微囊化技術(shù)在飼用微生態(tài)制劑中的應(yīng)用

張 琳，李 杰，劉延國，栗 敏

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物營養(yǎng)研究所，哈爾濱 150030）

微囊技術(shù)是指生物活性物質(zhì)（酶、蛋白質(zhì)、激素及組織細胞等）包埋在具有選擇透過性的膜中，允許營養(yǎng)物質(zhì)、氧氣及具有生物活性的一些小分子物質(zhì)進出，同時阻遏大分子抗體及免疫細胞通過半透膜。制備微膠囊的過程稱為微膠囊化。目前，微囊技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、輕工、石化、食品、農(nóng)業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域中。微生態(tài)制劑又稱活菌制劑、益生素等，是人工分離正常的菌群，并通過相關(guān)工藝制成的活菌制劑，是無毒、無殘留、無耐藥性、成本低、效果顯著的抗生素替代品，但由于其抗逆性較差，因此在不良環(huán)境下易喪失益生特性。大量研究發(fā)現(xiàn)，微膠囊化生產(chǎn)的飼用微生態(tài)制劑的應(yīng)用效果明顯得以改善，微膠囊化生產(chǎn)的飼料添加劑已經(jīng)是國際飼料現(xiàn)代工業(yè)中的重要配料之一[1-2]。

1 微膠囊技術(shù)

微膠囊技術(shù)的研究與應(yīng)用開始于20世紀30年代，大西洋海岸漁業(yè)公司，以明膠作為壁膜材料，制備出魚肝油明膠微膠囊。Lim等于1980年研究出海藻酸鈉-聚賴氨酸-海藻酸具有“三明治”結(jié)構(gòu)特點的微膠囊，使微膠囊技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用帶來了突破性進展[3]。微膠囊可包裹不穩(wěn)定化合物及易揮發(fā)的氣體或液體，其在醫(yī)學(xué)、生物制品、肥料、高分子材料助劑等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其在飼料行業(yè)也有一定程度的研究與應(yīng)用，但尚處于起步階段，具有廣闊的發(fā)展空間。

1.1 技術(shù)原理

球狀微膠囊的直徑在幾微米到幾百微米，由壁材和芯材構(gòu)成。壁材是包裹、制作微膠囊所需的材料，是決定微膠囊性能的關(guān)鍵因素。其對內(nèi)部的芯材起到保護作用。常用壁材材料為半合成高分子材料、全合成高分子材料、天然高分子材料及無機材料，天然材料因其生物相容性好、成模性好、免疫原性低、可降解及其本身和產(chǎn)物無毒等特點，是最常用制備微膠囊的材料。選用壁材時要根據(jù)芯材的作用部位、方式及特點進行選擇。

1.2 釋放特點

靶向性是微膠囊技術(shù)的主要特點之一。囊芯物質(zhì)可在特定的位點釋放，提高其利用效率，減少過程中不必要的損失。釋放的方式主要有：在一定條件下，微膠囊受到溶脹、摩擦等作用，囊膜破裂后釋放出芯材；處于液體中的微膠囊因其內(nèi)外濃度不同，囊芯物質(zhì)在不同濃度梯度力的作用下釋出；在微生物、酶、酸或堿的作用下囊膜降解，芯材釋出。微膠囊要在特定的條件下釋放出內(nèi)容物，達到某種特殊效果，因此生產(chǎn)方式與壁材的選擇是至關(guān)重要因素。

2 飼用微生態(tài)制劑

2.1 微生物制劑的發(fā)展

微生態(tài)制劑可分為益生素、益生元、合生素等[4]。微生態(tài)制劑發(fā)展歷史悠久，早在1908年俄國的微生物學(xué)家首先提出乳酸桿菌具有抑制大腸桿菌的作用。Mollgaard于1947年發(fā)現(xiàn)乳酸桿菌飼喂仔豬可改善仔豬的健康情況，顯著增加仔豬體重，是微生態(tài)制劑首次應(yīng)用于畜牧領(lǐng)域。Parker于1974年提出的和“抗生素”相對應(yīng)的新概念，其可直接飼喂動物，能夠有效的調(diào)節(jié)動物腸道微生態(tài)環(huán)境，從而達到促進動物生長和提高飼料利用率等。So?rokulova于1998年，發(fā)現(xiàn)益生菌顯著提高巨噬細胞活性。我國農(nóng)業(yè)部于1999年公布了12種飼料級微生物菌種，目前可用于微生態(tài)制劑的微生物種類主要包括芽孢桿菌、乳酸菌、酵母菌、光合細菌、放線菌等，年使用量約達1 000 t。

2.2 微生物制劑的作用機理

微生態(tài)制劑中的活菌是環(huán)境微生物的成員，具有分解性、繁殖性、定植性和排他性，能夠進入自然微生態(tài)區(qū)系中對非正常菌群產(chǎn)生分解或頡頏作用，其作用機制主要包括：調(diào)節(jié)胃腸道微生物區(qū)系的平衡，在正常情況下，胃腸道微生物的優(yōu)勢菌群在微生態(tài)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性作用，并維持消化道內(nèi)菌群的平衡，但在某些應(yīng)激狀態(tài)下，菌群平衡狀態(tài)被打破，有害細菌大量繁殖，導(dǎo)致動物消化吸收能力減弱、營養(yǎng)缺乏、產(chǎn)生疾病，加入微生態(tài)制劑后，有益菌可與有害細菌爭奪營養(yǎng)素、氧氣及附著位點，使有害菌得以抑制，胃腸道微生物區(qū)系達到平衡狀態(tài)；生物頡頏作用，有益微生物可產(chǎn)生有機酸和細菌素抑制、殺死病原菌；提供營養(yǎng)物質(zhì)、促進消化，微生態(tài)制劑中的益生菌能夠合成氨基酸、維生素K及消化酶等有利物質(zhì)，如乳酸菌可促進微量元素與常量元素的吸收，芽孢桿菌具有淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶的活性，可降解復(fù)雜的碳水化合物；提高免疫力，微生態(tài)制劑能夠提高巨噬細胞活性，促進動物的細胞免疫和體液免疫，提高機體免疫功能，如釀酒酵母可分泌甘露聚糖寡糖，甘露聚糖寡糖可被胃腸道表面的M細胞或樹突樣細胞吸收，可直接作用于免疫細胞；降解有毒物質(zhì)，有益菌可提高蛋白質(zhì)利用率，減少氨、胺的生成，同時減少了氨向外界的排放量[4-6]。

2.3 微生物制劑在畜牧生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.3.1 精飼料

在母豬泌乳不足與仔豬的快速生長階段，在仔豬教槽料中添加微生態(tài)制劑對鍛煉仔豬消化道功能和提高仔豬的生產(chǎn)性能十分重要。有研究證明，微生態(tài)制劑是通過降低胃腸道中有害菌數(shù)量，提高有益菌數(shù)量，達到促進動物健康的目的[7-8]。研究發(fā)現(xiàn)，在仔豬的教槽料和保育料中分別加入微生態(tài)制劑（枯草芽孢桿菌、乳酪桿菌和異常漢遜酵母）0.01%和0.05%，結(jié)果顯示，仔豬的腹瀉率和死亡率顯著降低（P＜0.05）；在斷奶仔豬的保育料加入微生態(tài)制劑0.05%，結(jié)果顯示，仔豬胃、空腸、結(jié)腸、盲腸中乳酸菌數(shù)量顯著升高（P＜0.05），胃和盲腸中的大腸桿菌數(shù)量顯著減少（P＜0.05），因此，微生態(tài)制劑有益于維持仔豬胃腸道微生態(tài)區(qū)系的平衡，降低消化道疾病的發(fā)生率[9]。有研究探討日糧中添加微生態(tài)制劑（芽孢桿菌、酵母菌、乳酸菌等）對3月齡豪豬的料重比和日增重及血液生化指標(biāo)的影響，試驗期28 d，結(jié)果顯示，試驗組豪豬的料重比降低、日增重增加；谷草轉(zhuǎn)氨酶、谷丙轉(zhuǎn)氨酶降低，尿素氮、球蛋白、白蛋白升高，改善了豪豬生產(chǎn)性能與血液生化指標(biāo)[10]。有研究發(fā)現(xiàn)，鼠李糖乳桿菌LR6001能夠通過增強腸黏膜化學(xué)屏障、物理屏障以及免疫屏障功能，促進腸道微生態(tài)平衡、改善仔豬腸道健康、減少腹瀉率并促進生長[11]。研究表明，枯草芽孢桿菌復(fù)合微生態(tài)制劑能夠提高仔豬生長性能，預(yù)防仔豬腹瀉，提高經(jīng)濟效益[12]。有研究探討酶制劑和微生態(tài)制劑聯(lián)用對動物消化代謝的作用效果，在豬日糧中添加創(chuàng)博富酶利生素，結(jié)果顯示，十二指腸、回腸和盲腸的淀粉酶和蛋白酶活性有所提高，且回腸中酶的活性增加最多，試驗證明，生長豬飼喂既含有酶又含有益微生物的富酶利生素，顯著增強腸道內(nèi)不同部位消化酶活性，提高動物對飼料的消化吸收能力[13]。

2.3.2 家禽飼料

微生態(tài)制劑可以通過促進抗體和免疫因子生成、刺激機體產(chǎn)生免疫細胞、促進免疫器官生長發(fā)育等方式影響機體的免疫功能。研究發(fā)現(xiàn)，在1日齡健康A(chǔ)A肉仔雞飲水中添加微生態(tài)制劑能顯著降低死亡率、料肉比和腸道發(fā)病率，提高肉雞的平均體重、新城疫抗體效價和免疫器官指數(shù)[14]。徐海燕等在肉雞飲水中添加微生態(tài)制劑產(chǎn)品，結(jié)果顯示，與對照組相比，料肉比顯著下降（P＜0.05），脾臟指數(shù)、法氏囊指數(shù)顯著升高（P＜0.05），血清中新城疫血凝抑制抗體效價顯著提高（P＜0.05），盲腸內(nèi)容物中分泌型免疫球蛋白A含量與血清中免疫球蛋白G含量顯著提高（P＜0.05），這證明微生態(tài)制劑不僅能夠提高肉雞的生長性能，而且可以在一定程度上增強肉雞的免疫功能[15]。董秀梅等研究發(fā)現(xiàn)，在艾維因肉仔雞飲水中添加復(fù)合微生態(tài)制劑，結(jié)果顯示，與對照組相比，顯著降低腸道內(nèi)大腸桿菌數(shù)量（P＜0.05），顯著增加腸球菌、乳桿菌數(shù)量（P＜0.05）；降低血清中丙二醛的含量，顯著提高肉仔雞血清中超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶的活性（P＜0.05）[16]。范彧等在蛋雞基礎(chǔ)日糧中分別添加芽孢桿菌微生態(tài)制劑0.01%、0.02%及合生素類復(fù)合微生態(tài)制劑0.02%，結(jié)果顯示，與對照組相比，芽孢桿菌0.01%組和復(fù)合0.02%組能夠極顯著提高蛋雞采食量、產(chǎn)蛋量和產(chǎn)蛋率（P＜0.01），顯著提高日糧干物質(zhì)及相關(guān)氨基酸表觀消化率、日糧表觀代謝能，由此可知，添加適量的芽孢桿菌及合生素類復(fù)合微生態(tài)制劑可提高蛋雞生產(chǎn)性能和飼料營養(yǎng)物質(zhì)的表觀消化率[17]。

2.3.3 改善環(huán)境

動物排泄物中的氮磷直接進入河流湖泊、滲入地下水或者沉積在土壤中，可使水體富營養(yǎng)化，生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞，因此促進動物腸道對蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，對減少氮、磷排放量有著重要意義[18]。大量研究發(fā)現(xiàn)，日糧中添加微生態(tài)制劑可以提高動物的生產(chǎn)性能，降低氮磷排泄量，有效改善圈舍環(huán)境質(zhì)量、提高養(yǎng)殖效益。李瑞等在生長豬日糧中添加微生態(tài)制劑（主要含乳酸桿菌、芽孢桿菌和酵母菌）2 000 mg·kg-1，試驗期28 d，結(jié)果顯示，微生態(tài)制劑組單位增重N、P的攝入量高于對照組，單位增重糞N、P排放量低于對照組[19]。呂朋琴等在蛋雞日糧中添加微生物發(fā)酵飼料，結(jié)果表明，與對照組相比，試驗組腸道中乳酸桿菌數(shù)量顯著增加（P＜0.05）；N排泄量顯著降低（P＜0.05），P排泄量有降低趨勢（P＞0.05），微生物發(fā)酵飼料可顯著改善蛋雞腸道微生態(tài)環(huán)境，減少N、P的排泄量[20]。

2.4 微生物制劑存在的問題

在實際應(yīng)用中，由于微生態(tài)活菌制劑的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性較差，在液體的條件下難以保存。而微生態(tài)制劑中的益生菌發(fā)揮益生作用需要具備穩(wěn)定的生理活性。在添加使用于配合飼料時，需要將產(chǎn)品高溫加熱制粒處理，這個過程中使產(chǎn)品有效成分損失較大，其保質(zhì)期也受到限制。益生菌在腸道的存活率是益生菌功效重要指標(biāo)之一，由于微生態(tài)制劑中的活菌在進入腸道之前經(jīng)過胃酸和膽汁的作用，大部分活菌死亡，而定居于腸黏膜的活菌才能發(fā)揮其生理作用。目前已有多種方法來提高有益菌對不良環(huán)境的抵抗力，例如調(diào)整制備時的壓力、篩選出耐膽鹽和酸的菌株、添加氨基酸和混合肽改善微營養(yǎng)環(huán)境、微膠囊包被技術(shù)。其中微膠囊技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，是重點開發(fā)的高新技術(shù)領(lǐng)域。

3 微囊化微生態(tài)制劑的優(yōu)勢

通過微囊化包被的方法將活菌包被于微膠囊內(nèi)，提高微生物活菌制劑對加工過程中高溫高壓的抵抗能力，同時由于壁材的包被使芯材與外界隔離，延長了活菌制劑的存活時間，使其在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下釋放、發(fā)揮作用。大量研究表明，采用微囊化技術(shù)可以提高益生菌加工儲藏過程和在胃腸液中的存活率，有效提高微生態(tài)活菌制劑對高溫的耐受能力[21-23]。

屎腸球菌是動物宿主腸道內(nèi)的原生菌，其具有優(yōu)良的益生特性及生物安全性。王婷婷等采用發(fā)酵前包被工藝，對屎腸球菌進行微囊化，并采用平板計數(shù)法評價其對常溫貯存條件、80℃及模擬腸胃液的耐受能力，結(jié)果顯示，與游離屎腸球菌固態(tài)產(chǎn)品相比，其具有更強的模擬胃腸液和80℃高溫的耐受性[24]。研究發(fā)現(xiàn)，對屎腸球菌微膠囊化后所制得的微膠囊粒徑形態(tài)好，大小合適，且對沙門氏菌、巴氏桿菌、金黃色葡萄球菌及致病型大腸桿菌K88、K99有較強的抑制作用；微囊化培養(yǎng)比游離狀態(tài)下培養(yǎng)的屎腸球菌能夠更好的抵抗高銅、模擬胃液的能力及具有更好的生長優(yōu)勢；儲藏試驗結(jié)果顯示，4℃條件下，儲存2個月，活菌數(shù)下降不顯著[25]。雙歧桿菌是動物機體腸道內(nèi)的重要益生菌群，對維持腸道正常生理功能、微生態(tài)平衡及動物體健康有著重要作用，但雙歧桿菌是厭氧菌且不耐受強酸環(huán)境，在胃酸、膽汁及消化酶的作用下，雙歧桿菌大部分失活，難以對動物體起到有效的保健和治療作用。研究發(fā)現(xiàn)，雙歧桿菌微膠囊技術(shù)是保護菌體活力的一種最為實用和有效的方法。研究表明，對雙歧桿菌進行微囊化，大量活性雙歧桿菌可順利通過胃酸，并在大腸釋放、增殖及代謝[26]。魏衎采用微膠囊包被乳酸乳球菌、同濃度游離乳酸乳球菌菌液添加在基礎(chǔ)日糧中分別飼喂給AA肉雞，試驗期為42 d，結(jié)果顯示，與對照組和菌液組相比，微膠囊包被組顯著提高雞平均日增重、飼料轉(zhuǎn)化率、胸腺指數(shù)及法氏囊指數(shù)[27]。將微生物活菌制劑與變性淀粉、糊精、阿拉伯膠、玉米糖漿等原料混合溶解、勻制、噴霧干燥，可制得質(zhì)量好、包埋率高的飼用微生物制劑，可提高飼料添加劑產(chǎn)品的儲存時間，有效的防治高溫制粒加熱過程中的損失，充分發(fā)揮微生物制劑有效成分的作用[28]。微囊化能夠提高微生態(tài)制劑在生產(chǎn)、貯存及代謝過程中的穩(wěn)定性，并在動物機體內(nèi)發(fā)揮其最大的價值。

4 微囊化微生態(tài)制劑存在的問題及展望

目前微膠囊技術(shù)在微生態(tài)制劑上的問題主要有加工成本較高、壁材的穩(wěn)定性、合適的加工工藝等問題。微囊化微生態(tài)制劑產(chǎn)品的開發(fā)需要設(shè)備、工藝及良好的材料等各個方面的支持。但隨著人們對微囊化技術(shù)認識的不斷加深，新設(shè)備、新工藝及新材料不斷的研究與開發(fā)，微囊化技術(shù)將在微生態(tài)制劑中具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

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