丙酸桿菌及代謝產(chǎn)物在畜牧業(yè)中的研究進(jìn)展

丁美潔, 何萬領(lǐng)*, 丁小偉, 任振東

(1. 河南科技大學(xué) 動物科技學(xué)院,河南 洛陽 471023;2. 河南省河南岐伯實業(yè)有限公司,河南 鶴壁 456250)

丙酸桿菌(Propionibacterium)為放線菌綱,丙酸桿菌屬細(xì)菌[1]。其種屬中分離于奶酪的經(jīng)典丙酸桿菌是一種多代謝產(chǎn)物益生菌,為革蘭染色陽性厭氧菌。菌體微小,呈圓端或尖端的棒狀形態(tài),通常為單個、成對或鏈狀分布,以V或Y字形排列,菌體長約0.5～1.5 μm,不運(yùn)動,不產(chǎn)芽孢,最適生長溫度為30～37 ℃[2]。其代謝產(chǎn)物包括活性維生素B12、海藻糖、丙酸以及細(xì)菌素[3]。這些代謝物均具天然無毒的性質(zhì),在提高動物生產(chǎn)性能、泌乳性能,增加盲腸有益菌豐度,抑制有害微生物生長以及延長食品保鮮期等方面發(fā)揮著重要作用[4-7]。武笑天等[8]研究發(fā)現(xiàn),在產(chǎn)蛋高峰期京紅蛋雞飼糧中添加25 ug/kg維生素B12,可以顯著改善小腸組織形態(tài)、屏障功能及炎癥相關(guān)基因的表達(dá)量,表明該菌在改善家禽腸道健康方面具有研究價值。鄭雪麗等[9]通過發(fā)酵費(fèi)氏丙酸桿菌獲得丙酸桿菌代謝物,發(fā)現(xiàn)其對于大腸桿菌和沙門氏菌能產(chǎn)生良好的抑菌作用,表明該菌在防腐抑菌方面具有潛在應(yīng)用前景。

目前,在全面禁抗的大環(huán)境下,丙酸桿菌抑制病原菌生長的作用使其有望成為新型抗生素替代品,在應(yīng)對抗生素耐藥性和保護(hù)公共健康方面具有重要意義。另外,丙酸桿菌在自然界中分布十分廣泛,已普遍應(yīng)用于食品工業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。該文就丙酸桿菌代謝物在畜牧業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展作一綜述,旨在為其在畜牧領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供參考。

1 丙酸桿菌的代謝產(chǎn)物

1.1 維生素B12

維生素B12(Vitamin B12)是發(fā)現(xiàn)時間最晚,結(jié)構(gòu)式最為復(fù)雜的含鈷維生素[10],在人和動物體內(nèi)具有非常重要的作用,其生產(chǎn)方式主要包括化學(xué)合成與微生物發(fā)酵,由于鈷胺素的全化學(xué)合成需要經(jīng)過70多個步驟,工藝復(fù)雜,成本高昂。因此利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)維生素B12受到廣泛關(guān)注。丙酸桿菌是生產(chǎn)維生素B12的模式菌株,具有美國GRAS認(rèn)證[11],其可通過厭氧途徑,在鈷離子與5,6-二甲基苯并咪唑的誘導(dǎo)下合成一種結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、活性低下的B12前體物質(zhì)——脫氧腺苷鈷胺素,與氰化鈉反應(yīng)后生成穩(wěn)定的氰基鈷胺素[12]。丙酸桿菌批量生產(chǎn)維生素B12常采用液體發(fā)酵模式,杜威等[13]利用擴(kuò)張床原位吸附的半連續(xù)耦合發(fā)酵工藝,將維生素B12的產(chǎn)量提高到108.08 mg/L。近幾年,許多研究學(xué)者利用丙酸桿菌發(fā)酵食品,在不增加生產(chǎn)成本的情況下,使消費(fèi)者從正常飲食中獲取更多的維生素,不需再額外補(bǔ)充化學(xué)合成的維生素制劑[14-15]。Xie等[14]利用費(fèi)氏丙酸桿菌與短乳桿菌共同發(fā)酵谷物,發(fā)現(xiàn)費(fèi)氏丙酸桿菌可在大多數(shù)谷物中生成維生素B12,米糠中B12的產(chǎn)量最高,約達(dá)742 ng/g。

1.2 丙酸

丙酸(Propionic Acid)是一種天然存在的短鏈脂肪酸,又稱為初油酸,是可與水混溶的無色液體,具有輕微的腐蝕性與腐臭味[16-17]。丙酸桿菌主要通過Wood-Werkman途徑生成丙酸,在甲基丙二酰輔酶A羧基轉(zhuǎn)移酶和生物素-CO2復(fù)合物的存在下,丙酮酸轉(zhuǎn)化為草酰乙酸,草酰乙酸通過蘋果酸和富馬酸被還原成琥珀酸,琥珀酸被琥珀酰輔酶A合成酶乙?；癁殓牾］o酶A,琥珀酰輔酶A與輔酶B12(鈷胺素)和甲基丙二酰輔酶A變位酶合作轉(zhuǎn)化為甲基丙二酰輔酶A,然后導(dǎo)致丙酰輔酶A生成,輔酶A轉(zhuǎn)移酶作用釋放輔酶A,將其轉(zhuǎn)化為丙酸[18]。丙酸屬于天然高效、安全廣譜的天然防腐劑,丙酸及丙酸鹽類衍生物都具有較強(qiáng)的生物活性,可以抑制細(xì)菌、霉菌的生長,是青貯飼料防霉防腐的重要添加劑,在調(diào)節(jié)反芻動物血糖方面有一定作用[19]。目前,丙酸桿菌發(fā)酵生產(chǎn)丙酸也是天然防腐添加劑開發(fā)的熱點方向。

1.3 細(xì)菌素

細(xì)菌素(Bacteria)是一種在細(xì)菌代謝過程中由核糖體合成的多肽或蛋白類物質(zhì),具有良好的抑菌、抗菌作用,且不易產(chǎn)生耐藥性[20],其抑菌效果堪比抗生素。不同的是,細(xì)菌素能夠在細(xì)胞中完全代謝,無殘留,表明細(xì)菌素在天然防腐物質(zhì)的研究方面具有較大潛力[21]。丙酸桿菌屬的大多數(shù)菌種都能產(chǎn)生細(xì)菌素,目前已報道出的丙酸桿菌素有丙酸桿菌素F、PLG-1、Tl、SM1、Jenseniin G、PAMP、MicrogardTM等,能有效抑制細(xì)菌、酵母菌和霉菌[22]。羅欣等[23]發(fā)現(xiàn)用丙酸桿菌素溶液清洗綠豆芽,可有效抑制豆芽表面金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、志賀氏菌、沙門氏菌以及副溶血性弧菌的生長,并延長了豆芽的保存期。丙酸桿菌素屬于低分子量蛋白質(zhì),具有高度環(huán)境穩(wěn)定性,Jenseniin G在100 ℃下加熱2 min后仍能保持活性[24]。研究表明,丙酸桿菌素PLG-1在長期儲存后不會變質(zhì),可在4 ℃和-25 ℃的溫度下保持活性長達(dá)25周[25-26]。目前細(xì)菌素尚處于實驗室研究階段[27-28],臨床應(yīng)用相對較少,細(xì)菌素的使用可彌補(bǔ)化學(xué)防腐劑的弊端,或可成為新型天然防腐劑開發(fā)以及抗生素替代研究的一大突破口。

1.4 海藻糖

海藻糖(Trehalose)又稱蘑菇糖,是熱力學(xué)和動力學(xué)上最穩(wěn)定的非還原性二糖,存在于多種植物、無脊椎動物和微生物中[29]。海藻糖由2個吡喃型葡萄糖單體以α,α-1,1-糖苷鍵連接而成,具有獨特的對稱低能結(jié)構(gòu)。已知海藻糖有5種代謝途徑:OtsAB、TreS、TreYZ、TreP 和 TreT[30]。丙酸桿菌利用的是OtsAB和TreS途徑,Cardoso等[31]指出,P. freudenreichii 通過OtsAB途徑合成海藻糖,而TreS途徑負(fù)責(zé)其分解代謝。OtsAB途徑包括由6-磷酸海藻糖合酶和海藻糖磷酸酶催化的兩個酶促反應(yīng):6-磷酸葡萄糖先將UDP-葡萄糖轉(zhuǎn)化為6-磷酸海藻糖,然后在磷酸酶的作用下水解為海藻糖。研究表明,丙酸桿菌能在不同壓力條件下積累高水平的海藻糖,并且海藻糖能夠提高丙酸桿菌在代謝過程中的耐受能力,使菌體在響應(yīng)滲透、氧化和酸脅迫時增加海藻糖含量[31-33]。Cardoso等[34]發(fā)現(xiàn),丙酸桿菌在酸性環(huán)境中承受較強(qiáng)的pH梯度時,海藻糖可以維持其細(xì)胞膜的穩(wěn)定性,并且pH由7.0降低至4.7的過程中,海藻糖積累量幾乎增加了2倍,達(dá)到430 mg/g。

2 丙酸桿菌在畜牧領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 在飼料加工中的應(yīng)用

丙酸桿菌是一種優(yōu)質(zhì)的發(fā)酵飼料益生菌。丙酸和細(xì)菌素在抑制有害菌生長、延長飼料保存期和提高飼料營養(yǎng)品質(zhì)方面具有重要作用[35]。揣玉多等[36]使用乳酸菌、丙酸桿菌、酵母菌等多個菌種混合發(fā)酵奶牛精飼料,發(fā)現(xiàn)飼料粗蛋白的含量提高了19.47%,揮發(fā)性脂肪酸含量增加至23.25 g/kg,并且顯著減少了霉菌生長。董曉玲等[37]用丙酸桿菌接種青貯發(fā)酵完熟期的高油玉米秸稈,發(fā)現(xiàn)接種丙酸桿菌對玉米秸稈的青貯品質(zhì)和體外消化率均沒有顯著影響,但青貯飼料72 h產(chǎn)氣量和丙酸含量均高于對照組,并且在抑制霉菌方面效果較好。廖湘萍等[38]用丙酸桿菌發(fā)酵豆粕,發(fā)現(xiàn)在接種量 1.4 %、發(fā)酵溫度 37 ℃、發(fā)酵周期72 h的條件下,丙酸桿菌生長較好且產(chǎn)生最低抑菌效果。歐盟委員會[39]近期評估了P. freudenreichii DSM 33189 和 L. buchneri DSM 12856組成的青貯飼料添加劑,表明其具有較高的安全性,并且添加該菌劑的青貯飼料穩(wěn)定性更好,保存期延長了2 d,由此也證實了丙酸桿菌增加青貯料穩(wěn)定性的潛力。

2.2 在反芻動物中的應(yīng)用

最新的飼料添加劑目錄[40]顯示,產(chǎn)酸丙酸桿菌屬于可直接飼用微生物(DFM),可用于青貯飼料和牛飼料中。國家禁抗令頒布以來,DFM在畜牧業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。研究發(fā)現(xiàn),在反芻動物日糧中添加丙酸桿菌對瘤胃發(fā)酵、生產(chǎn)性能及健康均有正向作用。Luo等[41]使用多種丙酸桿菌與瘤胃液做體外試驗,發(fā)現(xiàn)丙酸桿菌增加了瘤胃液中的丙酸和丙酸鹽含量,減少了乳酸含量,有效降低了乳酸堆積發(fā)生酸中毒的風(fēng)險。Alazzeh等[42]在人工模擬瘤胃中添加丙酸桿菌P169,發(fā)現(xiàn)小劑量的菌液接種對體外甲烷產(chǎn)生量及丙酸生成量影響較小,無明顯變化。王亮亮等[43]在奶牛日糧中添加不同水平的丙酸桿菌,發(fā)現(xiàn)與對照組相比,奶牛產(chǎn)奶量分別提高4.08%、3.74%和10.97%,乳脂率略有提高。據(jù)報道,費(fèi)氏丙酸桿菌對泌乳期荷斯坦奶牛的產(chǎn)奶量和乳脂率均有提升效果[44]。Chen等[45]使用奶牛的瘤胃液和青貯飼料濃縮混合物作為底物,添加特氏丙酸桿菌后,最高減少了20%的甲烷產(chǎn)量,底物降解和總揮發(fā)性酸產(chǎn)量分別增加了8%和21%。Lawrence等[46]評估了費(fèi)氏丙酸桿菌與動物乳桿菌直接飼喂對奶牛生產(chǎn)性能的影響,發(fā)現(xiàn)試驗組可增加淀粉消化率,但差異極微,在增加飼料淀粉含量后,試驗組奶牛產(chǎn)乳量略低于對照組(33.2 kg/d對35.7 kg/d)。丙酸桿菌在反芻動物中的應(yīng)用已久,其提高瘤胃乳酸利用率、降低酸中毒的風(fēng)險、減少甲烷排放及能量流失的作用,反映出丙酸桿菌在提高反芻動物生產(chǎn)性能方面的優(yōu)勢。

2.3 在單胃動物中的應(yīng)用

丙酸桿菌在單胃動物領(lǐng)域的研究較少,作為新興益生菌株,其在單胃動物體內(nèi)的代謝機(jī)理與途徑尚不清晰。MARTINEZ等[47]用34只母雞做了體外試驗,發(fā)現(xiàn)26%的母雞體內(nèi)有丙酸桿菌的生長,并發(fā)現(xiàn)在體外盲腸中接種丙酸桿菌會使丙酸、乙酸等短鏈脂肪酸含量升高,丙酸桿菌還能與沙門氏菌競爭腸黏膜上的結(jié)合位點,減少沙門氏菌的生長。MARTINEZ等[48]還發(fā)現(xiàn),飼喂產(chǎn)酸丙酸桿菌菌液能夠顯著增加肉雞回腸的絨隱比,并增加回腸粘膜上杯狀細(xì)胞的數(shù)量,從而使中性黏蛋白表達(dá)量升高,但丙酸桿菌影響回腸黏膜的作用機(jī)制仍需進(jìn)一步探索。Luo等[49]發(fā)現(xiàn),飲水中添加詹氏丙酸桿菌能夠顯著增加平均蛋重,降低肉豆蔻酸、棕櫚油酸和全順式-11,14-二十碳二烯酸的含量,表明丙酸桿菌可安全應(yīng)用于蛋雞生產(chǎn),改善雞蛋脂肪酸含量。另外,有研究表明,丙酸桿菌在抵抗腸道炎癥方面有突出作用。NAIR等[50]發(fā)現(xiàn),費(fèi)氏丙酸桿菌能與禽類上皮細(xì)胞有效結(jié)合,抑制鼠傷寒沙門氏菌、海德堡沙門氏菌和腸炎沙門氏菌對雞腸黏膜的侵襲,在預(yù)防腸道病原感染方面有重要研究價值。Rabah等[51]發(fā)現(xiàn),費(fèi)氏丙酸桿菌乳酪培養(yǎng)物或牛奶超濾液培養(yǎng)物均可調(diào)節(jié)仔豬腸道炎癥基因的表達(dá),也驗證了丙酸桿菌預(yù)防腸道炎癥的作用,拓寬了其抗炎領(lǐng)域的研究前景。

3 展 望

近年來,丙酸桿菌作為多功能益生菌,受到眾多研究者的青睞。在畜牧領(lǐng)域中,丙酸桿菌的飼喂安全性已得到驗證,其分解代謝乳酸的能力在反芻動物飼喂領(lǐng)域展現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢,但在單胃動物體內(nèi)的作用機(jī)制有待探索。丙酸桿菌發(fā)酵飼料富集維生素B12也是一條新的研究途徑,既免去了B12繁瑣的提取步驟,又可利用其代謝生成的丙酸和細(xì)菌素提高發(fā)酵飼料防腐防霉的能力,降低成本的同時提高了飼料的營養(yǎng)價值,便于動物能夠從日常采食中增加維生素B12的攝入量。

隨著全球多方位可持續(xù)發(fā)展觀念的增強(qiáng),各領(lǐng)域都在進(jìn)行天然、環(huán)保、低能耗產(chǎn)品的研發(fā)與推廣,丙酸桿菌的益生特性能引領(lǐng)多種新功能性食品開發(fā),而且其發(fā)揮的炎癥調(diào)節(jié)作用在動物保健方面也具有潛在價值。從多種形式來看,丙酸桿菌的應(yīng)用研究前景較為廣闊。