益生菌类饲料添加剂概述

喻 婷邓 兵张金凤钱运国王丽霞周 华杨 宇叶胜强童伟文冉志平

（1.武汉市畜牧兽医科学研究所，湖北武汉430208；2.武汉多宝微生物技术有限公司，湖北武汉 430312）

提高肉类产品的品质和安全性是畜牧研究的一个重要方向。在过去的几十年里，抗生素被用作动物饲料添加剂抑制畜牧业疾病的爆发（Dibner等，2005）。然而，随着世界范围内人们越来越关注耐药菌产生和耐药基因传递的问题（Mathur等，2005；Salyers等，2004），欧盟在2006年1月1日起，禁止抗生素作为生长促进剂（AGP）在饲料中使用。动物饲料禁止使用抗生素后，一个主要的结果就是家畜坏死性肠炎在禁止使用抗生素生长促进剂的国家里有增加的趋势，治疗剂量的抗生素使用量增加(Casewell等，2003；Van Immerseel等，2004)，家禽产业受到了巨大的压力。

益生菌类饲料添加剂作为替代方案逐渐被人们所接受。它能够增强动物的天然防御机制，减少抗生素的大量使用。肠道内的微生态系统对宿主健康起着非常重要的调节作用(Tuohy等，2005)。肠道内微生态平衡能够有效抑制致病菌的生长，产生对机体有益的代谢产物（如维生素、短链脂肪酸等），并通过激活免疫系统抑制肠道炎症。

1 理想的益生菌

Fuller（1989）指出好的益生菌的特性：①是一个确定的菌株，并能在宿主动物体内发挥有益的作用，如促进生长或抑制疾病；②没有致病性，不产生毒素；③是活细胞，容易扩增；④能够适应肠道这种低pH值、含有大量的有机酸和胆汁的环境；⑤在普通条件下稳定，不易失活(Oyetayo VO等，2005)。同时益生菌还应该具有有益的生理效果，并证明对人是安全的，并能有效地黏附于肠道组织(Salminen,1998)。

1.1 乳杆菌属（Lactobacillus）

乳杆菌属是一个非常广泛的由多种菌组成的分类学单位，它包含100种以上的不同种菌，都属于乳酸产生菌（LAB）类。很多乳杆菌都是人和动物肠道微生物的重要组成菌，它们的存在是宿主所必需的。该属中的多种菌已被应用于食物和发酵产品中，被人和动物食用(Hammes,2007)。仅有非常少的报道说乳酸菌与人疾病有关，主要集中在L.casei和 L.rhamnosus。乳杆菌在动物中没有发现安全性问题。由于乳杆菌长期使用的历史，欧洲食品安全委员会（EFSA）提出一系列安全合格(QPS)的益生菌（见表1）(EFSA,2007)。

1.2 肠球菌属（Enterococcus）

肠球菌属属于乳酸菌类益生菌。肠球菌在天然食物制品中被发现，是人和动物肠道中的正常菌群。屎肠球菌（E.faecium）和粪肠球菌（E.faecalis）是人类肠道中最常见的两种菌，而动物肠道内，以屎肠球菌为主（Fisher等，2009）。这些益生菌被用于食物生产，如奶酪中作为益生菌，或作为青贮饲料添加物(Foulquie等，2006)。

1.3 芽孢菌属（Bacillus）

芽孢菌属是产芽孢的革兰氏阳性菌，普遍存在于土壤、水和空气中。芽孢菌属正常情况下并不是肠道微生物，是由于吃了染有芽孢菌的食物被带入肠道。有些芽孢菌属的芽孢被用作动物饲料添加剂、益生菌、替代农药保护植物和种子，但应用活的芽孢作为益生菌添加剂会出现一些问题，尤其是安全性问题（Sanders等，2003）。由于某些芽孢菌在动物饲料中的添加，使得它们的安全性得到EFSA的认可(EFSA，2007a)(表1)。由于很多芽孢菌属的细菌有潜在的产毒特性，所以作为益生菌的芽孢菌一定要确定其安全无毒素。

表1 质量安全的益生菌（数据来自欧洲食品安全委员会）

1.4 酵母菌属（Saccharomyces）

酵母菌属于肠道微生物。酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）普遍存在于自然界，在植物、水果和土壤中都能找到它的身影。酿酒酵母也存在于食物和发酵饮料中。S.boulardii是从荔枝皮中分离到的，它在分类学上并不很明确，它的生物特性类似于酿酒酵母。S.boulardii作为益生菌常被用于反刍动物和猪的饲养中。

2 益生菌的作用机制

益生菌主要通过3种机制促进机体健康：①改善肠道微生态环境；②附着于肠道黏膜表面，与肠道黏膜一同保护机体免受病原体感染；③通过与肠相关的免疫系统相互作用，调节免疫应答(Hooper等，2001)。目前的研究显示，每种肠道菌在促进宿主健康中都发挥着各自的作用。

2.1 肠道微生物群

动物肠道内的微生物群由多种微生物组成，其细胞数目可达1014个，具有非常广泛的生物多样性。在正常情况下，这些共生的益生菌为宿主提供营养，维持肠道内环境稳定。它们通过产生抑菌物质、封闭黏附位点、表达抗侵袭和抗毒素以及竞争限制性资源来抑制病原菌的感染。例如，肠道菌通过调节肠道pH值、氧化还原剂以及产生硫化氢等来产生抑制病原菌生长的抑制性环境。体外研究显示，益生菌产生的一些小分子物质，如乳酸、过氧化氢等，都能够抑制细菌的繁殖(Oelschlaeger,2010；Ng等，2009)。细菌素类物质是一类抗菌蛋白，分子量大于20 kDa，由乳酸杆菌和双歧杆菌的细菌产生。细菌素能够抑制乳酸杆菌外的其它细菌生长，甚至包括酵母菌和霉菌的生长。细菌素分为低分子量细菌素（LMWBs）和高分子量肽。其它一些益生菌也能产生抗菌物质。路氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri）产生的reuterin(又名3-羧基丙醛)是一种广谱的抗生素,不但可以抑制革兰氏阳性菌和阴性菌,而且对酵母、霉菌、原生动物和病毒都有抑制活性(Cleusix 等，2008；Schaefer等，2010)。益生菌通过消耗限制性营养物抑制潜在微生物的生长。如铁离子的消耗是大多数细菌所必需的，Lactobacillus acidophilus和Lactobacillus delbrueckii可将铁氧化物结合于细胞表面,E.coli Nissle也可螯合高铁或二价铁离子(Grosse等，2006)。某些益生菌能够抑制致病菌产生的毒素。Lactobacillus spp.可抑制肠出血性大肠杆菌E.coli O157:H7毒素Shiga toxin 2A，后者会引起宿主腹泻。Saccharomyces boulardii可抑制C.difficile毒素A通过ERK1/2和JNK/SAPK通路引起的炎症反应(Chen等，2006)，并可诱导产生特异性抗毒素A的IgA免疫应答和分泌针对毒素的蛋白酶(Qamar等，2001)。

2.2 促进肠道黏膜屏障完整性

益生菌黏附在肠道表皮黏膜，与表层蛋白受体接合，并通过提高黏蛋白和表面活性剂的分泌、降解肠道表面受体上的糖基、模拟寡糖受体等方式竞争肠道表面相似的受体，抑制致病微生物黏附(Oelschlaeger,2010)。益生菌通过介导黏蛋白表达、增强表皮细胞糖基化、增加分泌型IgA表达以及产生短链脂肪酸等方式增强肠道黏膜屏障。研究发现，短链脂肪酸具有促进肠道表皮细胞增殖、肠道黏蛋白产生、胰酶分泌和肠道蠕动等功能 (Isolauri等，2004；Wallace 等，2011)。而且，很多现象表明，益生菌通过调控细胞骨架和紧密连接蛋白磷酸化来维持肠道屏障完整性。Streptococcus salivarius var.thermophilus和L.acidophilus可增加肌动蛋白和闭合素蛋白的磷酸化 (Resta-Lenert and Barrett)；肠致病性大肠杆菌可使T-84表皮单层细胞裂解，E.coli Nissle 1917通过改变蛋白激酶C信号导致带状闭合蛋白-2的重排和放大，阻断肠致病性大肠杆菌的致病作用(Zyrek等，2007)。

2.3 对宿主免疫的调节

肠道益生菌持续与肠免疫系统相互作用，而免疫系统对益生菌刺激产生的信号和病原菌刺激产生的信号不同，所以益生菌刺激免疫系统后能起到保护作用(MacPherson等，2004)。研究显示，益生菌可诱导机体产生天然免疫应答和获得性免疫应答，使宿主分泌sIgA量增加、NK细胞活性增强，并且转录因子NF-кB和激活蛋白-1的活化而使细胞因子过表达(Kim等，2008)。同时也会表达免疫抑制类的因子，如具抗炎活性的IL-10、TGF-β以及激活Th细胞等（Rachmilewitz等，2004；Di等，2005）。益生菌还可通过与肠道表皮细胞膜上的Toll样受体相互作用发挥调节作用，并可调节肠道表皮细胞的凋亡前应答。益生菌与表皮细胞共培养，能够激活抗凋亡作用的Akt/蛋白激酶PKB，并通过TNF-α抑制前凋亡蛋白P38/丝裂原活性蛋白激酶（Neish等，2000）。但需要强调的是益生菌抑制凋亡的活性是短期的（Ukena等，2005）。

某些属的益生菌对免疫有特殊的调节活性。Lactobacillus rhamnosus GG能够下调 E.coli和 Bacteroides ovatus刺激产生的IL-8的水平(Zhang等,2005)。Lactobacillus casei能下调泛素-蛋白酶体通路相关的NF-кB介导的前炎症信号（Ng等，2009）。在其他的研究中，许多益生菌属都具有很好的抗炎活性。Lactobacillus spp.和Bifidobacterium spp.激活巨噬细胞产生大量的NO和前炎症细胞因子和抗病毒活性因子(Ivec等，2007)。此外，乳酸菌属通过诱导IL-12显著提高了NK细胞活性(Takeda等,2006)。研究发现，益生菌可以上调机体防御素的量。防御素是机体产生的天然抗菌肽。某些益生菌,如E.coli Nissle 1917、L.acidophilus、Lactobacillus fermentum 和 Pediococcus pentosaceus介导表达人防御素-2（Kabeerdoss等，2011）。

3 益生菌在养殖业上的应用

在小猪断奶期间，会涉及到肠道微生态环境的变化、营养组成的改变，时常会出现腹泻，影响小猪的生长和健康，这种腹泻是在仔猪断奶后第1周最容易出现的问题。过去，饲料中加入抗生素和金属离子（铜和锌）以防止断奶的仔猪腹泻。但由于抗生素大量使用引起耐药基因的扩散和耐药菌的增加，金属离子大量使用对环境压力日益增大，益生菌作为减少抗生素使用的替代方法越来越受到人们的关注。益生菌的使用可以减少病原菌的数量，改善肠道疾病，对断奶后仔猪的肠道机能失调的现象有很好的预防和治疗作用。

大量研究表明，新生小猪在使用益生菌制剂后能够明显降低肠毒性大肠杆菌引起的死亡（Genovese等，2003）。肠球菌（Enterococcus）是天然存在于动物肠道中的细菌。小猪从出生到断奶每日经口服屎肠球菌(Enterococcus faecium),可提高日增重并减少腹泻的发生(Zeyner等，2006)。肠球菌 E.faecium SF68，作为抗生素替代疗法被用于治疗痢疾(Bellomo等，1980；Lewenstein等，1979)。体外实验显示，它能够明显的抑制大肠杆菌、沙门菌属、志贺菌属和肠杆菌属的生长(Can－ganella等，1996;Lewenstein等，1979)。作为益生菌，E.faecium SF68能够在肠道内很好的生存。Spieler等（1996）的研究显示，E.faecium SF68能够通过猪的肠道并保持活性，在猪粪中，该菌的数量可达湿重1.8×108个/g。乳杆菌也是猪肠道内存在的常见菌，在小猪饲料中添加乳酸杆菌能够明显增加断奶后小猪肠道的乳酸菌数量，有益于小猪的健康，提高其存活率(Takahashi等，2007)。如L.rhamnosus GG能够有效改善小猪断奶后由E.coli K88引起的腹泻，调节肠道内微生态平衡，增强肠道特异性免疫，调节炎症细胞因子的产生(Zhang等，2010)。

在家禽饲养过程中，由于孵化条件、运输、饲料和饲养密度等原因，会出现免疫功能差，容易被肠道致病菌感染，从而影响家禽健康和食品安全的问题。肠炎沙门氏菌、空肠弯曲菌和产气荚膜菌都易感染鸡并通过食物链传播的致病菌，严重威胁着家禽和人们的健康(Humphrey等，2007)。益生菌抑制致病菌感染的策略能够维持肠道微生态平衡和宿主健康。家禽中益生菌的使用主要利用了益生菌对致病菌的竞争排斥。给刚孵化的小鸡使用益生菌能够成功地控制和减少沙门氏菌在肠道表面的生长，此外，益生菌的使用还能够保护小鸡，抑制空肠弯曲菌、利斯塔氏单胞菌、致病性大肠杆菌、小肠结肠炎耶尔森菌和产气荚膜芽孢梭菌等的感染(Nisbet,2002;Schneitz,2005)。

大量的性状优异的益生菌株被用于调节禽肠道菌群并抑制致病菌在肠道内生长，特别是乳酸杆菌的应用研究。研究主要针对菌种的体外筛选、黏附特性和抗微生物活性等（Patterson等，2003）。研究显示，乳杆菌为主的益生菌制剂能够有效帮助Salmonella enteritidis感染后小鸡肠道健康的恢复，减少致死。新孵化1 d的小鸡接种肠致病菌后，口服乳杆菌，能够使致死率从60%降低到30%（Hofacre等，2003）。乳杆菌的使用减少了扁桃体和盲肠内S.enteritidis的数量（Higgins等，2007）。乳杆菌L.johnsonii F19185对S.enteritidis也有相似的结果，同时对肠道中E.coli O78K80和Clostridium perfringens的生长也有显著的抑制（La等，2004）。一些研究显示，给刚孵化的小鸡喂食产芽孢益生菌的芽孢，如B.cereus var.toyoi，也能够降低S.enteritidis在肠道内的侵入和定植（Vila等，2009）。

益生菌的使用，不仅减少了致病菌对家禽的感染，有效控制食物传播疾病的发生，同时其营养作用对家禽的生长性状也有明显的促进作用,如增加屠体重,改善饲料转化率和肉质等。总的来说,益生菌制剂加入饲料中或是饮水中都能起到生长促进剂的作用，调节肠道菌群平衡及酶活力,促进肠道健康（Timmerman 等,2006）。研究报道，Lactobacillus acidophilus、L.casei、Bifdobacterium thermophilus和 Enterococcus faecium能够提高产蛋量和蛋的质量，并降低蛋鸡饲料消耗（Davis等，2002；Kurtoglu等，2004；Panda等，2008)。

4 结论

在世界范围内，抗生素作为饲料添加剂抑制养殖业疾病发生已经有50多年的历史。自从欧盟2006年1月起全面禁止后，尽管国内养殖业中抗生素仍在大量使用，但益生菌使用的比例也在逐年增加。从动物健康和福利、食品安全及人畜共患病的控制等方面考虑，益生菌在养殖业中的使用意义重大。与抗生素相比，益生菌在生产阶段的使用能够改善家畜营养吸收，增加饲料摄入和体重，抑制致病菌的生长和传播。益生菌的使用减少了致病菌，尤其是多重耐药菌在食物链中传播，有利于食品安全生产和人们的健康。

肠道微生物对维持肠道健康有着重要的作用，肠道中的微生物菌群具有多样性和相对稳定性的特点，它们通过与肠道黏膜的接触调节肠道免疫系统，并抑制外来致病菌感染和肠道疾病的发生。益生菌并非像抗生素一样通过杀死致病菌，而是通过调节肠道内环境，降低肠道疾病发生的风险，并通过调节机体免疫系统来减少疾病发生。虽然益生菌在致病菌感染后具有一定的治疗作用，但益生菌对于疾病发生的预防作用更为突出。

除了在疾病控制方面的应用外，益生菌在动物营养方面的价值也很突出。益生菌能够将饲料中的粗蛋白、纤维、脂肪酸分解为小分子物质，并产生大量的对机体健康有利的代谢产物，提高了饲料的利用率和营养价值，有效地促进动物的生长性能和健康状况。

很多属和种的益生菌都有相当长的食用历史，被证明是安全可靠的，然而在某些特定的属，如肠球菌属和杆菌属中，也存在能够引起疾病的细菌，在使用中应该更为慎重。