凝結(jié)芽孢桿菌生物學(xué)特性、益生機(jī)制及其生物學(xué)功能

柯 軻，方 端，高 福，李 軍，秦 玉

(微康益生菌(蘇州)股份有限公司，江蘇 蘇州 215200)

0 引言

隨著抗生素耐藥性、藥物殘留等問題突顯，國(guó)家已于2020年全面實(shí)施“飼料禁抗”政策。凝結(jié)芽孢桿菌作為替抗微生態(tài)制劑之一，擁有獨(dú)特的菌株特性和保健功能，應(yīng)用效果也逐漸得到行業(yè)的認(rèn)可。從凝結(jié)芽孢桿菌生物學(xué)特性、益生機(jī)制和生物學(xué)功能三個(gè)方面進(jìn)行綜述，為畜牧生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 凝結(jié)芽孢桿菌及其生物學(xué)特性

1.1 凝結(jié)芽孢桿菌概況

凝結(jié)芽孢桿菌具有芽孢體形態(tài)耐高溫，營(yíng)養(yǎng)體形態(tài)產(chǎn)乳酸的特性。1974的第八版《伯杰氏鑒定細(xì)菌學(xué)手冊(cè)》將其劃分為芽孢桿菌屬。1980年，學(xué)術(shù)界根據(jù)其產(chǎn)生L-乳酸和凝結(jié)素的特性，將其命名為凝結(jié)芽孢桿菌(Bacillus coagulans)[1]。2004年，中國(guó)農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)了將凝結(jié)芽孢桿菌作為肉雞和生長(zhǎng)育肥豬飼料添加劑的申請(qǐng)；2018年，農(nóng)村農(nóng)業(yè)部將凝結(jié)芽孢桿菌的適用范圍擴(kuò)大至犬、貓。

1.2 凝結(jié)芽孢桿菌生物學(xué)特性

凝結(jié)芽孢桿菌屬革蘭氏陽(yáng)性菌，兼性厭氧，在30℃～55℃條件下均可生長(zhǎng)，其最適合生長(zhǎng)溫度為37℃～45℃、較嗜熱，最適宜生長(zhǎng)pH為6.6～7.0，適合在畜禽腸道中大量生長(zhǎng)繁殖[2-3]。

凝結(jié)芽孢桿菌為同型發(fā)酵乳酸菌，其代謝主要產(chǎn)生L-乳酸，同時(shí)含少量甲酸、乙酸、丙酸等[4]，具有與乳酸菌、雙歧桿菌相似的腸道益生功能[3]。此外，凝結(jié)芽孢桿菌代謝產(chǎn)抑菌物質(zhì)-凝結(jié)素，具有廣譜抗菌性，該抑菌物質(zhì)能耐高溫但對(duì)蛋白酶敏感，類似抗菌肽[5]。

凝結(jié)芽孢桿菌芽孢形態(tài)擁有很強(qiáng)的耐高溫特性。王金果等在模擬極限制粒溫度模型下，將凝結(jié)芽孢桿菌100℃水浴10 min，存活率仍能達(dá)到96.4%[6]。在實(shí)際80℃過制粒生產(chǎn)試驗(yàn)中，凝結(jié)芽孢桿菌的存活率達(dá)到92.9%[7]，與枯草、地衣芽孢桿菌的存活率相當(dāng)。

2 凝結(jié)芽孢桿菌的益生機(jī)制

2.1 消耗游離氧氣

凝結(jié)芽孢桿菌以芽孢體形態(tài)與食物一同進(jìn)入胃腸道，能在葡萄糖等萌發(fā)劑的作用下快速變?yōu)闋I(yíng)養(yǎng)細(xì)胞[8]。其兼性厭氧的特性，可在有氧環(huán)境中快速生長(zhǎng)繁殖，約30 min即可繁殖1世代。通過迅速消耗游離氧氣，創(chuàng)造胃腸道的無氧環(huán)境，有助于乳桿菌、雙歧桿菌的生長(zhǎng)定植。

2.2 產(chǎn)酸及抑菌素

凝結(jié)營(yíng)養(yǎng)體代謝產(chǎn)物以L-乳酸為主，降低胃部及后腸道pH值，抑制有害菌和腐敗菌的生長(zhǎng)繁殖。同時(shí)分泌抗菌肽類抑菌物質(zhì)，抑制大腸桿菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌等，起到調(diào)節(jié)菌群結(jié)構(gòu)的功能[9]，有助于幼齡動(dòng)物腸道優(yōu)勢(shì)菌群的定植，減少營(yíng)養(yǎng)性腹瀉。

2.3 代謝產(chǎn)酶

凝結(jié)芽孢生長(zhǎng)過程中分泌多種消化酶[10]，能通過生物酶解作用促進(jìn)大分子營(yíng)養(yǎng)的降解，有助于動(dòng)物對(duì)飼料營(yíng)養(yǎng)的消化。此外，乳酸、乙酸等物質(zhì)易與鈣、磷等形成有機(jī)礦物鹽[11]，提升畜禽對(duì)無機(jī)微量元素的吸收利用。

2.4 強(qiáng)化先天免疫力

凝結(jié)芽孢菌體表面含眾多活性抗原，能刺激機(jī)體非特異性免疫反應(yīng)，可提升腸絨毛自然殺傷細(xì)胞和吞噬細(xì)胞活力，增強(qiáng)sIgA分泌量[12]。菌體代謝產(chǎn)生的胞外多糖也具有抗氧化能力，能減少組織器官的炎癥反應(yīng)和氧化損傷。

3 凝結(jié)芽孢桿菌的生物學(xué)功能

3.1 促進(jìn)消化，改善生長(zhǎng)性能

完整的腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)和菌群結(jié)構(gòu)，是飼料營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能高效吸收利用的前提。日糧添加凝結(jié)芽孢桿菌有助于正常腸道微生物區(qū)系的形成，分泌大量消化酶協(xié)助大分子營(yíng)養(yǎng)的酶解，起到促進(jìn)消化吸收的作用。

周映華等在斷奶仔豬日糧中添加凝結(jié)芽孢桿菌，結(jié)果顯示試驗(yàn)組平均日增重顯著高于對(duì)照組，料肉比指標(biāo)較對(duì)照組提高了8.96%。Chen等在生長(zhǎng)育肥豬日糧中添加凝結(jié)芽孢桿菌，也得到類似的結(jié)果，證實(shí)其生產(chǎn)性能得到顯著提高[13]。

黃遵錫等在產(chǎn)蛋高峰期蛋雞日糧中添加凝結(jié)芽孢桿菌，不合格蛋的比例顯著降低，料蛋比指標(biāo)較對(duì)照組下降了4.37%，改善了蛋雞生產(chǎn)性能[14]。謝麗曲等在櫻桃谷肉鴨日糧中加入凝結(jié)芽孢桿菌制劑，經(jīng)過21 d試驗(yàn)期，料肉比指標(biāo)顯著降低，平均日增重也得到改善[15]。Zhou等在廣西三黃雞日糧中添加凝結(jié)芽孢桿菌，日增重和料肉比方面也得到了相同的結(jié)論，并且雞肉品質(zhì)得到提高[16]。

王彥波用含凝結(jié)芽孢桿菌日糧飼喂羅非魚。結(jié)果顯示，魚肌肉中鈣、磷和粗脂肪的含量均有提高，有利于促進(jìn)羅非魚的生長(zhǎng)[17]。此外，有研究表明凡納濱對(duì)蝦飼料中添加凝結(jié)芽孢桿菌，試驗(yàn)組的增重率和特定生長(zhǎng)率均優(yōu)于對(duì)照組，餌料系數(shù)和成活率指標(biāo)都得到改善。

以上試驗(yàn)結(jié)果均表明，凝結(jié)芽孢桿菌在畜禽、水產(chǎn)應(yīng)用中都起到了改善生產(chǎn)性能的作用。

3.2 抗氧化功能，提升機(jī)體免疫力

免疫系統(tǒng)是畜禽對(duì)抗外來病原的防御系統(tǒng)，而抗氧化能力是免疫防御相關(guān)細(xì)胞功能正常發(fā)揮的重要保障。一旦氧化應(yīng)激反應(yīng)驟增，機(jī)體將受到氧化損傷，甚至導(dǎo)致一系列炎癥反應(yīng)。因此，機(jī)體免疫功能基于平衡的抗氧化系統(tǒng)而建立。

有試驗(yàn)證實(shí)，凝結(jié)產(chǎn)生的胞外多糖能提高NK細(xì)胞活性，能提高動(dòng)物的體液免疫和細(xì)胞免疫水平，具有抗氧化能力。謝麗曲等試驗(yàn)同樣證實(shí)，日糧中添加凝結(jié)芽孢桿菌能顯著提高櫻桃谷鴨血清谷胱甘肽過氧化物酶活性[15]。Kwaku等的研究表明，凝結(jié)能顯著提高血清肝臟抗氧化酶活性，并降低MDA含量，從而抑制氧化損傷誘導(dǎo)的相關(guān)疾病[18]。研究發(fā)現(xiàn)，飼喂凝結(jié)芽孢桿菌可顯著提高血清IgG和IgM的含量。Pan等研究發(fā)現(xiàn)，飼喂凝結(jié)芽孢桿菌30 d后，石斑魚和斑馬魚體內(nèi)幾種與免疫相關(guān)的基因的表達(dá)量顯著提高，可有效抵御創(chuàng)傷弧菌的感染[19]。

綜上所述，日糧中的凝結(jié)芽孢桿菌對(duì)于畜禽抗氧化損傷、提升免疫力具有促進(jìn)作用。

3.3 抑制病原菌，調(diào)節(jié)消化道的微生態(tài)平衡

病原菌在腸道中大量繁殖后，會(huì)產(chǎn)生多種腸毒素、損害腸黏膜，最終引起腸道炎癥感染，危害畜禽健康。凝結(jié)芽孢桿菌通過與有害菌競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合位點(diǎn)、競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)，從而抑制病原菌的繁殖；同時(shí)通過產(chǎn)酸、耗氧、產(chǎn)抑菌素等途徑，刺激腸道固有菌的生長(zhǎng)，甚至使失調(diào)的腸道菌群正?；?。

高書鋒等(2015)將凝結(jié)芽孢桿菌復(fù)配到斷奶仔豬日糧中，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)組平均日增重提高13.38%，糞樣大腸桿菌數(shù)量降低92.87%，沙門菌數(shù)量降低85.96%，乳酸菌數(shù)量提高130.43%，平均腹瀉率降低71.21%，試驗(yàn)組糞樣氨氣含量降低5.69%。黃遵錫也對(duì)28日齡斷奶仔豬開展了凝結(jié)芽孢桿菌對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果在平均日增重和料肉比方面，也得到了相似的試驗(yàn)結(jié)果[20]。Lan R等的研究結(jié)果證實(shí)，凝結(jié)芽孢桿菌能顯著提升腸道乳酸菌數(shù)量[21]。蔣小豐的試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)，凝結(jié)芽孢桿菌降低大腸桿菌與乳酸菌的比值，起到了降低乳仔豬腹瀉率的作用[22]。Hung等試驗(yàn)結(jié)果表明，其篩選的凝結(jié)芽孢桿菌能提高肉用仔雞的飼料轉(zhuǎn)化率，增加空腸乳酸菌數(shù)量并減少大腸桿菌數(shù)，調(diào)節(jié)腸道微生物的菌群平衡[23]。

以上結(jié)論相似的研究均表明，凝結(jié)芽孢桿菌在抑制病原菌、調(diào)節(jié)腸道菌群方面具有確切的生物學(xué)功能。

4 結(jié)語

凝結(jié)芽孢桿菌是近期市場(chǎng)的熱門益生菌，其耐高溫、產(chǎn)乳酸的特性已被眾多試驗(yàn)證實(shí)，在養(yǎng)殖實(shí)踐中也具有良好的應(yīng)用效果。但由于發(fā)酵凝結(jié)芽孢的工藝技術(shù)整體落后，市場(chǎng)凝結(jié)芽孢菌劑活菌數(shù)相對(duì)偏低、品質(zhì)良莠不齊，較高的添加成本制約其廣泛應(yīng)用。

近些年伴隨著發(fā)酵技術(shù)的不斷更新迭代，微康益生菌已將活菌數(shù)高達(dá)2 000億CFU/g的凝結(jié)芽孢菌劑推向畜牧市場(chǎng)，大大降低了使用成本，滿足農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)需要。加之國(guó)家對(duì)綠色循環(huán)產(chǎn)業(yè)的大力推進(jìn)，相信在畜牧業(yè)后抗生素時(shí)代，凝結(jié)芽孢桿菌將發(fā)揮出巨大的應(yīng)用潛力，助力綠色、有機(jī)畜牧業(yè)發(fā)展。