益生菌制劑的調控機制及其在動物養殖生產中的應用
聯合國糧農組織(FAO)和世界衛生組織(WHO)將益生菌定義為“活性微生物,當其數量足夠時,將會有益于宿主健康”(Hill等,2014),其以一種或多種適當劑量隨動物飼料進入機體腸道后,可調節宿主胃腸道內有益菌群的微生態平衡,同時可提高機體生長性能和健康水平(李春慧等,2013;Eitahed等,2011);改善微生物生態系統養分合成及其生物可利用性,減少腸道感染的發生率,并在腹瀉的情況下恢復腸道菌群活性(Khalid等,2011)。與使用抗生素治療和預防感染性疾病相反,益生菌制劑的使用可增強動物的非特異性免疫力,提高畜禽對飼料的利用率,還能改善養殖生產環境,達到生態防治的目的(Sarangi等,2016)。目前,益生菌制劑被美國食品和藥物管理局歸類為GRA成分,養殖生產實踐也表明,其不僅能夠有效提高小型和大型反芻動物,豬、兔和家禽等的生產潛力(Kumar等,2016),還適用于大規模的工業生產,并且在畜牧業養殖生產的實際運用中也獲得了極佳的效益(姚淑紅,2016)。本文就目前所應用益生菌制劑的種類、在養殖生產中的作用及其調控機制作以綜述,以為益生菌在養殖生產中的合理應用提供一些參考。
1益生菌制劑的種類及其特點
益生菌的菌種主要有3類:乳酸菌類、芽孢桿菌類以及酵母菌類。此外,霉菌也可納入益生菌的范疇。
乳酸菌類主要應用的有嗜酸乳桿菌、糞鏈球菌和雙岐乳桿菌等(張德顯等,2009)。乳酸菌能夠抑制胃腸道內致病菌的生長繁殖并阻礙其代謝,維持腸道內微生態平衡,同時降低內毒素和血清中膽固醇的含量,促進機體消化,調節機體免疫功能,降低腸道的氧化應激損傷(李維等,2016)。
芽孢桿菌類常用的有芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌等。芽孢桿菌可以分泌蛋白酶、淀粉酶等,促進飼料消化吸收,同時產生抗菌物質,抑制有害菌的生長(任永軍等,2014),并且芽孢桿菌大多為好氧益生菌,因此能消耗機體腸道中的游離氧,產生大量有機酸,降低腸道內pH,為益生菌生長創造有利條件(蔡中梅,2016)。此外,芽孢桿菌抵抗力強,耐熱性強(Kosin等,2010),在飼料加工和運輸過程中不易失活(Cutting,2011)。
酵母菌類主要有釀酒酵母、啤酒酵母、假絲酵母和石油酵母等。酵母菌營養豐富,富含維生素、一些必需的礦物質以及飼糧纖維資源,其細胞壁中還含有葡聚糖和甘露糖等多糖(耿春銀等,2015),而葡聚糖可以增強巨噬細胞活性,促進免疫器官發育,增強機體免疫功能,并且酵母菌還能改善反芻動物瘤胃菌群結構和瘤胃環境,促進機體的消化吸收(金鑫,2016)。此外,酵母菌制劑中含有植酸酶,通過利用植物中的有機磷而減少糞便中有機磷的排放,改善養殖環境(李春慧,2014)。
霉菌常用的菌株有黑曲霉和米曲霉等,多用于飼料發酵方面(王建超,2016)。霉菌可以產生多種酶制劑和有機酸,還能有效代謝環境中的葡萄糖、核糖、甘露糖、半乳糖等單糖,提高飼料中糖類的利用率(殷嫻,2017)。
2益生菌制劑在養殖生產中的作用
2.1 提高生產性能
益生菌制劑提高動物生產性能的作用效果見表1。研究表明, 益生菌制劑能夠提高家禽和家畜的蛋、奶和肉類產量 (Kataria等, 2005) 。在反芻動物中, 益生菌制劑能促進瘤胃生長發育并豐富瘤胃中益生菌的多樣性, 增強微生物發酵作用, 從而提高反芻動物的生產性能 (邱權等, 2016) 。Raval等 (2013) 對哺乳期奶牛的研究顯示, 對照組和添加益生菌制劑組90 d的平均全脂產奶量分別為 (770.33±51.60) kg/頭和 (819.71±47.99) kg/頭, 累積脂肪產量分別為 (35.39±2.27) kg和 (43.07±2.20) kg, 結果表明, 在哺乳期奶牛飼料中添加益生菌制劑提高了脂肪含量和產奶量, 從而增強了奶牛的生產性能。在肉羊的飼養中添加益生菌制劑后進行試驗, 結果顯示, 在基礎飼糧中添加500 mg/kg和1000 mg/kg的益生菌制劑均能顯著提高肉羊的生長性能、營養物質消化率和肉品質 (楊華等, 2015) 。
在家禽生產中, 益生菌在家禽腸道中能產生家禽所需要的維生素和短鏈脂肪酸 (主要包括乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸、己酸和異己酸) , 參與家禽的生長代謝, 并且提高消化酶活性, 促進機體對營養物質的吸收, 從而提高生產性能 (陳曉帥等, 2017) 。Podolian等 (2016) 對肉雞的研究表明, 益生菌制劑的使用使肉雞體重增加了14.4%, 平均日增重提高了14.7%, 存活率提高了4%。李天杰 (2016) 研究顯示, 在蛋雞的日糧中添加益生菌有助于提高蛋雞的產蛋率和蛋品質。
益生菌制劑可以降低豬腸道中的pH, 產生多種消化酶、B族維生素、氨基酸、有機酸和促生長因子等多種生物活性物質, 這些物質會參與豬機體的新陳代謝, 提高豬的生產性能 (張曼, 2017) 。Yulevich等 (2017) 研究表明, 在仔豬日糧中添加益生菌制劑后其體重和日增重分別提高13.2%~18.7%和19.4%~39.2%。羅佳捷等 (2014) 對生長育肥豬的研究結果表明, 益生菌制劑不僅能改善生長育肥豬的生產性能, 還能有效替代抗生素。
在水產養殖動物中, 益生菌制劑能分泌活性物質并補充營養物質, 如酶類、氨基酸和維生素等, 這些物質可作為飼料的補充, 滿足動物營養需要 (高權新等, 2013) 。吳定心 (2016) 的研究結果顯示, 日糧中添加枯草芽孢桿菌能顯著促進對蝦生長, 并在一定程度上提高對蝦的產量。
2.2 提高飼料轉化率
益生菌制劑產生的淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等能降解植物性碳水化合物和飼料中的復雜物質, 使碳水化合物更好地被腸道吸收利用, 提高飼料轉化率 (靳涌濤等, 2008) 。Sadr saniya等 (2015) 對雌性水牛的研究發現, 補充了益生菌制劑的雌性水牛的平均日增重 (545.14 g/d) 顯著高于飼料中未添加益生菌制劑的對照組 (482.43 g/d) , 干物質和粗蛋白質的消化率也有顯著提高, 從而大大改善了飼料轉化率。該結果與Kumar等 (2010) 對雄性水牛牛犢的研究結果相同。Hung等 (2012) 研究表明, 凝結芽孢桿菌ATCC 7050顯著增加了乳酸桿菌的數量并提高了肉雞的飼料轉化率。
2.3 改善養殖環境
益生菌制劑能顯著提高全氮含量, 降低氨氮含量, 從而減少氨氮向氨氣的轉化量, 消除惡臭味, 改善養殖環境 (付曉政, 2014) 。在飼料中添加復合枯草芽孢桿菌制劑, 一方面可以抑制腸道中產生臭味細菌大腸桿菌的繁殖;另一方面制劑中的細菌素可以抑制腐敗菌的生長, 從而達到除臭除氨作用 (王君, 2007) 。丁文駿等 (2015) 研究表明, 巨大芽孢桿菌可降低脲酶和尿酸酶的活性, 從而緩解尿酸和尿素氮的降解, 降低雞舍內氨氣的濃度, 但過量的巨大芽孢桿菌也會使腸道菌群紊亂, 影響其除臭效果。Higgins等 (2008) 對肉雞的研究結果顯示, 乳酸桿菌能有效減少新生肉雞中的腸炎沙門氏菌, 減少蛋白質轉化成氨或胺, 從而凈化空氣中的臭味。張楠 (2013) 在鯉魚的飼料中添加益生菌制劑后發現, 枯草芽孢桿菌組和短芽孢桿菌組中浮游植物生物密度較對照組分別提高33.6%和48.7%, 表明益生菌制劑能有效降低水中化學需氧量和氨氮濃度, 改善水體透明度, 提高水中浮游植物生物密度。
2.4 防治疾病
益生菌細胞壁上的表面大分子會抑制或阻斷致病菌與受體結合, 非致病菌競爭性地占據黏附位點并爭奪營養物質從而抑制致病菌的入侵與繁殖, 不僅如此, 益生菌還能通過分泌大量的脂肪酸、過氧化氫、細菌素或多肽等物質抑制病菌的生長 (張英春等, 2012) , 從而防治疾病。蘇云 (2012) 的試驗結果表明, 日糧中添加乳酸菌和枯草芽孢桿菌均能顯著降低斷奶仔豬的腹瀉指數、腹瀉豬頭數和腹瀉率。Lojanica等 (2010) 研究發現, 益生菌制劑能顯著降低仔豬的死亡率。在對凡納濱對蝦的研究中, 劉泓宇等 (2014) 發現在飼料中添加益生菌可以提高對蝦的成活率并增強抗病能力。王紅琳等 (2017) 對肉雞的研究表明, 益生菌制劑大大提高了攻毒保護率 (40%) , 從而提高了肉雞的抗病力。
3益生菌制劑的作用機制
益生菌制劑主要通過補充或激活消化道內的有益菌并抑制有害菌的定植生長, 從而調節并改善機體代謝, 并且通過激活機體免疫系統 (體液免疫和細胞免疫) 以及改善養殖環境等來對動物產生作用。
3.1 營養調控機制
益生菌制劑能夠產生各種營養物質, 例如, 乳酸菌可以產生乳酸、乙酸、多種維生素和促生長因子, 為動物提供營養, 增強抗病能力;酵母菌能產生具有助消化及促生長作用的維生素、蛋白質和未知生長因子 (任科潤等, 2012) 。此外, 益生菌制劑還能分泌各種酶類, 像蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、纖維素酶等消化酶可以補充機體內酶的不足, 從而分解飼料中較為復雜的碳水化合物、蛋白質、脂肪等營養物質, 促進機體吸收, 提高動物生產性能和飼料利用率 (周曉輝等, 2016) 。Seyama等 (2016) 研究結果表明, 使用乳酸菌可增加泌乳牛腸道菌群的多樣性, 有助于提高生產力并預防人畜共患病。
3.2 生物奪氧理論
動物機體最初處于無菌狀態, 之后被需氧菌、兼性厭氧菌以及需氧菌先后定植。動物腸道中的致病菌多屬需氧菌或兼性厭氧菌, 而需氧菌及兼性厭氧菌在體內定植后, 迅速消耗大量氧氣, 使局部氧濃度降低, 形成厭氧環境, 抑制需氧菌及兼性厭氧菌的生長, 促使厭氧菌大量繁殖并在整個微生態系統中占據首要地位, 最終使腸道菌群達到平衡狀態, 從而預防疾病, 維持動物機體健康。
3.3 生物屏障理論
動物腸道中正常菌群構成強大的生物防御屏障,益生菌進入腸道后可促進有益菌的生長繁殖,同時與致病菌爭奪營養物質,抑制致病菌的定植,發揮生物屏障作用。益生菌還可以搶占致病菌黏附位點,形成一層生物保護膜,抑制致病菌與腸黏膜的接觸, 促使其隨糞便排出體外 (張英春等, 2012) 。此外,益生菌代謝產生的細菌素、乳酸、丙酸、H2O2以及其他活性物質等共同構成化學屏障,降低消化道內pH, 抑制有害菌的發生(肖宏德,2013)。
3.4 免疫調控機制
動物腸道是吸收營養物質的主要場所, 而腸黏膜是抵御病原微生物入侵的屏障, 益生菌制劑中的有益菌可以搶占致病菌在腸黏膜上的結合位點, 降低致病菌的危害 (Han等, 2004) 。益生菌的細胞壁含有免疫多糖類物質, 可以通過增加免疫球蛋白的生成, 刺激機體產生干擾素, 增強巨噬細胞、B淋巴細胞等的活性, 增強機體的體液免疫和細胞免疫能力, 改善機體的免疫水平 (田木, 2015) (圖1) 。而抗生素則會使動物機體產生抗病依賴性, 削弱機體本身的免疫能力。Gu等 (2014) 對豬腸道的研究表明, 枯草芽孢桿菌可通過促進緊密連接蛋白的表達, 增強豬腸道上皮屏障功能。
3.5 環境調控機制
益生菌制劑可通過提高日糧中粗蛋白質和干物質的消化率以及改善機體腸道優勢菌群, 減少氨氣的產生, 從而改善環境質量, 有利于動物健康 (付曉政, 2014) 。在水產養殖中, 益生菌可消耗利用水中的有機物、氨氮, 并利用硫化氫通過反硝化作用去除水中的亞硝酸氮, 從而改善水體環境 (李海兵等, 2008) 。Nimrat等 (2012) 在對蝦的飼養中加入復合芽孢桿菌后發現, 復合芽孢桿菌的使用顯著降低了水體pH、氨和亞硝酸鹽濃度, 有效改善了對蝦的生長環境。施加益生菌對蛋雞雞舍空氣環境影響的研究結果顯示, 飼喂益生菌極顯著降低了糞便中氨氣的釋放量, 從而改善了雞舍的空氣質量 (李萬軍等, 2012) 。
4益生菌制劑在養殖生產應用中存在的問題
盡管益生菌制劑在各類動物的養殖生產中發揮了很大在作用, 但在實際生產應用中仍然存在一些問題:
(1) 缺少益生菌制劑產品的用量、選擇和檢測等的統一標準, 菌種的選擇和檢測具有很大的隨意性, 因此無法真正發揮出益生菌制劑的效果 (蘇云, 2012) 。
(2) 菌種質量不穩定, 益生菌制劑菌種的活性是其發揮功效的基礎, 只有擁有足夠活菌數的益生菌制劑才能調節腸道菌群的生長繁殖 (Brittany等, 2012) , 而菌種在生產加工、運輸、保存、使用過程中容易失活, 影響其功效的發揮。
(3) 益生菌制劑與其他飼料添加劑聯合應用有可能產生拮抗作用, 大大影響益生菌制劑的效果。
(4) 雖然現有的益生菌臨床試驗沒有證明其增加風險性的證據, 但目前益生菌安全性的問題有待進一步研究 (Doron等, 2015) 。
(5) 益生菌制劑的機制大多是推測的, 例如, 一些研究表明益生菌的拮抗活性, 但大部分沒有提供關于如何對抗細菌病原體的有力證據 (Lazado等, 2014) 。
5益生菌制劑的應用前景和發展趨勢
近年來, 益生菌制劑作為飼料添加劑在養殖生產中發揮著積極作用, 發展前景非常廣闊。進一步加強研究腸道微生物的結構和活性, 腸道微生物之間的功能相互作用以及微生物和宿主細胞之間的關系, 以確定未來益生菌制劑發展的基本方向 (Uyeno等, 2015) ;綜合腸道微生物的最佳作用條件, 從環境溫度、配合飼料組成、畜禽生長階段和健康狀況等方面進行研究, 生產針對性強的專用益生菌制劑 (易中華, 2012) 。益生菌制劑的環境友好, 以及其良好的社會效益和經濟效益, 對其進行深入研發必將有益于養殖業的可持續發展。
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