猪肠道微生物的日粮调节方案

Michael Ganzle （加拿大阿尔贝塔大学教授）

猪肠道微生物的日粮调节方案

Michael Ganzle （加拿大阿尔贝塔大学教授）

1 肠道微生物日粮调节的背景

哺乳动物体内居住着大量的微生物，大部分微生物生存于宿主的消化道中，其细胞数量是宿主的10倍，基因数量是宿主的100倍。尽管任何一种肠道微生物都有足够的能力杀死其宿主，但是大部分共生微生物对宿主还是有益的。

1.1 肠道微生物的调节机制

能够进入人体和动物肠道的除了微量元素、蛋白质和一些没有消化的碳水化合物外，还有大量的细菌等微生物。当细菌进入肠道后，宿主能够识别细菌，经过细菌的刺激作用，宿主的免疫系统机能得以增强。另外，宿主本身产生免疫球蛋白 （IgA）、粘液和防御素，使微生物的整个生存环境发生改变从而对微生物实施控制。再则，各微生物之间在肠道中会相互竞争营养物质，产生抗菌活性物质，形成菌膜。

1.2 肠道微生物的作用

肠道微生物主要有以下几个作用。一是营养功能，也就是提供食物的功能。微生物进入肠道后，通过发酵饲料中没有消化的碳水化合物产生乳酸盐和短链脂肪酸，为宿主提供能量供应，同时产生各种维生素 （维生素K、维生素B12、生物素、叶酸）和氨基酸 （赖氨酸、苏氨酸）等。猪的能源供应30%来源于肠道微生物发酵饲料产生。二是免疫刺激的作用。肠道微生物能够激发肠道上皮细胞的增殖和分化，由此增强免疫系统的功能。三是保护作用。肠道微生物可以与病原体竞争相关的有机酸和营养物质，从而防止病原体在肠道中的大量定植，保护宿主细胞的机能。

1.3 日粮作为饲用抗生素的替代品

如果有益菌不能在肠道中较好地定植，大量的病原菌就会引起肠道功能紊乱。在猪的不同生长阶段各种病原菌的作用效果不同。如产气荚膜杆菌C型易引起哺乳仔猪的肠功能紊乱，大肠杆菌易引起哺乳仔猪和断奶猪的肠功能紊乱，痢疾杆菌则易引起生长猪和成年猪的肠功能紊乱。

通常人们可以使用抗生素治疗肠道疾病，进而保持动物健康的状态，减少动物的淘汰，提高动物的生长速度和肉料比。但是从整体上考虑，耐药性是一个很严重的问题，耐药菌和耐药基因已经开始由动物向人类上转移。目前，欧洲、韩国、美国等多个国家已经立法，禁止多种抗生素在畜禽生产中使用。

由于日粮可以干预肠道微生物的状态，因此，可以考虑作为饲用抗生素的替代品。现有的方法主要有改变饲料配方、添加有机酸、日粮非降解性碳水化合物、低聚糖和具有特定抗菌活性的益生菌等。

2 非消化性碳水化合物的抑菌作用

图1到达大肠的营养素

食物进入小肠后，机体吸收可降解的的碳水化合物，不可吸收的部分便进入大肠，在大肠里经过微生物的发酵，生成可被机体吸收的微生物代谢产物。为了研究不同结构的非消化性碳水化合物对肠道菌群的影响，将8头安装有末端回肠瘘管的生长育肥猪按照4×4拉丁方设计饲喂4种不同日粮，即以谷物淀粉和酪蛋白为基础日粮，添加4种不同结构的非消化性碳水化合物：低粘度、低可发酵性纤维素 （CEL），高粘度、低可发酵性纤维素羧甲基纤维素 （CMC），低粘度、高可发酵性燕麦β-葡聚糖 （LG）和高粘度、高可发酵性纤维素燕麦β-葡聚糖 （HG）。在每个试验期的最后3天收集肠道样品。通过比较粪便和回肠的内容含量，可以得到到达大肠的营养素含量，结果表明到达大肠的营养素，饲喂CMC日粮的猪低于其它3组 （图1）。通过分析粪便的菌群结构，发现CMC组具有与其他3组完全不同的细菌组群。CMC组粪便中粘附的耐热型大肠杆菌毒素较高。CEL组和CMC组粘附的梭状芽孢杆菌毒素数量较高，而LG和HG组对梭状芽孢杆菌毒素的粘附效果不太理想。可见，可以通过改善日粮纤维来减少病原体在猪肠道中的定殖，同时只有特定的日粮纤维才能对一些特定的病原菌产生效果。

2.1 寡糖的抑菌作用

母乳中除了含有水，还含有1%～1.3%的寡糖。由于婴儿不含有相应的分解酶，这些寡糖不能被婴儿消化和利用。但这些寡糖有着特异性功能，一是有助于婴儿肠道微生物区系的建立，二是能够溶解或粘附相关的病原体，成为病原菌的可溶性受体。如肠道内存在的寡糖与产肠毒素大肠杆菌发生物理性粘附，机体便将已经粘附的病原菌随食物残渣排出肠道。在猪上也类似。

若细菌的表面结构与肠道粘膜表面的结构互补，发生配体-受体反应，使得细菌粘附在肠道。而不同的寡糖作为受体类似物可以与特异性细菌配体结合，从而抑制细菌在肠道的粘附。不同的大肠杆菌菌株具有受体特异性。一些大肠杆菌只结合含有N-乙酰神经氨酸（NeuGc）糖键的寡糖，却不能结合含有其它糖键的寡糖，如大猪含有NeuGc糖键的寡糖，而新生仔猪不含有。因此，寡糖分子结构上的细小变化就能影响细菌的粘附。以大肠杆菌为例，需要寻找具有特异分子结构的寡糖，使大肠杆菌与之形成物理上的粘附。

2.2乳酸菌产生的胞外多糖的抑菌作用

乳酸菌可以合成胞外多糖，而胞外多糖可以粘附微生物。产肠毒素大肠杆菌 （ETEC）是导致断奶前后仔猪发生腹泻的主要致病菌，为了验证乳酸菌产生的胞外多糖是否具有抗粘附特性从而抑制ETEC的生长，采用了红细胞凝聚试验。即将不同ETEC菌株与乳酸菌产生的胞外多糖 [甘露糖 （市场购买）、果聚糖 （罗伊乳杆菌产生）和葡聚糖 （罗伊乳杆菌产生）]混合后加入制备好的猪血红细胞，培养一段时间，观察红细胞的扩张情况。结果发现在对照组中，随着ETEC浓度的增加，红细胞扩张的越来越严重，果聚糖和葡聚糖对红细胞扩张的抑制作用非常明显，而甘露糖的抑制效果不明显 （图2）。可见，乳酸菌产生的胞外多糖可以干扰ETEC的粘附。

图2猪血红细胞凝聚试验