淺述乳酸菌在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

董亞超，劉啟航，彭譯葦，王樂(lè)蒞，尹 佳*，印遇龍,2

(1.湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 湖南省動(dòng)物腸道生態(tài)與健康國(guó)際科技創(chuàng)新合作基地， 動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與人體健康實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙 410081； 2.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)研究所動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)生理與代謝過(guò)程實(shí)驗(yàn)室， 亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙 410125)

抗生素已被廣泛用于促進(jìn)畜禽的生長(zhǎng)，同時(shí)它們可以預(yù)防或者治療由病原菌引起的感染。隨著生產(chǎn)技術(shù)的革新以及消費(fèi)者安全意識(shí)的不斷提高，人們逐漸意識(shí)到抗生素濫用已經(jīng)給畜禽產(chǎn)品、生態(tài)環(huán)境帶來(lái)一系列危害，對(duì)人類的健康造成巨大威脅，因此無(wú)抗養(yǎng)殖的趨勢(shì)已成必然[1]。作為益生菌(probiotics)的一員，乳酸菌(Lactic acid bacteria,LAB)能有效改善腸道菌群結(jié)構(gòu)，還可增強(qiáng)畜禽的非特異性和特異性免疫能力，具有其它飼料添加劑不可比擬的優(yōu)勢(shì)，故乳酸菌可以作為抗生素替代品引入畜禽養(yǎng)殖(如表1)。乳酸菌屬非侵襲、非致病性微生物，是世界公認(rèn)的安全菌，可直接應(yīng)用于食品工業(yè)和畜牧業(yè)，相比于抗生素而言，其安全系數(shù)更高。本文主要概述乳酸菌在畜禽養(yǎng)殖方面發(fā)揮益生功效的作用機(jī)制和應(yīng)用范圍，著重講述乳酸菌相較于其他主要畜禽養(yǎng)殖益生菌的優(yōu)勢(shì)以及劣勢(shì)，以及乳酸菌在種養(yǎng)結(jié)合中的運(yùn)用機(jī)制，對(duì)乳酸菌的未來(lái)發(fā)展和應(yīng)用前景提出展望。

表1 乳酸菌在畜禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用以及作用機(jī)理Tab.1 Application and mechanism of Lactobacillus in livestock and poultry production

表1 (續(xù))

1 乳酸菌在養(yǎng)殖方面的應(yīng)用

近年來(lái)，科學(xué)家根據(jù)乳酸菌的生物學(xué)性質(zhì)和分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)并建立了一系列乳酸菌表達(dá)系統(tǒng)。越來(lái)越多基因工程菌的成功研發(fā)將為無(wú)抗養(yǎng)殖帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益。在不同年齡及不同疾病階段中越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，乳酸菌的功能具有多樣性，如促進(jìn)機(jī)體生長(zhǎng)、改善胃腸道功能、提高機(jī)體免疫力、維持動(dòng)物腸道菌群穩(wěn)態(tài)等作用，并且具有對(duì)機(jī)體無(wú)毒、無(wú)抗藥性、無(wú)殘留、無(wú)副作用等優(yōu)點(diǎn)[2]。

1.1 豬中的應(yīng)用

乳酸菌在養(yǎng)殖應(yīng)用中可以改善仔豬斷奶應(yīng)激中易出現(xiàn)的腹瀉，并且使仔豬的死亡率也顯著降低[3]，向仔豬飼料中添加益生乳酸菌[嗜酸乳桿菌NCDC15(Lactobacillusacidophilus)和乳酸片球菌FT28(Pediococcusacidilactici)]能夠增強(qiáng)機(jī)體對(duì)飼料的轉(zhuǎn)化[4]。給仔豬飼喂雙歧桿菌M-602(Bifidobacterium)或嗜酸乳桿菌LAC-300，其哺乳和斷奶期間體重明顯增加，尤其在哺乳期間體重增加幅度比斷奶期間更加明顯。在飼糧中添加干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei)可以通過(guò)減少促炎性細(xì)胞因子和提高抗氧化能力來(lái)減輕脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)誘導(dǎo)的肝臟損傷[5]。

乳酸菌對(duì)機(jī)體的免疫系統(tǒng)具有一定調(diào)節(jié)能力，它們能夠通過(guò)調(diào)節(jié)抗病毒免疫反應(yīng)影響動(dòng)物健康，乳酸菌通過(guò)黏膜向機(jī)體傳遞抗原，刺激宿主體液免疫和細(xì)胞免疫等免疫應(yīng)答，增加血清中IgA、IgM和IgG含量，在提高宿主免疫水平方面具有顯著作用[6]。乳酸桿菌(Lactobacillus)能夠通過(guò)增強(qiáng)巨噬細(xì)胞活性、提高局部抗體水平、誘導(dǎo)干擾素產(chǎn)生和激活殺傷細(xì)胞來(lái)充當(dāng)免疫調(diào)節(jié)劑，達(dá)到激活特異性免疫的目的，從而可以有效預(yù)防畜牧養(yǎng)殖中病毒導(dǎo)致的大規(guī)模流感疫情[7]。德氏乳桿菌OLL1073R-1(Lactobacillusdelbrueckii)產(chǎn)生的細(xì)胞外多糖(extracellular polysaccharides)具有調(diào)節(jié)豬腸道上皮細(xì)胞的先天抗病毒免疫反應(yīng)功能[8]，并且具有改善腸道固有抗病毒反應(yīng)和保護(hù)腸道抵御病毒(如輪狀病毒)的潛力[9]。唾液乳桿菌CICC 23174(Lactobacillussalivarius)被發(fā)現(xiàn)能夠刺激腸道上皮細(xì)胞分泌免疫球蛋白，增加腸道免疫功能細(xì)胞如上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞和IgA產(chǎn)生細(xì)胞的數(shù)量[10]。

1.2 家禽中的應(yīng)用

給肉雞食用添加乳酸桿菌的日糧可以增加肉雞體重并提高肉質(zhì)[11]，增加營(yíng)養(yǎng)吸收以及內(nèi)源性消化酶的分泌[12]。乳酸桿菌會(huì)在雞胃腸道中定植，其代謝物質(zhì)會(huì)降低消化液的pH值，從而抑制大腸桿菌(Escherichiacoli)和其他有害細(xì)菌的增殖[13]，如沙門(mén)氏菌(Salmonella)、梭菌(Clostridium)和葡萄球菌(Staphylococcus)[14]，改變腸道微生物區(qū)系的組成，影響胃腸道微生物群平衡，增加有益細(xì)菌如雙歧桿菌屬數(shù)量。目前乳酸桿菌已廣泛用作飼料中的益生菌，經(jīng)過(guò)乳酸桿菌處理的雞提高了對(duì)胃腸道的保護(hù)率，乳酸桿菌的補(bǔ)充可降低血清中膽固醇含量以及減少氧化應(yīng)激[15]，有助于增強(qiáng)肉雞的免疫能力和生長(zhǎng)性能，以改善整體健康狀況[16,17]。

乳酸菌是家禽腸道微生物菌群的重要成員，它們定殖于消化系統(tǒng)的不同部分，通過(guò)刺激免疫系統(tǒng)，可以減少雞的腸道疾病。嗜酸乳桿菌(Lactobacillusacidophilus)和唾液乳桿菌刺激巨噬細(xì)胞產(chǎn)生一氧化氮(NO)并增加吞噬作用，同時(shí)兩者都增加了抗體介導(dǎo)的免疫應(yīng)答，用唾液乳桿菌處理雞會(huì)導(dǎo)致抗體反應(yīng)的持續(xù)增加從而使得細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)減少，膳食補(bǔ)充嗜酸乳桿菌可以調(diào)節(jié)一些細(xì)菌分類群的相對(duì)豐度，它可以恢復(fù)由產(chǎn)氣莢膜梭菌(Clostridiumperfringens)感染破壞的微生物群落，抵御腸道病原體，改善炎癥反應(yīng)并抑制某些病原體的增殖[18]。

1.3 反芻動(dòng)物中的應(yīng)用——青貯飼料

青貯飼料是一種用于畜禽的發(fā)酵飼料(如表1)，如肉牛、奶牛、綿羊、山羊和馬，通過(guò)天然或人工發(fā)酵保存草、豆類、農(nóng)業(yè)或工業(yè)副產(chǎn)品，是農(nóng)民全年確保足夠飼料儲(chǔ)備的重要技術(shù)[19]。這種青貯飼料具有良好的適口性、維生素含量和能量水平高、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)好，營(yíng)養(yǎng)成分強(qiáng)于干飼料等優(yōu)點(diǎn)[4]。青貯植物經(jīng)過(guò)壓實(shí)密封，內(nèi)部缺乏氧氣，乳酸菌在厭氧環(huán)境下將草料中的水溶性碳水化合物發(fā)酵成有機(jī)酸(主要是乳酸和醋酸)[20]，這種發(fā)酵由附生細(xì)菌實(shí)現(xiàn)，酸積累造成低pH值環(huán)境，抑制病原微生物的生長(zhǎng)，有利于防止青貯飼料質(zhì)變并保留其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[20,21]，并且這種發(fā)酵過(guò)程受到自身產(chǎn)生的乳酸負(fù)反饋的調(diào)節(jié)，導(dǎo)致發(fā)酵過(guò)程停止，隨后飼料進(jìn)入穩(wěn)定儲(chǔ)藏狀態(tài)，但此時(shí)原料中的糖分等營(yíng)養(yǎng)成分損失尚且不大。通過(guò)乳酸菌改善青貯植物蛋白質(zhì)保存(即降低的NH3-N)，可以增加瘤胃微生物蛋白質(zhì)的合成，提高動(dòng)物生長(zhǎng)性能(攝入量，增重和產(chǎn)奶量)[22]。研究證明部分乳酸菌可以用于青貯飼料添加劑[23,24](如表1)，例如植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)、布氏乳桿菌(Lactobacillusbuchneri)、嗜酸乳桿菌、短乳桿菌(Lactobacillusbreris)、鼠李糖乳桿菌、乳酸桿菌和屎腸球菌(Enterococcusfaecium)。用植物乳桿菌Chikuso-1和纖維素酶的混合物處理，對(duì)瘤胃降解具有有益的協(xié)同作用，添加纖維素酶提高源自草料纖維降解的水溶性碳水化合物作為乳酸菌生成乳酸的底物[25,26]。植物乳桿菌MiLAB393和植物乳桿菌MiLAB14產(chǎn)生抗酵母物質(zhì)以抑制青貯飼料的有氧惡化[27,28]，改善飼料質(zhì)量[29,30]。布氏乳桿菌是青貯飼料添加劑的優(yōu)勢(shì)菌種，它在筒倉(cāng)儲(chǔ)存期間緩慢地將乳酸轉(zhuǎn)化為乙酸和1,2-丙二醇，改善有氧穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)性能沒(méi)有影響，已發(fā)現(xiàn)布氏乳桿菌在發(fā)酵過(guò)程中通過(guò)厭氧降解乳酸來(lái)增加乙酸含量來(lái)改善青貯飼料的有氧穩(wěn)定性[31,32]。除此之外，乳酸菌還可以減輕牛乳腺炎[33]，具有抑制三種主要乳腺炎病原體[金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)、大腸桿菌(Escherichiacoli)和無(wú)乳鏈球菌(Streptococcusagalactiae)]生長(zhǎng)的能力，例如干酪乳桿菌BL23，它能夠損害金黃色葡萄球菌的粘附。在乳腺炎模型中，體外和體內(nèi)研究顯示乳酸菌具有抗炎特性[34]，它是通過(guò)細(xì)胞免疫和體液免疫機(jī)制保護(hù)人和動(dòng)物宿主抵抗粘膜感染[35,36]。

新生小?；旧鲜且环N單胃動(dòng)物，新生牛犢的粘膜微生物群和免疫系統(tǒng)尚未完全發(fā)育，它們對(duì)幾種粘膜病原微生物敏感，一旦免疫發(fā)育受損，更容易受到病原微生物的影響，早期斷奶會(huì)降低其對(duì)細(xì)菌感染的抵抗力并損害其生長(zhǎng)性能。由干酪乳桿菌DSPV 318T、唾液乳桿菌DSPV315T和乳酸片球菌DSPV 006T組成的牛源乳酸菌接種物可以改善新生牛犢的生長(zhǎng)性能[37,38]，維持胃腸道微生物平衡并增強(qiáng)免疫功能。在這種情況下，乳酸菌已在動(dòng)物生產(chǎn)中用作食品補(bǔ)充劑，特別是在新生動(dòng)物中，添加乳酸菌可以降低新生小牛死亡率[39,40]。研究表明攝入乳酸菌菌株使得宿主免疫系統(tǒng)能夠更快、更有效地對(duì)微生物感染作出反應(yīng)，因此作為食品補(bǔ)充劑，它能夠促進(jìn)牛的免疫預(yù)防[39,41]。

2 乳酸菌與其它主要畜禽養(yǎng)殖益生菌的比較

益生菌是嚴(yán)格篩選的微生物活菌株，當(dāng)以適宜的量施用時(shí)，改善宿主健康狀況[42]。益生菌可以在惡劣的條件下存活，抑制病原微生物生長(zhǎng)且增加有益細(xì)菌，提高腸道生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，它們還影響消化、代謝過(guò)程以及免疫反應(yīng)。因此，益生菌的特性可以改善動(dòng)物的健康，提高宿主的免疫力。

截止至今，現(xiàn)階段有35個(gè)種或亞種可用于食品發(fā)酵，目前生產(chǎn)中常用的菌種有乳酸菌、糞腸球菌(Enterococcusfaecalis)、酵母(Yeast)以及芽孢桿菌(Bacillus)。屬于乳桿菌屬和腸球菌屬的細(xì)菌是動(dòng)物消化道的天然微生物群的組分，并且通常分別以107～108和105～106CFU/g的量存在，而酵母和芽孢桿菌屬細(xì)菌通常不存在于胃腸系統(tǒng)中[42]。

乳酸菌相較于其他的益生菌有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。1)由于乳酸菌在厭氧環(huán)境下發(fā)酵過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生乳酸，以至于酸積累形成低pH值環(huán)境，抑制病原微生物的生長(zhǎng)且增加有益細(xì)菌，影響胃腸道菌群的平衡，保障畜禽的健康[13]；2)乳酸菌的生長(zhǎng)最適pH為5.5～5.8，是內(nèi)源性消化酶活性最佳條件[43]，可將不易吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行再度消化分解，有助于發(fā)酵飼料的利用率、風(fēng)味、質(zhì)地以及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，更好的提高動(dòng)物的食欲并且促進(jìn)消化[44]；3)乳酸菌對(duì)生理應(yīng)激條件具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，參與有益免疫調(diào)節(jié)反應(yīng)的化合物對(duì)病原微生物的拮抗反應(yīng)，有助于維持腸內(nèi)穩(wěn)態(tài)[45]；4)通過(guò)調(diào)節(jié)宿主的天然防御機(jī)制，乳酸菌分泌的代謝物已經(jīng)顯示出對(duì)許多癌癥的抑制作用，抑制癌癥的開(kāi)始以及進(jìn)一步惡化，改善凋亡和下調(diào)參與癌細(xì)胞增殖的基因[46]；5)乳酸菌可用于去除不同食品中的霉菌毒素，如黃曲曲毒素、單端孢霉烯和伏馬菌素[47]；6)從傳統(tǒng)發(fā)酵飼料分離出的乳酸菌可用于配制發(fā)酵食品，它們具有多種有利特性，例如預(yù)防腹瀉、抗過(guò)敏、對(duì)乳糖不耐受、降低血清膽固醇、控制輪狀病毒和梭菌、幽門(mén)螺桿菌等病原菌的生長(zhǎng)、降低結(jié)腸癌發(fā)病率，這將有助于預(yù)防或治療消費(fèi)者的疾病[47]。

從現(xiàn)有的研究上看，上述益生菌對(duì)宿主均是正面影響，但部分益生菌對(duì)宿主健康某方面存在不良影響，例如，糞鏈球菌是雞中淀粉樣蛋白關(guān)節(jié)病的野外病例中發(fā)現(xiàn)的主要病原體[48]，糞腸球菌2A(XJ05)基因組比糞腸球菌V583明顯小，但與其他非致病性糞腸球菌沒(méi)有顯著差異，攜帶4種抗生素抗性基因，包括氨基糖苷類，大環(huán)內(nèi)酯類，苯酚類和四環(huán)素類，與廣泛的耐藥表型結(jié)果一致。糞腸球菌2A(XJ05)還攜帶18個(gè)與毒力相關(guān)的新毒力因子基因，溶血素基因(cylA、cylB、cylM、cylL)可能在糞腸球菌2A(XJ05)的羔羊腦炎中起重要作用[49]，腸球菌屬細(xì)菌還可能參與抗生素耐藥性的傳播。蠟狀芽孢桿菌菌株能夠產(chǎn)生內(nèi)毒素和催吐毒素[42]。在斷奶仔豬日糧中補(bǔ)充酵母培養(yǎng)物、細(xì)胞壁水解產(chǎn)物和酵母提取物(統(tǒng)稱為“酵母產(chǎn)品”)的混合物可能會(huì)增加腹瀉的發(fā)生率，并對(duì)腸道形態(tài)和屏障功能產(chǎn)生不利影響[50]。

當(dāng)然，乳酸菌也并非均表現(xiàn)正面作用。在胃腺癌中，乳酸菌富集，已有研究證明乳酸菌是培養(yǎng)細(xì)胞產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species，ROS)的特別強(qiáng)的誘導(dǎo)劑,可誘導(dǎo)結(jié)腸細(xì)胞DNA損傷，同時(shí)也被證明乳酸菌會(huì)將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，導(dǎo)致大量的N-亞硝基化合物的形成，然而N-亞硝基化合物可促進(jìn)突變、血管生成、原癌基因表達(dá)抑制細(xì)胞凋亡。另外，乳酸菌通過(guò)碳水化合物的厭氧發(fā)酵產(chǎn)生代謝物丁酸鹽，并且為宿主細(xì)胞如結(jié)腸細(xì)胞提供重要的能量來(lái)源，盡管丁酸鹽已經(jīng)在一系列研究中顯示出有益的抗癌作用，但在正確的遺傳背景下，丁酸鹽能通過(guò)誘導(dǎo)異常上皮細(xì)胞的增殖來(lái)促進(jìn)癌癥的發(fā)生[51]。

3 乳酸菌在種養(yǎng)結(jié)合中的優(yōu)勢(shì)

種植與養(yǎng)殖相結(jié)合的模式是基于畜禽養(yǎng)殖中的糞便和有機(jī)物，為養(yǎng)殖業(yè)提供有機(jī)肥料的原料，同時(shí)，種植業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)作物可以作為為畜禽養(yǎng)殖的飼料來(lái)源的資源可循環(huán)農(nóng)業(yè)鏈，應(yīng)用到農(nóng)場(chǎng)中可持續(xù)發(fā)展使利益更大化。畜禽類動(dòng)物產(chǎn)生糞便經(jīng)過(guò)乳酸菌加工處理后從而形成優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料，青貯植物吸收利用有機(jī)肥料可提高作物產(chǎn)量以及質(zhì)量，增強(qiáng)植物對(duì)逆境的抵抗和忍耐能力，并且提高植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的利用率。另一方面，青貯植物通過(guò)乳酸菌發(fā)酵的促進(jìn)作用實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)青貯飼料，可以抑制畜禽腸道病原菌的生長(zhǎng)和繁衍，提高畜禽的免疫力，減少疾病發(fā)病率。青貯植物可以獨(dú)自發(fā)酵或者和糞便混合發(fā)酵作為無(wú)機(jī)肥，再施回土壤中，這樣不僅分解速度快、肥效耐久、作物易吸收，而且經(jīng)過(guò)發(fā)酵后的植物更容易儲(chǔ)存，不易腐爛。

4 總結(jié)與展望

目前，已有大量研究證實(shí)乳酸菌菌株的抗癌性和抗突變性。他們來(lái)自乳酸桿菌、鏈球菌屬和雙歧桿菌屬。這些乳酸菌菌株具有結(jié)合致癌化合物的良好能力，并且結(jié)合能力是菌株依賴性的，其與致癌化合物的結(jié)合位點(diǎn)位于細(xì)胞壁中，除蛋白之外，碳水化合物是主要的結(jié)合物。乳酸菌菌株細(xì)胞壁中有三類碳水化合物，除了磷壁酸和胞外多糖外，肽聚糖是主要的類型。疏水相互作用在結(jié)合中起重要作用，并且分子之間的結(jié)合主要通過(guò)氫鍵，pH影響乳酸菌菌株結(jié)合各種致癌化合物的能力，解毒作用取決于細(xì)胞濃度和致癌化合物的類型。對(duì)于未來(lái)，可精準(zhǔn)的篩選具有良好抗癌性的乳酸菌菌株，加強(qiáng)細(xì)胞模型和動(dòng)物試驗(yàn)的評(píng)價(jià)體系。為了評(píng)估結(jié)合效應(yīng)，應(yīng)開(kāi)發(fā)從不同菌株中純化這種肽聚糖類似物化合物的方法，以驗(yàn)證乳酸菌在去除宿主細(xì)胞中的各種致癌物中的作用，優(yōu)化乳酸菌菌株與致癌化合物的結(jié)合條件，以有效地消除食物和飼料相關(guān)環(huán)境中的誘變化合物。最近開(kāi)發(fā)的分子生物學(xué)技術(shù)有助于更好地了解益生菌菌株與腸道生態(tài)系統(tǒng)之間復(fù)雜的相互作用，基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)方法有助于深入了解腸道菌群與宿主腸上皮細(xì)胞和免疫系統(tǒng)之間的相互作用。有必要將分子分類學(xué)、現(xiàn)代微生物生態(tài)學(xué)、免疫學(xué)、胃腸病學(xué)、生理學(xué)和生物化學(xué)相結(jié)合，以獲得探索腸道微生物和宿主細(xì)胞之間相互作用的方法，應(yīng)該使用組學(xué)來(lái)研究乳酸菌菌株-致癌物-細(xì)胞系或動(dòng)物模型的機(jī)制，可能需要對(duì)乳酸菌菌株進(jìn)行一些基因修飾以改善抗癌性和抗突變性，有效預(yù)防畜牧養(yǎng)殖中致病菌導(dǎo)致的大規(guī)模流感疫情。