微生物饲料研究论文

乳酸菌类微生物制剂的作用机理及其应用摘要:发展绿色无公害饲料添加剂是21世纪饲料工业的重要研究方向,饲用微生物制剂是实现这一目的的主要途径.本文重点介绍了乳酸菌类微生物制剂的发展概况,作用机理及提高应用效果的方式,并对乳酸菌类微生物安全性及其应用前景做一展望.针对抗生素、激素和兴奋剂类等残留问题和对人类健康造成的威胁，科学家们将动物药品添加剂的研究方向投向具有生长促进作用和保健效果的饲用微生态制剂。微生态制剂是指在微生态学理论的指导下，调整生态失调、保持微生态平衡、提高宿主（人、动植物）健康水平或增进健康状态的生理活性制品及其代谢产物以及促进这些生理菌群生长繁殖的生物制品（鲍行豪等，1999）。1．饲用微生物制剂的发展概况饲用微生物必须在生物学和遗传学特征上保证安全和稳定，因此应用前必须经过严格的病理，毒理试验，证明无毒，无害，无耐药性等副作用才能使用。目前常用的微生物种类主要有乳酸菌、芽孢杆菌、胶木菌、放线菌、光和细菌等几大类。美国FDA（1989年）规定允许饲喂的微生物有40余种，有近30是乳酸菌。我国1994年农业部批准使用的微生物品种有：蜡样芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、粪链球菌、双歧杆菌、乳酸杆菌、乳链球菌等，其中大部分也属于乳酸菌类。本文就以乳酸菌类微生物制剂为代表，初步探讨微生物制剂的作用机理及其开发利用。2乳酸菌的组成和分布乳酸菌（LAB，Lactic acid bacteria）是一类能从可发酵碳水化合物（主要指葡萄糖）产生大量乳酸的细菌的统称，目前已发现的这一类菌在细菌分类学上至少包括18个属，主要有：乳酸杆菌属(Lactobacillus)，双歧杆菌属(Bifidobacterium), 链球菌属(Streptococcus)、明串珠球菌属(Leuconostoc)、肠球菌属(Enterococcus)、乳球菌属Lactococcus)、肉食杆菌属(Carnobacterium)、奇异菌属(Atopobium)、片球菌属(Pediococcus)、气球菌属(Aerococcus)、漫游球菌属(Vagococcus)、李斯特氏菌属(Listeria)、芽孢乳杆菌属(Sporolactobacilus)、芽孢杆菌属(Bacillus)中的少数种、环丝菌属(Brochothrix)、丹毒丝菌属(Erysipelothrix)、孪生菌属(Gemella)和糖球菌属(Saccharococcus)等（杨洁彬等，1996）。乳酸菌绝大多数都是厌氧菌或兼性厌氧的化能营养菌，革兰氏阳性。生长繁殖于厌氧或微好氧、矿物质和有机营养物丰富的微酸性环境中。污水、发酵生产（如青贮饲料、果酒啤酒、泡菜、酱油、酸奶、干酪）培养物、动物消化道等乳酸菌含量较高。小牛胃和上部肠道中乳酸菌占优势，从牛乳喂养的小牛胃 液中分离乳酸乳杆菌、发酵乳杆菌，而小牛瘤胃中主要是嗜酸乳杆菌，发酵乳杆菌则是粘附在柱状上皮细胞的主要乳杆菌。3．乳酸菌的作用机理乳酸菌对人和动物都有保健和治疗功效，这一点，国内外均有大量饲养和临床试验证明。Baird（1977）用乳杆菌饲喂断奶仔猪和生长育肥猪，试验证明均能增加日增重和提高饲料转化率；Lidbeck等（1992）证实乳酸杆菌能预防放疗引起的腹泻。蔡辉益等（1993）对益生素使用效果进行统计，其中乳酸菌类益生素饲喂猪的报道，7例证明能提高日增重，平均提高7.67%,6例证明提高饲料转化率,平均提高5.4%,饲喂肉鸡的报道中,5例证明提高日增重,平均达7.32%,5例证明提高饲料利用率,平均达9.5;乳酸杆菌在饲喂育肥牛(舍饲)时使用,平均日增重提高13.2%,饲料转化率提高6.3%,发病率下降27.7%。Gallagher等（1974）研究表明食用酸奶的人群对乳糖的利用率比食用含相同乳糖浓度的牛奶要高，从而减轻乳糖的不耐受症状。此外乳酸菌的抗癌作用也有不少报道。乳酸菌在实际应用中效果显著，近两年来，更多的研究工作集中于乳酸菌发挥这些功能的作用机制的探讨上。有关报道很多，综其所述，其作用机理主要有以下几点：1）提供营养物质，具有促机体生长作用。2）改善微生态环境，清理肠道有毒物质。3）调节消化免疫系统等。3．1提供营养物质促进机体生长乳酸菌如果能在体内正常发挥代谢活性，就能直接为宿主提供可利用的必需氨基酸（如赖氨酸和蛋氨酸等）和各种维生素（维生素B族和K、H等），还可提高矿物元素的生物学活性，近而达到为宿主提供必需营养物质，增强动物的营养代谢，直接促其生长的作用。Hamad（1979）试验证明，小麦，稻米及玉米等谷物进行乳酸发酵后，营养价值大大提高；毕德成等（1988）用保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌发酵玉米和小麦粉，发现赖氨酸含量分别增加72%和85%，蛋氨酸分别增加40%和46%，硫胺素（VB1）和核黄素（VB2）均有所增加，游离氮增加1.6倍和1.4倍，游离铁分别增加1.3倍和.9倍，游离钙增加1.5 和1.2倍，总体营养价值有明显提高。此外，乳酸菌产生的酸性代谢产物使肠道环境偏酸性，而一般消化酶的最适pH值为偏酸性（淀粉酶6.5、糖化酶4.4），这样就有利于营养素的消化吸收，有机酸的产生还可加强肠道的蠕动和分泌，也可促进消化吸收养分（张力等，2000）。3．2改善微生态环境动物的整个消化道在正常情况下都寄生有大量微生物。就其作用而言，可分为三类：1）共生性类型，主要是兼性厌氧菌，在生态平衡时，它们的微生素和蛋白质合成、消化吸收、生物颉抗和免疫等功能对宿主有利。2）致病性类型，正常情况下数量少，寄生于正常部位，不至于使宿主发病，若失控，则会导致宿主的不良反应。3）中间性类型，即同时具有生理和致病两种作用，其数量增加，会导致腐生物质，毒素增加，促进宿主的老化（康白，1988）。微生物群的平衡，对机体的健康十分重要，而乳酸菌就能够调节这种微生态平衡，保障宿主正常生理状态。在乳酸菌生长代谢过程中，会产生一些具有抗微生物活性的物质，如：有机酸，过氧化氢，二氧化碳等，均在体外表现出抑菌活性。很多乳酸菌都能产生细菌素，如：乳链菌素，乳酸菌素，噬酸菌素等，经研究表明这些物质在抑制病原菌上具有重要作用。粘附能力通常认为是病原菌的一种重要的毒性因子（Finary等，1997）。粘附于肠道粘膜，是病原菌定植并产生临床症状的前提条件。乳酸菌可防止病原菌附着于肠上皮细胞表面，定植并入侵肠道细胞，有人称此机制为“粘附抗性”。肠道化学物质的组成也是微生态环境的重要影响因素，毒安素，硫化物，吲哚和酚类都是对肠道有刺激作用和毒性的物质，是肠道腐败菌活动增强的标志。双歧杆菌能防止致病菌对氨基酸的脱羧作用，减少肠内容物内氨的浓度，有效减少毒性胺的合成，改善肠道环境。3．3调节免疫系统功能乳酸菌制剂能够增强免疫力，表现在两方面：一是影响非特异性免疫应答，增强单核吞噬细胞（单核细胞和巨噬细胞）、多形核白细胞的活力，刺激活性氧、溶酶体酶和单核因子的分泌；二是刺激特异性免疫应答，如加强粘膜表面和血清中IgA和IgM，IgG水平以加强体液免疫，促进T、B淋巴细胞的增殖，加强细胞免疫。Schiffrin等(1994)发现约氏乳杆菌(L.johnsonnii)Lj1和乳酸双歧杆菌(B.lactis)Bb12能在体外增强吞噬细胞对大肠杆菌的吞噬作用;噬热链球菌与沙门氏菌一起使用可起到免疫佐剂的作用,显著提高血清中IgA的含量。Gill(1998)列出了1985至1995年一些乳酸菌在任何动物上进行的试验报道，结果均表现出正结果。乳酸菌对免疫系统的刺激机理还在进一步研究中。Ouwehand等（1999）提出了摄入益生素（含乳酸菌）对免疫刺激作用的可能途径：抗原性物质通过淋巴集结中的连滤泡上皮，通过途径有两种：一是微生物代谢产物或碎片作为小分子抗原直接通过普通上皮细胞或者透过上皮细胞间的紧密连接缝隙；二是微生物细胞本身由微皱细胞（M---Cell）通过胞饮作用传送给位于M---Cell包囊中的巨噬细胞等，抗原进入淋巴组织后，或由抗原提呈细胞处理后或直接交给淋巴细胞，产生相应的免疫应答。4．乳酸菌的应用开发-4．1筛选菌株需注意的原则由于对乳酸菌代谢和遗传特性了解的深入以及对其机理的认识，还有大量临床试验的结果证明将其作为保健辅佐剂，饲料添加剂的可行性，人们已经广泛接受了乳酸菌这类保健制品。目前市场上销售的畜禽益生菌制剂主要有芽孢杆菌、乳酸杆菌、双歧杆菌、酵母菌培养物等几大类。菌株的筛选和活性的测定是益生菌研究的关键问题，决定着微生态制剂的使用效果。Fuller（1989）和Ouwehand等（1999）分别提出了益生素用菌株的筛选原则。综其所述，主要有以下几点：1）原宿主来源。寄主和肠道菌之间存在着特异性相互选择关系。母猪体内的菌株更易在仔猪体内定植，所以菌株的来源应当和使用对象一致，只有这样才能增强益生菌具有的特异性功效。2）定植和粘附力。益生菌在肠壁上的粘附是益生菌定植过程中的一个重要步骤，是大量繁殖变成优势种群的前提，所以粘附力的强弱是筛选益生菌菌株的重要标准之一。3）在酸性和高胆盐环境中的生存能力。口服是益生菌进入肠道的 主要途径，所以益生素在进入大肠之前必须经受胃中盐酸和小肠中高浓度胆盐的影响。只有在盐酸和胆盐中成活率高的菌株才可发挥作用。4）特异性的生理功能。各种益生菌都具有其特定的生理功能，如噬酸乳杆菌对寄主的免疫系统有较强的调节作用，而鼠乳杆菌对大肠杆菌有较强的抑制作用等。只有对各个菌株的生物特性有深入的研究和了解，才能根据不同的情况有针对性的设计出有明确生长作用的 微生态制剂。5）产品中稳定的活菌数。微生态制剂中活菌的数量是其发挥作用的关键，所以，活菌制剂的应用要求单位产品达到一定的活菌数，以符合有效治疗剂量标准。4．2可提高乳酸菌应用效果的研究方向为了更好发挥乳酸菌的使用效果，近年来在对微生物的菌株改造，生产工艺，产品形式等方面作了许多研究工作。主要有以下几个方面：1）多菌株配伍使用。有试验内表明，乳酸杆菌和双歧杆菌配合使用能够增加其效果。严格厌氧的菌株与非严格厌氧菌株进行共培养，可以提高厌氧菌的产量和 存活率，利于各菌株发挥效用。2）提高成品中乳酸菌的数量。添加微量元素（Fe、Cu、Zn、Se、Mo等），菌体生长需要的氨基酸（Arg、Tyr、Pro、Phe等）和B族维生素等物质放于培养基中，促进菌株生长，可延长其在成品中的存活时间（唐涌濂等，1996）。3）利用合适的载体，使使益生素菌株成功到达预期位置发生作用。有人验证，酸奶就是乳酸杆菌和双歧杆菌的有效载体，使其进入肠道的过程中存活率提高（Kailasapathy等，2000）。4）益生素与酶制剂、有机酞、多酞、中草药等物质的复合使用。石传林等相继研究了加酶益生菌在育肥猪、羊、肉兔、牛、鸡等畜禽中的应用情况，结果都有明显的促生长作用，并且降低了喂养成本，取得了明显的经济效益。从研究结果来看，乳酸菌类益生素与其它饲料添加剂联合使用均取得了很好的应用效果。5．乳酸菌类微生态制剂的安全性问题对活的微生物应用于饲料和食品中，其潜在的致病性、抗药基因转移可能性及繁殖和变异的不可控制性都是需要注意的。Adams（1999）综述了可能由乳酸菌引起的机体感染症：心内膜炎、菌血症及其他的一些胸部和消化道感染。上述乳酸菌的潜在危险我们应当注意。但更应该看到乳酸菌更大的有益的部分。有证据表明除肠球菌外，由乳酸菌引起的人类感染是相对少的。因此，科学家们认为只要在有效监督控制下，对乳酸菌进行严格检验之后再使用可认为是安全的。所需检测的项目主要有：固有特性，代谢产物，毒性，对粘膜的一向，计量反应效应。临床评估，流行病学研究等。Dunne等（1999）还提醒研究者在进行评估时还应当注意，每一株菌都必须做检验，不能有相近株进行推测；临床试验前必须对菌株和产品进行严格鉴定；其结果则由独立研究机构确证。乳酸菌类微生态制剂为饲料和畜禽养殖业提供了一条高效、无害无污染的新选择。其产生和发展顺应了当前高新技术产业化和注重环保的主流，在应用中充分考虑动物菌群自身特点以及寄主与环境之间的关系，科学合理的使用，必将成为本世纪饲料添加剂的主导产品。