益生菌在养鸡生产中应用的研究进展

简宗辉，孙帅，豆腾飞，葛长荣，贾俊静

(云南农业大学动物科学技术学院/云南省动物营养与饲料重点实验室，云南 昆明 65020)

随着世界人口的增长，确保充足的安全和高质量肉类蛋白供应，迅速成为全球关注的一个主要问题。2016年，全球禽蛋和禽肉总产量分别约为7 400万t和1.19亿t。截至2018年，肉产量增加到1.22亿t，禽类肉产品的产量在逐年上升[1]。因此，为了在不影响禽类肉品质和不威胁人类健康的前提下，保持充足高质量的禽类肉蛋白供应，必须通过使用合理的方法来提高家禽生产性能。长期以来，抗生素作为促生长剂和抗菌药物被广泛使用于养殖业，以维持畜禽健康和提高养殖场生产效益。而相继带来抗生素耐药性的产生和动物产品中药物残留问题，引起大部分国家的日益关注，并先后开始禁止在动物饲料中使用抗生素生长促进剂。与此同时，人们又担心禁止抗生素生长促进剂的使用，可能会对动物健康造成不利后果。这就引发了相关学者在畜禽养殖业中寻找抗生素促生长剂可行替代品的探索和研究，而直接饲喂益生菌在这一应用中具有巨大潜力。

益生菌最初被定义为促进其他微生物生长的微生物，现在被重新定义为可作为食品添加剂的活性微生物，已证明对动物健康有益，能够促进或支持胃肠道微生物种群平衡[2]。欧洲联盟(EU)动物食品中使用的微生物主要是革兰阳性菌株，属于芽孢杆菌、肠球菌、乳杆菌、片球菌、链球菌和酵母菌株。益生菌能通过各种方式影响着鸡群的健康与生产性能。益生菌能帮助机体消化不可消化的饲料成分，包括许多不可消化的糖，如低聚糖[3]。益生菌进入到动物胃肠道内并迅速增殖，同时产生多种抗菌物质(如有机酸、过氧化氢、细菌素、酶类等)抑制或杀死病原菌；或促进胃肠吸收及增加肠胃的蠕动能力；或刺激并参与宿主免疫反应，进而提高动物免疫力和抗病能力，从而改善动物生产性能。本文将重点讨论益生菌对鸡群养殖影响的研究，主要深入分析益生菌对维持肠道微生物平衡、抗病原微生物、增强机体免疫力和提高生产性能等功能，以期为益生菌在养殖业中的功能研究及相关产品研发提供新的视角和思路。

1 益生菌影响家鸡生产性能

已有大量研究证明，益生菌对鸡群的生产性能有积极作用。益生菌在家禽肠道中产生的代谢产物参与家禽的生长代谢，具有提高鸡群生产性能的潜力，例如促进肉鸡体重增加、料重比降低，提高青年蛋鸡均匀度，提高产蛋鸡产蛋率、改善蛋壳质量等。其作用机制是益生菌可为动物生长发育提供多种酶类和营养素，如B族维生素、氨基酸、脂肪酶、淀粉酶、蛋白酶和糖苷酶等，这些消化酶可以提高动物对饲料的利用率；同时，益生菌还可提高钙、磷、铁等元素的利用率，从而促进动物生长。Wang等[4]研究发现，饲粮中添加益生菌能显著提高肉仔鸡胰淀粉酶和胰蛋白酶的活性，增强其饲料消化率。已有大量研究表明多种益生菌能提高肉鸡体重和饲料转化率，例如，使用含乳酸菌、双歧杆菌、肠球菌和片球菌的益生菌饲喂肉鸡能使肉鸡体重显著增加，饲料转化率显著提高[5]；补充以枯草芽孢杆菌为基础的益生菌和补充以乳酸菌为基础的益生菌，在采食量差异不显著的情况下肉鸡体重明显提高，且鸡群死亡率差异不显著[6]；添加以淀粉芽孢杆菌为基础的DFM饲料，鸡群具有更高的出栏重和饲料转化率[2]。此外，在蛋鸡生产中，益生菌也具有提高其生产性能的作用，如提高青年蛋鸡体重均匀度、改善产蛋鸡产蛋率及蛋壳质量等。研究表明，枯草芽孢杆菌菌株PB6的孢子添加到日粮中，能明显提高青年鸡体重和均匀度，有助于蛋鸡后期的稳产与高产[7]。李朝辉等[8]研究发现，饲料中添加益生素可以提高蛋鸡产蛋率、蛋壳质量，缓解产蛋高峰期过后产蛋率下降的趋势，降低死淘率。另外，已知乳酸菌可以降低胆汁水解酶盐的肠道活性，胆汁盐水解酶将结合的胆汁盐转化为非结合的胆汁盐，是从高效到低效的脂质乳化利用形式[9]。胆汁盐水解酶的减少促进脂质代谢，增加能量的获取，促进体重增加。因此，乳酸菌作为益生菌被广泛用作家禽生长促进剂，Jin等[10]发现给1日龄小鸡添加0.05%，0.10%或0.15%属于4个种属(嗜酸羊乳杆菌、发酵羊乳杆菌、卷曲羊乳杆菌、短链羊乳杆菌)的12株乳酸菌(109CFU/g)的基础饮食，鸡只体重显著增加；在0～21日龄肉鸡饲料中添加106CFU/g转化的罗伊氏乳杆菌，能使鸡群体重增加。这一研究揭示了益生菌饲喂的时机可能影响其对宿主有益作用的开始。Nakphaichit等[11]研究发现，仅在孵化后第1周对鸡群进行了罗伊氏乳杆菌饲喂，发现在3周龄时没有明显的效果；然而，在6周龄时乳酸菌的多样性和丰度的增加，以及对病原菌群出现抑制效应。提示益生菌能够提高饲料转化率的机理还包括调节胃肠道菌群平衡，促使肠道菌群产生一些抑菌代谢产物(如过氧化氢和乳酸)，可以抑制肠道内病原菌的生长繁殖，维持动物肠道健康，促进机体对营养物质的消化和吸收。另外，还注意到只有在益生菌的作用下，才会对鸡群生产性能表现出积极影响。有研究发现，日粮中添加益生菌(0.1%乳杆菌)饲喂鸡群，在平均采食量没有增加的前提下提高了日增重，证明益生菌能提高肉鸡的饲料转化率[12]。

益生菌在替代抗生素作为促生长剂方面的应用具有广阔的前景。在一些研究中，乳酸菌与阿维霉素具有相同的促生长作用，甚至优于氯霉素或土霉素，这些研究证实了益生菌在动物生产中具有类似抗生素的促生长作用[12]。同时提示在动物生产中，益生菌作为促生长剂具有优于抗生素的潜力。然而，目前大量研究还停留在效果方面，并未深入探索其分子机理。因此，为实现全面替抗，需更加深入研究益生菌促生长和抗菌功能的分子机制，以期为益生菌类替抗产品的研发提供理论依据。

2 益生菌保护鸡肠道黏膜结构及其完整性

益生菌还具有保护肠道黏膜形态结构及其完整性的功能，其机理是能产生某些代谢产物(如丁酸)为肠上皮细胞再生提供营养物质，以维持肠道完整性，进而增加肠绒毛高度、增加绒毛表面积、改变隐窝深度，绒毛高度与隐窝深度比值(V/C)等，从而提高机体对营养物质的吸收能力，进一步影响鸡群的生产性能。多种益生菌均具有改善动物肠道黏膜形态结构及其完整性的功能，研究表明，以主要成分为乳酸菌、芽孢杆菌、酵母菌等及其代谢产物的益生菌处理肉鸡，均能显著增加十二指肠绒毛长度、空肠绒毛长度，还可提高空肠杯状细胞密度，增加绒毛表面积；用添加枯草芽孢杆菌和乳酸菌益生菌处理肉鸡，能显著提高空肠绒毛高度和增加绒毛表面积[6]；添加以淀粉样芽孢杆菌为基础的直接饲喂微生物(direct fed microbials, DFM)显著提高了肠绒毛高度和肠绒毛高度与隐窝深度之比。然而，而值得注意的是，抗生素维吉尼亚霉素的添加可使绒毛高度、隐窝深度和绒毛高度与隐窝深度之比降低[2]。即益生菌在维持鸡群肠道生理功能方面具有优于抗生素的潜力。另外，某些实验室菌株能参与改善肠道健康及某些肠道疾病，进而改善肠道功能，某些益生菌与溃疡性结肠炎、感染性腹泻、坏死性小肠结肠炎和幽门螺杆菌感染之间存在相关性。例如，双歧杆菌CCM 7952可通过增强葡聚糖硫酸钠(dextran sulfate sodium, DSS)诱导的溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)小鼠肠上皮细胞中紧密连接蛋白OCLN (occludin, OCLN)和上皮闭锁小带蛋白1 (Zonula occludens-1，ZO-1)等基因的表达，降低肠道对细菌的通透性，增强肠黏膜屏障功能，进而有效阻止DSS诱导UC症状继续发展[13]。梅文晴等[14]研究发现，早期饲喂双歧杆菌、乳酸杆菌、粪链球菌和酵母菌复合活菌制剂，能使十二指肠和盲肠ZO-1、回肠上皮细胞中OCLN、盲肠上皮黏蛋白2 (Mucin2，MUC2)基因表达显著上调；促进十二指肠绒毛长度增加，隐窝变浅，V/C的比值升高；空肠和回肠绒毛高度显著增加，V/C比值显著升高，从而潜在地影响肉鸡早期和后期的生长性能。然而，各种益生菌对机体肠道生理功能的影响机制研究尚浅，有待对其作用机理进行深入研究，为更好的利用益生菌维持动物健康及提高动物生产性能奠定理论基础。

3 益生菌调节鸡肠道菌群及抑制相关病原微生物

3.1 益生菌调节肠道菌群的平衡

鸡的肠道菌群是一个动态复杂的器官，其数量是宿主细胞的10倍。益生菌调节肠道菌群的机制包括降低肠腔pH值、竞争营养物质、分泌抗菌化合物(细菌素)、阻止细菌黏着和上皮细胞脱落以及诱导抗菌化合物产生。益生菌可以改变肠道中的微生物菌群关系，主要通过共同竞争黏膜上皮的受体和养分，最初用于预防家禽的间歇性腹泻，由于它们减少了沙门菌和产气荚膜梭菌在肠道的定植。在以往的研究中，含有罗伊氏乳杆菌、粪肠杆菌、动物乳杆菌、嗜酸片球菌和唾液乳杆菌的益生菌，显示出促进生长的作用，并且能显著增加肠道内双歧杆菌、乳酸菌和革兰氏阳性球菌的活菌浓度[15]。某些益生菌处理鸡群时，能够大量消耗肠道内氧气，促使肠道形成厌氧环境，对肠道中厌氧有益微生物菌种的生长和繁殖具有促进作用，促进肠道微生物菌群的平衡。进而使肠道微生物群发生改变，以大肠杆菌作为典型的需氧菌及兼性厌氧型肠杆菌科的数量减少，而厌氧型乳酸杆菌活菌数增加和肠球菌的数量保持稳定。总之，到达畜禽肠道内的益生菌，能够与肠道内正常的微生物菌群发生竞争、共生、栖生等复杂的关系。已有大量研究发现，多种益生菌都具有改变肠道微生物的功能(表1)。

表1 益生菌对鸡肠道菌群的影响

另外，肠内固有细菌也具有潜在的益生菌作用，因此可从鸡肠道中获取潜在的益生菌菌株。Buhnik-Rosenblau等[20]调查了47个约氏乳酸菌菌株，发现它们根据遗传关系聚类成宿主特异性聚类，表明鸡中发现的菌株不同于人类和其他动物，其中鸡特有的菌株为LJ-363、LJ-365、LJ-368、LJ-c1-2和LJ-c2-6等19个益生菌菌株。又有学者使用从健康成年鸡的嗉囊(罗伊氏乳杆菌)、空肠(粪便肠球菌)、回肠(双歧杆菌)、盲肠(嗜酸乳杆菌和唾液乳杆菌)中分离出来的益生菌和抗生素同时处理肉鸡，结果显示益生菌组肠道乳酸菌活菌数显著高于空白对照组和抗生素组[9]。因此，进入畜禽胃肠道或机体胃肠道固有的有益微生物，能通过改善、恢复或重建等方式调整肠道微生态，使肠内菌群数量处于动态平衡状态，达到防治动物细菌感染性疾病的目的，进而提高了动物的抗病力。

3.2 益生菌具有抗病原微生物作用

3.2.1 益生菌定植肠道形成保护性类生物膜

有益微生物可以附着在肠细胞(上皮细胞)壁上，与肠黏膜上皮部位紧密结合成为类生物膜，形成一道天然保护性屏障，使进入体内的外源病原菌不能吸附而被清除。益生菌能上调上皮细胞黏蛋白合成，使肠道细胞产生抗黏附物质，进而抑制病原菌附着，增强肠道屏障作用。例如，研究发现，植物乳杆菌(Lactobacillusplantarum)299v增强了覆盖在肠上皮层的黏液层功能，有效阻止了肠道内致病性大肠杆菌的定植[21]。DFM对胃肠道的定植可以阻断病原体附着到上皮细胞，解释了DFM和益生菌在预防疾病中的作用机制。然而，当有益菌在黏膜上皮上结合不牢固时，一些致病菌就能与黏膜上皮结合，只有当有益菌群数量保持一定优势时，才可以将结合位点竞争回来。郭威等[22]研究发现，添加产脂肪酶芽孢杆菌可显著提高肉仔鸡盲肠内乳酸杆菌和双歧杆菌的含量，显著降低大肠杆菌的含量。与此同时，病原体也在争取胃肠道中的生态位，例如，产气荚膜梭菌的感染抑制了嗜酸乳杆菌的生长，并完全消除了大量有益菌[23]。有研究利用益生菌模型控制肉鸡沙门氏菌向外扩散的尝试已经取得了成功，这些益生菌培养物作为饲料添加剂使用减少了病原菌的定植。沙门菌可由卷曲乳杆菌和乳糖发酵梭菌、枯草杆菌和粪肠球菌混合培养而受到抑制；空肠杆菌可由粪肠杆菌、嗜酸片球菌、唾液片球菌、罗伊氏乳杆菌、长双歧杆菌、嗜酸片球菌和粪链球菌控制；而产细菌素的粪肠球菌和戊酸片球菌可减少产气荚膜杆菌；粪肠球菌和戊酸杆菌能抑制产气荚膜梭菌。乳酸菌在肉鸡肠炎沙门菌感染模型中有良好的效果，在肠炎沙门菌感染后l h口服乳酸菌可抑制沙门菌生长，这种排斥可能是由于物理占领、资源竞争和干扰致病菌定植过程中毒素化合物的产生[24]，即肠道内有益菌群数量的增加可抑制有害菌群的生长繁殖，从而增强鸡群的抗病能力。

3.2.2 益生菌的抗菌作用

大多数益生菌除了提供营素养外，还可以产生某些代谢产物(如乳酸、乙酸、甲酸等)、过氧化氢、蛋白多肽和类似抗菌素等物质。益生菌的某些代谢产物还具有一定抗菌作用，解淀粉芽孢杆菌类益生菌可产生理化性质稳定的抗菌蛋白，能显著降低大肠杆菌数量[25]。益生菌J113植物乳杆菌具有与抗生素类似的抗菌作用，能显著降低藏鸡盲肠中大肠杆菌和沙门菌数量；然而抗生素处理后，在降低致病菌数量的同时，也显著降低了盲肠乳酸杆菌和双歧杆菌等有益菌数量[19]。另外，用解淀粉芽孢杆菌饲喂鸡群，在显著降低盲肠大肠杆菌数量的同时，明显增加乳酸菌活菌数；而使用维吉尼霉素处理的鸡群中，盲肠乳酸菌浓度降低[2]。因此，与抗生素相比，益生菌具有能维持肠道菌群平衡的功能，而抗生素却有导致肠道菌群发生紊乱的风险。益生菌发挥有益作用的主要分子机制主要包括：恢复肠道中的有益菌群，包括增加有益菌/病原体比例；与病原体竞争肠上皮细胞的结合位点，调节免疫活动，刺激肠上皮细胞健康，抑制肠上皮细胞肿瘤坏死因子等。某些益生菌已被证明对某些致病原有效。例如，枯草杆菌可以预防肠杆菌、伤寒杆菌、大肠杆菌、蜡样芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、单核增生李斯特菌和霍乱弧菌[26]。乳酸菌和丁酸梭菌是广泛应用于禽类的益生菌，它们能够通过多种机制对肠道屏障进行调节，以抑制病原微生物在肠道内定植和增殖，还可以通过分泌抗菌物质杀灭有害微生物。刘欢欢等[27]研究发现乳酸菌和丁酸梭菌在体外拮抗作用中均有显著的抑菌作用，其中乳酸菌72 h可完全杀灭致病菌，而丁酸梭菌则会通过阻碍致病菌的生长速度，抑制其快速生长，乳酸菌的抑菌效果明显强于丁酸梭菌。尽管大量研究表明益生菌确实能与病原体竞争并减少它们的数量，但它们对其影响的分子机理却知之甚少。综上，益生菌在维持肠道有益菌群及肠道菌群平衡方面较抗生素具有一定优势。但由于不同群体、甚至是同一群禽类之间的微生物群具有高度可变的性质，因此人们担心益生菌类添加剂只有在有限条件下才有效，在整个行业得到广泛利用具有一定的难度，这些益生菌的稳定性及广泛性还需要进一步深入研究。

4 益生菌影响机体免疫

4.1 益生菌影响机体免疫器官发育

某些益生菌的一个重要作用是对机体免疫系统产生积极影响。胸腺、法氏囊和脾脏等免疫器官的生长发育状况会明显地影响到家禽的免疫能力，同时对外周免疫器官的发育亦起主导作用。已有大量研究表明，饲喂益生菌能够促进鸡只免疫器官的生长发育，提高机体免疫水平。例如，乳酸杆菌、枯草芽孢杆菌能提高脾脏、法氏囊、胸腺指数[28]。益生菌对肠黏膜的黏附能力是菌株激活免疫功能的前提，在肠道具有抗原识别部位的淋巴组织集合上，益生素发挥免疫佐剂功能，从而活化肠黏膜相关淋巴组织，使抗体分泌增强，提高免疫识别力，并诱导淋巴细胞和巨噬细胞产生细胞因子，通过淋巴细胞再循环而活化全身免疫系统，从而增强机体的非特异性和特异性免疫功能[29]。Yang等[30]研究不同水平酪酸梭菌对岭南黄羽肉鸡免疫功能的影响，结果表明酪酸梭菌能够提高鸡群免疫功能。

4.2 益生菌影响机体特异性免疫功能

益生菌还能作为抗原进入鸡肠道刺激淋巴细胞转化成浆细胞，产生IgG和分泌型IgA，还能刺激机体产生相关细胞因子，如白细胞介素、干扰素等，防止病原体在肠道内繁殖，提高体液免疫功能和细胞免疫功能。研究表明，直饲益生菌的肉鸡中胸腺的呼吸速率明显增加，提高了外周血单个核细胞ATP质量浓度和ATP循环，导致能源重新分配到免疫系统，使IgG的产生和总IgA的增加更快，提高了鸡群免疫功能[31]。李龙等[32]、刘欢欢等[33]在饲粮添加植物乳酸杆菌JM 113、丁酸梭菌和乳酸菌1∶1混合菌等显著增加了肉鸡血清免疫球蛋白IgA、IgG和IgM水平和淋巴细胞的增殖能力。而乳酸菌和芽孢杆菌是鸡体内影响着免疫功能的主要益生菌，能显著提高血清中ND免疫抗体浓度以及IL-4、IFN-γ浓度，表现出不同的免疫调节作用[34]。不同菌株的乳酸菌能通过增强巨噬细胞活性，增加动物肠黏膜的免疫反应，促进肠道分泌型免疫球蛋白IgA的分泌，同时增强消化道和呼吸道黏膜系统产生IgA；还可能通过增加血清细胞因子和抗体水平来影响免疫系统[35]。

4.3 益生菌代谢产物影响机体免疫功能

益生菌还可以通过促进其他不相关的细菌来影响免疫系统。例如，乳酸菌和唾液乳杆菌有刺激某些菌群产生丁酸盐和重建菌群平衡的能力[36]。丁酸盐对免疫有正向影响，因此益生菌可以通过产生对免疫系统有积极作用的代谢物直接或间接地影响免疫系统。这些益生菌被认为与增加维生素和其他代谢产物的生物合成有关，主要是维生素K和维生素B、细菌素、短链脂肪酸(SCFAs，尤其是丁酸、乙酸和丙酸)和有机酸(即乳酸)。它们能降低甘油三酯并诱导非致病性免疫反应[37]。有益菌不仅有助于食物的充分消化，更有助于预防炎症，保障胃肠道内环境的稳定与健康。微生物代谢产物SCFAs影响肠道免疫系统的主要表现为抗炎特性。在结肠炎的小鼠模型中，SCFAs被证明通过游离脂肪酸受体2(FFAR2)和羟基羧酸受体2(HCAR2)激活NOD样受体家族蛋白3(NLRP3)炎症小体以减轻疾病严重性，并诱导上皮修复细胞因子IL-18的分泌[38]。可见，SCFAs可以促进肠道上皮屏障的完整性。在细胞水平，SCFAs通过核Ⅰ类组蛋白脱乙酰酶(HDAC)抑制调节基因表达调节B细胞的能量代谢以促进抗体的产生[39]。另外，唾液乳杆菌有诱导抗炎反应的能力，而嗜酸乳杆菌能诱导Th-1细胞因子的产生[40]。这些研究足以证明益生菌能通过各种方式影响机体免疫功能。

5 结语

增强鸡的生长性能是家禽相关研究的重要目标。为了减少抗生素生长促进剂的使用，同时保障鸡的生产性能和鸡肉品质，畜禽养殖行业不得不寻找抗生素替代品，以维持动物的健康和生产性能。较抗生素而言，益生菌具有无残留、无毒副作用、无抗药性、不污染等优点，是抗生素难以比拟的。因此，在日粮中直接添加益生菌是较有前景的替抗候选方案之一。微生物制剂作为现代生物工程技术的重大成果之一，广泛应用于畜禽养殖领域。虽然该领域取得了一定成果并具有较大前景，但在开发和生产更多具有更好效果和质量的健康微生物产品方面，仍有较大的改进空间。例如，虽然一定数量的益生菌可以通过培养获得，但目前还有很多益生菌培养较为困难或不能通过培养获得；同时，自然界细菌的种类及数量极其庞大，还存在大量未知有益微生物，严重限制了对益生菌的开发与应用。大量研究表明益生菌与其他制剂的联合使用及复合益生菌均具有较好效果。因此，相关科研工作者还应加强开发新的优势菌种，并且在此基础上向复合益生菌制剂的方向发展，加强与中草药制剂及其它制剂之间的联合使用。由于许多菌种均具有较高的不稳定性，保存或加工不当均会导致菌种退化或失活，因此还应注重益生菌的生产工艺、发酵工艺等关键加工技术的稳定性及可靠性研究。同时，益生菌产品质量评价及使用缺乏统一的标准，发挥有益作用的深层次机理尚不完全清楚，这些问题均是益生菌使用中的瓶颈，有待深入研究。