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活性干酵母产品与酵母培养物的区别
彭一凡 张丽荣
在市场上,虽然活性干酵母(简称活酵母)和酵母培养物都被用来作为改善或调控动物的胃肠道功能之用途。但这并不意味着活酵母与酵母培养物是一样的或者是可以互相替代的。本文主要综述这两类产品的不同之处,并以在奶牛养殖生产中的应用为例讨论它们各自的作用机理有何不同,亦对两者所显示出来的应用效果进行比较。
酵母是隶属植物类单细胞生物体的一种微生物真菌。通常呈椭圆形状,直径约为5~10 μm。酵母一般是用拉丁文来命名的,如用Saccharomyces cerevisiae 或 Candida utilis等来表示不同的酵母菌种类。对于不同的酵母菌种类而言,它们相互之间从其被发现的地方、细胞的形态和形状到如何产生不同的代谢物质以及怎样进行繁殖等方面都存在着较大的差异。截至到目前,世界上所发现的微生物真菌种类已超过5万种以上,但酵母菌只有60个不同的属类,约500个不同的品种。在自然界里,酵母菌可以说是随处可见。在谷物、谷物制品、青贮、干草,甚至在空气、土壤和水里都可以发现酵母菌的存在,如人们经常用来作为饲料成分之一的玉米颗粒和小麦次粉就含有酵母菌细胞。有若干种酵母菌已被证实对人类是有益的,而少数有缺陷的酵母菌种则会成为致病的来源。但大多数酵母菌则是良性的微生物,对人类或动物既无益也无害。在世界范围内现存有数百种不同的酵母菌种。Saccharomyces cerevisiae酵母(通常被称为面包酵母)是在动物日粮中添加的所有酵母类产品中最常见的一种,本文中所提到的酵母菌正是这一种类。
尽管很早以前人们就认识到酵母的营养价值,但直到20世纪初期,即在发现维生素B的时候,人们才能够确定出酵母中的哪些营养因子可被用来治疗某些营养性疾病。有一些种类的维生素被首先从酵母中提取和体现出来,这其中包括维生素H、烟酸、维生素B3(泛酸)和维生素B1(硫胺)等。所以长期以来酵母一直被认为是天然维生素B族的丰富来源。
1 活性干酵母
活性干酵母(干物质含量95%)是饲料行业中最常见的实用型酵母产品。其生产是采用液体培养生物反应装置或有氧发酵罐来完成的。使用这些装置和工艺控制的目的是向酵母菌提供所需的营养(如氧气、氮气和碳水化合物等),并且允许它们进行繁殖和形成新一代的酵母细胞。在这个有氧发酵的过程中,酵母采用“发芽”的方式进行繁殖。在这个“发芽”过程中,在由母细胞进化出子细胞的地方形成一个芽,当子细胞发育成熟时,它们两个都再进行繁殖复制。因此,酵母菌的繁殖复制是按照指数递增的方式进行的。
活性干酵母产品被分成两种基本的形态。一类为“纯粹”的活性的干酵母产品,其产品里只包含酵母细胞。这一类的产品每克大概包含200亿个活酵母细胞(2.0×1010 cfu/g)。按照干酵母产品生产过程中所使用的干燥工艺方式的不同,市面上销售的活性干酵母产品的形状大致分为3种:①用隧道干燥法生产的粉末颗粒状酵母产品;②用流床干燥法生产的、看似像鱼雷状的酵母产品也称为即时或速成酵母产品;③用离心干燥法生产的、呈小球状的酵母产品。采用隧道干燥工艺和流床干燥工艺生产的酵母产品在美国较为流行,而用离心干燥法生产的酵母产品则在欧洲较为流行。流床干燥法之所以越来越受人们的青睐,是因为它在生产过程中对酵母细胞造成的损害较小,用这种方法干燥出来的酵母产品的发酵特性较好。事实上,酵母细胞是非常好的蛋白质和氨基酸的来源,干酵母中大约含有40%的蛋白质。酵母蛋白的质量优胜于蔬菜蛋白的质量,其质量完全可与豆类蛋白质相媲美。由于这两类蛋白质都含有十分丰富的赖氨酸,因此两者对赖氨酸含量较低的谷物都是非常有效的补充物。相对于其它植物蛋白质而言,酵母蛋白的硫磺氨基酸含量较低,但如在干酵母中添加0.5%的蛋氨酸,其蛋白的质量就能达到接近酪蛋白的质量水平。然而,酵母的饲喂量还是存在着一个限度的。因为酵母里20%的粗蛋白氮是以核酸的形式存在的,无论是牲畜还是人,如果吃进了过量的核酸,会引起血液中的尿酸含量上升。而过高的尿酸会使得关节硬化,引起痛风或关节炎,甚至导致肾结石的发生。
而另一类是以被稀释了的并具有一定菌落数量可有效繁殖生长的活酵母产品,它强调酵母细胞存活的意义和重要性。事实上,这类产品并非是纯粹的活性干酵母,而是用活性干酵母与某些种类的载体经过混合或稀释而成的混合物。如在每克重量中含有50亿个活菌落数量的活酵母产品内一般只有25%的活性干酵母成分(实际上在真正的活性干酵母产品中其每克重量应含有大约200亿个数量的活菌落单位),而其余的成分则是由诸如米糠、玉米或酒糟等价廉的稀释物所组成。
2 酵母培养物
酵母培养物是一种非常独特的产品,它与其它的酵母类产品完全不同。它是让酵母细胞在某种特定发酵工艺程序控制下产生代谢产物后所形成的一种酵母发酵产品。在酵母培养物的生产过程中,酵母细胞仅被用来作为生产代谢产物的一种工具。换句话讲,酵母培养物是唯一的一种不强调其产品中所含有酵母细胞或菌落数量的产品。就制成品的成分而言,酵母培养物是一种非常复杂的产品,它不仅含有酵母细胞内的营养物,还含有发酵后形成的酵母细胞外的代谢产物。所以仅仅通过饲喂酵母菌细胞是根本不可能获得酵母培养物中所含有的全部有益成分。从酵母培养物的定义来看,虽然它也包含少量在生产代谢产物后余下的活酵母细胞,但不能够因此将这些酵母细胞视为可用的活性酵母源。
简单地讲,酵母培养物的生产包括了有氧环境下的酵母细胞扩繁和厌氧环境下酵母细胞发酵产生代谢产物这两个不同的工艺控制过程。并且,酵母培养物的生产是以追求细胞外代谢产物最大化为目的。在酵母培养物的生产过程中,所采用培养基的成分和发酵过程中对肽、酯和有机酸等因素控制方面存在的差异也直接导致了酵母细胞发酵时产生的代谢产物组成成分的不同。含有不同的代谢产物是造成各种发酵产品,如面包、啤酒、葡萄酒、威士忌等在品质和感官(如味道和嗅觉)等方面都有所不同的主要原因。因此,在市场上不同厂家生产的酵母培养物产品是各不相同的。
总之,酵母培养物在所有其它类型的酵母产品中是非常奇特的。千万不要仅根据它的某些已知成分,如蛋白质、维生素和氨基酸等来考虑它的作用和用途,你需要把它作为一种含有“未明生长因子”的发酵产品来加以评定。
3 活性干酵母产品与酵母培养物的区别
目前,在市场上销售的活性酵母产品大都是酵母菌与某种稀释剂(载体)的混合物。由于它们没有经过任何的厌氧发酵过程,所以活性酵母产品中是不含代谢产物成分的。这些强调酵母活性和菌落数量的产品仅为动物提供一定数量的活酵母细胞并期待着这些活酵母能够在瘤胃里继续存活并进行代谢活动,以便达到对瘤胃内环境的调整或改善的功效,从而帮助提升瘤胃对养分的消化吸收能力。
酵母细胞进入瘤胃后会再水合,并进行活跃的代谢活动。但是,事实上瘤胃环境对酵母细胞而言太过苛刻,酵母细胞在这种环境里根本无法进行所想象的功能活动。众所周知,瘤胃是一个厌氧环境,缺少呼吸性代谢活动所需要的氧气。另外,酵母菌的最佳存活温度是30 ℃,而瘤胃内的环境温度则高达39 ℃。再者,瘤胃微生物细菌产生的小分子导致在瘤胃内产生了很高的渗透压,这会影响到酵母周围养分的供应和向其细胞内渗漏。除此之外,瘤胃里各种细菌争夺糖分的竞争也很激烈,这种竞争客观上使得酵母难以获得适当的养分。
瘤胃中存在的大量微生物也能够导致细菌酶攻击酵母细胞壁,使得酵母细胞裂开。事实上,活的酵母细胞根本不能够消化淀粉或纤维等复杂的饲料成分,只能吸收简单的糖分。因此,酵母不能够预先直接为动物消化饲料,只有当酵母细胞被水解时,饲喂活酵母的好处才能够从酵母细胞内容物所提供的营养成分上体现出来,而绝不是因为酵母细胞直接消化了饲料成分的缘故。
有人推测,活酵母作为一种兼性的厌氧细菌,在瘤胃里会起到夺氧的效果从而消除奶牛在采食和饮水时吸进的氧气。由于氧气对专性厌氧微生物来说是有毒的,因此有人假定排斥氧气效应是活酵母在瘤胃内的主要活动模式。但是,事实上在瘤胃内众多的微生物细菌里兼性厌氧细菌所占的比例相当高。它们同样也可起到夺氧的效果。因此,所谓酵母对氧气的排斥效应是不太可能产生显著效果的。
需要注意的是活酵母不能够在瘤胃里大量繁殖,它们被认为是一种过渡性生物体(Kung等,1997)。就这一点来说,活酵母没什么价值。酵母在像瘤胃这样的厌氧环境中生长的非常缓慢。在厌氧发酵过程中,酵母细胞可从每克分子单位的葡萄糖中产生225.72 J的自由能,而在有氧发酵中则可产生2 867.48 J的自由能,这是因为在有氧发酵过程中能够将线粒体的呼吸酶加以利用。由于存在着能量产出方面的差别,酵母繁殖下一代的生长周期要比瘤胃液翻转一次所需要的时间更长一些。因此,往往是酵母细胞还未来得及在瘤胃里繁殖到足够的数量就已经被胃液从瘤胃里冲出去了。如果再考虑到竞争中缺乏酶作用物和酵母细胞的生长速度很慢等因素,关于为什么酵母细胞在瘤胃里的生长能力有限这一点就比较容易理解了。相反,瘤胃内微生物细菌的生长繁殖速度很快,并且它们不是附着于饲料微粒上和瘤胃壁上,就是附着在瘤胃液里。
与活性干酵母的作用方式完全不同,酵母培养物不能够作为一种酵母菌的来源使用。酵母培养物的核心价值在于它里面含有达到一定浓度的发酵代谢物。这些代谢产物是在酵母培养物制造过程中由活酵母在厌氧条件下经过充分发酵所产生的,包括肽、有机酸、寡糖、氨基酸、核苷酸和芳香物质等,以及许多为人们所不熟悉的但实践证明对促进畜禽生长有益的“未知生长因子”等物质。在养殖业的生产实践中,酵母培养物被用来向动物胃肠道内的寄生微生物提供额外的营养底物,而这个营养底物的主要作用成分正是那些代谢产物。就反刍动物而言,酵母培养物对瘤胃内微生物施加的额外营养作用能够有效地刺激它们的代谢活性,改善瘤胃功能和提高生产效率。
由于活酵母产品的作用特点决定了其在储存期间必须保持相应的活性,因此必须使用特殊的包装或专门的冷藏技术以保证酵母菌有适当的存活期,在高温情况下更是如此。酵母细胞如果不进行真空包装或用惰性气体(如氮气等)来隔绝氧气,在保存时非常容易发生氧化现象,而且氧化对酵母活性的影响往往随环境温度的变化而改变。环境温度升的越高,酵母的死亡率就越高。表1中给出的实验数据表明了活性干酵母产品在高温下储存时失去活性的程度。在该实验中,将纯净的活性干酵母放在纸袋理,并被分别放置在7、21和35 ℃等3种恒定温度下进行保存,保存期均为20周。在保存期间,定期检查活酵母的平皿计数。该实验的结果显示,冷藏的样品在整个试验期间都能保持活性,但储存在高温下的样品随着时间的增长,其活性显著下降。该项实验研究还证实:在高温条件下储存的样品在4周后其活性就损失了81%,8周后活性损失达到了99%(见表1)。

酵母培养物不依赖于酵母细胞的存活状况和其数量的多寡,且它所含的代谢产物是相当稳定的。所以,酵母培养物在一般储存条件下的保存期限也很长,并且能够对它们进行包括制粒在内的饲料加工制作而不会影响其使用效果,但活性酵母产品就不具有这种稳定性的品质。在加工时,它们不得不被进行某些特殊的处理,而且要避免将活酵母产品进行制粒加工,因为制粒时的温度会大大地降低酵母的活性。
无论是作为一种良好的蛋白质来源或是作为一种可直接饲喂的活菌制剂,活性干酵母产品都是向动物提供酵母细胞,并且利用酵母细胞本身的作用。只不过前者的质量靠酵母细胞的纯度来保证,而后者的应用效果则完全取决于酵母细胞的存活状态。已经制成的酵母培养物向动物提供的是含有“未明生长因子”的代谢产物,而非酵母细胞本身。酵母培养物对动物胃肠道的调控作用是各种代谢物质之间相互协同效应的体现。由此可见,活性干酵母与酵母培养物是两类完全不同的产品。它们之间的差异不仅体现在内容物或成分方面,也体现在对动物的作用方式上。
如果一定要将经过发酵的酵母培养物产品与强调酵母活性的酵母产品进行比较,不难看出,尽管这两种产品的作用方式不同并且对动物都有益处,但在应用效果方面经过发酵的酵母培养物产品相比之下要更加稳定和可靠一些。因为,人们无法对进入动物胃肠道内的酵母细胞的存活状况以及它们是否还能够进行代谢活动这一事实做出准确的评估。在不确定的环境下,各种可能性似乎都会存在。而酵母培养物是经过受控发酵程序和特定的干燥工艺制作而成的,它所含有的代谢产物是事实上已经存在着的东西,没有“死活”的问题或顾虑。
以上提到的这两类产品之间的差别在动物试验研究中也得到充分的验证。Alshaikh等(2002)在沙特阿拉伯进行了一个关于奶牛的试验,旨在比较活性酵母产品和经过发酵的酵母培养物产品对泌乳奶牛生产性能的影响。研究人员将150头已过产奶高峰期的经产荷斯坦母牛分成3组(1组为对照组,2组为每天饲喂15 g活酵母,3组为每天饲喂50 g经过发酵的酵母培养物),并在10周的时间里对参加试验奶牛的生产情况进行监测,最终的研究结果数据表明,给奶牛饲喂活酵母产品的效果反映没有太大的变化,但饲喂了酵母培养物的试验3组奶牛的生产性能表现则要明显好于2组和对照组的奶牛(见表2)。3组奶牛的产奶量比2组几乎多增加了1 kg/d,而4%脂肪校正奶(FCM)产量则增加了约3 kg/d,生产效率(PE)提高了13.8%。在本研究试验中所使用的酵母培养物产品是达农威益康XP。

另外,人们也采用体外法比较酵母培养物和商用活性酵母产品对瘤胃微生物代谢活性的影响。从已经获得的某些体外试验的结果来看,就挥发性脂肪酸(VFA)的生成而言,活酵母产品略高于谷物空白组对照,但却显著低于经过发酵的酵母培养物组(见表3)。

一项旨在为了比较在低和高淀粉环境下酵母培养物(美国达农威有限公司生产)与活性干酵母(法国某公司生产)对瘤胃内乳酸积聚和最终pH值缓冲能力影响的体外试验研究显示, 无论是在低淀粉含量还是在高淀粉含量条件下,酵母培养物通过显著增加乳酸盐、丙酸盐和总VFA的含量,都有效地提高了瘤胃功能。并且,在高淀粉环境下酵母培养物提高了VFA产量、降低了乳酸盐产量并稳定了瘤胃pH值。这对预防瘤胃酸中毒有积极的作用。而活性干酵母在该研究中则没有显示出显著的效果(见表4和表5)。

4 小结
在决定给奶牛饲喂酵母类产品之前,应该考虑清楚经过发酵的酵母培养物产品与活性酵母产品二者之间的本质差别。因为这些差别的存在确实能够影响到产品的性能和使用效果。大量的生产应用实践表明,经过深度发酵的酵母培养物产品要比活性酵母产品具有更多的优势。
(编辑:王 芳,)
彭一凡,达农威生物发酵工程技术(深圳)有限公司,518038,深圳市福田保税区桃花路6号腾飞大厦一层C区。
张丽荣,单位及通讯地址同第一作者。
收稿日期:2008-05-28
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