乳酸菌制劑益生特性及在畜牧業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

何江波,姚志芳,吳國(guó)芳，楊雨鑫,王 磊*

(1.青海大學(xué) 畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，青海 西寧 810016；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

1 乳酸菌制劑產(chǎn)生的背景

近年來(lái)，人們生活水平不斷提高，綠色食品理念深入人心，消費(fèi)者越來(lái)越關(guān)注肉類(lèi)產(chǎn)品中的抗生素殘留，無(wú)抗、替抗的呼聲日益升高。2019年7月10日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布第194號(hào)公告[1]，意味著抗生素類(lèi)飼料添加劑在2020年7月1日后將成為歷史，無(wú)抗養(yǎng)殖成為未來(lái)畜牧業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。微生物制劑以其綠色、安全、環(huán)保等特點(diǎn)作為替代抗生素的新型手段應(yīng)運(yùn)而生，其由一種或多種益生菌經(jīng)特殊加工工藝復(fù)配而成，可直接飼喂動(dòng)物，優(yōu)化動(dòng)物體內(nèi)的有益菌群，改善飼料營(yíng)養(yǎng)代謝和提高動(dòng)物機(jī)體免疫力，促進(jìn)動(dòng)物健康生長(zhǎng)，目前應(yīng)用較廣泛的微生物制劑主要有乳酸菌、酵母菌、芽孢桿菌等[2-3]。

乳酸菌廣泛存在于人和動(dòng)物的消化道、生殖道以及青貯飼料、乳制品等發(fā)酵物中，影響和改善動(dòng)物生產(chǎn)與健康[4-5]。乳酸菌根據(jù)其發(fā)酵產(chǎn)物的不同又可分為同型發(fā)酵乳酸菌和異型發(fā)酵乳酸菌，前者發(fā)酵產(chǎn)物為乳酸，后者發(fā)酵產(chǎn)物除乳酸外還產(chǎn)生乙酸、乙醇、二氧化碳等化合物，能有效抑制酵母菌、霉菌等好氧菌的增殖，在提高青貯有氧穩(wěn)定性中發(fā)揮重要作用[6-7]。

2 乳酸菌制劑益生功能

2.1 乳酸菌在消化道的粘附與定植

乳酸菌是動(dòng)物胃腸道中存在的正常微生物，其在消化道內(nèi)定植存活是發(fā)揮其益生作用的基礎(chǔ)和前提。乳酸菌穿過(guò)胃腸道后對(duì)上皮和粘液的粘附特性是反映其益生功能的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)之一，延長(zhǎng)了益生菌在腸道中的停留和發(fā)揮作用時(shí)間。乳酸菌通過(guò)與腸道粘膜上皮結(jié)合形成菌膜，從而干擾病原體與宿主結(jié)合并允許與免疫細(xì)胞的相互作用。對(duì)乳酸菌定植起決定作用的粘附素主要有脂磷壁酸、肽聚糖、細(xì)菌表面層蛋白、細(xì)胞壁毛緣等[8]。有研究結(jié)果表明，魯氏乳桿菌ZJ617的GAPDH蛋白是一種粘附成分，在與腸上皮細(xì)胞結(jié)合中起重要作用[9]。也有研究報(bào)道，乳酸菌細(xì)胞膜肽聚糖和脂磷壁酸與細(xì)胞粘附性能有關(guān)，表層蛋白中SlpA可以與纖維連接蛋白作用參與腸道定植[10]。人和動(dòng)物腸道分離的益生菌與源自食物和其他非常規(guī)來(lái)源的益生菌具有不同的粘附能力，腸道分離菌株通常比食源性分離菌株具有更高的粘附活性[11]。

2.2 產(chǎn)生有機(jī)酸、細(xì)菌素等抗微生物活性物質(zhì)

近幾十年來(lái)，人們對(duì)研究乳酸菌產(chǎn)生的活性物質(zhì)的興趣日益濃厚，乳酸菌抗有害微生物的能力通常被認(rèn)為是通過(guò)產(chǎn)生非特異性的抑制性代謝產(chǎn)物來(lái)發(fā)揮的，例如有機(jī)酸、細(xì)菌素、過(guò)氧化氫、多糖、短鏈脂肪酸、噬菌體等，通過(guò)與病原微生物或病毒直接相互作用、產(chǎn)生抗病毒抑制物質(zhì)或刺激免疫系統(tǒng)等多種機(jī)制發(fā)揮作用[12]。有機(jī)酸在消化道形成腸道酸性環(huán)境，抑制有害菌的生長(zhǎng)繁殖，有研究表明乳酸菌產(chǎn)生有機(jī)酸含量與其抑菌活性存在正相關(guān)性，說(shuō)明乳酸菌對(duì)病原微生物的抑制作用可通過(guò)產(chǎn)生的有機(jī)酸實(shí)現(xiàn)[13]。而且不同菌株之間有機(jī)酸水平存在差異[14]。苯乳酸是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一種新型抑菌物質(zhì)，有研究發(fā)現(xiàn)在乳酸菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基中添加苯乳酸前體苯丙酮酸有助于提高實(shí)驗(yàn)室菌株的抗真菌活性，并導(dǎo)致菌株聚乳酸的產(chǎn)生[15]。

細(xì)菌素是一種核糖體合成的小的、多為陽(yáng)離子的兩親性多肽，具有對(duì)密切相關(guān)的細(xì)菌種類(lèi)的抗菌特性[16]，細(xì)菌素被認(rèn)為是最豐富的抗菌素種類(lèi)之一，99%的細(xì)菌被認(rèn)為至少能產(chǎn)生一種細(xì)菌素，細(xì)菌素通過(guò)不同的機(jī)制抑制細(xì)胞的生長(zhǎng)，包括破壞細(xì)胞膜的完整性，以及通過(guò)DNA/RNA降解抑制基因表達(dá)和蛋白質(zhì)生產(chǎn)，從而干擾抑制敏感細(xì)胞生長(zhǎng)或殺死細(xì)菌[17]，也可以選擇性作用于靶細(xì)胞，通常用作食品防腐劑或抗生素補(bǔ)充劑[18]。

乳酸菌在一定條件下能夠代謝產(chǎn)生過(guò)氧化氫，作為一類(lèi)強(qiáng)氧化劑，能夠通過(guò)形成超氧化物陰離子破壞羥基自由基發(fā)揮抑菌作用。有結(jié)果表明，乳酸菌在細(xì)胞懸浮液中積累的過(guò)氧化氫在減少食源性病原體活細(xì)胞數(shù)方面非常有效[19]。乳酸菌的胞外多糖可作為腸道菌群的益生元底物發(fā)酵產(chǎn)生有機(jī)酸、短鏈脂肪酸、乙醇等，對(duì)于宿主健康很重要[20]。有研究發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌的粗糖提取物具有很好的抑制金黃色葡萄球菌的能力，其中發(fā)揮主要作用的就是胞外多糖[21]。李嘉文等[22]的研究表明篩選出的胞外多糖高產(chǎn)菌株嗜熱鏈球菌屬于益生菌。另外，乳酸菌細(xì)胞壁的主要成分肽聚糖也具有多種生物學(xué)活性，在增強(qiáng)動(dòng)物免疫功能、抗感染、抗腫瘤方面發(fā)揮重要作用[23]。同時(shí)，乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)生的CO2通過(guò)創(chuàng)造無(wú)氧環(huán)境抑制好氧菌的生長(zhǎng)繁殖。

2.3 促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收

胃腸道是動(dòng)物完成消化吸收的重要場(chǎng)所，乳酸菌作為消化道中酶的重要來(lái)源，涉及許多酶促反應(yīng)，例如脂解酶、蛋白質(zhì)水解酶、淀粉酶等[24]，能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的大分子化合物分解成為單糖和小分子肽，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，提高飼料利用率。乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)生的有機(jī)酸可以促進(jìn)胃腸蠕動(dòng)，也可以作為動(dòng)物能量來(lái)源。

2.4 調(diào)節(jié)機(jī)體免疫應(yīng)答

在健康狀態(tài)下，動(dòng)物胃腸道中的優(yōu)勢(shì)菌群為益生菌，但是當(dāng)營(yíng)養(yǎng)不良、使用抗生素或存在潛在疾病等因素時(shí)就會(huì)導(dǎo)致病原菌定植和入侵，此時(shí)需要對(duì)腸道菌群進(jìn)行優(yōu)化，乳酸菌是胃腸道疾病的天然、安全和有用的干預(yù)措施。乳酸菌通過(guò)在腸粘膜的定植，除了刺激機(jī)體產(chǎn)生抗菌肽等細(xì)胞因子，還能增強(qiáng)T淋巴細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞活性，激活腸粘膜中的巨噬細(xì)胞和NK細(xì)胞，從而增強(qiáng)機(jī)體細(xì)胞免疫和體液免疫功能。有研究發(fā)現(xiàn)，乳桿菌可以激活腸道固有淋巴細(xì)胞產(chǎn)生IL-22，并提高全身IL-22的水平，增強(qiáng)粘膜屏障功能[25]。Azad等[26]報(bào)道許多種類(lèi)的乳酸菌和雙歧桿菌能通過(guò)增加天然殺傷細(xì)胞的細(xì)胞毒性和巨噬細(xì)胞的吞噬作用而在先天免疫中發(fā)揮重要作用，并與腸上皮細(xì)胞、樹(shù)突狀細(xì)胞、Th1、Th2和Treg細(xì)胞相互作用來(lái)介導(dǎo)適應(yīng)性免疫反應(yīng)。

3 乳酸菌在畜牧業(yè)中的應(yīng)用

3.1 乳酸菌在青貯飼料中的應(yīng)用

青貯飼料是反芻動(dòng)物的主要粗飼料，乳酸菌作為青貯發(fā)酵過(guò)程中最重要的微生物，直接決定了青貯的成敗和質(zhì)量。為了改善傳統(tǒng)青貯技術(shù)，獲得高質(zhì)量和高消化率的青貯飼料，以促進(jìn)其有效利用，近年來(lái)，關(guān)于微生物添加劑青貯的研究應(yīng)用處于熱點(diǎn)領(lǐng)域，其通過(guò)人工控制技術(shù)篩選具有特殊特性的乳酸菌改善發(fā)酵過(guò)程，促進(jìn)青貯飼料的pH值迅速降低并防止需氧降解以提高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值并改善青貯飼料的穩(wěn)定性，還可作為減少腸道微生物疾病的工具[27-28]，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)青貯技術(shù)的缺陷，同時(shí)也為我國(guó)農(nóng)作物秸稈高效利用提供可行方案，促進(jìn)草食動(dòng)物產(chǎn)業(yè)發(fā)展。有研究結(jié)果表明，在新鮮稻草青貯中添加植物乳桿菌，提高了稻草青貯飼料的粗蛋白含量和體外干物質(zhì)消化率、乳酸含量和乳酸與乙酸的比例，降低了pH、乙酸、NH3-N和丁酸的含量[29]。目前關(guān)于乳酸菌的抗菌機(jī)制還有待進(jìn)一步研究，但已有研究表明乳酸菌屬、乳球菌屬、腸球菌等菌種都具有酯酶基因，對(duì)青貯病原菌存在潛在抗菌作用[30]。選擇青貯飼料接種菌的重要性不僅在于青貯飼料發(fā)酵的改進(jìn)，還在于它們對(duì)霉菌及霉菌毒素產(chǎn)生的影響。有研究表明鼠李糖乳桿菌能迅速降低pH值并抑制真菌生長(zhǎng)和霉菌毒素的產(chǎn)生，并且不存在抗生素抗性基因，顯示出其在動(dòng)物飼料中作為接種劑和生物防治劑的巨大潛力[31]。未來(lái)青貯飼料添加劑有望直接抑制梭菌等有害微生物，降低青貯飼料中霉菌毒素的水平，提高有氧穩(wěn)定性，改善細(xì)胞壁消化率，提高動(dòng)物對(duì)青貯氮和淀粉的利用率[32]。通過(guò)特異性菌種發(fā)酵的青貯飼料還具有傳遞益生菌的媒介功能，因此未來(lái)微生物青貯接種劑的研究要更多考慮菌種益生特性、對(duì)動(dòng)物的安全性以及高質(zhì)性等。

3.2 乳酸菌制劑在反芻動(dòng)物中的應(yīng)用

乳酸菌是反芻動(dòng)物瘤胃和腸道內(nèi)正常菌群的重要組成部分，其在反芻動(dòng)物中的應(yīng)用，一是作為青貯添加劑用于青貯發(fā)酵中制作優(yōu)質(zhì)粗飼料，二是直接添加到飼料中進(jìn)行飼喂，能起到增加動(dòng)物消化道有益菌群，防治腸道疾病，改善飼料營(yíng)養(yǎng)代謝的作用。乳酸菌作為可直接飼用微生物，足夠的劑量對(duì)促進(jìn)幼齡動(dòng)物消化道發(fā)育，減少病原微生物侵害，提高免疫力方面效果顯著[33]，Sandes等[34]通過(guò)對(duì)分離自健康犢牛的70株乳酸菌進(jìn)行益生潛能篩選，結(jié)果表明這些菌株除了能以不同的方式在系統(tǒng)水平上刺激適應(yīng)性免疫反應(yīng)外，還能在局部水平上定植于小鼠粘膜并觸發(fā)sIgA合成，這些具有益生菌特征的乳酸菌可作為直接飼用乳酸菌，促進(jìn)幼齡動(dòng)物健康并降低粘膜感染的嚴(yán)重性。有研究評(píng)估了通過(guò)乳酸菌口服給藥對(duì)山羊體重，腸道菌群的影響，結(jié)果表明，乳酸菌補(bǔ)充劑能夠通過(guò)減少腸桿菌如沙門(mén)氏菌和增加乳酸菌和雙歧桿菌來(lái)改變菌群平衡，同時(shí)還觀察到山羊體重的顯著增加[35]。

3.3 乳酸菌制劑在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的應(yīng)用

我國(guó)作為公認(rèn)養(yǎng)豬大國(guó)，未來(lái)我國(guó)養(yǎng)豬業(yè)必然朝著集約化、工廠(chǎng)化、高密度無(wú)抗生產(chǎn)體系發(fā)展。在高密度飼養(yǎng)條件下尋找飼用抗生素替代品顯得尤為重要。乳酸菌細(xì)菌素和益生菌制劑可替代抗生素，用于動(dòng)物飼料[36]。乳酸菌通過(guò)調(diào)節(jié)腸道環(huán)境，抑制或殺死胃腸道中的病原體，改善腸道中的微生物平衡，調(diào)節(jié)腸道粘膜免疫力并維持腸道屏障功能，從而有利于豬的健康，其作用的相關(guān)機(jī)制可能包括產(chǎn)生對(duì)胃腸道病原體和其他有害微生物有作用的殺微生物物質(zhì)，與病原體競(jìng)爭(zhēng)腸道上皮細(xì)胞表面和粘蛋白上的結(jié)合位點(diǎn)，以及刺激免疫系統(tǒng)等[37]。初生仔豬由于胃腸道和免疫系統(tǒng)尚未完全發(fā)育，容易受到病原微生物的侵襲或應(yīng)激反應(yīng)對(duì)仔豬產(chǎn)生負(fù)面影響，從而影響個(gè)體發(fā)育的全過(guò)程，有研究表明給新生仔豬補(bǔ)充乳酸菌可以調(diào)節(jié)仔豬腸道菌群的形成，從而有利于仔豬的健康[38]。仔豬在斷奶期間由于飼料和環(huán)境的變化通常容易發(fā)生腹瀉，研究者發(fā)現(xiàn)在飼料中添加適量乳酸菌可有效減少斷奶仔豬腹瀉，增強(qiáng)其消化能力和免疫能力，并促進(jìn)仔豬生長(zhǎng)[39]。成年豬具有成熟的消化系統(tǒng)，能分泌多種消化酶，具有較高免疫能力和抗病性，所以乳酸菌對(duì)成年豬的影響相對(duì)有限，但是仍有研究表明與飼喂加入抗生素的基礎(chǔ)日糧相比，飼喂加入乳酸菌混合物的基礎(chǔ)日糧，可提高生長(zhǎng)肥育豬的增重和降低死亡率[40]?？傊樗峋谪i生產(chǎn)上的研究和應(yīng)用數(shù)據(jù)表明，乳酸菌作為飼料中抗生素的替代品具有很大的潛力，但是其作用機(jī)制以及不同乳酸菌之間的相互作用有待進(jìn)一步深入研究。

3.4 乳酸菌在家禽生產(chǎn)上的應(yīng)用

隨著我國(guó)家禽業(yè)規(guī)?；?、集約化程度越來(lái)越高，在這種飼養(yǎng)條件下家禽對(duì)病原微生物抵抗能力更加脆弱，加上抗生素在畜牧業(yè)生產(chǎn)上的禁用，導(dǎo)致疾病發(fā)生頻率增加。因此，無(wú)害抗生素替代品的需求日趨強(qiáng)烈。乳酸菌是用作益生菌的常見(jiàn)微生物，也被認(rèn)為是在動(dòng)物生產(chǎn)過(guò)程中替代抗生素的一種選擇，可作為非抗生素生長(zhǎng)促進(jìn)劑。有研究通過(guò)篩選乳酸菌生產(chǎn)發(fā)酵飼料并制粒飼養(yǎng)肉雞，結(jié)果表明飼料中可消化氨基酸含量增加，肉雞生長(zhǎng)性能明顯改善[41]。日糧中添加乳酸菌還會(huì)影響腸道微生物種群，研究表明在雞日糧中添加嗜酸乳桿菌會(huì)促進(jìn)有益細(xì)菌，如乳酸桿菌屬、雙歧桿菌屬的存在，并減少潛在的有害細(xì)菌，例如大腸桿菌，梭菌和葡萄球菌[42]。乳酸菌的應(yīng)用除了提高生產(chǎn)性能，對(duì)改善畜舍環(huán)境也有積極作用，馬曉婷等研究顯示，在處于產(chǎn)蛋后期蛋雞日糧中添加150 mg/kg乳酸菌，能明顯提高產(chǎn)蛋性能，改善蛋品質(zhì)，降低發(fā)酵糞中NH3和H2S濃度[43]。有研究以戊糖乳桿菌LB-31為目標(biāo)菌株，用該菌株對(duì)肉仔雞進(jìn)行了飼養(yǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明，該菌株具有調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答的能力，對(duì)肉仔雞的形態(tài)生理、生產(chǎn)性能和健康指標(biāo)均有良好的影響[44]。

4 展 望

乳酸菌制劑作為在畜牧生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的微生物制劑，越來(lái)越多的研究和生產(chǎn)實(shí)踐都表明，它們對(duì)宿主的有益作用主要表現(xiàn)在競(jìng)爭(zhēng)性抑制有害菌的定植生長(zhǎng)，調(diào)節(jié)動(dòng)物胃腸道菌群平衡，刺激動(dòng)物機(jī)體的免疫反應(yīng)產(chǎn)生大量免疫球蛋白，增強(qiáng)機(jī)體免疫功能，代謝產(chǎn)生各種酶，提高飼料消化率，合成維生素等促生長(zhǎng)因子促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)。目前，乳酸菌等益生菌的安全性和持續(xù)性還需深入研究，未來(lái)，隨著人們對(duì)乳酸菌研究的不斷深入，不同乳酸菌制劑的作用機(jī)制將會(huì)更加明確，其功能也更加廣泛，應(yīng)用前景更加廣闊，將提高畜牧生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)畜牧業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。