益生菌兼或益生元對牛腸道菌群調節(jié)作用研究進展

朱　鵬，龍　淼,2*

(1.沈陽工學院生命工程學院，遼寧撫順 113122；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學畜牧獸醫(yī)學院，遼寧沈陽 110866)

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益生菌兼或益生元對牛腸道菌群調節(jié)作用研究進展

朱鵬1，龍淼1,2*

(1.沈陽工學院生命工程學院，遼寧撫順 113122；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學畜牧獸醫(yī)學院，遼寧沈陽 110866)

摘要：益生菌/益生元具有調節(jié)胃腸(GI)菌群平衡及活動的能力，能夠顯著地影響家畜腸道內(nèi)菌群的結構和活動，使有益菌(主要是乳酸菌)占有生態(tài)位，成為優(yōu)勢菌群，抑制霉菌生長和霉菌毒素的產(chǎn)生。飼喂益生菌后，牛腸道中的菌群呈現(xiàn)多樣性，群落的復雜程度增高，牛腸道菌群的微生態(tài)穩(wěn)定性增強。低聚麥芽糖、低聚半乳糖等益生元則能不同程度的被有益菌分解利用，作為有益菌的生長促進劑，發(fā)揮其益生作用。目前，益生菌/益生元已被廣泛應用于食品、醫(yī)藥保健和飼料等各個領域。隨著對其深入的了解和成熟的市場或產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，益生菌/益生元的應用前景很好。

關鍵詞：瘤胃；胃腸道；酵母；低聚糖

益生菌由FAO/WHO(Food and Agriculture Organization of the United Nations/World Health Organization)定義為“活性微生物，當數(shù)量充足時，對宿主健康有益”。常用的益生菌包括一些乳酸桿菌、雙歧桿菌和腸球菌種的乳酸菌(lactic acid bacteria，LAB)。益生元是不易消化的食物成分，主要指低聚糖或不易消化的膳食纖維。

有關益生菌和益生元的研究已發(fā)展為醫(yī)藥食品和飼料領域之間的一個橫向研究領域。目前已有一些有關益生菌和益生元在牛的應用研究，但涉及其對牛胃腸菌群調控的報道不多。本文通過討論應用益生菌和益生元對反芻動物特有的胃腸道微生物的調控作用，探索如何更好地使用益生菌和益生元來提高反芻動物的生產(chǎn)力。

1　犢牛胃腸道菌群特點

初生牛犢的腸道處于無菌狀態(tài)，胃腸道中的細菌在小牛出生后立即開始定殖。此后隨著動物生長發(fā)育，一個復雜和動態(tài)的微生物生態(tài)系統(tǒng)與大量活菌在腸道中建立起來。小牛腸道菌群的分子監(jiān)測結果顯示，小于3周的小牛體內(nèi)檢測到的主要細菌屬于普氏擬桿菌、球形梭菌-直腸真桿菌、柔嫩梭菌屬和阿托波氏菌屬[1]。在小牛出生后的12周內(nèi)，普氏擬桿菌和球形梭菌-直腸真桿菌是菌群的主要成分(約50%～70%)，阿托波氏菌屬、柔嫩梭菌屬和一些益生元細菌(如乳酸桿菌和雙歧桿菌屬)則在動物生長的過程中逐漸減少。相反的是，斷奶之后，野生瘤胃球菌和纖維桿菌可以在排泄物的樣本里被檢測出來，大約有1%～2%。犢牛胃腸菌群的變化與胃腸道的新陳代謝和生理功能息息相關。這種未成熟的且不斷變化的腸道菌群在面對飲食的突然變化時，會導致犢牛對病原體的抵抗力減弱，進一步導致了腹瀉和呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生。

2　胃腸道菌群平衡與奶牛健康的關系

飲食和管理限制等大量因素能夠顯著地影響瘤胃菌群的結構和活動。胃腸道菌群破壞會影響家畜的健康、使其生產(chǎn)力降低。利用16S rRNA基因的末端限制性片段分析技術T-RFLP(terminal restriction fragment length polymorphism)和實時PCR(polymerase chain reaction)對泌乳奶牛中與亞急性瘤胃酸中毒(sub-acute ruminal acidosis，SARA)相關的微生物群落變化進行監(jiān)測。T-RFLP分析結果顯示，SARA期間最顯著的變化是革蘭陰性擬桿菌減少。瘤胃內(nèi)革蘭陰性細菌死亡釋放的脂多糖會引起奶牛炎癥[2]。此外，奶牛過肥后是新陳代謝、傳染、消化和生殖障礙的主要風險因素。這些與反芻動物的胃腸菌群密切相關。因為奶牛瘤胃中高效的發(fā)酵系統(tǒng)主要負責能量轉換和積累，而這些均來自于腸道內(nèi)微生物的發(fā)酵作用[3]。目前盡管尚未證明瘤胃功能與體脂存儲有直接關系，但控制瘤胃微生物發(fā)酵十分重要。這將有助于反芻動物的健康。

3　益生菌和益生元對犢牛的作用

3.1益生菌對犢牛健康的作用

近些年來，關于益生菌在犢牛上的利用也有一些研究報道，表明益生菌對犢牛生長性能和飼料的利用有促進作用?？股丿煼ㄒ呀?jīng)被用于保持犢牛的生產(chǎn)力并減少腹瀉。然而，由于抗生素的耐藥性、抗生素進入環(huán)境以及動物產(chǎn)品中的化學產(chǎn)留物等安全性問題[4]。益生菌中乳酸菌等益生菌已經(jīng)用來代替抗菌藥物作為犢牛生長促進劑[5]。當飼料中抗生素被益生菌制劑部分或全部替代， 均能達到與抗生素組持平的促生長效果[6]。在幼齡反芻動物中，乳酸菌和芽胞桿菌等益生菌一般作用于腸下端，穩(wěn)定腸道菌群并降低病原體入侵的風險。乳酸菌可在平衡GI菌群以及動物營養(yǎng)和健康中產(chǎn)生有利作用。目前已經(jīng)證明，在牛幼齡階段乳酸桿菌和雙歧桿菌在菌群中的數(shù)量有所減少。因此，使用乳酸菌來優(yōu)化腸道菌群對于小牛的健康飼養(yǎng)非常必要，因為它增加了益生菌的數(shù)量，保證了腸道的菌群平衡。另外，乳酸菌在早期進入腸道生態(tài)系統(tǒng)可能會減少病原體在腸道黏膜上的附著。目前已證明穩(wěn)定的乳酸桿菌含量能夠提高幼齡小牛的高免疫能力；但益生菌的效果取決于牛犢的飼養(yǎng)條件。從糞便或直腸溫度[7]可以確定，當對照(未處理)小牛不健康時，益生菌的效果往往非常明顯。另外，目前已有大量報道事實證明， 給新生犢牛補充乳酸桿菌和鏈球菌將有助于降低腹瀉的發(fā)生率[8]。所以，益生菌的主要作用機理是提高機體免疫水平和對病原菌的拮抗效應。在哺乳期犢牛代乳品中添加益生菌能夠增加日增重，有改善犢牛生長性能的趨勢，斷奶犢牛日糧中添加益生菌，能夠改善斷奶前期犢牛的飼料轉化率，并影響斷奶后犢牛的瘤胃微生物區(qū)系[9]；給黑白花犢牛飼喂含乳酸桿菌的發(fā)酵乳30 d， 其反芻時間顯著加長， 幼齡反芻動物隨著年齡的慢慢增長， 體內(nèi)的微生態(tài)體系也更加趨于穩(wěn)定， 所以在動物剛出生后使用益生乳酸菌能達到最佳效果[10]。

3.2益生元對犢牛健康的作用

一些低聚糖對犢牛具有特殊作用。甘露低聚糖(mannan oligosaccharides，MOS)是復雜的甘露糖，一般認為其能夠阻止病原體入侵消化系統(tǒng)。也有報道稱，單獨添加一定量的甘露低聚糖顯著提高了犢牛的生長速度和經(jīng)濟效益[11]。研究表明，給牛飼喂低聚果糖(fructooligosaccharides，F(xiàn)OS)和噴霧干燥的牛血清能夠降低犢牛腸道疾病的發(fā)生率和嚴重程度。該糖能夠阻止腸道桿菌的附著，尤其是大腸埃希菌和沙門菌在腸道上皮細胞上的附著。也能夠防止早期斷奶犢牛腸道萎縮，維持腸道正常形態(tài)結構，提高犢牛免疫性能。早先的研究發(fā)現(xiàn)在代乳品(milk replacer，MR)中添加低聚半乳糖(galactosyl-lactose，GL)對犢牛的生長和健康有益。添加MOS、FOS和GL可能改善斷奶后犢牛的生長性能。然而，這些糖對微生物發(fā)酵活動的改變尚未得到詳細的檢測。研究證明,甘露低聚糖、果寡糖等均可以充當免疫刺激因子,激活機體的免疫系統(tǒng),增強機體對抗原的免疫應答能力,促進動物體液免疫和細胞免疫能力,進而提高機體的抗病及生長能力。此外，與益生菌相似的是，對于健康的犢牛，益生元的作用表現(xiàn)一般不明顯。

纖維低聚糖(cellooligosaccharide，CE)由葡萄糖吡喃糖通過β-1-4糖苷鍵連接而成。補充CE能夠在飼喂全乳時有效地調節(jié)牛腸道中的細菌群落[12]。補充CE提高了菌群中球形梭菌-直腸真桿菌群的比例[13]。研究表明，CE補充劑對斷奶前乳牛大腸中乳酸桿菌和雙歧桿菌的數(shù)量沒有影響。一般認為CE被牛腸道中的特定微生物利用，導致屬于球形梭菌-直腸真桿菌的產(chǎn)丁酸細菌數(shù)量增加。丁酸梭菌數(shù)量增加，提高了腸道內(nèi)丁酸鹽的含量。由于丁酸鹽除了作為能量來源的價值外，丁酸鹽也參與大腸中腸道細胞的生長和分化，因此能夠改善腸道細胞的上皮結構并提高消化和吸收效率，這可能也有助于其形成超高的營養(yǎng)吸收能力。丁酸梭菌還可以促進有益菌群的增殖和發(fā)育，抑制有害菌的活力，減少腸毒素的產(chǎn)生,糾正腸道菌群紊亂[14]。與液體飼料(牛奶或復原代乳品)一同飼喂的CE可能到達消化系統(tǒng)的下端，引起食道溝槽的反射作用并使用與單胃動物相似的機制來發(fā)揮益生菌的作用。

雖然飼喂CE能夠在牛斷奶后提高其每日增重和飼料效率，而在斷奶前則沒有這種作用[15]。主要原因可能是丙酸鹽和總體短鏈脂肪酸(short chain fatty acid，SCFA)的增加促進了瘤胃發(fā)酵。這表明CE是通過提供碳和能量來影響發(fā)酵形式。另外短鏈脂肪酸和一些抗生素物質可以抑制外源致病菌和腸內(nèi)固有腐敗細菌的生長繁殖，減少由這些細菌產(chǎn)生的各種毒素，從而降低腸道中內(nèi)毒素及尿素酶的含量，使血液中的內(nèi)毒素和氨含量下降，減輕肝臟分解毒素的負擔[16]。斷奶后，固態(tài)飼料直接進入瘤胃由微生物進行處理。瘤胃CE最終可能成為體內(nèi)各種原有微生物的營養(yǎng)來源。除了特別幼小的反芻動物，口服益生元會被瘤胃微生物消耗而無法到達腸下端。給斷奶的牛飼喂低聚糖似乎仍是有益的，因為通過益生元補充劑使牛體內(nèi)形成的理想腸道(瘤胃和/或腸下端)菌群在牛長大后可能會進一步促進其生長。

4　補充益生菌/益生元對小母牛、產(chǎn)乳奶牛和肉牛的影響

為成年反芻動物挑選益生菌主要是用于改善瘤胃微生物對纖維的消化作用。這種益生菌對不同的消化過程有促進作用，尤其是纖維素的水解和微生物蛋白的合成。通常奶牛使用的益生菌主要為不同的酵母菌菌株(大多為釀酒酵母)。至于成年反芻動物使用的細菌益生菌，提供乳酸的產(chǎn)乳酸菌(腸球菌、乳酸桿菌)比牛鏈球菌的作用更為穩(wěn)定，這或許提供了一種防止飼喂高精料而導致動物酸中毒的方式[17]，尤其是在肉牛飼養(yǎng)場。能夠利用乳酸鹽的埃氏巨球形菌或丙酸菌種也已作為飼用微生物用于防止瘤胃乳酸積累。酵母菌對肉牛也有作用，日糧中添加活性干酵母可顯著提高粗飼料(苜蓿顆粒、玉米秸稈青貯、 黑麥干草)中性洗滌纖維 (neutral detergent fiber，NDF)和酸性洗滌纖維(acid detergent fiber，ADF)在肉牛瘤胃的快速降解比例，提高其有效降解率[18]。

在飲食中添加酵母培養(yǎng)菌最持續(xù)的作用是提高產(chǎn)乳奶牛和產(chǎn)肉肉牛的生產(chǎn)力。由于酵母能夠調控胃腸道的發(fā)酵，促進瘤胃微生物生長和纖維消化率，增加干物質采食量，從而可以提高犢牛生長速度[19]。酵母產(chǎn)品的作用方式尚未明確，但通常認為其與瘤胃發(fā)酵效率和形式的變化有關。瘤胃pH是評價瘤胃發(fā)酵狀況的基本指標，決定著瘤胃微生物對底物的發(fā)酵利用效率[20]?；钚愿山湍傅奶囟ň陮μ岣吆头€(wěn)定瘤胃pH尤其有效。通過刺激特定的纖毛蟲來快速消耗淀粉，并因此與分解淀粉的產(chǎn)乳酸菌產(chǎn)生有力的競爭。目前已證明酸性較弱的環(huán)境有益于水解纖維素的微生物的生長和纖維素的降解活動。酵母還能改變瘤胃中的發(fā)酵過程來減少甲烷(CH4)產(chǎn)生[21]。釀酒酵母細胞能為瘤胃內(nèi)的微生物提供生長因子，包括有機酸和低聚糖、B族維生素和氨基酸，這些生長因子能夠在瘤胃中刺激微生物的生長，因此間接地穩(wěn)定瘤胃pH[22]。酵母在瘤胃中的另一個作用是消除氧氣，為瘤胃內(nèi)微生物創(chuàng)造一個更好的無氧環(huán)境。在這種情況下，酵母不僅是益生菌，還幫助瘤胃內(nèi)其他微生物生長，因此還扮演了益生元的角色。最近，活性干酵母對瘤胃微生物群落結構的影響通過使用基于16 S rRNA基因的焦磷酸測序技術得到了確認[23]。一項酵母對微生物群的影響評估結果顯示，巨球型菌屬、月形單胞菌屬和分解纖維素菌群(如纖維桿菌門和瘤胃球菌屬)等利用乳酸鹽的細菌的相對數(shù)量隨著酵母補充劑的添加而增加，確定了酵母的作用方式對纖維素分解活動有促進作用。

Desnoyers M S等使用定量薈萃分析評估了酵母補充劑對攝食、牛奶產(chǎn)量和瘤胃發(fā)酵的影響。結果表明，酵母補充劑可提高瘤胃的pH，且降低乳酸含量。當飼喂高度易發(fā)酵的飼料時，肉牛酸中毒的風險增加。早先有報告指出，通過持續(xù)添加活酵母補充劑，肉牛生長參數(shù)(平均每日增重、最終體重、攝食和飼喂增重比)提高顯著[24]，而其他研究中幾乎沒有觀察到其對生產(chǎn)力的影響。結果中的這種差異可能是由瘤胃微生物成分的差異導致的，不同地區(qū)的牛瘤胃微生物可能存在顯著差異。例如，分解纖維素的細菌對pH的耐受性一般小于分解糖的細菌。

盡管早先的研究支持酵母補充劑的作用，但尚無有力的證據(jù)能夠證明補充酵母始終有效。而且，不同產(chǎn)品的這種潛能差異較大，尤其在將這些產(chǎn)品的飼喂成本考慮在內(nèi)時。這些差異可以歸因于使用的酵母類型不同和菌株不同以及細胞是否存活[25]。此外，有些商品的數(shù)據(jù)是在體外條件下根據(jù)單胃動物或小型反芻動物得到的，實際情況與牛奶和牛肉不一定相符。

5　結語

目前已證明牛胃腸道中的微生物構成因不同因素導致菌群對環(huán)境做出適應性反應而有所不同，這些因素包括飲食、年齡和應激。益生菌和益生元都有潛力提高家畜的生產(chǎn)力和人類健康。盡管研究表明益生菌和益生元調節(jié)了牛體內(nèi)胃腸道菌群的平衡，但其對瘤胃菌群的活力和功能仍需更詳細的檢測。針對腸道中微生物群的結構和活動、腸道中微生物的功能性相互作用以及微生物和宿主細胞間關系的進一步研究，是未來有關益生菌/益生元的基本層面的研究?！霸狈椒?元基因組學、元轉錄組學、元蛋白質組學和元代謝組學分析)是分析胃腸道菌群和宿主新陳代謝間關系的有效工具[26]。未來利用基于元方法的研究和獲取的最新知識來理解益生菌/益生元對胃腸道微生物群平衡的調節(jié)功能，將會更有助于對其作用機制的研究。

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收稿日期：2016-03-05

基金項目：國家自然科學基金項目(31201961，31302152)；中國博士后科學基金項目(2014M551125)；遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2014561)

作者簡介：朱鵬(1993-)，男，黑龍江鶴崗人，本科，主要從事益生菌功能開發(fā)利用。*通訊作者

中圖分類號:S852.2；S816.79

文獻標識碼:A

文章編號:1007-5038(2016)07-0076-04

Progress on Effect of Probiotics/Prebiotics on Regulation of Gastrointestinal Bacteria Flora of Cows

ZHU Peng1,LONG Miao1,2

(1.CollegeofLifeEngineering,ShenyangInstituteofTechnology，F(xiàn)ushun,Liaogning， 113122，China；2.CollegeofAnimalScienceandVeterinaryMedicine,ShenyangAgriculturalUniversity，Shenyang，Liaogning， 110866，China)

Abstract:Probiotics/prebiotics have the ability to regulate gastrointestinal (GI) microflora balance and activity.They can significantly affect the structure and activities within the intestinal flora of livestock.The beneficial bacteria (mainly lactic acid bacteria) can occupy the niche,become the dominant bacteria,and can inhibit the growth of molds and their production of mycotoxin.After feeding probiotic bacteria,bovine intestinal flora diversity are increased,the community of the bacteria in the gastrointestinal become more complexity,and the stability of bovine intestinal flora was enhanced.As the bacteria growth promoting agents,maltose oligosaccharides,galactooligosaccharides and other prebiotics are able to be used at different levels by the beneficial bacteria.Currently probiotics/prebiotics have been widely used in various fields such as food,medical care and feed.With its in-depth understanding and mature market or industrial development,the era of the probiotics/prebiotics will come.

Key words:rumen; gastrointestinal tract; yeast; oligosaccharide