井明艷 孫建義 許梓榮 (浙江大學(xué)動(dòng)物分子營(yíng)養(yǎng)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

    摘要:益生素是一類活微生物制劑,它作為一種新型飼料添加劑,具有無(wú)毒、無(wú)副作用,以及促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng),提高飼料轉(zhuǎn)化率,增強(qiáng)動(dòng)物機(jī)體的免疫功能等特點(diǎn),目前已被廣泛用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)中。本文主要綜述益生素的作用機(jī)理和應(yīng)用概況,分析了在實(shí)際使用過程中應(yīng)注意的問題,展望了益生素的應(yīng)用前景。
    關(guān)鍵詞:益生素;微生物;動(dòng)物;作用機(jī)理;應(yīng)用

    飼料中添加抗生素促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)已有50多年的歷史,對(duì)集約化畜牧業(yè)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。隨著人們生活水平的提高和對(duì)健康的重視程度不斷加強(qiáng),人們開始發(fā)現(xiàn)抗生素飼料添加劑在帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的背后所隱藏的負(fù)面效應(yīng),如抗生素引起的內(nèi)源性感染和二重感染(劉亞力,1999),耐藥性的產(chǎn)生,腸道正常菌群的破壞和畜產(chǎn)品及環(huán)境中的殘留等問題,這些都將對(duì)養(yǎng)殖業(yè)、飼料工業(yè)和動(dòng)物帶來(lái)嚴(yán)重威脅,進(jìn)而通過食物鏈危及人類的健康。因此,禁止抗生素添加劑在畜牧業(yè)中使用的呼聲越來(lái)越高,研究和開發(fā)新的抗生素替代品的工作更加緊迫。而益生素作為一種新型的抗生素替代品,具有無(wú)毒副作用、無(wú)耐藥性、無(wú)殘留、效果顯著等諸多優(yōu)點(diǎn),受到了養(yǎng)殖業(yè)的首肯。它與抗生素不同的是,抗生素是微生物的代謝產(chǎn)物,能夠抑制消化道內(nèi)微生物(有害菌和有益菌)的生長(zhǎng)或?qū)⑵錃⑺?;而益生素是活的微生物,主要是通過向消化道內(nèi)導(dǎo)入對(duì)動(dòng)物有益的活菌,從而使有益菌處于主導(dǎo)地位。因此,益生素的應(yīng)用前景更為廣闊。

    一、益生素概念的發(fā)展
    益生素(Probiotics)是相對(duì)于抗生素(Antibiotics)而言的,它首先被Lilley和 Stillwell(1965)使用,定義為“由一種微生物分泌,刺激另一種微生物生長(zhǎng)的物質(zhì)”。1974年美國(guó)學(xué)者R.E .Parker認(rèn)為,“益生素是維持腸道內(nèi)微生物平衡的微生物或物質(zhì)”。后來(lái)又由美國(guó)食品與藥品管理局(FDA)把這類產(chǎn)品定義為“可以直接飼喂的微生物制劑品(Direct Feed Microbial Products)”。 這一概念在1989年又被進(jìn)一步明確,僅僅局限在活的微生物制劑范圍內(nèi),其主要功能在于能改善動(dòng)物腸道中微生態(tài)平衡,從而賦予寄主許多有益的效果(Cole等,1989)。1991年,我國(guó)學(xué)者又提出了一個(gè)較通俗的概念“飼用微生物添加劑”。總之,益生素是一種含有大量有益菌及其代謝產(chǎn)物和生長(zhǎng)促進(jìn)因子,具有維持腸道微生物平衡、提高機(jī)體健康水平的活菌制劑 。

    二、益生素使用的微生物種類
    可用做益生素的微生物種類很多,美國(guó)FDA(1989)規(guī)定允許飼喂的微生物有43種,我國(guó)農(nóng)業(yè)部1996年6月公布可用于飼料微生物添加劑的有12種:干酪乳桿菌、植物乳桿菌、類鏈球菌、屎鏈球菌、乳酸片球菌、枯草芽孢桿菌、納豆芽孢桿菌、嗜酸乳桿菌、乳鏈球菌、啤酒酵母、產(chǎn)阮假絲酵母、沼澤紅假單孢菌。但在實(shí)際中真正用于配合飼料的活體微生物菌群較少,主要是乳酸桿菌(以嗜酸乳酸桿菌為主)、類鏈球菌、芽孢桿菌、雙歧桿菌、仙人山屬菌及酵母菌。其中酵母菌和乳酸菌是應(yīng)用最多的微生物添加劑,主要用于預(yù)防和治療消化不良、下痢和制做青貯飼料。

    三、益生素的作用機(jī)理
    益生素是一種活的微生物制劑,與抗生素相比,它的作用機(jī)理在理論上的進(jìn)展還比較小,目前主要有三種學(xué)說:①優(yōu)勢(shì)菌群學(xué)說;②菌群屏障學(xué)說;③微生物奪氧學(xué)說。
    1.微生物的作用方式
    (1)優(yōu)勢(shì)菌群學(xué)說 正常動(dòng)物腸道內(nèi)的細(xì)菌與宿主保持著動(dòng)態(tài)平衡,且微生物種群中的優(yōu)勢(shì)種群對(duì)整個(gè)種群起決定作用,維持著畜禽的正常生長(zhǎng)和生產(chǎn)。這些菌群一旦失去了平衡,就會(huì)使原來(lái)的優(yōu)勢(shì)菌群發(fā)生更替,引起機(jī)體消化機(jī)能紊亂,抑制動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育,嚴(yán)重的則可致病。而添加益生素的目的就是為了補(bǔ)充有益菌,使有益菌在數(shù)量和作用強(qiáng)度上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),使優(yōu)勢(shì)菌群得到恢復(fù)。這些菌群的繁殖和代謝,大大地抑制致病菌群的生長(zhǎng)繁殖,從而保持菌群的正平衡,有效防止菌群失調(diào)癥發(fā)生。田允波等(1999)指出,一般情況下,豬、雞腸道內(nèi)優(yōu)勢(shì)種群為厭氧菌(占99%以上),其中主要是擬桿菌、雙歧桿菌及乳酸桿菌等。動(dòng)物處于應(yīng)激狀態(tài)時(shí),兼性厭氧桿菌等顯著增加,專性厭氧桿菌顯著減少,這時(shí)可誘發(fā)動(dòng)物腹瀉、下痢等癥狀。添加益生素可使優(yōu)勢(shì)種群得到恢復(fù),從而使動(dòng)物處于正常生理狀態(tài)。
    (2)菌群屏障學(xué)說 益生素參與消化道有益菌群與致病菌之間的生存和繁殖空間競(jìng)爭(zhēng)、時(shí)間競(jìng)爭(zhēng)、定居部位競(jìng)爭(zhēng)以及營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng),益生素可競(jìng)爭(zhēng)性地抑制病原菌附著在腸壁上,它們有的通過改變有害菌附著的受體結(jié)構(gòu),有的由于與病原菌結(jié)構(gòu)相似,同病原菌競(jìng)爭(zhēng)附著空間,限制致病菌的生存、繁殖。有益菌在消化道內(nèi)生成致密的膜菌群,形成微生物屏障,一方面可抑制消化道粘附病原菌,中和毒性產(chǎn)物;另一方面也可防止毒素以及廢物等有毒成分的吸收。因此,給幼齡動(dòng)物飼喂益生素可有助于建立正常的有益的微生物群落,排除或控制潛在的病原菌。
    (3)微生物奪氧學(xué)說 正常動(dòng)物腸道內(nèi)是以厭氧菌為優(yōu)勢(shì)菌群的微生物區(qū)系,當(dāng)益生素以孢子形式添加時(shí),它們?cè)谏L(zhǎng)繁殖過程中可消耗腸內(nèi)氧氣,在局部范圍內(nèi)形成厭氧環(huán)境,有利于厭氧微生物的生長(zhǎng),從而把失調(diào)菌群恢復(fù)到正常狀態(tài),以達(dá)到防病、治病、提高免疫力和促生長(zhǎng)等目的。
    2.微生物的作用途徑
    (1)益生素是良好的免疫激活劑,直接飼喂動(dòng)物可有效地提高巨嗜細(xì)胞的活性,增強(qiáng)機(jī)體的免疫功能。Wren(1987)研究發(fā)現(xiàn),乳酸桿菌可作為某種免疫調(diào)節(jié)因子而起作用,刺激腸道某種局部型免疫反應(yīng)。1979年Bloksma用酸奶喂無(wú)菌動(dòng)物,發(fā)現(xiàn)其體內(nèi)免疫球蛋白G1 、G2a、G2b的含量明顯提高。
    (2)益生素的有益菌群能在消化道繁衍,促進(jìn)消化道內(nèi)多種氨基酸、維生素等一系列營(yíng)養(yǎng)成分的有效合成和吸收利用,降低腸道pH值,抑制包括很多革蘭氏陽(yáng)性菌在內(nèi)的病原菌的繁殖,同時(shí)也可產(chǎn)生溶菌素、過氧化氫和類抗生素物質(zhì)。H2O2可殺滅機(jī)體潛在的病原菌;類抗生素則可通過改變腸道內(nèi)的活菌數(shù)量和代謝,從而促進(jìn)畜禽生長(zhǎng)發(fā)育。
    (3)益生素能抑制有害物質(zhì)的產(chǎn)生。腸道內(nèi)的大腸桿菌等腐敗菌增多,會(huì)產(chǎn)生一些有害物質(zhì),如氨、生物胺和吲哚等,這些物質(zhì)具有潛在抑制生長(zhǎng)和致癌作用。益生素對(duì)這些物質(zhì)有抑制作用。

    四、益生素的應(yīng)用效果
    1.在養(yǎng)豬業(yè)上的應(yīng)用
    劉研賀等(1998)研究發(fā)現(xiàn),益生素可使仔豬產(chǎn)生較高的 IgA 水平,用糞鏈球菌M74和乳酸桿菌飼喂仔豬,發(fā)現(xiàn)回腸組織中白介素-2的含量為7.43mg/kg而對(duì)照組為3.7mg/kg,黏膜上皮細(xì)胞的吞噬活性明顯提高。益生素?zé)o論在仔豬、母豬還是生長(zhǎng)肥育豬上應(yīng)用報(bào)道均較多,且一般具有正效果。Pollmann(1986)分別用乳酸桿菌發(fā)酵產(chǎn)物、乳酸桿菌合劑及純?nèi)樗釛U菌對(duì)斷奶仔豬進(jìn)行飼喂試驗(yàn),結(jié)果試驗(yàn)組的生產(chǎn)速率及料肉比均高于對(duì)照組。權(quán)吉錫等(1996)報(bào)道,生長(zhǎng)肥育豬添加益生素制劑可使日增重提高9.5%;研究表明,母豬日糧中添加益生素也可使斷奶仔豬數(shù)和斷奶體重顯著提高。張國(guó)龍等(1994)報(bào)道,在35日齡斷奶仔豬日糧中添加0.2%～0.4%益生素(主成分是蠟樣芽孢桿菌),可使糞中大腸桿菌總數(shù)顯著降低(p<0.05)。
    2.在養(yǎng)禽業(yè)上的應(yīng)用
    仔雞日糧中添加益生素可提高肉雞的日增重、飼料轉(zhuǎn)化率及群體均勻度,預(yù)防和治療雞白痢等疾病。詹志春等(1993)報(bào)道,益生素可使肉雞增重提高 14.1% ,料重比下降7.6%。于永波(1994)指出,35周齡蛋雛雞日糧中添加益生素,使增重提高7.3%,料重比下降19.3%。死淘率下降36.4%。Georgia研究表明,益生素可使7～14周齡小母雞群體均勻度提高28%～42%。田允波等(1999)在綜述中也指出,益生素可預(yù)防和治療雞白痢,也可使蛋雞的生產(chǎn)期平均延長(zhǎng)32天,而飼料消耗和死亡率均明顯下降。閻鳳蘭等(1996)在肉仔雞飼料中添加枯草芽孢桿菌使雞腸道中乳酸桿菌數(shù)量增加,沙門氏菌數(shù)量減少,飼料轉(zhuǎn)化率提高。
    3.在養(yǎng)牛業(yè)上的應(yīng)用
    健康牛腸道以擬桿菌、雙歧桿菌、乳酸桿菌、消化球菌為優(yōu)勢(shì)菌群,當(dāng)犢牛腹瀉時(shí),其腸道中的腸桿菌、梭桿菌數(shù)量顯著增加,而雙歧桿菌、乳酸桿菌數(shù)量明顯減少,出現(xiàn)明顯的菌群失調(diào)。芽孢桿菌和乳酸桿菌可以競(jìng)爭(zhēng)性排斥腸桿菌和梭桿菌,使雙歧桿菌和乳酸桿菌的數(shù)量迅速恢復(fù),從而達(dá)到調(diào)整微生態(tài)平衡、防治腹瀉的目的。另外,曲霉可加速纖維素的分解,提高飼料轉(zhuǎn)化率,提高奶牛的生產(chǎn)性能。

    五、使用益生素時(shí)應(yīng)注意的問題
    1.在微生物大家族中可用作益生素菌種的很多,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)深入研究各菌種的生理特性,從中篩選出一些優(yōu)良菌種,而且要盡量選育一些來(lái)自動(dòng)物的正常菌群,這樣才能最大限度地發(fā)揮其益生的作用。芽孢桿菌等雖不是動(dòng)物的正常菌群,但由于其特殊的生理特性,可以起到促生長(zhǎng)作用,因此也常被用作益生素的菌株。
    2.選擇菌種時(shí)要以菌株安全性為出發(fā)點(diǎn),要在試驗(yàn)過程中定期進(jìn)行安全試驗(yàn)檢測(cè),以保證菌株的無(wú)毒副作用;同時(shí)要保證活菌制劑中活菌的含量與穩(wěn)定性,主要是控制一些外界因素的影響,如溫度、濕度、酸度等;此外,飼料品質(zhì)也會(huì)影響益生菌的活力。尤其是在飼料加工過程中,菌株必須能經(jīng)受起高溫的考驗(yàn),可以通過一些微膠囊包埋技術(shù)和基因工程技術(shù)來(lái)保證益生素正常效力的發(fā)揮。
    3.使用益生素要有一定的針對(duì)性,充分考慮到其作用對(duì)象以及使用目的,對(duì)不同的動(dòng)物要區(qū)別對(duì)待,對(duì)不同的使用及生產(chǎn)需要應(yīng)選擇合適的制劑,才能以最經(jīng)濟(jì)的代價(jià)達(dá)到最理想的效果。反芻動(dòng)物一般選用真菌類益生素,以曲霉為好,可加速纖維素的分解;促進(jìn)仔豬生長(zhǎng)發(fā)育、提高日增重和飼料報(bào)酬則應(yīng)選用雙歧桿菌等菌株;用于改善養(yǎng)殖環(huán)境的主要是光合細(xì)菌、消化細(xì)菌以及芽孢桿菌。
    4.合理正確把握益生素的施用時(shí)間和施用劑量。益生素在動(dòng)物的整個(gè)生長(zhǎng)過程中都可以使用,但不同的生長(zhǎng)時(shí)期其作用效果不盡相同,一般多用于幼齡動(dòng)物,以防止病原微生物侵害腸道,提高其防御能力,同時(shí)要達(dá)到合適的菌株數(shù)量,才能在體內(nèi)形成菌群優(yōu)勢(shì),發(fā)揮積極作用。另外,環(huán)境因素的影響也是不可忽視的,動(dòng)物處于應(yīng)激狀態(tài)下,體內(nèi)微生態(tài)平衡遭到破壞,使用益生素對(duì)形成優(yōu)勢(shì)種群極為有利。
    5.益生素在動(dòng)物中的使用主要是為了維護(hù)正常微生態(tài)平衡,這是一個(gè)長(zhǎng)期的過程,因此,必須在動(dòng)物的養(yǎng)殖過程中不斷地加以補(bǔ)充,不斷地加以研究,使益生素的應(yīng)用更出色。

    六、益生素的發(fā)展趨勢(shì)
    1.發(fā)展趨勢(shì)
    針對(duì)目前益生素應(yīng)用效果及應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題,人們開始研究和探討如何更加合理有效地使用益生素,使之發(fā)揮其預(yù)期效力。從國(guó)外的開發(fā)和使用效果看,復(fù)合菌制劑較單一菌株益生素的作用效果更好,更符合生態(tài)環(huán)境;復(fù)合菌制劑一般都具有協(xié)同作用,因此有單一菌株的益生素逐漸向復(fù)合益生素發(fā)展的趨勢(shì),如腸道共生復(fù)合菌、瘤胃復(fù)合菌等;從醫(yī)用益生素逐漸向適合動(dòng)物生理生化特性的益生素品種開發(fā);益生素在用于動(dòng)物腸道的研究基礎(chǔ)上逐漸轉(zhuǎn)向用于傷口感染等治療;同時(shí)在飼用益生素發(fā)展的基礎(chǔ)上,逐漸向農(nóng)業(yè)、醫(yī)療保健及環(huán)境改良等方面發(fā)展。為了提高益生菌劑有效性,人們正著力于益生素輔劑的研制開發(fā),如微膠囊的應(yīng)用。近年來(lái),國(guó)外開發(fā)了一些具有雙歧桿菌增殖效果的寡糖,并開展了寡糖與益生素復(fù)合添加試驗(yàn),取得了可喜的效果;同時(shí),人們也在開發(fā)和研究益生素與其他制劑間的聯(lián)合使用,如酶制劑、酸化劑、中草藥等,充分利用制劑間的協(xié)同作用。益生素作為轉(zhuǎn)基因工程菌的研究已有報(bào)道,主要是將益生菌作為基因工程的受體菌,使之表達(dá)一些有用的外源基因,擴(kuò)大其生物學(xué)特殊功能,從而達(dá)到一種制劑發(fā)揮多種功能的目的,如可以利用此技術(shù)來(lái)增強(qiáng)益生菌的穩(wěn)定性。
    2.展望
    我國(guó)畜牧業(yè)目前面臨 “綠色貿(mào)易壁壘”,因此發(fā)展益生素受到了人們極大的重視。我國(guó)對(duì)益生素的需求量將不斷增加,因此其發(fā)展前景極為廣闊。然而,益生素生產(chǎn)菌株的穩(wěn)定性一直是一大難題,以休眠體形式代替活菌形式投入到飼料中飼喂動(dòng)物是值得探討的問題,再利用基因工程技術(shù),使休眠態(tài)的益生素在動(dòng)物體內(nèi)特定位點(diǎn)激活,以發(fā)揮其預(yù)期效力;另一方面,我們可以通過常規(guī)手段篩選出更具優(yōu)良性能的菌株,或者利用遺傳工程技術(shù),改善益生素的耐熱、耐酸等抗外界不良環(huán)境特性;同時(shí),針對(duì)目前可利用菌種十分有限的現(xiàn)狀,也可以采用各種生物技術(shù)開發(fā)出更多的益生素品種,使其在各個(gè)行業(yè)都能得到應(yīng)用,尤其是在環(huán)保方面的應(yīng)用。
    總之,益生素這種新型的生物制品正以其獨(dú)特理念影響著日益發(fā)展的畜牧業(yè),而且隨著微生態(tài)學(xué)研究的進(jìn)一步深入,以及人們對(duì)綠色、安全和環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng),益生素的應(yīng)用前景會(huì)更加廣闊,相信在未來(lái)會(huì)有形形色色的益生素廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)療保健業(yè)、環(huán)保等各個(gè)行業(yè)。
    (參考文獻(xiàn)略)