丁酸梭菌的來源、功能及其在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

黃秋連，王立超，周昕，王健，張嘉賓，曹陽

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)動物科技學(xué)院，大慶 163319；2.糧食副產(chǎn)物加工與利用教育部工程研究中心；3.黑龍江省寒區(qū)飼料資源高效利用與營養(yǎng)調(diào)控重點實驗室）

丁酸梭菌（Clostridium butyricum CB），又被稱作宮入菌、酪酸菌、酪酸梭菌和丁酸梭狀芽孢桿菌[1]。是由日本千葉醫(yī)科大學(xué)宮入近治博士在1933年從糞便中分離[2]。CB是常見的益生菌之一，在抗生素危害日益嚴重時，益生菌作為替代品已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在飼料中，能夠起到促進動物健康生長，減少環(huán)境污染，從而提高畜牧業(yè)的經(jīng)濟效益等作用[3]。對CB的功能及其用途等研究進行綜述。

1 來源

CB目前的主要來源有動物腸道、動物糞便、泥土等[4]。但牧草或飼料作物的青貯在發(fā)酵過程中，由于水分過多，壓窖不實等問題，導(dǎo)致不利于乳酸菌的發(fā)酵環(huán)境，難以產(chǎn)生足夠的乳酸，pH較高，包括CB等許多微生物都可以存活下來，在這樣的青貯樣品中會培養(yǎng)出一定數(shù)量的CB[5-8]。

1.1 動物腸道

王騰浩等[9]采用厭氧培養(yǎng)法從仔豬盲腸內(nèi)容物中分離出6株CB，經(jīng)多重抑菌實驗篩選鑒定得到產(chǎn)高活性抑菌蛋白的CB菌株ZJU-F1，具有良好的抗逆性和益生性，作為飼料益生菌制劑，有很大的應(yīng)用潛力。歐陽志周等[10]從仔豬盲腸內(nèi)容物中分離獲得1株CB，進一步研究表明，該菌株無毒且耐受高溫、酸和膽汁，同時可以促進豬腸道絨毛發(fā)育，具有作為微生態(tài)制劑的潛力。劉逸凡等[11]利用改良CB篩選培養(yǎng)基，從雞腸道中篩選鑒定出1株高產(chǎn)胞外多糖的CB，并命名為RO-07，研究表明該菌株對膽鹽、人工胃液和人工腸液都具有良好的耐受性，并且耐受氨基糖苷類抗生素。李圣杰等[12]從雞的腸道粘液中分離篩選獲得1株既高產(chǎn)淀粉酶又產(chǎn)酸的CB，且該菌株能產(chǎn)生芽孢，具有耐熱性能。

1.2 動物糞便

遲雪等[13]以牛糞、豬糞堆肥、玉米地土壤和腐木等混合物為分離源，篩選鑒定出1株可以降解纖維素產(chǎn)生丁酸的CB。李雯靜等[14]從羊糞中提取出1株具有較強的益生性和抗逆性的CB。趙建新等[15]從32位健康人的糞便中分離出4株CB，進行發(fā)酵能力試驗篩選出1株CB Z-10，產(chǎn)酸能力強、生長速度快且無毒，可以用于制造CB微生態(tài)制劑。楊帆等[16]從健康女性糞便中篩選出1株耐氧性CB菌株TK52，該菌株在限氧條件下，菌體濃度仍能達到較高的水平。

1.3 泥土

俄羅斯Kingi miyairi博士于1935年從人的糞便和土壤中成功分離出CB，并發(fā)現(xiàn)其代謝產(chǎn)物丁酸還能產(chǎn)生短鏈脂肪酸和氫氣，丁酸的產(chǎn)生被認為是益生菌的有益影響之一[17]。李清揚等[18]從東北的土壤樣品中分離篩選出1株耐低溫淀粉酶產(chǎn)生菌C-9，對菌株進行形態(tài)學(xué)、生理生化、16SrDNA測序鑒定為CB。夏會麗等[19]從河畔污泥中分離獲得1株CBHBUT-01，并對培養(yǎng)基進行優(yōu)化，提高了CB生長效率。

1.4 酒窖

袁華偉等[20]從酒廠窖池中分離篩選出1株高產(chǎn)丁酸菌株YD-4，經(jīng)16SrDNA測序鑒定為CB，其最適生長溫度和pH值分別為37℃和7.0，最適接種量為2%，菌體濃度達1.64×108個·mL-1，產(chǎn)丁酸量可達3.44 g·L-1。謝樹貴等[21]通過厭氧培養(yǎng)法、生理生化實驗和16SrDNA測序，從酒窖底泥中篩選出1株具有優(yōu)良益生特性的CB，有較強的抗酸、抗膽汁和抗生素能力，能顯著抑制腸道常見病原菌的生長，具有作為飼料微生態(tài)制劑的潛力。

2 分類

CB分類歸屬于梭菌屬，有芽孢，孢子卵圓，偏心或次端生，有鞭毛，能運動，為革蘭氏陽性厭氧桿菌[22]。梭菌屬可以分為嗜熱菌，嗜冷菌和嗜溫菌，其中CB屬于嗜溫菌。

3 形態(tài)及特性

CB一般單個或成對存在，通常為直桿狀或略微彎曲，寬0.6～1.2μm，長3.0～7.0μm。菌落顏色一般是乳白色或白色，表面形態(tài)直徑大約1～3 mm，呈略微不規(guī)則的圓形[23-24]。CB具有非常強的生存能力[25]，耐高溫，90℃不會使CB失活，溫度為36℃時最適合CB生長[26]；CB在酸性條件下能生存，即使在pH是1.0時仍能生存，但在pH為7.2時最適合CB生長[27]，所以CB在人工胃液、腸液和膽鹽中有較強的耐受性，不會失活[9]。

4 功能

4.1 增強免疫力

CB可激活機體免疫系統(tǒng)，提高免疫力，從而維持動物健康[28-29]。滅活的CB可激活小鼠自然殺傷細胞和巨噬細胞的細胞毒性圍產(chǎn)期奶牛的白細胞數(shù)量，結(jié)果顯示添加組中CD4+T細胞的數(shù)量顯著高于對照組。從而證明了把CB添加在飼料中，可以增加圍產(chǎn)期奶牛CD4+T細胞數(shù)量，提高小鼠的免疫能力[30]。Kohiruimaki等[31]在荷斯坦奶牛飼糧中添加CB后，對比細胞的數(shù)量，增強了奶牛免疫力。Li等[32]研究CB對腸屏障功能的影響，發(fā)現(xiàn)CB降低了感染產(chǎn)腸毒素大腸桿菌（ETEC）K88的豬的血清二胺氧化酶活性和d-乳酸濃度。而且，CB降低了血清和腸道中的IL-1β和IL-18水平，增加了IL-10水平。此外，CB還下調(diào)了NLRP3和caspase-1表達，但不影響凋亡相關(guān)的斑點樣蛋白表達。結(jié)果表明，在感染ETECK88后，CB增強了腸屏障功能，抑制了斷奶仔豬中與凋亡相關(guān)的斑點樣蛋白非依賴性NLRP3炎性體信號通路。證明了CB可能是通過提高腸屏障功能和減輕炎癥反應(yīng)對腸道健康產(chǎn)生有益作用。Qadis等[33]研究益生菌與外周血單個核細胞（PBMC）的功能的相互作用。結(jié)果表明，健康小牛的外周血白細胞可能通過胃腸道微生物群而受到刺激，口服益生菌治療后，瘤胃菌群總體穩(wěn)定。基于細菌的益生菌的5天重復(fù)給藥可以增強斷奶小牛的細胞免疫功能。

4.2 改善胃腸道黏膜

CB具有改善和修復(fù)胃腸道黏膜的作用[34]。Wang等[35]研究CB對小鼠實驗性胃潰瘍（GUs）的影響，結(jié)果顯示，CB顯著減少了胃黏膜損傷面積并改善了胃黏膜的病理狀況。在研究中使用的三種GU模型中，CB不僅降低了超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）活性，而且降低了MDA的水平。三種GU模型中的IL-1β，TNF-α和LBT4的積累均減少，而6-酮-PGF-1α則隨著CB的預(yù)處理而增加。證明了CB預(yù)處理對小鼠不同類型GU模型的抗氧化和抗炎癥作用。Zhang等[36]研究了肉雞中膳食脂質(zhì)和CB補充劑對循環(huán)脂質(zhì)和參與脂質(zhì)代謝的所選基因轉(zhuǎn)錄的影響，發(fā)現(xiàn)CB的添加顯著增加了空腸黏膜中腹部脂肪的脂蛋白脂酶（LPL）活性，同時也增加了肝型脂肪酸結(jié)合蛋白基因的表達。研究結(jié)果表明，飼喂CB的肉雞，其胸肌中脂肪含量增加可能是脂肪酸攝取增加的結(jié)果。

4.3 促進生長

CB不僅可以減少腸道中有害菌群的生長，還可以增加有益菌群，并且減少腸毒素。CB添加在飼料中，有提高飼料利用率的價值，其原理是減少抗營養(yǎng)因子，增加吸收效率。Takahashi等[37]把CB添加在斷奶仔豬和肉雞的飼料中，結(jié)果顯示CB可以顯著增加肉雞和斷奶仔豬的平均日增重（ADG）和飼料效率。廖秀冬等[4]在肉雞日糧添加CB，研究CB對其生長性能、抗氧化和免疫功能的影響，發(fā)現(xiàn)在1～21 d期間，所有補充CB的組都具有較高的ADG，并且添加CB組在21 d和42 d時的IgM濃度都高于對照組?？梢婏暳现刑砑覥B，不但可以增強肉雞的抗氧化能力和免疫功能，還能夠改善其生長性能。

4.4 調(diào)節(jié)腸道菌群

CB在腸道中會產(chǎn)生丁酸，具有調(diào)節(jié)pH的作用，從而影響有害細菌的繁殖[38]。但CB不能長期定植于腸道，需要經(jīng)常補充[39]。Araki等[40]研究表明CB有很強的粘附力，可以很快定植在腸道內(nèi)，迅速發(fā)揮作用，但是要經(jīng)常補充。賈麗楠等[41]研究發(fā)現(xiàn)CB經(jīng)腸道消化酶處理后，其活菌數(shù)顯著降低，說明要經(jīng)常補充CB才能更好地發(fā)揮效果。Miao等[42]研究CB補充劑是否在新生小鼠腸道菌群的調(diào)節(jié)和免疫系統(tǒng)的發(fā)育中起作用。結(jié)果顯示，補充CB組的子代與對照組相比，糞便中腸球菌屬的菌落數(shù)顯著減少，雙歧桿菌和乳酸桿菌菌落數(shù)顯著增加，腸道中分泌免疫球蛋白（sIgA）的水平和血清細胞因子的水平都沒有發(fā)現(xiàn)顯著差異?？傊?，給母乳喂養(yǎng)的母體小鼠使用CB能夠調(diào)節(jié)其后代的腸道菌群平衡。雖然，由于對sIgA水平和相關(guān)細胞因子影響不顯著，CB對1型與2型輔助性T細胞的平衡影響有限。但是，補充CB可能是改善后代腸道菌群和相關(guān)過程的安全方法。Long等[43]研究CB Sx-01和唾液乳桿菌C-1-3的聯(lián)合使用是否能改善小鼠血清的腸道健康，降低其血脂水平的實驗過程中，發(fā)現(xiàn)生長期小鼠的ADG在短時間內(nèi)趨于增加，其糞便中的總揮發(fā)性脂肪酸（VFA）和丁酸在14 d時均顯著增加，絨毛長度、結(jié)腸和盲腸黏膜厚度明顯改善，具有抗氧化能力、分解膽固醇能力、丁酸鹽產(chǎn)生能力的一些細菌的相對豐度增加，而一些病原菌的相對豐度在結(jié)腸中減少。此外，結(jié)果表明，兩種菌株聯(lián)合使用的有益效果高于單獨使用。總體而言，聯(lián)合使用CB Sx-01和唾液乳桿菌C-1-3可以顯著改善小鼠腸道健康并減少血清中的脂含量。這些影響的原因可能是除了它們自身的益生菌作用外，兩種菌株的聯(lián)合使用可以調(diào)節(jié)腸道菌群。

5 畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

5.1 丁酸梭菌制劑開發(fā)

CB不但可以單獨作為飼料添加劑使用，還可以與其他益生菌組合成復(fù)合菌使用。范磊等[44]在研究中發(fā)現(xiàn)CB制劑可以提高肉雞的ADG和采食量，減少料重比和腸道內(nèi)有害菌群（大腸桿菌），同時增加有益菌群（雙歧桿菌）。凌欣華等[45]試驗表明，把復(fù)合CB制劑添加在仔豬的飼料內(nèi)，增加了仔豬的增重比和料肉比。結(jié)果證明了在飼料中添加復(fù)合CB制劑能提高仔豬的生長性能，提高仔豬飼料的性價比，證實CB制劑可作為綠色添加劑進一步推廣使用。Imase等[46]研究表明CB制劑可以預(yù)防幽門螺桿菌和由于腸道微生物群異常引起的抗生素相關(guān)性腹瀉。

5.2 反芻動物的應(yīng)用

CB作為一種飼料添加劑，廣泛應(yīng)用于動物生產(chǎn)中。CB添加在飼料中不但可以改善動物腸道內(nèi)微生態(tài)環(huán)境，增強機體免疫功能，還可以減少動物腹瀉等腸道疾病的發(fā)生[47]。同時，CB可以產(chǎn)生丁酸，調(diào)節(jié)腸道菌群，促進腸道發(fā)育，增強機體的免疫力和抗氧化能力[48]。Qadis等[49]研究植物乳桿菌、屎腸球菌和CB組成的益生菌對荷斯坦奶牛瘤胃成分的影響試驗中，兩個益生菌組的瘤胃乳酸濃度均顯著低于對照組，對瘤胃VFA濃度無影響。在增加益生菌的情況下，小牛瘤胃中未檢測到植物乳桿菌和CB，而腸球菌屬保持不變。這些結(jié)果表明飼喂益生菌的小牛具有穩(wěn)定的瘤胃pH水平（6.6～6.8），可能是由于益生菌對瘤胃中優(yōu)勢菌的穩(wěn)定作用，這些細菌在瘤胃中消耗更多的乳酸。

5.3 單胃動物的應(yīng)用

鄭有秀等[50]研究表明，CB可以增加斷奶仔豬的空腸絨毛高度、隱窩深度，顯著提高其血清Ig A和Ig G的含量，證明了飼喂CB可以改善斷奶仔豬腸道結(jié)構(gòu)，并且有增強機體免疫功能的能力。Hayakawa等[51]向母豬使用CB，發(fā)現(xiàn)分娩時的窩重和恢復(fù)發(fā)情的比率分別顯著提高了17%和24%。此外，在泌乳后期，飼喂CB的母豬的采食量大于對照母豬的采食量。通過向新生仔豬使用益生菌改善斷奶后腹瀉發(fā)生率和生長性能，CB的使用改善了分娩母豬和斷奶仔豬的豬繁殖性能和應(yīng)激時長。

5.4 家禽的應(yīng)用

CB能夠改善畜禽腸道屏障功能，調(diào)節(jié)畜禽腸道菌群平衡，促進畜禽腸道發(fā)育，增強機體免疫功能，提高畜禽抗氧化力等[52]。

5.4.1 鴨的應(yīng)用

Liu等[53]在研究CB對北京鴨的生長性能、血脂代謝、肌肉形態(tài)、肉質(zhì)和脂肪酸的影響試驗中發(fā)現(xiàn)，日糧中補充CB增加了ADG，增加了抗氧化酶的活性，而丙二醛（MDA）和脂質(zhì)代謝物濃度降低，同時，補充CB可以增加鴨肉中的必需氨基酸、風(fēng)味氨基酸、花生四烯酸（AA）、二十二碳六烯酸（DHA）、二十碳五烯酸（EPA）和總多不飽和脂肪酸（PUFA）的濃度。日糧中CB可以有效地改善生長性能、脂質(zhì)代謝、肉質(zhì)、氨基酸和脂肪酸組成。因此，證明了CB作為可行的替代飼料添加劑，用于生產(chǎn)具有良好性質(zhì)。

5.4.2 雞的應(yīng)用

Liao等[54]在研究CB對肉雞抗氧化特性、肉質(zhì)和脂肪酸組成的影響試驗中發(fā)現(xiàn)，日糧中添加CB的雛雞與對照組相比，其肝臟中SOD活性較高，MDA濃度較低，腹脂率較低，而胸肌率較高。CB的補充增加了C20（1n-9）、C20（2n-6）、C20（3n-6）、C20（3n-3）、C20（4n-6）、C20（5n-3）、C22（6n-3）、總PUFA的濃度以及PUFA與飽和脂肪酸在胸肌中的比例。從而證明了CB可促進肝臟抗氧化狀態(tài)，降低血清膽固醇含量和腹脂率，改善肉雞的肉質(zhì)和脂肪酸組成。Zhao等[55]研究CB對肉雞腸炎沙門氏菌（SE）定植保護機制的試驗中，給試驗組喂食基礎(chǔ)飲食，口服CB（106cfu·mL-1）并感染SE（2×105cfu·mL-1）。結(jié)果表明，與陽性對照相比，試驗組雞肝臟、脾臟和盲腸內(nèi)容物的肉雞SE活菌數(shù)均顯著降低，感染2天后脾臟除外；試驗組的肝臟、脾臟和盲腸內(nèi)容物中IFN-γ、IL-1β、IL-8和TNF-α的產(chǎn)生均有不同程度的降低。定量實時聚合酶鏈反應(yīng)的結(jié)果進一步揭示了試驗組雞的炎癥通過下調(diào)TLR4、MyD88和NF-KB依賴性途徑而被CB減輕。這些研究表明飼喂CB可能是預(yù)防肉雞SE感染的合適替代品。Zhao等[56]在研究CB和屎腸球菌對肉雞生長性能、脂質(zhì)代謝和盲腸菌群的影響試驗中發(fā)現(xiàn)，補充CB增加了平均日采食量和ADG，增加了21日齡時血清胰島素水平，增強了42日齡時的肌內(nèi)脂肪含量、肝臟FAS活性，胸肌LPL活性和肝臟FAS、ME、ACC、胸肌LPL的mRNA表達。該研究表明，飼喂CB的肉雞肌肉內(nèi)脂肪含量增加可能是脂肪生成增強的結(jié)果。

5.5 改善環(huán)境衛(wèi)生

現(xiàn)在環(huán)境污染問題已經(jīng)被重視起來，其中畜禽糞便的排泄是主要的污染源之一[57]。無論是大型養(yǎng)殖場還是庭院家禽排出的糞便中都會含有大量的N、P、K和其他有機物。這些物質(zhì)隨著雨水和污水排到河流中，造成嚴重的水質(zhì)污染[58]。CB被添加在飼料中，不僅會增加腸道絨毛長度，還會產(chǎn)生多種有益于消化的酶類，增加了飼料的吸收率，減少了糞便中N、P、K的排放[59]。CB是一種更健康、綠色的添加劑，并且在減少對環(huán)境中土壤、水質(zhì)等污染的同時，也減少了藥物殘留等食品安全問題，對人類健康的保護具有重要意義[26]。

6 應(yīng)用前景

CB已經(jīng)被人們所重視起來，CB的產(chǎn)品也應(yīng)用在各個方面。在東北地區(qū)，青貯發(fā)酵過程中會產(chǎn)生CB，可以分離這些CB，制成添加劑應(yīng)用在飼料業(yè)中。CB作為新一代微生態(tài)制劑具有較強的穩(wěn)定原和適應(yīng)原，在飼料業(yè)具有較強的應(yīng)用前景。