1、毕业论文 文献综述 生物工程 富硒酵母的营养价值研究 摘要 富硒酵母作为有机硒饲料添加剂 , 具有硒利用率高、毒性低、对环境污染小等优点 , 其添加效果优于亚硒酸钠。就目前国内外对富硒酵母在动物营养中的研究进展及在动物饲料中的应用现状进行了综述。 关键词 富硒酵母 ; 有机硒 ; 动物 ;营养 前言 在世界很多国家和地区 ( 包括美国和欧盟 ) 都已允许富硒酵母作为矿物质饲料添加剂用于动物饲料中 , 我国也将富硒酵母与亚硒酸钠共同列为允许使用的饲料添加剂。尽管亚硒酸钠仍然是目前动物日粮中主要的补硒形式 , 但由于亚硒 酸钠存在生物有效性低、毒性大、易污染环境等缺陷 , 因而其使用量受到严格限制
2、 , 例如瑞典已限制其在乳猪料中使用 , 而日本则禁止在动物饲料中添加亚硒酸钠。富硒酵母作为有机硒饲料添加剂 , 具有硒利用率高、毒性低、对环境污染小等优点 , 其添加效果大大优于亚硒酸钠 , 因而受到广泛的重视 , 并呈现逐渐取代亚硒酸钠在饲料中添加的趋势。 1 从亚硒酸钠到富硒酵母的过渡进程 1817 年 , 瑞典化学家 Berzelius 发现元素硒 ( Se) 。但此后 100 多年 , 人们一直将硒作为有毒元素来研究。直至 1957 年 ,Schwarz 与 Foltz 发现 , Se 是从酵母分离的一个活性因子 (“活性因子 3” ) 的不可或缺的成分 , 能防治大鼠的肝坏死 ,从
3、而认识到Se 是动物健康的必需元素 , 这是首次揭示 Se 的营养重要性。当时 , 对“活性因子 3”的具体成分还不能鉴别。现已知道 ,“活性因子 3”主要是由酵母中存在的主要含硒化合物 硒蛋氨酸 ( SeMet)组成的 ( Schrauzer, 2003)。 1962 年 , 75SeMet 可获得 , 并被用作胰腺放射成像剂 ( Blau 等 , 1962) 。 1972 年 , Rotruck 证实 , 硒是谷 胱甘肽过氧化物酶 (GSHPx)的一种重要组成成分 , 从而揭开了硒具有抗氧化功能之谜。 1973 年 , 世界卫生组织确认 , 硒是人和动物活动必需的微量元素。同年 , 美国
4、FDA 认定 , Se 在营养水平上不应归为致癌物 , 并批准亚硒酸钠与硒酸钠作为饲料添加剂用于配合饲料中。美国 FDA 做出这样的决定是一个艰难的选择 ,一方面 , 担心 Se 具有毒性 , 并可能致癌 ; 另一方面 , 急需硒源来防治家畜中的硒缺乏症 , 且这些无机硒源可以低成本生产。 但这些无机硒的使用效果普遍不如“活性因子 3” Se, 对此特征的认识引起了Universal Foods 公司的重视 , 后来这家美国的主导食品酵母生产商在 Nutrition 21 公司 ( 一家加州营养补充物公司 ) 的主持下 , 研发生产富硒酵母作为“活性因子 3” Se 的来源。之所以选择酵母 ,
5、 不仅因为它含有高度活性的有机硒 , 而且可在受控条件下大批量生产。第一批富硒酵母于 1974 年上市 ( Schrauzer, 2006) 。 1976 年 , Griffiths 等代谢研究表明 , 75SeMet 可很好地被吸收和贮留 , 可用作营养性 Se 补充剂。 1984 年 , 人工合成的 SeMet 上市。 此后 , 大量的试验研究表明 , SeMet 和富硒酵母都适宜用作营养性 Se 补充剂。SeMet 主要用于特定无酵母补充物或用于浓缩硒源。因为 SeMet 像所有氨基酸一样 , 可能以 L- 型和 D- 型两种形式存在 , 而仅有 L- 型存在于天然的食物中 , 所以 L
6、- 型倾向用于人的补充物中 , D- 型与 L- 型混合物用于动物饲料中被认为是可以接受的( Schrauzer, 2000) 。 SeMet 由于合成工艺复杂和基产出率低等原因 , 至今仍未实现工业化生产 , 其价格比较昂贵 , 限制了其在食品和饲料中的 应用。相比而言 , 富硒酵母已在许多国家实现了大规模生产 , 并已广泛用于人的补硒来源。同时 , 富硒酵母也逐渐用于动物营养中。美国 FDA 于 2000 年 6 月首次批准富硒酵母 ( Sel- Plex!) 作为有机硒补充物用于家禽饲料 , 至今已扩大到火鸡、猪、肉牛、奶牛、马、山羊、绵羊和犬等动物。对食品安全最为严格的欧盟也于 200
7、6 年 9 月首次批准富硒酵母 ( Sel- Plex!)作为有机硒补充物用于各种动物。 2 富硒酵母的概念与化学组成 2.1 富硒酵母的概念 富硒酵母就是在酵母培养过程中加入亚硒酸钠等形式的 无机硒 , 使之转化为有机硒形式并在酵母中富集而生产出的一种微生物发酵产物。其富集硒的机制与植物相似。 众所周知 , Se 与 S 的物理化学特性非常相似 , 植物在合成氨基酸时不能区分这两种元素。结果 , 当供给 Se 时植物就能合成硒蛋氨酸 ( SeMet) 。这种生物学特性就是研发酵母有机硒商业化技术的基础 (Lyons 等 , 2007) 。 已知 SeMet 的生物合成途径与蛋氨酸相似 , 且
8、利用相同的酶 ( Schrauzer, 2003) 。一个酵母细胞理论上能够结合的最大硒量依赖于其蛋氨酸含量 , 大约为 6 000mg/ kg。然而 ,SeMet 完全替代蛋氨酸是不可能的 , 酵母中所能达到的最大硒量约为 3000mg/ kg。商业富硒酵母的含硒量一般为 500 2 000mg/ kg( 0.05% 0.20%) ( Schrauzer, 2006) 。 生产富硒酵母所用的菌种大多是啤酒酵母 , 用麦芽汁 ( 或糖蜜 ) 加亚硒酸钠作培养基 , 在一定温度和通气量下发酵 30 35h。当发酵液的 pH 值降至 4.2 4.5 时 , 离心分离出酵母 , 用水反复冲洗 , 然
9、后进行干燥和粉碎 , 便可得到淡黄色的富硒酵母粉( 马惠茹等 , 2001) 。 美国 FDA( 2007) 对饲用富硒酵母是这样定义的 : 富硒酵母是指通过补料分批发酵方式培养的无活性干酵母 (Saccharomycescerevisiae) , 在发酵过程中逐渐加入甘蔗糖蜜与亚硒酸盐 , 以使亚硒酸盐对酵母生长速度的不利效应降到最低 , 并保证无机硒最佳地结合到酵母细胞的有机质中。残留的无机硒经冲洗程序去除 , 使其含量不超过富硒酵母终产品中总硒量的 2%。 2.2 富硒酵母的化学组成 酵母在发酵过程中 , 摄入 Se, 合成各种有机硒化合物。其中 , 最多的含硒终产物是SeMet, 还有
10、少量的 SeCys。例如 , 郝素娥和腾冰 ( 1999) 报道 , 酵母硒中有机硒含量可达总硒量的 90%, 主要存在形式是 SeMet( 70%)和 SeCys ( 20%) 。这两种硒氨基酸 , 除了 Se 取代 S 原子之外 , 其他结构与常规的氨基酸 蛋氨酸与半胱氨酸是相同的。这种化学结构与其他有机微量元素结构 ( 络合物或螯合物 ) 不同。在络合物或螯合物中 , 金属与有机化合物联合 , 它不是化合物分子结构的一部分。而 SeMet 和 SeCys 中的 Se 是分子结构的一部分 , 不能通过破坏共价键拆除。 酵母除了合成 SeMet 和 SeCys 外 , 还产生许多其他含硒化合
11、物 , 但要鉴别和定量这些化合物是极其困难的 , 需要非常复杂的技术与仪器。尽管这些化合物的含量极低 , 但它们可能有重要的生物学功能。例如 , Yoshida 等 ( 2002) 分析表明 , 硒酵母蛋白质分解酶提取物含有 SeMet ( 74.8%) 、 SeCys( 9.9%) 、亚硒酸盐 ( 5.1%) 以及 3 种未知的 Se 化合物 ( 10.2%) 。 尽管富硒酵母中的主要含硒化合物都是 SeMet, 但每一种酵母都有一个独特的有机硒化合物组合。 SeMet 单独使用对动物的作用有时 可能不如富硒酵母 ( Lyons 等 , 2007) 。而且 SeMet 以纯化的形式存在是不稳
12、定的 , 并易发生氧化。相比而言 , SeMet 在酵母中就相当稳定。对贮藏在室温达 10 年之久的高 Se 酵母分析表明 , SeMet 仍是其主要的 Se 化合物 (Block 等 , 2004) , 而且硒酵母在 25下货架期 , 经阿累乌尼斯图(Arrhenius plot) 预测达 1 126d 以上 ( Szulc 等 , 2003) 。 此外 , 富硒酵母还可提供一定数量的蛋白质、氨基酸、维生素等营养物质。 3 富硒酵母中硒的代谢 特征与生物学利用率 3.1 富硒酵母中硒的代谢特征 作为天然的有机硒来源 , 富硒酵母与富硒的玉米、小麦与大豆极其相似。尽管亚硒酸钠与硒酸钠都可用于硒
13、蛋白质的合成 , 但只有 SeMet 可结合到体蛋白中 , 如图 2 所示 ,从而在体内建立 Se 贮藏库。 Se 储藏的组织主要是骨骼肌 ,还有其他组织 , 如红血细胞、胰脏、肝脏、肾脏、胃以及胃肠道黏膜等。在应急状态 ( 如需要量增加、采食量下降 ) 下 , 通过蛋白酶体作用进行蛋白质分解代谢 , SeMet 从贮藏库中可逆性地释放出来 , 作为 Se 源用于硒蛋白质 ( 如 GSH- Px、硫氧还蛋白还原酶和蛋氨酸亚砜还原酶 ) 的应急合成。这些酶可以处理自由基的过度生成 , 抑制家畜生产与降低繁殖性能。因此 , Se 贮藏库的建立可能是在应急状态下维持抗氧化防御的一个重要调控机制 (L
14、yons 等 , 2007) 。 与亚硒酸钠相比 , SeMet 在机体内的周转较慢 , 其 Se 的重利用效率较高 ( Swanson 等 , 1991) 。 SeMet 和亚硒酸盐在人机体内的半衰期平均分别为 252d 和102d( Patterson, 等 1989) 。蛋白质周转抑制了 SeMet 在机体内聚积到毒性水平( Schrauzer, 2003) 。此外 , 大量研究表明 , 与使用亚硒酸盐相比 , 使用有机 Se 能降低尿中的 Se(Lyons 等 , 2007) 。 因此 , 从营养学的角度 , SeMet 要优于亚硒酸盐 , 特别是在 Se 不足或氧化应急引起蛋白质需要
15、增加时对 GSH- Px活性的维持 (Lyons 等 , 2007) 。 3.2 富硒酵母中硒的生物学利用率 经评定 , 富硒酵母具有相对较高的 Se 利用率。例如 , 用大鼠进行试验 , 以亚硒酸钠为参照 Se, 通过斜率比分析方法进行评定 , 则富硒酵母中的 Se 生物学利用率 : 以组织 Se 含量为指标是 135%165%; 以 GSH- Px 活性为指标是 105%197%(Yoshida 等 , 1999) 。 Malbe 等 ( 1995) 用奶牛研究表明 ,以亚硒酸钠为参照 Se, 分别以血液 GSH- Px 活性、血液 Se水平和乳 Se 水平为反应指标 , 则富硒酵母中的
16、Se 相对生物学利用率分别为 140%、 190%和 270%。毛胜勇 ( 2000) 报道 , 以亚硒酸钠为参照 Se, 富硒酵母 Se 在反刍动物上的生物利用率为 290%。郑宗林等 ( 2002) 用叉尾鲴进行试验 , 以亚硒酸钠为参照 Se, 则富硒酵母中的 Se 相对生物学利用率就促生长而言为 269%, 对 GSH- Px 活性而言为 149%。 因此 , 富硒酵母中的 Se 生物学利用率要优于亚硒酸盐中的 Se, 因而是优先选择的Se 补充形式。 4 富硒酵母对动物的营养生理作用 Surai( 2006) 根据发表的资料对富硒酵母与亚硒酸钠的营养生理效应进行了比较 , 可以看出天
17、然形式的富硒酵母相对于亚硒酸钠具有明显的优势。 亚硒酸钠适宜作为药物使用。例如 , 根据临床症状确诊为 Se 缺乏症时 , 应选用亚硒酸钠制剂。通过饲料、水或注射使用亚硒酸钠 , 将解 决短期或急性的 Se 缺乏问题 , 这在鸡、猪与牛的各种试验条件下都得到验证。 然而 , 当目标是为了满足生理需要 , 以维持较高的生产与繁殖性能以及最佳的食用动物产品质量和免疫活性时 ,则应选择硒酵母这样的 Se 补充形式来满足组织贮藏库的需要 (Lyons 等 , 2007) 。 5 富硒酵母在动物饲料中的应用 5.1 富硒酵母产品的安全性 通过大量的毒性试验证实 , 富硒酵母的毒性要低于无机硒。例如 ,
18、加拿大的 Roch 使用高含量的富硒酵母对肉鸡 ( 5mg Se/ kg 日粮 ) 进行了毒性试验。结果表明 , 肉鸡的生长性 能 ( FCR 与屠宰重 ) 显著改善 , 血液、肝脏与肌肉中的 Se水平也显著提高(Wiebe van der Sluis, 2007) 。也就是说 , 富硒酵母在高剂量的情况下仍然无毒性 , 而这个剂量的亚硒酸钠则是高度毒性。 Kim 和 Mahan( 2001) 还发现 , 饲粮中无机硒与富硒酵母的 Se 水平大于 5mg/ kg 时 , 均具有毒性 , 但亚硒酸钠的硒中毒更迅速、更严重。 2007 年 , 欧盟食品安全局 FEEDAP 专家小组对富硒酵母 Al
19、kosel R 作为饲料添加剂的安全性和生物效 率进行评价。结果显示 , 其能够增加血液、血浆、血液 GSH- Px 中的Se 含量 , 在最大允许使用量 0.5mg Se/ kg 饲料下对所有喂饲动物均无副作用 ; 在推荐剂量下使用不会改变环境中 Se 的浓度和分布 , 不会对环境造成额外的负担。因此 , FEEDAP 专家小组认为没有必要对其进行专门的市场监控。 总之 , 富硒酵母作为一种饲料添加剂或补充硒源 , 比亚硒酸钠安全。富硒酵母的安全记录是极好的。在过去 30 年 ,富硒酵母用作饲料添加剂或用于营养补充物中还未见有Se中毒事故案例的报道 ( Schrauzer, 2006) 。
20、5.2 富硒酵母产品的稳定性 富硒酵母中含硒化合物的组成可能因酵母菌种、生长条件以及所用的分析技术不同而存在差异。例如 , Encinar 等 ( 2003) 对 3 个商品富硒酵母产品分析表明 , 水溶性 Se 的比率从 11.5%变化到 28.0%, 水不溶性多糖结合 Se 比率从 15.5%变化到 72.0%。因此 , 不是所有的富硒酵母产品都是一样的 , 一个产品所测定的结果不能推广到其他所有富硒酵母产品。用于硒酵母的生产技术也有很大变化 , 因而其终产品的组成与质量可能也是不同的 ( Lyons 等 , 2007) 。此外 ,SeMet 的分析难度可能大大影响分析的最终结果。酸解法与
21、酶解法已广泛应用于富硒酵母中蛋白结合硒氨基酸的提取 , 但酶解法所获得的 SeMet 含量一般要低于酸解法 ( Schrauzer, 2006) 。 如今 , 富硒酵母的生产可建立标准化的方法和良好的质量控制规范 , 从而确保其产品质量的稳定。实际上 , 富硒酵母是高等动物和人类值得信赖的硒源 , 其组成的不一致性或不确定性主要是由分析难度造成的 , 而非酵母质量的实际变化引起的( Schrauzer, 2006) 。 5.3 富硒酵母在动物饲料中的适宜 添加量 美国 FDA( 2007) 规定 , 以富硒酵母形式添加 : 在鸡、火鸡、猪、肉牛与奶牛的全价饲料中 , 其饲料中 Se 的水平不超
22、过 0.3mg/ kg; 在肉牛限饲的饲料补充物中 , 其肉牛每头每天的 Se 摄入量不超过 3mg; 在肉牛自由舔食的混合矿物盐中 , 其矿物盐的 Se 浓度为 120mg/ kg, 肉牛每头每天的 Se 摄入量不超过 3mg。 同时还规定 , 富硒酵母作为饲料添加剂 , 应以预混料的形式添加 : 在全价饲料中 , 其预混料的 Se 浓度不高于 500mg/ kg, 预混料在全价饲料中的添加量不低 于 1 磅( 约 500g) / t; 在肉牛混合矿物盐中 , 其预混料的 Se 浓度不高于 4.5g/ 磅 ( 约 10g/ kg) 。 此外 , 王海宏 ( 1999) 与方国跃 ( 2003
23、) 研究均表明 , 富硒酵母在肉仔鸡饲料中的适宜添加量为 0.3mg Se/ kg 饲料。美国奥特齐公司和我国安琪酵母股份有限公司对各自富硒酵母产品在饲料中的建议添加量均为 0.3mg Se/ kg。 然而 , 越来越多的研究表明 , 配料中的有机硒含量稍稍高于推荐剂量 ( 约高 2 5 倍 ) 对人和动物可能是最理想的 ( Spring, 2006) 。 5.4 富硒蛋、富硒肉与富硒奶的生产 一般来说 , 蛋与肉被视为人用食品中 Se 的良好来源。在考虑改善人对 Se 摄入的途径时 , 可选择以下方法 : 直接补充 ; 土壤施肥 ; 在主食 ( 如面粉 ) 中添加 ; 生产富硒功能性食品。其
24、中第 4 种方法值得关注。对目前文献的分析表明 , 肉、蛋、奶对 Se 的富集作用是改善人类 Se 状况的有益选择。其中 , 富硒蛋现已在世界 25 余个国家生产 , 一个蛋中的 Se 可提供每日推荐供给量 (RDA) 的 50%左右。富硒肉和富硒奶的商业化生产技术正处于各国的开发之中 (Surai, 2006) 。 富硒蛋、富硒肉、富硒奶 , 简单来说就是天然设计食品原料的生产。现已证明 , 在动物日粮中添加富硒酵母将会大大改善动物的硒状况 , 提高其生产与繁殖性能。为生产富硒蛋、富硒肉与富硒奶 , 全面改善人类的硒状况 , 提供了新的机会 ( Surai, 2006) 。 5.5 选用硒源
25、应考虑的因素 综上所述 , 富硒酵母确实比亚硒酸钠有许多优势。但问题是 : 使用富硒酵母就更有利润吗 ?Weiss( 2005) 曾对无机硒与富硒酵母的优缺点进行简单比较 。因此 , 作为畜禽生产者 , 在选用硒源时至少应考虑以下三 点。 ( 1) 对硒吸收的拮抗剂。亚硒酸钠与 Se- Met 以完全不同的机制被肠道吸收。对亚硒酸钠吸收拮抗的因素可能不会对 Se- Met 的吸收产生同样的作用。例如 , 以硫酸盐形式在日粮中添加 0.2%的硫使硒酸钠的 Se 吸收减 20% ( Ivancic and Weiss, 2001) 。 当硫酸盐存在时 , 来自富硒酵母的 Se 利用率可能要比无机硒
26、高 50%以上。此外 , 如果日粮提供的可消化 Met 较高 , 则会因在肠道吸收位置的竞争而降低富硒酵母 Se 的利用率(Weiss, 2005) 。 ( 2) 硒 的体内存留。与补充亚硒酸钠相比 , 补充富硒酵母可使动物体内 Se 存留增加。这对于动物在高 Se 需求与低 Se 供给时是非常有利的 (Weiss, 2005) 。 ( 3) 补充物的成本。因为目前富硒酵母的价格仍然要比亚硒酸钠贵的多 , 因此是否使用富硒酵母完全替代亚硒酸 钠 , 要看获得的利润回报是否超过替代增加的成本。 Weiss(2005) 认为 , 只要日粮中的总 Se 量不超过 0.3mg/kg, 目前的规定允许联
27、合使用硒源。通常 , 联合应用不同来源的营养素比单独使用单一原料要好。 6 展望 毫无疑问 , 富硒酵母 的研发与商业应用不仅为改善动物的生产性能与健康提供了新的途径 , 而且为生产富硒的肉奶蛋以及其他食品提供了新的机会。但到目前为止 , 在食用动物中有关硒的研究大部分是用无机硒进行的。因此 , 有关富硒酵母对动物的营养生理作用需要进行更加广泛而深入的研究。尤其是有关富硒酵母硒在配合饲料中的最佳添加量与最适添加阶段有待更多的研究。酵母基因组学与蛋白组学的研究进展以及新的硒蛋白质的鉴别 , 也将为富硒酵母在动物营养中的研究注入新的动力。随着富硒酵母生产成本的降低、人类对环境与健康的不断关注以及制
28、定相关法规对无机硒使用的限 制 , 富硒酵母在畜禽养殖业中必将得到越来越广泛的应用。 7 参考文献 1 方国跃 .不同硒源对肉仔鸡生产性能的影响 D.长沙 : 湖南农业大学 ,2003. 2 郝素娥 , 腾冰 .硒酵母中有机硒及硒代蛋氨酸含量的测定方法 J.分析测试学报 , 1999, 18( 3) : 72- 74. 3 马惠茹 , 孙海洲 .硒在畜牧生产中的应用趋势 J.内蒙古畜牧科学 ,2001( 5) : 14- 16. 4 毛胜勇 .有机硒营养的研究进展 J.畜禽业 , 2000( 3) : 20- 22. 5 王海宏 .不同硒源对肉仔鸡生产性能、组织硒含量和 GSH- Px 活力的
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