富腸道微生物菌落的多樣性,促進有益菌群的生長,抑制有害菌群的繁殖[6]。Loving等[16]研究發(fā)現(xiàn),飼糧中添加β-葡聚糖可以提高仔豬腸道菌群的多樣性。β-葡聚糖增強宿主腸道黏液分泌,調(diào)節(jié)旋毛蟲感染引起的腸道菌群紊亂,能豐富腸道菌群的α-多樣性[17]。Tanihiro等[18]研究發(fā)現(xiàn),甘露聚糖可以增加腸道中多形擬桿菌(Bacteroides thetaiotaomicron)和卵形擬桿菌(Bacteroides ovatus)的相對豐度,改變腸道微生物產(chǎn)生的代謝物組成,抑制吲哚、甲酚和對甲酚的產(chǎn)生,提高雌馬酚含量,增強雌激素調(diào)節(jié)作用。YPS能抑制大腸桿菌和沙門氏菌等有害菌在腸道中定植和增殖[19]。有研究發(fā)現(xiàn),與空白對照組相比,當肉雞飼糧中添加200 g/t丁酸梭菌和300 g/t釀酒酵母細胞壁后,回腸和盲腸中大腸桿菌和沙門氏菌數(shù)量顯著降低[20]。YPS還能阻斷有害菌的菌毛,從而防止它們黏附在黏液上皮細胞上[21];甘露聚糖能夠減少致病菌在魚腸道的附著,細菌黏附在甘露聚糖上并隨糞便排出體外,從而降低潛在疾病的發(fā)生率[22]。Santovito等[23]體外研究發(fā)現(xiàn),培養(yǎng)基中1.25 mg/mL YPS可通過降低生長速率和最大生長值以及延長滯后期的持續(xù)時間來抑制產(chǎn)氣莢膜梭菌繁殖,使最大生長速率降低50%以上。YPS在腸道內(nèi)可被降解為短鏈脂肪酸,隨后被宿主利用。短鏈脂肪酸受體具有多種生理功能,包括通過G蛋白偶聯(lián)受體調(diào)節(jié)腸道激素和能量代謝[24]。Van den Abbeele等[1]研究YPS對犬腸道中的短鏈脂肪酸含量發(fā)現(xiàn),以0.5、1.0和2.0 g/d 3種濃度添加YPS可以提高乙酸、丙酸和丁酸產(chǎn)量。
YPS具有直接激活動物免疫系統(tǒng)的能力,能夠增強動物的非特異性和特異性免疫應答,從而增強對環(huán)境的適應能力。血清免疫球蛋白含量可作為機體體液免疫狀況的指標之一,其中免疫球蛋白A(IgA)、免疫球蛋白G(IgG)和免疫球蛋白M(IgM)是體液免疫系統(tǒng)的重要組成成分,其含量上升通常預示著免疫系統(tǒng)被激活。通過研究對比,飼糧中添加YPS顯著提高了斷奶仔豬血清IgA和IgG含量[25]。β-葡聚糖和甘露聚糖作為YPS的主要成分,可促進機體免疫器官發(fā)育,激活巨噬細胞、T淋巴細胞,有效清除消化道中病原微生物,增強先天性免疫,同時提高動物體內(nèi)B淋巴細胞、白細胞介素(IL)-1β和干擾素-γ(IFN-γ)含量,提高動物機體適應性免疫,并通過促進抗原呈遞來增強機體的抗病能力,增強從先天免疫應答到適應性免疫應答的轉(zhuǎn)變[26?-28]。在飼糧中添加75 mg/kg的酵母β-葡聚糖可顯著提高犢牛血清IgG和IgM含量,并提高營養(yǎng)物質(zhì)消化率,增強動物免疫功能[29]。Zhen等[30]研究發(fā)現(xiàn),飼糧中添加200 mg/kg的酵母β-葡聚糖促進了種母雞血清中促炎性和抗炎性細胞因子的產(chǎn)生,提高了血清IgA含量,增強了種母雞的細胞和體液免疫功能。細胞因子腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、IFN-γ、IL-6、IL-8、轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)等是小分子可溶性蛋白質(zhì),具有廣泛的免疫活性[31]。細胞因子由輔助性T(Th)細胞中Th1細胞和Th2細胞分泌[32-33]。Zhang等[34]研究發(fā)現(xiàn),在飼糧中補充2%酵母培養(yǎng)物后,鵝腸道中Th1細胞分泌的IL-2和IFN-γ的基因表達水平有所增加。Li等[35]研究發(fā)現(xiàn),在飼糧中添加50 mg/kg的β-葡聚糖可增加仔豬血清IL-10含量,減少血清IL-6和TNF-α含量,進而提高仔豬體液免疫、調(diào)節(jié)細胞免疫。Omara等[36]研究表明,在飼糧中添加0.1%的β-葡聚糖可提高球蟲病感染肉雞胸腺組織中IL-10、IFN-γ的基因表達水平,調(diào)節(jié)免疫反應。
畜禽在新陳代謝和呼吸過程中,會產(chǎn)生極不穩(wěn)定的自由基,破壞機體的氧化還原穩(wěn)態(tài)[37-38],引起氧化反應,導致細胞損傷,影響動物生長性能[39]。研究表明,YPS可增強超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)活性,降低丙二醛(MDA)含量,增強機體抗氧化能力[40]。王燕等[41]研究發(fā)現(xiàn),飼喂10 g/d的YPS顯著提高了育肥牛血清SOD和GSH-Px活性。Guo等[42]研究發(fā)現(xiàn),酵母細胞壁生物大分子β-葡聚糖和甘露聚糖抵消了脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(DON)誘導的豬空腸上皮細胞系(IPEC-J2)谷胱甘肽(GSH)表達的下調(diào),抵消了活性氧(ROS)和MDA表達的上調(diào),降低ROS和MDA的含量,從而緩解了DON誘導的氧化應激。通過給小鼠注射25 mg/kg的YPS發(fā)現(xiàn),YPS能清除羥自由基和超氧陰離子自由基,增強機體內(nèi)抗氧化能力[43]。化學修飾可以改善YPS的生物特性,有效提高YPS的抗氧化活性。Tang等[44]研究發(fā)現(xiàn),磷酸化修飾可以顯著提高葡聚糖清除羥自由基/超氧陰離子的能力。磷酸化和羧甲基化的復合修飾提高甘露聚糖的抗氧化能力,其中羧甲基化磷酸化甘露聚糖(CMP-M)和羧甲基化硫酸化甘露聚糖(CMS-M)抗脂質(zhì)過氧化能力也進一步增強[45]。
霉菌毒素是霉菌在食品或飼料中產(chǎn)生的毒性代謝產(chǎn)物,對人類和動物健康構成嚴重威脅[46]。Kim等[47]研究證實,飼糧中添加0.2%的YPS可降低黃曲霉毒素、DON和伏馬菌素對仔豬的毒性,促進仔豬腸道健康和生長。YPS通過自身結構,主要利用氫鍵和范德華力的相互作用與多種霉菌毒素結合,從而形成多糖-霉菌毒素復合物。這種復合物的形成能夠阻止毒素被動物腸道吸收,減少霉菌毒素對動物的損害。研究通過希爾模型確定玉米赤霉烯酮與β-葡聚糖之間相互作用的空間結構和分子位點,發(fā)現(xiàn)β-葡聚糖的三維網(wǎng)絡結構在吸附玉米赤霉烯酮過程中起關鍵作用[48]。YPS與飼料中的黃曲霉毒素和玉米赤霉烯酮結合,減少其在消化道中利用,減輕對動物的毒性作用[49]。同時,Luo等[50]研究發(fā)現(xiàn),酵母細胞壁中β-葡聚糖構成的三維網(wǎng)絡結構是吸附棒曲霉素的重要因素,且隨著網(wǎng)絡結構密度的增加,吸附能力增強,更證實了霉菌毒素與YPS之間的吸附作用。YPS對斷奶仔豬的生長性能具有顯著影響,主要表現(xiàn)在提高日增重、增加采食量、降低料重比等方面。通過在飼糧中添加0.1%和0.2%的YPS發(fā)現(xiàn),YPS可以提高斷奶仔豬的日增重和采食量,降低料重比,改善仔豬生長性能,并降低試驗期間仔豬的死亡率[19]。YPS不僅可以顯著提高斷奶仔豬的生長性能,在飼糧中添加0.3%的YPS還可有效降低斷奶仔豬的腹瀉率[51]。同時,有研究發(fā)現(xiàn),微生物的定植受β-葡聚糖的影響,β-葡聚糖可以緩解產(chǎn)腸毒性大腸埃希桿菌(enterotoxigenic Escherichia coli,ETEC)感染的斷奶仔豬,增強脾臟中IL-1的mRNA相對表達水平,從而增強局部免疫應答[52]。在補充β-葡聚糖14 d后,斷奶仔豬的糞便中ETEC數(shù)量減少,可以預防ETEC感染[53]。Zhou等[54]研究發(fā)現(xiàn),斷奶仔豬飼喂含500 mg/kg β-葡聚糖的飼糧,可減輕ETEC誘導的腸上皮細胞損傷,提高結腸中丙酸含量及乳桿菌和芽孢桿菌的相對豐度。Fouhse等[55]研究表明,斷奶仔豬飼喂含有800 mg/kg甘露聚糖的飼糧21 d,可改變盲腸微生物群落結構,提高空腸絨毛高度。飼糧中添加甘露聚糖可以通過降低氧化應激、促進營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)以及維護腸道健康,改善斷奶仔豬的生長性能[56]。YPS還能增強免疫力、改善斷奶仔豬消化能力以及對霉菌毒素等有害物質(zhì)的抵抗力,有助于改善斷奶仔豬的整體健康狀況。YPS在斷奶仔豬上的應用詳見表1。
育肥豬的生長性能關系到養(yǎng)豬生產(chǎn)的經(jīng)濟效益,料重比越低代表養(yǎng)豬生產(chǎn)的利潤越高。Goh等[63]研究發(fā)現(xiàn),在飼糧中添加0.1%的β-葡聚糖可改善生長育肥豬健康狀況,提高生長性能和經(jīng)濟效益。有研究發(fā)現(xiàn),在飼糧中添加100 mg/kg的β-葡聚糖可顯著提高育肥豬的飼料轉(zhuǎn)化率,提高生長性能、營養(yǎng)物質(zhì)消化率和胴體性狀[64]。He等[65]研究發(fā)現(xiàn),在飼糧中添加200 mg/kg的β-葡聚糖可降低育肥豬結腸內(nèi)容物中戊酸鹽含量,并減少乳酸、異丁酸和丁酸含量;通過對微生物多樣性分析發(fā)現(xiàn),酵母β-葡聚糖降低了WPS-2菌門的相對豐度,而WPS-2菌門的相對豐度與骨骼肌滴失和乳酸含量呈正相關。也有研究發(fā)現(xiàn),甘露聚糖通過提高IPEC-J2細胞屏障完整性減少對生長育肥豬造成傷害的微生物數(shù)量[66]。在飼糧中添加7.5%的糖蜜酵母粉(包含14.7%的β-葡聚糖及31%的甘露聚糖成分)能夠提升育肥豬在接種疫苗后30 d內(nèi)對豬瘟病毒的抗體應答,在預防豬瘟病毒病中的應用中具有潛在作用[67]。
母豬分娩會產(chǎn)生應激反應,體內(nèi)激素水平和營養(yǎng)物質(zhì)代謝發(fā)生顯著變化,這種代謝異常會導致母豬繁殖性能的降低[68]。研究顯示,在飼糧中添加0.2%的YPS能夠提升母豬繁殖效率,有助于縮短母豬發(fā)情周期長短,此外,YPS在提高乳汁產(chǎn)量的同時,增加乳汁中的固形物比例,降低母豬血液中的代謝酶活性和甘油三酯含量[69]。其中,甘露聚糖可降低仔豬血清中促炎細胞因子IL-2和IL-4含量,通過改善炎癥細胞因子來增強系統(tǒng)免疫[70]。母豬飼糧中添加400 mg/kg甘露聚糖可提高初乳中IgM含量及仔豬斷奶時血清IgA和IgG含量[56]。Conway等[71]通過在母豬飼糧中補充酪蛋白水解物和酵母β-葡聚糖,增加了乳桿菌的相對豐度,降低了腸桿菌科和彎曲桿菌科的相對豐度,并提高了斷奶仔豬飼料利用率。Dowley等[72]研究發(fā)現(xiàn),妊娠后期和哺乳期的母豬每天補充1 g酵母β-葡聚糖和1 g酪蛋白水解物,增加了厚壁菌門包括母豬糞便中乳酸桿菌等有益菌的相對豐度,同時斷奶仔豬盲腸中乳酸菌的相對豐度增加,十二指腸絨毛高度、空腸絨毛高度與隱窩深度比增加,十二指腸促炎細胞因子、緊密連接蛋白和黏蛋白的基因相對表達水平降低。YPS是酵母菌細胞壁的重要組成部分,具有改善腸道健康、促進免疫系統(tǒng)成熟、提高抗氧化能力、吸附霉菌毒素等多種生物功能。YPS在母豬和斷奶仔豬上的研究較多,但其最佳添加劑量還需進一步明確。除此致外,YPS在育肥豬和公豬上的應用研究較少,未來還需更多地開展相應的研究,為其作為豬飼料添加劑提供更為全面的理論依據(jù)與科學基礎。
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