乳酸菌的生理功能及在飼料發(fā)酵中的應(yīng)用

左志芳,謝紅兵,劉長(zhǎng)忠,崔艷紅,王元元,劉興友

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

益生菌能在動(dòng)物體內(nèi)生長(zhǎng)繁殖,改善宿主微生態(tài)平衡,進(jìn)而提高宿主的健康水平.目前,關(guān)于益生菌的研究與應(yīng)用受到美國(guó)、俄羅斯、日本、德國(guó)、法國(guó)等許多國(guó)家的重視.我國(guó)對(duì)乳酸菌的研究也有相當(dāng)長(zhǎng)的一段歷史,20世紀(jì)80年代就已成立了研究包括乳酸菌在內(nèi)的微生態(tài)學(xué)的學(xué)會(huì)組織.目前研究和應(yīng)用較多的益生菌是乳酸菌類,美國(guó)食品與藥物管理局（FDA）和飼料控制管理協(xié)會(huì)（AAFCO）1989年公布的安全微生物品種共43種,其中乳酸桿菌占12種,我國(guó)1999年公布允許使用的12種飼用微生物中有3種是乳酸桿菌.美國(guó)益生菌工業(yè)上應(yīng)用的產(chǎn)品中57%含有乳酸桿菌,法國(guó)在1991年市場(chǎng)銷售的益生菌品種達(dá)50多種.到2010年,我國(guó)乳酸菌產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)超過(guò)200億元,產(chǎn)量突破160萬(wàn)t[1].1875年巴斯德研究乳酸發(fā)酵時(shí)發(fā)現(xiàn)了乳酸菌,隨后的幾年也有從酸敗的牛乳中分離到乳酸菌的現(xiàn)象,數(shù)年之后,又發(fā)現(xiàn)了從腸道而來(lái)的雙歧桿菌及嗜酸乳桿菌.19世紀(jì)初俄國(guó)細(xì)菌學(xué)家梅奇柯夫報(bào)導(dǎo)經(jīng)常飲用乳酸菌發(fā)酵酸奶會(huì)使人長(zhǎng)壽[2].現(xiàn)代相當(dāng)多的試驗(yàn)研究表明,乳酸菌發(fā)酵飼料能夠提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能,通過(guò)維持腸道內(nèi)的菌群平衡進(jìn)而凈化畜舍內(nèi)環(huán)境,在畜牧生產(chǎn)中有著重要的意義[3].

1 乳酸菌的主要生理功能

乳酸菌是革蘭氏陽(yáng)性菌,不形成芽孢,觸媒陰性,細(xì)胞色素缺失,兼性厭氧,營(yíng)養(yǎng)需求苛刻,耐酸,在糖發(fā)酵時(shí)有嚴(yán)格的發(fā)酵方式,終產(chǎn)物以乳酸為主.

1.1 營(yíng)養(yǎng)與保健作用

乳酸菌可提高脂類的消化性,促進(jìn)蛋白質(zhì)的消化與吸收,提高鈣、磷利用率,促進(jìn)維生素D和鐵的吸收,產(chǎn)生B類維生素,提高腸道內(nèi)B族維生素的穩(wěn)定性和提供半乳糖,有效避免乳糖不耐癥的發(fā)生.Gilliland等研究表明,雙歧桿菌能產(chǎn)生葉酸及B族維生素,且不同種類的雙歧桿菌所產(chǎn)生的量不同.此外,乳酸菌還可通過(guò)降低血清中膽固醇的含量,達(dá)到預(yù)防和治療心腦血管疾病的目的[4].Lye等對(duì)5株乳桿菌進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在模擬人胃腸道環(huán)境的情況下,膽固醇粘附到細(xì)胞表面,在膽鹽的存在下,抑制膽固醇膠束的形成,降低了模擬環(huán)境中膽固醇的含量[5-6].除降低血清膽固醇外,乳酸菌還通過(guò)多種形式對(duì)機(jī)體產(chǎn)生降高血壓作用.Donkor等在常規(guī)發(fā)酵劑中添加嗜酸乳桿菌、干酪乳桿菌和乳雙歧桿菌來(lái)發(fā)酵牛乳,發(fā)酵過(guò)后該乳在貯存初期表現(xiàn)出明顯的血管緊張素I轉(zhuǎn)化酶（ACE）抑制活性,并發(fā)現(xiàn)從中分離鑒定出的ACE抑制肽Val-Pro-Pro（VPP）和Ile-Pro-Pro（IPP）具有很強(qiáng)的ACE抑制能力[7].

1.2 調(diào)節(jié)腸道內(nèi)環(huán)境

乳酸菌在動(dòng)物體內(nèi)能夠通過(guò)自身及其代謝產(chǎn)物對(duì)致病菌產(chǎn)生非特異性拮抗作用,調(diào)整菌群之間的比例,抑制或減少有害菌的滋生[8-9].Kobashi等通過(guò)給斷奶仔豬飼喂乳酸菌發(fā)酵飼料,發(fā)現(xiàn)乳酸菌能顯著降低豬腸道內(nèi)pH值,且腸道內(nèi)乳酸菌的數(shù)目顯著增加,而有害菌的含量顯著下降[10].由試驗(yàn)可知,乳酸菌能使相當(dāng)數(shù)量的不耐酸的致病菌受到抑制而死亡[11].乳酸菌合成的抑菌物質(zhì),如H2O2、細(xì)菌素等,能氧化有害菌細(xì)胞及殺滅有害菌.此外,乳酸菌還通過(guò)與有害菌競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和占據(jù)有害菌在小腸內(nèi)膜上皮部位的結(jié)合位點(diǎn)發(fā)揮抑菌作用[12].Schnurer等發(fā)現(xiàn)乳酸菌還有抗真菌作用,被廣泛應(yīng)用于防治真菌感染[13].

1.3 增強(qiáng)動(dòng)物機(jī)體的抗病能力

乳酸菌具有一定的免疫調(diào)節(jié)活性,其活菌體、熱殺死菌體、菌體破碎液、細(xì)胞壁分離產(chǎn)物、細(xì)胞質(zhì)提取液及發(fā)酵液均具有免疫調(diào)節(jié)活性.Tejada-Simon等用嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌發(fā)酵乳制品飼喂小鼠,發(fā)現(xiàn)其發(fā)酵乳制品顯著增強(qiáng)了小鼠體內(nèi)免疫細(xì)胞的免疫應(yīng)答作用[14].Taranto等研究報(bào)道,給小鼠飼喂干酪乳桿菌,然后經(jīng)口感染鼠傷寒沙門氏菌和致病性大腸桿菌,檢測(cè)到小鼠腸道中出現(xiàn)IgA抗體,并且發(fā)現(xiàn)IgA對(duì)這兩種病原菌表現(xiàn)出拮抗活性.乳酸菌本身及其代謝產(chǎn)物還具有抗腫瘤的活性[15].Rafter發(fā)現(xiàn),乳酸菌主要是通過(guò)調(diào)整腸道菌群的組成及其代謝,增強(qiáng)了宿主機(jī)體免疫能力,從而減少腸道內(nèi)致癌物的形成[16].Lakritz等將經(jīng)羅伊氏乳桿菌發(fā)酵的食物喂給小鼠,發(fā)現(xiàn)這種發(fā)酵食物能刺激機(jī)體產(chǎn)生CD4+和CD25+淋巴細(xì)胞,而這兩種淋巴細(xì)胞足以抑制乳腺腫瘤的發(fā)生[17].

1.4 營(yíng)養(yǎng)作用及改善食品風(fēng)味

乳酸菌發(fā)酵后能產(chǎn)生乳酸及丁二酮（雙乙酰）、乙醛、3-羥基丁酮等風(fēng)味物質(zhì),這些風(fēng)味物質(zhì)是影響發(fā)酵產(chǎn)品風(fēng)味的主要因素.乳酸和醋酸等與酵母產(chǎn)生的醇類酯化,形成酯類香味物質(zhì).例如利用明串珠菌屬和乳桿菌屬的部分乳酸菌進(jìn)行聯(lián)合發(fā)酵,它們能將糖轉(zhuǎn)化成雙乙酰、甲基乙酰甲醇等芳香成分[18].有的乳酸菌可分解蛋白質(zhì)形成肽和氨基酸,食品所具有的豐富而獨(dú)特的風(fēng)味與這些分解產(chǎn)物有重要的關(guān)聯(lián).此外,乳酸菌還能通過(guò)產(chǎn)生的風(fēng)味物質(zhì)降低某些原料的異味,如發(fā)酵牛奶的保加利亞乳桿菌,可以除去牛奶的生臭味,并產(chǎn)生微弱的香味[19].

2 微生物發(fā)酵飼料

2.1 概念及歷史

微生物發(fā)酵飼料是指在人為可控制的條件下,通過(guò)微生物自身的代謝活動(dòng),降解植物性、動(dòng)物性原料中的抗?fàn)I養(yǎng)因子,產(chǎn)生適口性好、無(wú)毒害且容易被動(dòng)物機(jī)體吸收的飼料原料[20].1908年,Metchnikeff通過(guò)對(duì)幼畜飼喂乳酸菌發(fā)酵酸奶可起到治療腹瀉的效果.1947年,Mollgaard發(fā)現(xiàn)使用乳酸桿菌能提高仔豬的日增重,降低其腹瀉率.1968年,Redmend也報(bào)道了乳酸桿菌可以減少仔豬下痢、改善仔豬的發(fā)育狀況[2].20世紀(jì)80年代,荷蘭首先探討了是否在豬的日糧中使用含乳酸菌的發(fā)酵液體飼料,此后在法國(guó)、西班牙、丹麥、瑞士、瑞典等國(guó)得到擴(kuò)展性的使用[21].世界上已有許多國(guó)家大量使用益生菌制劑和發(fā)酵飼料,1989年,美國(guó)直接飼喂的發(fā)酵微生物在8000 t以上,日本在1000 t以上.我國(guó)的微生物飼料研究起步于20世紀(jì)80年代,20世紀(jì)90年代以后進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化研制、開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)[22].

2.2 發(fā)酵飼料種類

發(fā)酵飼料的分類主要是通過(guò)其中水分的含量進(jìn)行分類,分為固體發(fā)酵飼料和液體發(fā)酵飼料.目前,在國(guó)內(nèi)普遍使用固體發(fā)酵飼料技術(shù),而國(guó)外特別是美國(guó)、丹麥、荷蘭等國(guó)家普遍使用液體發(fā)酵飼料技術(shù).制作液體發(fā)酵飼料時(shí)一般通過(guò)自然發(fā)酵而成,其中不添加另外的菌種,通過(guò)自然發(fā)酵后,液體發(fā)酵飼料中乳酸菌占主導(dǎo)地位.Winsen等提出的液體發(fā)酵飼料指標(biāo)目前已得到廣泛認(rèn)同：乙酸含量＜40 mmol/L、乙醇含量＜0.8 mmol/L、乳酸含量＞150 mmol/L、LAB＞109 CFU/mL、pH值＜4.5[23].固體發(fā)酵飼料的分類比較復(fù)雜,主要分為發(fā)酵濃縮料、發(fā)酵全價(jià)料、發(fā)酵酵母培養(yǎng)物、發(fā)酵豆粕及其他發(fā)酵產(chǎn)品.發(fā)酵全價(jià)飼料是指將不含抗生素的全價(jià)飼料、微生物和水按一定比例混合經(jīng)過(guò)厭氧或好氧發(fā)酵而成的飼料.這類飼料營(yíng)養(yǎng)均衡,不僅能滿足畜禽的營(yíng)養(yǎng)需要,而且富含氨基酸、小肽、酶及多種未知生長(zhǎng)因子,具有明顯的促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)的作用.發(fā)酵濃縮料是指將濃縮飼料與水、微生物按一定的比例發(fā)酵而成的非全價(jià)飼料.與發(fā)酵全價(jià)飼料相比少了一類能量飼料,但具有方便運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn).目前,通過(guò)國(guó)內(nèi)外使用較多的酵母發(fā)酵產(chǎn)品來(lái)看有2種類型：一種是含有大量酵母代謝產(chǎn)物的產(chǎn)品,另一種是以酵母活細(xì)胞為主的功能性產(chǎn)品.酵母發(fā)酵產(chǎn)品在反芻動(dòng)物及母豬上使用較多.發(fā)酵豆粕是指通過(guò)以豆粕為原料,在適當(dāng)?shù)臈l件下經(jīng)過(guò)微生物發(fā)酵降解其中的蛋白質(zhì)、多糖等大分子化合物而成的富含小肽的蛋白質(zhì)飼料[24].除此之外,還有用青貯飼料、棉籽粕、菜籽粕、工業(yè)廢棄物（如甜菜渣、木薯渣、啤酒渣和豆渣）及農(nóng)業(yè)廢棄物（如玉米秸稈）等制成的發(fā)酵飼料[25].

3 發(fā)酵飼料的功能及應(yīng)用

3.1 發(fā)酵飼料的主要功能

3.1.1 改善原料的蛋白質(zhì)品質(zhì)經(jīng)過(guò)發(fā)酵處理后將動(dòng)物性或植物性的蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生富含活性肽、小肽等物質(zhì).此外,益生菌還能將一定含量的糖、粗纖維及粗脂肪飼料轉(zhuǎn)化為粗蛋白,有效提高畜禽的消化吸收率[26].

3.1.2 降低飼料中的粗纖維,提高飼料的適口性富含粗纖維的飼料如玉米秸稈,通過(guò)發(fā)酵處理后可降低其中12%～16%粗纖維的含量,進(jìn)而提高了飼料的適口性,增加了動(dòng)物對(duì)飼料的消化率.Carlson等研究報(bào)道,將飼料發(fā)酵后,可將其中的植酸磷和無(wú)機(jī)磷降解或析出,變成了游離磷而容易被動(dòng)物機(jī)體吸收[27].

3.1.3 降低飼料中毒素的含量酵母發(fā)酵產(chǎn)物脫毒的方法很早就得到驗(yàn)證,Bennet等在使用發(fā)霉變質(zhì)的玉米釀酒時(shí)發(fā)現(xiàn)釀出的乙醇里不含霉菌毒素,而發(fā)酵后剩余的殘?jiān)飬s檢測(cè)含有霉菌毒素.對(duì)釀酒酵母的分解霉菌毒素的產(chǎn)物進(jìn)行研究時(shí)也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象,終產(chǎn)物中不含霉菌毒素[28].另外發(fā)酵益生菌的代謝產(chǎn)物也可降低飼料中的毒素含量.侯然然等發(fā)現(xiàn)葡甘露聚糖可以有效地緩解由黃曲霉毒素B1產(chǎn)生的毒性[29].余伯良通過(guò)分離曲霉屬、串珠霉屬時(shí)發(fā)現(xiàn),其中的5個(gè)菌株能降低棉粕中棉酚的含量[30].

3.1.4 產(chǎn)生未知的促生長(zhǎng)因子,促進(jìn)動(dòng)物的生長(zhǎng)飼料經(jīng)微生物發(fā)酵后所產(chǎn)生的一些物質(zhì),如：B族維生素、有機(jī)酸和未知生長(zhǎng)因子等能很好地促進(jìn)動(dòng)物機(jī)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收.Feng等報(bào)道,通過(guò)微生物發(fā)酵技術(shù),飼料中的某些抗?fàn)I養(yǎng)因子被消除,而其中的小分子化合物、游離氨基酸及小肽等的含量明顯增加,能夠促進(jìn)腸道對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用,很好的減緩畜禽的應(yīng)激[31].

3.2 乳酸菌發(fā)酵飼料在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

益生菌發(fā)酵飼料能產(chǎn)生其特有的發(fā)酵酸香味,另外其中含有豐富的脂肪酶、蛋白酶能很好地改善動(dòng)物對(duì)飼料的適口性,增加其采食量,提高動(dòng)物的食欲,進(jìn)而提高其生產(chǎn)性能.

3.2.1 發(fā)酵飼料在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用Engberg等將含有高濃度的乳酸（160～250 mmol/kg飼料）和乙酸（20～30 mmol/kg飼料）、pH約為4.5的濕發(fā)酵料飼喂16至38周齡產(chǎn)蛋雞,采食量、飼料轉(zhuǎn)化率和蛋重,實(shí)驗(yàn)組較對(duì)照組分別提高了13.6%、11.0%和2.3%,同時(shí)腸絨毛高度也得到了相應(yīng)程度的提高[32].Missotten等在潮濕的飼料中接種植物乳桿菌NCIMB40087,26℃分批發(fā)酵48 h后喂給280日齡肉雞,發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)和肥育期結(jié)束后,絨毛高度在空腸中段和回腸實(shí)驗(yàn)組較對(duì)照組分別提高了22.6%和16.0%,飼料利用率也改善了[33].孫汝江等使用嗜酸乳桿菌、畢赤酵母菌和枯草芽孢桿菌等復(fù)合菌種發(fā)酵飼料飼喂產(chǎn)蛋雞,產(chǎn)蛋率上,實(shí)驗(yàn)組Ⅱ（添加微生物發(fā)酵飼料5%）和Ⅲ（添加微生物發(fā)酵飼料10%）較對(duì)照組Ⅰ分別提高1.66%和2.10%,差異顯著（P＜0.05）；料蛋比上,兩試驗(yàn)組均有所降低,其中Ⅲ比Ⅰ降低3.46%,差異顯著（P＜0.05）；兩試驗(yàn)組的平均蛋重較對(duì)照組均有提高[34].尹鵬鵬用乳酸菌和芽孢桿菌以0.1%接種量的發(fā)酵飼料飼喂35日齡肉鴨,添加不同菌種和配比比例的G2組的肉鴨,其末期體重和平均日增重分別提高了6.53%和6.61%,差異極顯著（P＜0.01）,G1分別增加了5.84%和5.95%,G3分別增加了6.39%和6.38%,也都顯著提高（P＜0.05）[35].

3.2.2 發(fā)酵飼料在養(yǎng)牛生產(chǎn)中的應(yīng)用Kung等將由北美、歐洲各大學(xué)和政府研究機(jī)構(gòu)發(fā)表的關(guān)于使用乳酸菌青貯劑的奶牛養(yǎng)殖試驗(yàn)的12個(gè)報(bào)告進(jìn)行了歸納性總結(jié),統(tǒng)計(jì)顯示,乳酸菌青貯劑至少可以使奶牛提高4.6%的產(chǎn)奶量[36].Ghorbani等給育肥牛直接飼喂含有乳桿菌屬的微生物（DFM）,發(fā)現(xiàn)經(jīng)瘤胃發(fā)酵后,NH3濃度增加了18.7%,差異極顯著（P＜0.01）,同時(shí)瘤胃原蟲數(shù)也顯著增加了（P＜0.05）,并推斷DFM可以用來(lái)降低接受高精料日糧的育肥牛酸中毒的風(fēng)險(xiǎn)[37].何爽等用乳酸菌發(fā)酵秸稈飼料飼喂架子牛,結(jié)果表明試驗(yàn)組的平均日增重比對(duì)照組高0.17 kg（P＜0.05）；飼料轉(zhuǎn)化率方面,試驗(yàn)組比對(duì)照組平均低11%,差異顯著（P＜0.05）[38].

3.2.3 發(fā)酵飼料在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的應(yīng)用Demecková等用含植物乳桿菌的發(fā)酵液體飼料飼喂產(chǎn)仔母豬,發(fā)現(xiàn)初乳樣品中腸上皮細(xì)胞和淋巴細(xì)胞有絲分裂活性,對(duì)照組（干飼料）分別為53433±1568 CPM和1231±61.4 CPM、試驗(yàn)組（發(fā)酵液體飼料）分別為79326±3069 CPM（次/分）和1903±204 CPM,分別提高了48.5%（P＜0.01）和54.6%,差異極顯著（P＜0.01）,提高了母豬初乳的質(zhì)量[39].金樁等在30～60 kg階段的生長(zhǎng)豬飼糧中添加干酪乳桿菌、乳糖乳桿菌、植物乳桿菌、腸鏈球菌和酵母等復(fù)合菌發(fā)酵的飼料,試驗(yàn)組平均每日比對(duì)照組多長(zhǎng)49.5 g,提高了6.38%；試驗(yàn)組料肉比2.28∶1,比對(duì)照組的2.35∶1降低了3.07%（P＜0.05）[40].呂鋒使用乳酸菌、芽孢菌和酵母菌以3∶2∶1比例發(fā)酵而成的全價(jià)飼料飼喂斷奶仔豬,試驗(yàn)組（發(fā)酵全價(jià)料,且不含抗生素）日增重比對(duì)照組I（不含抗生素）和II（含抗生素）顯著增加；腹瀉率分別比對(duì)照組I和II降低77.8%（P＜0.05）和63.6%（P＞0.05）.由此可知,發(fā)酵飼料能提高斷奶仔豬的生產(chǎn)性能,減低斷奶仔豬的腹瀉發(fā)生率,在一定程度上可取代飼料中添加的抗生素[21].Sholly等用液體發(fā)酵谷物飼喂生長(zhǎng)豬,發(fā)現(xiàn)回腸CH2O消化率試驗(yàn)組（發(fā)酵）和對(duì)照組（非發(fā)酵）分別為86.5%和84.5%,試驗(yàn)組高2.3%,差異極顯著（P＜0.01）,減少了糖尿病的發(fā)生率,改善了健康狀況[41].張博等用枯草芽孢桿菌、乳酸菌、酵母菌混合菌株包部分發(fā)酵原料完成前處理后,等量替代原飼料配方中相應(yīng)比例的原料飼喂商品豬,試驗(yàn)組與對(duì)照組相比,顯著提高末重及日均增重,其中日均增重提高12%（P＜0.05）；扣除發(fā)酵中水分因素,表觀料肉比校正為2.48（P＜0.05）[42].經(jīng)濟(jì)效益上,發(fā)酵原料部分替代原配方相應(yīng)原料組的相對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和頭均經(jīng)濟(jì)效益均大于對(duì)照組.

4 展望

對(duì)于乳酸菌來(lái)說(shuō),生活中的傳統(tǒng)產(chǎn)品主要是酸奶、奶酪等乳制品,雖然人類用其制成產(chǎn)品的歷史已有百余年,但用它作為益生菌種來(lái)發(fā)酵動(dòng)物飼料卻在物資豐富的當(dāng)今剛剛起步.盡管如此,微生物發(fā)酵飼料也已經(jīng)具備與抗生素促生長(zhǎng)因子相同的功能,同時(shí)也為下一步動(dòng)物安全生產(chǎn)提供了重要的途徑.如果能夠解決發(fā)酵控制及有效性、發(fā)酵質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及使用的安全性等問(wèn)題,發(fā)酵飼料將是一種理想的抗生素促生長(zhǎng)因子替代品.有專家預(yù)言,益生菌發(fā)酵飼料將成為取代當(dāng)今畜牧業(yè)顆粒飼料和粉料的主要飼料種類.

隨著微生物學(xué)、分子生物學(xué)的發(fā)展以及現(xiàn)代儀器分析手段的更新,采用基因工程技術(shù)手段,將與乳酸菌益生功能相關(guān)的功能基因,例如可以編碼磷酸烯醇式丙酮酸依賴的磷酸轉(zhuǎn)移酶（PTS）及其他糖轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)相關(guān)酶類的基因[43],進(jìn)行克隆和表達(dá),對(duì)乳酸菌應(yīng)用于畜牧業(yè)發(fā)酵,充分發(fā)揮其益生功能有著重要的實(shí)踐意義.并且,隨著乳酸菌遺傳和代謝機(jī)制神秘面紗的揭開(kāi),加之其重要益生功能基因被逐漸地發(fā)現(xiàn),益生菌發(fā)酵飼料必然成為未來(lái)發(fā)展方向,也將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用.

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