微囊化技术在饲用微生态制剂中的应用

张 琳，李 杰，刘延国，栗 敏

（东北农业大学动物营养研究所，哈尔滨 150030）

微囊技术是指生物活性物质（酶、蛋白质、激素及组织细胞等）包埋在具有选择透过性的膜中，允许营养物质、氧气及具有生物活性的一些小分子物质进出，同时阻遏大分子抗体及免疫细胞通过半透膜。制备微胶囊的过程称为微胶囊化。目前，微囊技术广泛应用于医学、轻工、石化、食品、农业生物技术领域中。微生态制剂又称活菌制剂、益生素等，是人工分离正常的菌群，并通过相关工艺制成的活菌制剂，是无毒、无残留、无耐药性、成本低、效果显著的抗生素替代品，但由于其抗逆性较差，因此在不良环境下易丧失益生特性。大量研究发现，微胶囊化生产的饲用微生态制剂的应用效果明显得以改善，微胶囊化生产的饲料添加剂已经是国际饲料现代工业中的重要配料之一[1-2]。

1 微胶囊技术

微胶囊技术的研究与应用开始于20世纪30年代，大西洋海岸渔业公司，以明胶作为壁膜材料，制备出鱼肝油明胶微胶囊。Lim等于1980年研究出海藻酸钠-聚赖氨酸-海藻酸具有“三明治”结构特点的微胶囊，使微胶囊技术在医学上的应用带来了突破性进展[3]。微胶囊可包裹不稳定化合物及易挥发的气体或液体，其在医学、生物制品、肥料、高分子材料助剂等领域应用广泛，其在饲料行业也有一定程度的研究与应用，但尚处于起步阶段，具有广阔的发展空间。

1.1 技术原理

球状微胶囊的直径在几微米到几百微米，由壁材和芯材构成。壁材是包裹、制作微胶囊所需的材料，是决定微胶囊性能的关键因素。其对内部的芯材起到保护作用。常用壁材材料为半合成高分子材料、全合成高分子材料、天然高分子材料及无机材料，天然材料因其生物相容性好、成模性好、免疫原性低、可降解及其本身和产物无毒等特点，是最常用制备微胶囊的材料。选用壁材时要根据芯材的作用部位、方式及特点进行选择。

1.2 释放特点

靶向性是微胶囊技术的主要特点之一。囊芯物质可在特定的位点释放，提高其利用效率，减少过程中不必要的损失。释放的方式主要有：在一定条件下，微胶囊受到溶胀、摩擦等作用，囊膜破裂后释放出芯材；处于液体中的微胶囊因其内外浓度不同，囊芯物质在不同浓度梯度力的作用下释出；在微生物、酶、酸或碱的作用下囊膜降解，芯材释出。微胶囊要在特定的条件下释放出内容物，达到某种特殊效果，因此生产方式与壁材的选择是至关重要因素。

2 饲用微生态制剂

2.1 微生物制剂的发展

微生态制剂可分为益生素、益生元、合生素等[4]。微生态制剂发展历史悠久，早在1908年俄国的微生物学家首先提出乳酸杆菌具有抑制大肠杆菌的作用。Mollgaard于1947年发现乳酸杆菌饲喂仔猪可改善仔猪的健康情况，显著增加仔猪体重，是微生态制剂首次应用于畜牧领域。Parker于1974年提出的和“抗生素”相对应的新概念，其可直接饲喂动物，能够有效的调节动物肠道微生态环境，从而达到促进动物生长和提高饲料利用率等。So⁃rokulova于1998年，发现益生菌显著提高巨噬细胞活性。我国农业部于1999年公布了12种饲料级微生物菌种，目前可用于微生态制剂的微生物种类主要包括芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌、光合细菌、放线菌等，年使用量约达1 000 t。

2.2 微生物制剂的作用机理

微生态制剂中的活菌是环境微生物的成员，具有分解性、繁殖性、定植性和排他性，能够进入自然微生态区系中对非正常菌群产生分解或颉颃作用，其作用机制主要包括：调节胃肠道微生物区系的平衡，在正常情况下，胃肠道微生物的优势菌群在微生态系统中起着关键性作用，并维持消化道内菌群的平衡，但在某些应激状态下，菌群平衡状态被打破，有害细菌大量繁殖，导致动物消化吸收能力减弱、营养缺乏、产生疾病，加入微生态制剂后，有益菌可与有害细菌争夺营养素、氧气及附着位点，使有害菌得以抑制，胃肠道微生物区系达到平衡状态；生物颉颃作用，有益微生物可产生有机酸和细菌素抑制、杀死病原菌；提供营养物质、促进消化，微生态制剂中的益生菌能够合成氨基酸、维生素K及消化酶等有利物质，如乳酸菌可促进微量元素与常量元素的吸收，芽孢杆菌具有淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶的活性，可降解复杂的碳水化合物；提高免疫力，微生态制剂能够提高巨噬细胞活性，促进动物的细胞免疫和体液免疫，提高机体免疫功能，如酿酒酵母可分泌甘露聚糖寡糖，甘露聚糖寡糖可被胃肠道表面的M细胞或树突样细胞吸收，可直接作用于免疫细胞；降解有毒物质，有益菌可提高蛋白质利用率，减少氨、胺的生成，同时减少了氨向外界的排放量[4-6]。

2.3 微生物制剂在畜牧生产中的应用

2.3.1 精饲料

在母猪泌乳不足与仔猪的快速生长阶段，在仔猪教槽料中添加微生态制剂对锻炼仔猪消化道功能和提高仔猪的生产性能十分重要。有研究证明，微生态制剂是通过降低胃肠道中有害菌数量，提高有益菌数量，达到促进动物健康的目的[7-8]。研究发现，在仔猪的教槽料和保育料中分别加入微生态制剂（枯草芽孢杆菌、乳酪杆菌和异常汉逊酵母）0.01%和0.05%，结果显示，仔猪的腹泻率和死亡率显著降低（P＜0.05）；在断奶仔猪的保育料加入微生态制剂0.05%，结果显示，仔猪胃、空肠、结肠、盲肠中乳酸菌数量显著升高（P＜0.05），胃和盲肠中的大肠杆菌数量显著减少（P＜0.05），因此，微生态制剂有益于维持仔猪胃肠道微生态区系的平衡，降低消化道疾病的发生率[9]。有研究探讨日粮中添加微生态制剂（芽孢杆菌、酵母菌、乳酸菌等）对3月龄豪猪的料重比和日增重及血液生化指标的影响，试验期28 d，结果显示，试验组豪猪的料重比降低、日增重增加；谷草转氨酶、谷丙转氨酶降低，尿素氮、球蛋白、白蛋白升高，改善了豪猪生产性能与血液生化指标[10]。有研究发现，鼠李糖乳杆菌LR6001能够通过增强肠黏膜化学屏障、物理屏障以及免疫屏障功能，促进肠道微生态平衡、改善仔猪肠道健康、减少腹泻率并促进生长[11]。研究表明，枯草芽孢杆菌复合微生态制剂能够提高仔猪生长性能，预防仔猪腹泻，提高经济效益[12]。有研究探讨酶制剂和微生态制剂联用对动物消化代谢的作用效果，在猪日粮中添加创博富酶利生素，结果显示，十二指肠、回肠和盲肠的淀粉酶和蛋白酶活性有所提高，且回肠中酶的活性增加最多，试验证明，生长猪饲喂既含有酶又含有益微生物的富酶利生素，显著增强肠道内不同部位消化酶活性，提高动物对饲料的消化吸收能力[13]。

2.3.2 家禽饲料

微生态制剂可以通过促进抗体和免疫因子生成、刺激机体产生免疫细胞、促进免疫器官生长发育等方式影响机体的免疫功能。研究发现，在1日龄健康AA肉仔鸡饮水中添加微生态制剂能显著降低死亡率、料肉比和肠道发病率，提高肉鸡的平均体重、新城疫抗体效价和免疫器官指数[14]。徐海燕等在肉鸡饮水中添加微生态制剂产品，结果显示，与对照组相比，料肉比显著下降（P＜0.05），脾脏指数、法氏囊指数显著升高（P＜0.05），血清中新城疫血凝抑制抗体效价显著提高（P＜0.05），盲肠内容物中分泌型免疫球蛋白A含量与血清中免疫球蛋白G含量显著提高（P＜0.05），这证明微生态制剂不仅能够提高肉鸡的生长性能，而且可以在一定程度上增强肉鸡的免疫功能[15]。董秀梅等研究发现，在艾维因肉仔鸡饮水中添加复合微生态制剂，结果显示，与对照组相比，显著降低肠道内大肠杆菌数量（P＜0.05），显著增加肠球菌、乳杆菌数量（P＜0.05）；降低血清中丙二醛的含量，显著提高肉仔鸡血清中超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶的活性（P＜0.05）[16]。范彧等在蛋鸡基础日粮中分别添加芽孢杆菌微生态制剂0.01%、0.02%及合生素类复合微生态制剂0.02%，结果显示，与对照组相比，芽孢杆菌0.01%组和复合0.02%组能够极显著提高蛋鸡采食量、产蛋量和产蛋率（P＜0.01），显著提高日粮干物质及相关氨基酸表观消化率、日粮表观代谢能，由此可知，添加适量的芽孢杆菌及合生素类复合微生态制剂可提高蛋鸡生产性能和饲料营养物质的表观消化率[17]。

2.3.3 改善环境

动物排泄物中的氮磷直接进入河流湖泊、渗入地下水或者沉积在土壤中，可使水体富营养化，生态环境遭到严重破坏，因此促进动物肠道对蛋白质、矿物质等营养物质的吸收，对减少氮、磷排放量有着重要意义[18]。大量研究发现，日粮中添加微生态制剂可以提高动物的生产性能，降低氮磷排泄量，有效改善圈舍环境质量、提高养殖效益。李瑞等在生长猪日粮中添加微生态制剂（主要含乳酸杆菌、芽孢杆菌和酵母菌）2 000 mg·kg-1，试验期28 d，结果显示，微生态制剂组单位增重N、P的摄入量高于对照组，单位增重粪N、P排放量低于对照组[19]。吕朋琴等在蛋鸡日粮中添加微生物发酵饲料，结果表明，与对照组相比，试验组肠道中乳酸杆菌数量显著增加（P＜0.05）；N排泄量显著降低（P＜0.05），P排泄量有降低趋势（P＞0.05），微生物发酵饲料可显著改善蛋鸡肠道微生态环境，减少N、P的排泄量[20]。

2.4 微生物制剂存在的问题

在实际应用中，由于微生态活菌制剂的热稳定性和化学稳定性较差，在液体的条件下难以保存。而微生态制剂中的益生菌发挥益生作用需要具备稳定的生理活性。在添加使用于配合饲料时，需要将产品高温加热制粒处理，这个过程中使产品有效成分损失较大，其保质期也受到限制。益生菌在肠道的存活率是益生菌功效重要指标之一，由于微生态制剂中的活菌在进入肠道之前经过胃酸和胆汁的作用，大部分活菌死亡，而定居于肠黏膜的活菌才能发挥其生理作用。目前已有多种方法来提高有益菌对不良环境的抵抗力，例如调整制备时的压力、筛选出耐胆盐和酸的菌株、添加氨基酸和混合肽改善微营养环境、微胶囊包被技术。其中微胶囊技术已经得到广泛的应用，是重点开发的高新技术领域。

3 微囊化微生态制剂的优势

通过微囊化包被的方法将活菌包被于微胶囊内，提高微生物活菌制剂对加工过程中高温高压的抵抗能力，同时由于壁材的包被使芯材与外界隔离，延长了活菌制剂的存活时间，使其在适当的环境下释放、发挥作用。大量研究表明，采用微囊化技术可以提高益生菌加工储藏过程和在胃肠液中的存活率，有效提高微生态活菌制剂对高温的耐受能力[21-23]。

屎肠球菌是动物宿主肠道内的原生菌，其具有优良的益生特性及生物安全性。王婷婷等采用发酵前包被工艺，对屎肠球菌进行微囊化，并采用平板计数法评价其对常温贮存条件、80℃及模拟肠胃液的耐受能力，结果显示，与游离屎肠球菌固态产品相比，其具有更强的模拟胃肠液和80℃高温的耐受性[24]。研究发现，对屎肠球菌微胶囊化后所制得的微胶囊粒径形态好，大小合适，且对沙门氏菌、巴氏杆菌、金黄色葡萄球菌及致病型大肠杆菌K88、K99有较强的抑制作用；微囊化培养比游离状态下培养的屎肠球菌能够更好的抵抗高铜、模拟胃液的能力及具有更好的生长优势；储藏试验结果显示，4℃条件下，储存2个月，活菌数下降不显著[25]。双歧杆菌是动物机体肠道内的重要益生菌群，对维持肠道正常生理功能、微生态平衡及动物体健康有着重要作用，但双歧杆菌是厌氧菌且不耐受强酸环境，在胃酸、胆汁及消化酶的作用下，双歧杆菌大部分失活，难以对动物体起到有效的保健和治疗作用。研究发现，双歧杆菌微胶囊技术是保护菌体活力的一种最为实用和有效的方法。研究表明，对双歧杆菌进行微囊化，大量活性双歧杆菌可顺利通过胃酸，并在大肠释放、增殖及代谢[26]。魏衎采用微胶囊包被乳酸乳球菌、同浓度游离乳酸乳球菌菌液添加在基础日粮中分别饲喂给AA肉鸡，试验期为42 d，结果显示，与对照组和菌液组相比，微胶囊包被组显著提高鸡平均日增重、饲料转化率、胸腺指数及法氏囊指数[27]。将微生物活菌制剂与变性淀粉、糊精、阿拉伯胶、玉米糖浆等原料混合溶解、匀制、喷雾干燥，可制得质量好、包埋率高的饲用微生物制剂，可提高饲料添加剂产品的储存时间，有效的防治高温制粒加热过程中的损失，充分发挥微生物制剂有效成分的作用[28]。微囊化能够提高微生态制剂在生产、贮存及代谢过程中的稳定性，并在动物机体内发挥其最大的价值。

4 微囊化微生态制剂存在的问题及展望

目前微胶囊技术在微生态制剂上的问题主要有加工成本较高、壁材的稳定性、合适的加工工艺等问题。微囊化微生态制剂产品的开发需要设备、工艺及良好的材料等各个方面的支持。但随着人们对微囊化技术认识的不断加深，新设备、新工艺及新材料不断的研究与开发，微囊化技术将在微生态制剂中具有更加广阔的应用前景。

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