酵母β -葡聚糖的生物学功能及在养猪业中的应用

张 飞 ， 卢志超， 刘建忠

（1.路德环境科技股份有限公司，湖北 武汉 430070；2.路德生物环保技术（亳州）有限公司，安徽 亳州 236800）

β-葡聚糖是由D-葡糖苷单体通过β -糖苷键连接而成的一类非淀粉多糖， 在传统动物营养中一直作为抗营养因子存在， 被认为是影响单胃动物消化吸收的物质， 需要添加外源酶辅助动物消化。 然而，近几年研究逐渐发现部分β -葡聚糖在人体和动物上有其有益的一面， 并主要由其来源和结构决定。 β -葡聚糖的来源决定结构，结构影响活性（Lee 等，2021）。 β -葡聚糖的来源多种多样，可分为谷物或非谷物两种。 其中，谷物来源包括燕麦、大麦等，非谷物来源包括蘑菇、酵母、藻类和细菌等。β -葡聚糖的结构分无支链或支链两种，其共同特征是主干都由1，3 糖苷键连接，有支链的通常发生在1，4 或1，6 位置 （Du 等，2019；Zhang 等，2018）。通常谷物来源的β -葡聚糖是由β-1，3 和β-1，4 糖苷键连接组成，酵母和真菌细胞壁中的β-葡聚糖由β-1，3 和β-1，6 糖苷键连接组成（Du 等，2019）。酵母是单细胞真菌，酵母细胞含有丰富的β-葡聚糖， 其中β-1，3-葡聚糖占33% ～60%，β-1，6-葡聚糖在酵母细胞壁多糖中占10% ～15%（Bastos 等，2022）。 酵母β -葡聚糖中β-1，6-糖苷键比其他来源β-葡聚糖更多，具有更强的生物活性，成为研究最多的葡聚糖之一。研究表明， 酵母β-葡聚糖具有改善肠道环境、激发先天性和后天性免疫、吸附霉菌毒素、促进伤口愈合、预防癌症，以及抗氧化、降血糖、降血脂等作用（Vetvicka 等，2020）。 本文就近年来酵母β-葡聚糖的生物学功能及在动物上的应用研究进行综述，为其在畜牧生产的推广应用提供参考。

1 酵母β-葡聚糖生物学功能

1.1 提高机体免疫力 β -葡聚糖能够通过提升白细胞的活力、吞噬活性、抗氧化免疫反应和免疫相关基因表达等来调节机体免疫系统， 但是β -葡聚糖参与特异性免疫和非特异性免疫需要和受体结合，常见的有四种受体，首先是C 型凝集素受体Dectin-1，Dectin-1 是免疫细胞上真菌β-葡聚糖的模式识别受体 （Mentrup 等2022；Miriam等，2018），在单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、树突细胞和T 淋巴细胞上表达， 与β-葡聚糖结合后被激活（Kalia 等，2021）。 Dectin-1 被激活后会触发核因子κB（NF-κΒ）通路，通过SYK 依赖的通路诱导细胞因子的合成，包括NF-κΒ 诱导激酶（SYK-NIK）通路或独立于SYK 的通路，如Ras 相关因子-1 （RAF-1）通路（Carloto 等，2022；Haas等，2017）。 其次，补体受体3 （CR3）是识别β-葡聚糖的第二种受体， 该受体主要表达于自然杀伤（NK）细胞、树突状细胞、巨噬细胞和中性粒细胞，参与内源性配体的识别（Geller 等，2019）。 再次，识别β -葡聚糖的第三种受体是Toll 样受体（TLR）， 该受体是参与非特异性免疫的一类重要蛋白质分子， 识别β -葡聚糖后，TLR2，4 和6 共同结合到Dectin-1 上，发挥调节免疫活性（Miriam等，2018）。 最后，β -葡聚糖还可通过激活唾液酸结合免疫球蛋白样凝集素2（CD22 ）受体，调节MAPK 通路并负向调节B 细胞活化，从而减少炎症的发生（Penney 等，2019）。

酵母β -葡聚糖增强体液免疫， 可能是直接或间接启动参与非特异性免疫和特异性免疫的关键免疫细胞， 包括辅佐细胞、 辅助型T 细胞和B细胞。 启动的辅助性T 细胞分泌支持B 细胞反应的细胞因子（IFN-γ 和IL-12），导致产生更多的细胞因子和抗体（Walachowski 等，2017），最终刺激机体产生免疫应答。 酵母β -葡聚糖能够显著提升仔猪血清细胞因子和免疫球蛋白A （IgA）的浓度（Zhou 等，2022），提升肠毒性大肠埃希杆菌（ETEC）攻毒仔猪血清中的免疫球蛋白G（IgG）浓度（Zhou 等，2022）。 此外，酵母β-葡聚糖可显著改善脾脏和胸腺指数及淋巴细胞增殖， 有效提高T 细胞CD4 +的百分比，降低T 细胞CD8+的百分比，提高CD4 + /CD8 +比值（Lei 等，2015）。 β -葡聚糖还可以激活巨噬细胞， 调节巨噬细胞和树突状细胞中肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素（IL）的分泌，增加巨噬细胞中溶菌酶的数量及增强白细胞吞噬能力 （Aazami 等，2019；Tao 等，2015）。在抗炎症方面，酵母β-葡聚糖能显着促进抗炎因子IL-2 和γ 干扰素（IFN-γ） 的分泌（Lei等，2015）， 减少炎症介质如一氧化氮 （NO）、IL-1β、IL-6 和TNF-α 的释放来改变LPS 刺激的炎症反应（Carloto 等，2022；No 等，2021），以及降低ETEC 刺激引起仔猪血清中TNF-α 浓度升高的炎症反应（Zhou 等，2022）。β -葡聚糖诱导防御素1 和补体C3 的mRNA 表达， 同时降低了主要组织相容性复合体-Ⅰ （MHC-Ⅰ） 的转录水平（Akhtar 等，2021），还能诱导空肠和脾脏中的内源性β-防御素、 抗菌肽和肝脏抗菌肽-2 基因的表达（Shao 等，2016），参与机体特异性和非特异性免疫，并最终整体提高机体的免疫力。

1.2 调节肠道菌群 β-葡聚糖可增加肠道菌群的丰富性和多样性。 由于动物体内缺乏β -葡聚糖酶，β -葡聚糖在动物小肠内不能被消化和吸收，运行到大肠内才能被各种菌群降解和代谢后产生挥发性脂肪酸，对菌群发挥不同的作用。

β-葡聚糖可以通过抑制有害肠道菌群的增殖和促进有益健康肠道菌群的生长来调节肠道菌群的结构和组成。 在仔猪上试验表明，酵母β -葡聚糖能显著降低育肥猪结肠食糜中WPS-2 门的相对丰度（He 等，2022），提升断奶仔猪肠道乳酸杆菌的丰度， 降低肠杆菌科和弯曲杆菌科丰度（Conway 等，2022）。 添加β -葡聚糖显著提高了ETEC 刺激下乳酸菌的丰度和肠道丙酸的浓度（Zhou 等，2022）。 正常情况下，宿主肠道中的细菌群落处于动态平衡。有害菌进入肠道后，吸附在肠黏膜上，肠道菌群结构被破坏，肠黏膜遭到破坏，进一步影响宿主健康状态。而β-葡聚糖能够通过破坏细菌细胞膜和细胞壁， 增加细菌细胞膜的通透性， 或干扰细菌新陈代谢等机制发挥抗菌作用（Khan 等，2016），达到抑菌的效果。

1.3 调节消化能力 肠道是单胃和幼龄反刍动物消化和吸收营养物质的重要部位，β -葡聚糖主要通过改善动物消化道形态、 消化酶活性和肠道健康度等方面调节动物消化能力。

β -葡聚糖能够改善动物肠道形态提高对营养物质的吸收能力。 肠黏膜绒毛高度和隐窝深度是表征肠道形态的常用指标， 营养物质能够对肠道形态造成改变。β -葡聚糖可提高动物空肠绒毛高度和隐窝深度比值 （Zhou 等，2022；Tao 等，2015），及十二指肠和回肠绒毛高度（Dowley 等，2022；Zhou 等，2022；Luna 等，2015）。 综合而言，β-葡聚糖对动物肠道形态改变主要集中在十二指肠、空肠和回肠等小肠段，对大肠段影响鲜见报道，有待进一步研究。

β -葡聚糖可改善动物消化道酶活和营养代谢的能力。 在单胃动物上研究表明，ETEC 对仔猪攻毒降低了空肠中麦芽糖酶、 乳糖酶和蔗糖酶的活性， 但补充β -葡聚糖后能够提升ETEC 攻毒下十二指肠和回肠麦芽糖酶的活性 （Zhou 等，2022）。 β -葡聚糖还可以改善动物机体营养代谢的能力，如β -葡聚糖能够增加动物的嘧啶代谢、嘌呤代谢、 肽聚糖生物合成以及果糖和甘露糖代谢（He 等，2022）。 消化酶活的增加和营养代谢能力的改善，提升了动物体对营养物质的消化能力。

β -葡聚糖可以加快肠道蠕动和修复肠道损伤。 β -葡聚糖增强了胃肠道的蠕动，提升了营养物质的运输能力（Jayachandran 等，2018），在小鼠上的研究表明，饲喂β -葡聚糖后，小鼠的排便次数、肠道通过率、粪便重量和黏蛋白-2 表达均显着增加， 缓解便秘症状，β-葡聚糖通过促进包括乙酰胆碱酯酶和血清素在内的神经递质以及肠上皮中的紧密连接蛋白的表达来改善肠道机械屏障损伤并维持黏膜的完整性（Chen 等，2019）。 紧密连接蛋白是维持肠道屏障的关键， 调节肠屏障通透性， 维持上皮细胞极性，Claudin-1、Occludin 和ZO-1 是在肠上皮组织中广泛表达又关键的紧密连接蛋白。仔猪日粮中添加β-葡聚糖显著提高了十二指肠和回肠主要紧密连接蛋白ZO-1 的表达水平， 改善了十二指肠和空肠中紧密连接蛋白Claudin-1 和Occludin 的表达水平 （Zhou 等，2022；Kim 等，2019）。肠道紧密连接的破坏可能导致肠上皮通透性升高，致使有害物质进入血液，诱发各种疾病，β-葡聚糖通过对紧密连接蛋白的调控来改善肠道健康度， 给肠道功能不健全的幼龄动物使用比较有意义。

1.4 提高机体抗氧化能力 研究表明，β -葡聚糖可以提高动物的抗氧化应激能力。 饲粮中添加200 mg/kg 酵母β-葡聚糖可显著提高育肥猪骨骼肌过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和总抗氧化能力（T-AOC）活性，改善肉质（He 等，2022）。 在其他动物上研究表明，日粮补充β -葡聚糖能够提升抗氧化能力， 提高相关基因表达以及减少细菌攻击时的易感性， 增强动物对外界不利环境的抗应激能力（Akhtar 等，2021；Mokhbatly等，2020）。 酵母β-葡聚糖还可以在体外清除1，1-二苯基-2-苦基-肼基（DPPH）、超氧化物和羟基自由基， 其清除能力和分子质量有关系， 其中12.9kDa 抗氧化能力最强（Lei 等，2015）。 而源自农杆菌的β-1，3/1，6-葡聚糖具有抗疲劳的作用，研究发现可以改善小鼠运动疲劳和损伤相关的生化生物标志物，包括乳酸、血尿素氮、肌酐激酶、丙氨酸转氨酶和天冬氨酸转氨酶（Xu 等，2018）。

在有害环境的刺激下， 机体的氧化和抗氧化系统失衡， 而酵母β-葡聚糖主要通过提高SOD、CAT、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）等抗氧化酶的活性， 提高对羟基自由基和超氧阴离子的清除活性，降低丙二醛等的含量， 增强动物机体的抗氧化能力，抗脂质过氧化（于春微，2021；Cao 等，2019）。 酿酒酵母β-葡聚糖可降低IL-1β、IL-6 和TNF-α 的释放以及环氧化酶-2 和一氧化氮合酶水平而起到抗炎效果，酿酒酵母β-葡聚糖可激活抗氧化转录因子从而发挥预保护作用（于春微等，2021）。此外，β -葡聚糖还通过调节Nrf2/HO-1/Trx 信号通路改善不利环境引起的氧化应激（于春微等，2021；Xu等，2018）。 β-葡聚糖可激活Dectin-1 介导的Nrf2/HO-1 信号通路抑制RAW264.7 细胞内活性氧自由基产生、NF-κBp65 和NOD 样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NLRP3）表达和凋亡，从而对动物细胞发挥保护作用（于春微等，2021）。因此，通过激活Nrf2/HO-1 信号通路为靶向有望成为治疗氧化应激类疾病的一个新途径。

在动物处于应激状态下，日粮补充β-葡聚糖能够使动物保持合理的免疫反应状态， 肠道有害菌处于劣势地位，可以降低维持的能量需要，从而保证较高的增重和饲料回报率。

1.5 降低霉菌毒素的危害 动物体内霉菌毒素的积累会导致动物生殖性能障碍、器官损伤、免疫抑制和生产能力下降，而β-葡聚糖可以降低霉菌毒素对动物的危害。 Wall-Martínez 等 （2019）发现，在啤酒酿造过程中10% ～17% 的脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）和30% ～70%的玉米赤霉烯酮（ZEN）被酵母吸附，吸附能力与细胞壁的β -D-葡聚糖含量密切相关。 Chaharaein 等（2021）开展的香肠试验也可以看出β-葡聚糖突出的吸附能力， 把占原料比重3%的β-葡聚糖添加到含黄曲霉毒素B115 μg/kg 的鸡肉香肠中，45 d 后样品中的黄曲霉毒素B1水平下降幅度达73.7%（P＜0.05）。此外，Aazami 等（2019）给奶山羊每天喂3 g酵母β-葡聚糖可以减少黄曲霉毒素B1从饲料中向奶中转移，而对山羊产奶量、生产性能和血液参数没有不利影响，效果好于5 g 的酵母细胞壁。

β-葡聚糖降低霉菌毒素对动物的危害，主要体现在吸附、降解和抑菌三方面，其作用机制各不相同。 在吸附方面，β-葡聚糖具有独特的单螺旋或三螺旋结构与霉菌毒素结构相互补充结合（Yiannikouris 等，2004），其次是β-1，3-葡聚糖分子间氢键上的羟基与霉菌毒素羟基、 酮基或内酯基团形成化学络合物，β-1，6-葡聚糖可增强其稳定性通过增强范德华力 （Wall-Martínez 等，2019）。 在生物降解方面，β-葡聚糖能够把霉菌毒素生物降解或代谢为其他化合物， 如β -玉米赤霉烯醇和α -玉米赤霉烯醇 （Wall-Martínez 等，2019）。β -葡聚糖还具有抗真菌活性，源自酵母的β -葡聚糖能够抑制黄曲霉的生长，抑菌圈（7.33±3.51）mm（Utama 等，2021）。 因此，β -葡聚糖在成本合适时也可以作为动物饲料的脱霉剂使用。

2 酵母β-葡聚糖在猪上的应用效果

随着集约化养殖密度增大及饲料中抗生素被禁止使用，猪场面临疫病压力增加，需要寻找能够增强动物抵抗力的抗生素替代品，β -葡聚糖因具有提高免疫力、调节消化能力、提高抗氧化能力等特性，近些年在动物应用研究上受到广泛关注。

2.1 对猪只健康度的影响 β-葡聚糖提高猪只抵抗力和其提升免疫力和抗氧化能力的功能分不开， 对于亚健康猪场来说是比较好的功能性添加剂。Lee 等（2021）给断奶后前2 周仔猪饲喂含0.05%的酵母细胞壁的日粮 （含β-葡聚糖约142.5 mg/kg）分别降低了第7 天和第14 天血清促炎因子TNF-α 和IL-1β（P＜0.05）的水平，回肠促炎因子TNF-α 的表达更低（P＜0.05）。 应激环境下的试验也能说明β-葡聚糖的抗炎作用，Kim等（2019）先用大肠杆菌感染仔猪，再通过日粮补充β-葡聚糖后仔猪血清白细胞、 中性粒细胞、TNF-α、皮质醇和结合珠蛋白显著减少（P＜0.05），并且被大肠杆菌感染仔猪的回肠黏膜中IL-1B、IL-6 和TNF-α 的mRNA 表达显著下调 （P＜0.05）。 同样，Dowley 等（2022）对妊娠后期和哺乳期母猪每天补充1 g 酪蛋白水解物和1 g 酵母β-葡聚糖，仔猪断奶时十二指肠/空肠中促炎细胞因子基因（IL-6/TNF/TGF-β）显著下调（P＜0.05）。此外， 酵母β-葡聚糖可强化猪只疫苗免疫效果。Pornanek 等（2021）研究表明，生长猪饲粮中添加7.5% 富含β-葡聚糖（14.7%）的糖蜜酵母粉可提高接种猪瘟疫苗30 d 后的抗体滴度，在预防猪瘟病毒过程中具有较大的价值。 总之， 日粮中补充β-葡聚糖可以增强猪群面临应激时的抵抗力和减轻炎症反应，提高猪群健康程度，在当前我国猪病形式严峻的情况下，具有重要的意义。

2.2 对猪只肠道功能的影响 β -葡聚糖能够改善猪只肠道上皮屏障，保持健康的肠道形态和结构完整性。 一方面是对肠道形态的改善，Lee 等（2021） 给断奶后前2 周仔猪饲喂含0.05%的酵母细胞壁的日粮（含β-葡聚糖约142.5 mg/kg），可显著增加十二指肠绒毛高度和隐窝深度比、绒毛粗度和绒毛面积，及十二指肠和空肠中的杯状细胞数量（P＜0.05）。 日粮补充β-葡聚糖后仔猪肠道通透性降低 （P＜0.05） 和空肠黏膜中肠屏障功能基因（Claudin、闭合蛋白和MUC2）的mRNA 表达量显著增加（P＜0.05）（Kim 等，2019）。 Lee 等（2021）在F18 大肠杆菌感染仔猪饲料中添加β-葡聚糖可通过增强肠道完整性减轻该病菌造成的腹泻，提高了猪回肠的Claudin 家族、Occludin、MUC1、INF-γ 和IL-6 的基因表达量（P＜0.05）。此外，给母猪补充酵母β-葡聚糖不但能够改善母猪自身的健康状况，还能对所生仔猪肠道健康带来有益的影响。Dowley等（2022）给妊娠后期和哺乳期母猪补充酵母β -葡聚糖， 仔猪断奶时肠道形态也会有较好的改善，十二指肠绒毛高度增加（P＜0.05），空肠绒毛高度与隐窝深度比增加， 紧密连接基因CLDN3 和黏蛋白基因MUC2 的表达降低（P＜0.05）。

β -葡聚糖能够改善断奶时仔猪胃肠道健康的微生物结构， 补充含β -葡聚糖约142.5 mg/kg的酵母细胞壁增加了仔猪粪便中Prevotella 和Roseburia 属的相对丰度（P＜0.05），提升了营养消化率和肠道健康（Lee 等，2021）。 此外，给母猪补充酵母β-葡聚糖也会对仔猪肠道菌群造成影响。 Dowley 等（2022）对妊娠后期和哺乳期母猪每天补充1 g 酪蛋白水解物和1 g 酵母β-葡聚糖，增加了母猪粪便微生物群拟杆菌门的丰度， 包括母猪粪便中的乳酸杆菌， 同时也增加了断奶仔猪体内乳酸杆菌的丰度（P＜0.05）。 在育肥猪方面，Luo 等（2019）报道，添加100 mg/kg 来自农杆菌的β-1，3/1，6-葡聚糖可以改善育肥猪营养物质消化率（P＜0.05）。 由此可见，在母猪或仔猪日粮里添加β -葡聚糖， 均可以改善仔猪肠道上皮屏障和菌群结构， 从而更有利于提高仔猪对养分的消化吸收率， 减轻规模猪场仔猪断奶造成的消化吸收紊乱问题。

2.3 对猪生产性能的影响 猪日粮中添加酵母β -葡聚糖还可以增强抵抗力，提高猪只健康程度，利于生长性能的改善。 Wu 等（2018）在仔猪日粮添加200 mg/kg 酵母源β-葡聚糖显著提高了脂多糖刺激仔猪的平均日增重（P＜0.05）。 同样，Zhou 等（2022）给仔猪灌服大肠杆菌后饲喂添加500 mg/kg酵母β-葡聚糖的日粮，平均日增重有增加的趋势。Conway 等（2022）通过妊娠后期母猪日粮中添加或者直接在仔猪日粮中添加酵母β-葡聚糖， 饲料效率显著提高，腹泻率显著降低，粪便成型度好，肠道中乳酸杆菌丰度显著升高，肠杆菌科和弯曲杆菌科丰度显著降低（P＜0.05）。Lee 等（2021）给断奶后前2 周仔猪饲喂含0.05%的酵母细胞壁的日粮（含β-葡聚糖约142.5 mg/kg）仔猪的腹泻频率降低（P＜0.10） ，并改善了断奶猪的生长速度。 同样，Kim 等（2019）在断奶仔猪日粮中加入108 mg/kg β -葡聚糖显著 （P＜0.05） 降低了腹泻频率 （29.01% vs.17.28%）。 在育肥猪方面，Luo 等（2019）报道，添加100 mg/kg 来自农杆菌的β-1，3/1，6-葡聚糖可以改善育肥猪的生长性能。

当然，酵母β-葡聚糖在猪上应用研究也有不同的结果，Claudia 等（2019）在保育期阉公猪日粮中添加β-葡聚糖和甘露聚糖对仔猪平均日增重、平均采食量和腹泻率没有正面影响。 Mukhopadhya等（2019）的研究则表明，单独添加250 mg/kg 牛酪蛋白或250 mg/kg 酵母β-葡聚糖对断奶仔猪体重或日增重没有影响，但是二者组合添加时增加了体重和平均日增重， 可以达到添加氧化锌相近的效果。 关于酵母β-葡聚糖对猪生产性能的不同影响可能和猪群的健康状况有一定关系， 总体上来看，酵母β -葡聚糖对处于应激状态下的猪只生长性能改善效果更容易显现出来。

2.4 对猪肉品质的影响 β-葡聚糖不但能改善猪生长性能，提高健康度，对肉质也有改善作用。He 等（2022）在育肥猪日粮中添加100 mg/kg 酵母β -葡聚糖， 降低了乳酸浓度和胴体胸最长肌糖酵解的发生率， 显著降低了猪肉蒸煮损失和的滴水损失。 Luo 等（2019）也报道，添加100 mg/kg农杆菌β-1，3/1，6-葡聚糖可以改善育肥猪的胴体长度和猪肉品质。 不过β -葡聚糖对肉质改善方面的研究报告相对较少， 对肉质的改善是否和抗氧化能力有关还需进一步跟踪。

3 小结及展望

综合来看，日粮中添加100 ～200 mg/kg 酵母β -葡聚糖有助于提高猪群的健康度，尤其是可以提高细菌、病毒刺激下猪群的抵抗力，对于缓解规模化猪场早期突然断奶带来的一系列应激会有一定的帮助， 在当前无抗饲养和疫病压力较大的情况下可以减少猪场不必要的生产损失。但是，酵母β -葡聚糖不溶于水，对提取技术要求高，导致成本居高不下。 未来一方面要不断优化提取技术降低生产成本，另一方面要充分挖掘现有含酵母β-葡聚糖的工业副原料， 如富含酵母源β -葡聚糖的酿酒酵母发酵白酒糟或其他类原料的酵母发酵产品。 通过探索合适的添加比例，不但能发挥β -葡聚糖的益生作用，还具有很大的性价比优势，值得重点关注。