乳酸菌的生物學(xué)功能及其在母豬和仔豬生產(chǎn)中的應(yīng)用

計(jì) 偉 謝春艷 趙艷平 肖定福*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南省畜禽安全生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，長(zhǎng)沙 410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南省豬場(chǎng)廢棄物無(wú)害化處理與資源化利用工程研究中心，長(zhǎng)沙 410128；3.雙胞胎(集團(tuán))股份有限公司，漳州雙胞胎飼料有限公司，南昌 341000)

在現(xiàn)代養(yǎng)豬生產(chǎn)模式中，氧化應(yīng)激、腸道屏障受損及免疫力低等因素易導(dǎo)致豬生長(zhǎng)緩慢、飼料利用率低及腹瀉等問(wèn)題，嚴(yán)重影響?zhàn)B豬企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。盡管抗生素添加能夠改善上述問(wèn)題，但長(zhǎng)期濫用抗生素將不可避免地造成抗生素殘留、細(xì)菌耐藥性等問(wèn)題。抗生素作為飼料添加劑將逐漸被限制或者禁止，益生菌作為潛在的抗生素替代品具有廣闊的應(yīng)用前景。乳酸菌(Lactobacillus)作為益生菌的一種，是一類革蘭氏陽(yáng)性的厭氧或者兼性厭氧微生物，主要通過(guò)發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生乳酸，通過(guò)改善腸道微生物平衡、增強(qiáng)抗氧化防御系統(tǒng)、調(diào)節(jié)腸道黏膜免疫、保持腸道屏障功能等發(fā)揮功能性作用，但其實(shí)際應(yīng)用效果并不明顯。本文綜述了乳酸菌在胃腸道內(nèi)生存的耐受性、生物學(xué)功能及其對(duì)哺乳仔豬、斷奶仔豬和母豬的影響，并總結(jié)了引起其應(yīng)用效果不穩(wěn)定的可能因素。

1 乳酸菌在胃腸道內(nèi)生存的耐受性

益生菌到達(dá)腸道之前需在胃酸存活4 h或更長(zhǎng)時(shí)間。因此，酸和膽汁鹽的耐受性是選擇益生菌菌株的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。耐酸性是由乳酸菌維持細(xì)胞內(nèi)pH[1]、保存細(xì)胞膜功能[2]或誘導(dǎo)應(yīng)激反應(yīng)蛋白[3]等決定的；膽汁鹽耐受性是由膽汁酸/鹽的主動(dòng)外排、膽汁鹽水解[4]和細(xì)胞膜的改變等因素決定的[5]。研究表明，干酪乳桿菌(L.casei)誘導(dǎo)參與碳水化合物代謝的蛋白質(zhì)表達(dá)，通過(guò)提供能量以抵抗酸應(yīng)激[6]。從仔豬腸道分離的植物乳桿菌(L.plantarum)ZlP001接種到含有0.1%、0.3%及0.5%膽汁酸的培養(yǎng)基，其耐受性依次為85.3%、61.4%及9.4%，并且該菌株對(duì)模擬胃液和腸液具有耐受性[7]。因此，通過(guò)體外篩選具有耐受胃腸道生存的菌株，有利于其在動(dòng)物腸道內(nèi)生長(zhǎng)繁殖。

2 乳酸菌的生物學(xué)功能

2.1 維持腸道微生態(tài)平衡

致病菌能否黏附在上皮細(xì)胞刷狀緣上是決定能否感染宿主的關(guān)鍵。研究表明，乳酸菌在人克隆結(jié)腸腺癌細(xì)胞(Caco-2)細(xì)胞系中達(dá)到80%的黏附性[8]。腸道內(nèi)的副干酪乳桿菌(L.paracasei)BGSJ2-8產(chǎn)生的胞外多糖能黏附腸上皮細(xì)胞，并降低大腸桿菌與Caco-2結(jié)合[9]；L.plantarum與金黃色葡萄球菌共同培養(yǎng)時(shí)，對(duì)后者的生長(zhǎng)有87%的抑制作用[10]。乳酸菌黏附性是其定植動(dòng)物腸道內(nèi)生長(zhǎng)繁殖的前提，而其黏附性取決于菌體自身結(jié)構(gòu)、分泌物以及宿主細(xì)胞表面的相應(yīng)受體。發(fā)酵乳桿菌(L.fermentum)3872的膠原結(jié)合蛋白與腸道上皮細(xì)胞上Ⅰ型膠原蛋白結(jié)合，并且確定是一種黏附素參與結(jié)合[11]。乳酸菌黏附定植于腸道，可能是通過(guò)菌體表面的脂磷壁酸、肽聚糖及胞外多糖等黏附素與腸黏膜上特定模式識(shí)別受體結(jié)合[12]，而這種結(jié)合有利于緩解腸道蠕動(dòng)對(duì)其產(chǎn)生的排除作用。

腸道微生物間相互競(jìng)爭(zhēng)腸道上皮細(xì)胞刷狀緣上的附著點(diǎn)，高黏附性的有益菌能阻止致病菌對(duì)上皮細(xì)胞的黏附和侵入。德氏乳桿菌(L.delbrueckii)、鼠李糖乳桿菌(L.rhamnosus)GG和L.fermentumI5007等均能夠通過(guò)排斥、競(jìng)爭(zhēng)或者置換作用抑制大腸桿菌、沙門氏菌、念球菌等致病菌在宿主腸道內(nèi)黏附定植[13-15]。研究發(fā)現(xiàn)，L.rhamnosusGG通過(guò)降低念珠菌黏附在黏膜的附著力和消耗葡萄糖來(lái)緩解其對(duì)上皮損傷[15]，表明乳酸菌能夠優(yōu)先利用腸道中營(yíng)養(yǎng)資源和爭(zhēng)奪黏附位點(diǎn)形成一層生物屏障，導(dǎo)致致病菌餓死和無(wú)法定植被排出體外。研究發(fā)現(xiàn)，乳酸菌代謝產(chǎn)生的細(xì)菌素抑制革蘭氏陽(yáng)性菌生長(zhǎng)繁殖[16]；約氏乳桿菌(L.johnsonii)NCC533在體內(nèi)代謝產(chǎn)生過(guò)氧化氫，有效抑制沙門氏菌的生長(zhǎng)繁殖[17]；羅伊氏乳桿菌(L.reuteri)I5007是通過(guò)在腸道代謝產(chǎn)生乳酸來(lái)改變腸道pH，阻礙致病菌的定植[18]。以上研究表明乳酸菌能抑制致病菌生長(zhǎng)繁殖。因此，乳酸菌在腸道內(nèi)大量的定植和繁殖，并通過(guò)自身代謝產(chǎn)物影響一些致病微生物在腸道內(nèi)的定植，從而維持腸道微生態(tài)平衡。

2.2 抗氧化防御作用

正常情況下，動(dòng)物體內(nèi)自由基產(chǎn)生或清除處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。一旦這種平衡被打破會(huì)造成自由基在體內(nèi)大量蓄積，過(guò)量的自由基破壞組織中DNA、脂質(zhì)等生物大分子，造成氧化應(yīng)激損傷。目前，大多研究學(xué)者認(rèn)為乳酸菌抗氧化作用模式主要包括清除自由基、螯合金屬離子、具有還原能力、抑制脂質(zhì)氧化和提高抗氧化酶活性等。體外研究表明，L.plantarumZLP001具有清除超氧自由基以及羥基自由基的能力[19]；L.fementumME-3可通過(guò)減少金屬離子和脂質(zhì)過(guò)氧化來(lái)提高整體抗氧化水平[20]；L.plantarumC88飼喂由D-半乳糖誘導(dǎo)氧化應(yīng)激的小鼠，可提高肝臟及血清中超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GSH-Px)的活性和總抗氧化能力(T-AOC)，降低肝臟中丙二醛(MDA)含量[21]。因此，飼糧中添加乳酸菌可維持動(dòng)物體內(nèi)自由基動(dòng)態(tài)平衡，緩解氧化應(yīng)激的損傷。

2.3 腸道屏障功能與免疫力

腸道微生物的建立對(duì)動(dòng)物腸道免疫系統(tǒng)至關(guān)重要。外源乳酸菌對(duì)維持腸道結(jié)構(gòu)和屏障的完整性有積極影響。據(jù)報(bào)道，以L.reuteriD8作為外源因素對(duì)腸道干細(xì)胞有生物學(xué)影響，L.reuteriD8通過(guò)激活芳香烴受體，進(jìn)而誘導(dǎo)固有層淋巴細(xì)胞分泌白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-22，隨后激活信號(hào)傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄活化因子3的磷酸化以加速腸道干細(xì)胞再生，并恢復(fù)腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor alpha，TNF)-α損失的腸道上皮結(jié)構(gòu)[22]。上調(diào)腸道閉合小環(huán)蛋白-1(ZO-1)、閉鎖蛋白(occludin)和閉合蛋白(claudins)的mRNA表達(dá)，穩(wěn)定緊密連接蛋白的結(jié)構(gòu)和分布，改善腸道屏障功能[23]。也有研究表明，乳酸菌進(jìn)入腸道后，可能是通過(guò)影響其他微生物區(qū)系或介導(dǎo)代謝產(chǎn)物及自身產(chǎn)生的免疫促進(jìn)劑來(lái)調(diào)節(jié)腸道免疫[24-26]。L.rhamnosus引起IL-10的合成，進(jìn)而抑制TNF-α、干擾素(interferon，IFN)-γ等致炎因子的分泌來(lái)調(diào)節(jié)免疫功能[24]；唾液乳桿菌(L.salivarius)LA307緩解小鼠結(jié)腸炎癥，而瑞士乳桿菌(L.helveticus)PI5維護(hù)腸道上皮屏障[26]。此外，L.reuteri和一群促進(jìn)耐受性的免疫細(xì)胞的產(chǎn)生之間存在關(guān)聯(lián)。將L.reuteri移植到無(wú)菌小鼠的體內(nèi)時(shí)，食物中添加色氨酸含量對(duì)小鼠產(chǎn)生免疫細(xì)胞有著積極影響[27]，意味著某些氨基酸和腸道微生物并不是獨(dú)立存在的。目前某些氨基酸與腸道菌群的相互作用這一領(lǐng)域正備受研究者們關(guān)注，正在為腸道黏膜免疫機(jī)制以及干預(yù)策略提供全新的線索和思路。

3 乳酸菌在母豬和仔豬生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 乳酸菌在哺乳仔豬生產(chǎn)中的應(yīng)用

新出生仔豬腸道基本是無(wú)菌狀態(tài)，出生24 h內(nèi)，腸道內(nèi)定植雙歧桿菌、乳酸桿菌、大腸桿菌、腸球菌等細(xì)菌，細(xì)菌的豐富度和多樣性與日齡呈正相關(guān)。因此，早期干預(yù)仔豬腸道微生物的建立對(duì)其腸道健康至關(guān)重要。研究表明，外源L.fermentum在仔豬早期生活中，提高十二指腸和空腸的絨毛高度與隱窩深度，并提高空腸中ZO-1和occludin的mRNA表達(dá)，維護(hù)腸道形態(tài)和腸黏膜通透性，改善腸道屏障功能，有效緩解產(chǎn)腸毒素大腸桿菌應(yīng)激誘導(dǎo)的新生仔豬腹瀉[28]。Liu等[13]發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)的第14天，在仔豬中觀察到結(jié)腸梭菌屬數(shù)量減少，空腸中絨毛高度增加，結(jié)腸中丁酸鹽和脂肪酸濃度增加，回腸中IL-1β的mRNA表達(dá)降低。用L.fermentumI5007飼喂仔豬后，其血液中CD4+T細(xì)胞亞群比例和回腸INF-γ含量增加，并降低了腹瀉率[29]。Zhang等[30]報(bào)道，L.salivarius能夠顯著上調(diào)哺乳仔豬的β防御素-2的分泌，增強(qiáng)腸道化學(xué)屏障功能。由于幼齡仔豬消化和免疫系統(tǒng)尚未發(fā)育成熟，仔豬腸道缺乏足夠的酸來(lái)幫助消化食物以及容易受到致病菌感染引起腹瀉。乳酸菌促進(jìn)哺乳仔豬新陳代謝和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收，并改善腸道健康[31]。研究表明，哺乳仔豬口服L.case，提高了仔豬胃、十二指腸和結(jié)腸中蛋白酶活性以及血漿中免疫球蛋白A(IgA)含量[32]。因此，外源乳酸菌能有效增強(qiáng)哺乳仔豬胃腸道功能，可能是通過(guò)誘導(dǎo)微生物群落的最佳組成，改善腸道屏障功能，提高免疫力，預(yù)防病原體感染。

3.2 乳酸菌在斷奶仔豬生產(chǎn)中的應(yīng)用

近年來(lái)，乳酸菌在改善斷奶仔豬生長(zhǎng)性能和腸道健康方面受到廣泛關(guān)注。在斷奶應(yīng)激狀態(tài)下，仔豬通常會(huì)出現(xiàn)采食量減少、腸道消化酶活性降低和腹瀉等情況，其主要因素是腸道微生態(tài)平衡被破壞[33]。張董燕等[34]發(fā)現(xiàn)，以0.75%豬源羅伊氏乳酸桿菌作為仔豬飼料添加劑，平均日增重提高了20.07%，料重比降低了14.90%。Wang等[35]也表明，飼糧中添加1×109CFU/d的L.plantarumZJ316，平均日增重提高了20.45%，飼料轉(zhuǎn)化率提高了21.07%。也有報(bào)道指出外源乳酸菌對(duì)仔豬生長(zhǎng)性能無(wú)顯著影響[36]。已知乳酸菌具有菌株特異性，可能會(huì)影響細(xì)菌和宿主的相互作用。這種菌株對(duì)于宿主來(lái)說(shuō)是非內(nèi)源性，在腸道內(nèi)存活數(shù)量低，不能形成優(yōu)勢(shì)菌群，難起到益生作用。研究表明，乳酸菌可替代仔豬的抗生素[37]，L.fermentumI5007通過(guò)提高與能量代謝、脂質(zhì)代謝、蛋白質(zhì)合成、免疫反應(yīng)有關(guān)的蛋白質(zhì)水平來(lái)緩解斷奶應(yīng)激綜合征[38]。用不同菌株的乳酸菌飼喂斷奶仔豬后，其血清中免疫球蛋白M(IgM)和IFN-γ含量增加[39]；空腸和回腸黏膜分泌型免疫球蛋白A(sIgA)分泌量增加[40]；并促進(jìn)了IgA分泌，降低了回腸IL-8分泌，緩解了沙門氏菌感染而導(dǎo)致的炎癥[41]；上調(diào)了ZO-1、occludin和claudins的mRNA表達(dá)[23]，穩(wěn)定緊密連接蛋白的結(jié)構(gòu)和分布，減少腸道黏膜通透性，改善腸道健康。此外，斷奶應(yīng)激與氧化應(yīng)激相關(guān)，氧化應(yīng)激被認(rèn)為是影響腸道健康和功能的主要因素之一。研究表明，L.plantarumZLP001提高斷奶仔豬血清中SOD、GSH-Px和過(guò)氧化氫酶(CAT)活性，降低血清中MDA含量[19]，改善抗氧化功能。因此，飼糧中添加乳酸菌能夠改善斷奶仔豬生長(zhǎng)性能、免疫力和抗氧化等功能，緩解了斷奶應(yīng)激。

3.3 乳酸菌在母豬生產(chǎn)中的應(yīng)用

腸道菌群結(jié)構(gòu)變化參與宿主代謝的調(diào)控，包括氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)。研究表明，高產(chǎn)母豬妊娠后期和泌乳期出現(xiàn)DNA氧化損傷和血液中抗氧化物質(zhì)含量減少等情況[42]。任紅立等[43]研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加乳酸菌與酵母菌的復(fù)合菌顯著提高了母豬血漿中總膽固醇、甘油三酯、高密度脂蛋白膽固醇的含量，降低了血漿中MDA含量，并提高了仔豬出生窩重，改善了母豬繁殖性能、血漿脂質(zhì)代謝和抗氧化能力。母豬妊娠后期腸道微生物會(huì)發(fā)生不同程度的紊亂，而腸道微生物的紊亂可能會(huì)使腸腔中活性氧產(chǎn)生增多，后者對(duì)結(jié)腸上皮細(xì)胞的DNA造成損傷。而有些腸道共生菌如某些種類的乳酸菌具有抗氧化作用，能夠抑制活性氧的產(chǎn)生。L.paracaseiFn032、L.rhamnosusGG等都能夠抑制結(jié)腸食糜發(fā)酵過(guò)程中氧自由基的產(chǎn)生并能夠抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)[44]。已知新生仔豬的高死亡率通常與由大腸埃希氏菌、沙門氏菌、輪狀病毒和冠狀病毒感染引起的腹瀉有關(guān)。而仔豬對(duì)抗感染的免疫力主要是通過(guò)初乳的免疫球蛋白和細(xì)胞因子來(lái)建立。細(xì)胞因子已被證明對(duì)腸道黏膜發(fā)揮局部作用，并穿透循環(huán)系統(tǒng)，影響仔豬胃腸道共生微生物的定植[45]。研究表明，飼喂益生菌影響母豬腸道菌群[46]，影響初乳的組成[47]。Wang等[48]報(bào)道，妊娠期母豬飼糧中添加乳酸菌顯著增加仔豬出生、斷奶窩重及血清免疫球蛋白G(IgG)含量，改善仔豬腸道微生物的多樣性[49]。因此，母豬妊娠后期飼糧中添加乳酸菌類益生菌緩解自身代謝紊亂，可能通過(guò)改變母豬妊娠期腸道菌群與初乳的組成而影響新生仔豬的被動(dòng)免疫與腸道菌群組成結(jié)構(gòu)，促進(jìn)仔豬腸道健康。

4 小 結(jié)

綜上所述，外源乳酸菌在母豬和仔豬生產(chǎn)中的功能及應(yīng)用主要通過(guò)以下2個(gè)途徑：1)改變母豬妊娠期腸道菌群與初乳的組成而影響新生仔豬的被動(dòng)免疫與腸道菌群組成結(jié)構(gòu)，促進(jìn)仔豬腸道健康；提高斷奶仔豬抗氧化和腸道屏障與免疫，緩解斷奶應(yīng)激；2)緩解母豬妊娠期的氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)。乳酸菌等益生菌在實(shí)際應(yīng)用效果并不理想，其主要原因有以下幾點(diǎn)： 1)乳酸菌的生產(chǎn)技術(shù)條件要求極高，難以培養(yǎng)，所以市場(chǎng)上基本沒(méi)有實(shí)用型的飼用乳酸菌產(chǎn)品供應(yīng)。2)在實(shí)際儲(chǔ)存過(guò)程中，自然損失和失活率非常高。同時(shí)，在顆粒飼料生產(chǎn)過(guò)程中，無(wú)包埋保護(hù)處理的乳酸菌在經(jīng)過(guò)80 ℃以上處理后基本損失殆盡。3)應(yīng)用效果同使用的菌株的數(shù)量密切相關(guān)，在腸道內(nèi)數(shù)量低不能形成優(yōu)勢(shì)菌群，難起到益生作用。乳酸菌等益生菌用于特定養(yǎng)殖動(dòng)物所需要的菌群數(shù)量尚無(wú)統(tǒng)一的規(guī)定。因此，飼用乳酸菌添加劑好壞的關(guān)鍵在于乳酸菌的有效含量、是否包埋、耐熱、耐存儲(chǔ)、耐制粒等，以及通過(guò)體外篩選具有耐受胃腸道生存的菌株，只要有考慮到以上因素，才能更好地發(fā)揮其應(yīng)用效果。此外，將活的乳酸菌應(yīng)用于飼料中，其潛在的致病性、抗藥基因轉(zhuǎn)移的可能性及繁殖和變異的不可控制性都是需要注意的。