微生物饲料添加剂研究与应用进展

2014-03-20白子金韩玉奎孙军德

微生物学杂志 2014年2期

高林，白子金，冯波，韩玉奎，孙军德

(1.沈阳爱地生物科技有公司，辽宁沈阳 110161;2.辽宁省农业微生态技术工程研究中心，辽宁沈阳 110161;3.沈阳农业大学，辽宁沈阳 110866)

饲料添加剂对畜牧业生产发挥着举足轻重的作用。长久以来，饲料添加剂的研究与应用一直是动物营养学家的工作重点之一。近年来，随着人们对食品安全的日益关注，畜牧业生产对饲料添加剂的安全性不断提出了更高的要求。20世纪初，英国科学家Fleming发现了抗生素，从此抗生素对人类的生产和生活产生了深远的影响［1］。在动物饲养方面，饲用抗生素作为饲料添加剂在提高动物生产能力方面曾经发挥过重要作用。但20世纪40年代以后，随着抗生素在饲养领域的广泛应用，人们逐渐意识到抗生素大量使用的弊端，如造成胃肠道正常菌群失衡、降低免疫功能水平、产生抗药性和药物残留进而威胁人类健康等。因而，目前世界大多数国家均已制定相关的法律、法规，限制和禁止抗生素作为饲料添加剂使用。寻找安全、有效、可以替代抗生素使用的新型添加剂成为添加剂研究与应用的发展趋势。动物自离开母体后，从母体和环境获得了大量的微生物，构成了动物体内的正常菌群，目前发现动物体内存在着400余种约1014个微生物，是动物生命活动中不可缺少的重要组成部分［2］。正常的微生物菌群与动物间通过共生关系建立了有助于宿主的生态系统，但是由于现代畜牧业生产中的亲子代隔离、环境应激等因素，造成了畜禽正常的肠道微生物区系建立不完善或菌群失衡，导致了畜禽免疫力下降、疾病高发和生产性能下降。因此，建立和维持畜禽正常的肠道菌群平衡，提高畜禽抵御环境病原菌侵害的生理功能是发展健康养殖的内在需求。基于畜禽微生态平衡理论推出的微生物饲料添加剂(Direct-fed microbials，DFMs)，是近年来发展安全饲料添加剂、替代抗生素的重要开发方向。目前，我国对畜牧业畜产品安全的要求不断提高，微生物饲料添加剂的应用日益受到重视。2013年12月，农业部发布了饲料添加剂目录(2013)，其中允许作为饲料添加剂使用的微生物种类达到34种，相比饲料添加剂目录(2008)增加了18种，由此也表明微生物饲料添加剂的应用将在我国进一步扩大。

1 微生物饲料添加剂的有关概念

微生物饲料添加剂，国际上应用通用名词就是直接饲用微生物(Direct-fed microbials，DFMs)、益生素(Probiotics)和更为宽泛的微生态制剂(Microbial ecological agents)等概念。蔡辉益等早期指出了微生物的两类作用所产生的概念差异［3］。一类并非直接起到促生长作用，是通过提高机体非特异性免疫功能，减少肠道感染对生长起间接促进作用，如乳酸菌类;另一类主要通过活体微生物在肠道内产生酶、维生素、氨基酸及生长刺激因子等直接达到促进生长、提高饲料利用率的目的，如芽胞杆菌类。对于复合型产品，这两种作用兼而有之，难以严格区分。依据动物微生态学理论关于微生态制剂概念的内涵，其定义可归纳为:从自然界分离的有利于维护动物微生态平衡的微生物菌种，经发酵等特殊工艺制成的活菌或者包含活菌及其代谢产物的微生物制剂［4］，又叫“微生物饲料添加剂”或“直接饲用微生物”。

2 微生物饲料添加剂的作用机理

微生物饲料添加剂的作用可主要归纳为调整肠道菌群失调、提高免疫功能、提高消化吸收机能，有关上述作用的机理研究简要总结如下。

2.1 调整肠道菌群失调

调节肠道菌群失调是基于动物微生态平衡理论，该理论认为正常的微生物与动物体在不同发育阶段形成动态的生理性组合，是长期进化过程中形成的微生物与动物体的生理性统一体［3］。

2.1.1 竞争附着位点肠道上皮细胞存在着可被微生物吸附的位点，肠道菌群正常的动物，其附着位点大多被有益共生菌群占据，抑制其他外来微生物在肠道内的定植或增殖，对致病菌形成拮抗，阻止致病菌的吸附致病。当动物体内正常菌群失调时，添加的微生物饲料添加剂可竞争占据这些吸附位点，排斥病原微生物，发挥益生作用。研究表明，乳杆菌能够在畜禽肠道内定植于肠道上皮，占据吸附位点，有效防止沙门氏菌等致病菌对畜禽健康的影响［5］。此外，在肠道内选择性促进益生菌生长的寡糖等益生元，可促进益生菌的大量繁殖，从而抑制病原菌在肠道上皮的吸附。如乳糖可促进肠道内乳杆菌的大量繁殖，抑制沙门氏菌［5-6］。

2.1.2 产生抑菌物质研究表明，有些益生菌可在动物肠道内产生有机酸、细菌素等抗菌物质，从而抑制病原菌。已经证实乳酸菌产生的有机酸可降低肠道的pH值，抑制致病菌。乳杆菌、双歧杆菌等可产生细菌素、类细菌素物质，双歧杆菌产生的广谱抗菌物质，具有抑制志贺氏菌、沙门氏菌、霍乱弧菌等病原菌的活性［7］。

2.1.3 生物夺氧学说厌氧菌是肠道微生物种群中优势种群，通常在猪、鸡肠道菌群中占99%以上，兼性厌氧菌及需氧菌不足1%［8］。应用好氧和兼性厌氧芽胞杆菌作为益生菌，有利于利用非致病耗氧微生物在消化道内迅速繁殖，降低局部环境氧浓度和氧化还原电势，促进厌氧微生物生长，恢复和维持肠道微生物生态平衡［6，8］。

2.2 提高免疫功能

通过对比无菌动物和普通动物的免疫功能发现，拥有完整肠道菌群的普通动物比无菌动物具有更加良好的免疫防御功能。研究表明，无菌小鼠的淋巴组织增殖活性低，仅有少量的浆细胞［2］;拥有完整肠道菌群的常规动物比无菌动物有更高的巨噬细胞活性和免疫球蛋白水平［9-11］。

对猪、鸡等畜禽的试验表明，日粮中添加乳杆菌、芽胞杆菌等益生菌具有增强巨噬细胞活性、提高血清中酶活性和抗体水平的作用，可提高动物机体的非特异性免疫机能水平［1］。

2.3 提高消化吸收功能

微生物饲料添加剂对提高营养物质消化吸收功能的作用主要体现在产生消化酶、维持和增强小肠绒毛的结构与功能、产生营养物质等方面。

研究表明，微生物饲料添加剂可在体内产生多种消化酶，提高饲料转化率。芽胞杆菌具有很强的淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶活性，枯草芽胞杆菌饲喂0～3周龄肉仔鸡，能显著提高空肠内容物淀粉酶活性［12］。酵母具有将微量元素富集、转化，促进消化吸收的作用，可提高动物对微量元素的利用效率。乳酸菌能够合成维生素和有机酸，促进常量和微量元素的吸收。

微生物饲料添加剂能够维持动物小肠绒毛的结构，强化小肠绒毛的功能，促进营养物质的吸收和利用。通过对家畜小肠绒毛的形态结构观察，发现使用微生物饲料添加剂可改善小肠绒毛的长度和隐窝深度，促进肠绒毛发育［13-14］。

另外，有些研究表明，芽胞杆菌等益生菌可产生维生素、氨基酸、促生长因子等营养物质，可提高动物对矿物质的利用，促进维生素D的吸收，一定程度弥补氨基酸和维生素的不足［4］。

3 常用的微生物种类

3.1 乳酸菌

乳酸菌是最早用作微生物饲料添加剂的益生菌，种类繁多。从微生物特性来说，乳酸菌为革兰阳性、分解糖类产生乳酸、无芽胞;通常在厌氧或者兼性厌氧条件下生长;耐酸，在pH 3.0～4.5下仍能够生存;不耐高温，经80℃处理5 min，损失达70% ～80%;包括乳杆菌属、链球菌属、明串珠菌属、片球菌属［15］。

作为微生物饲料添加剂，乳酸菌在动物体内发挥的作用主要有:①维持肠道微生态平衡，阻止和抑制致病菌，降解消化道内的有害物质;②产生超氧化物歧化酶，增强动物的非特异性免疫;③产生淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶等消化酶;④产生细菌素，抑制致病菌的生长。

3.2 芽胞杆菌

芽胞杆菌是应用很广泛的一类微生物饲料添加剂，如枯草芽胞杆菌和地衣芽胞杆菌，属于需氧菌，以内孢子的形式零星存在于动物肠道的微生物群落中［1］。与乳酸菌相比，由于芽胞杆菌能够耐受高温、高压，经过饲料制粒等过程依然可保持良好的活性，更加适宜在饲料加工过程中添加应用，在饲料中比较稳定。芽胞杆菌在一定条件下产生芽胞，作为微生物饲料添加剂，具有以下优点:①抗性强，耐高温、酸碱、高压，对颗粒饲料加工具有良好的耐受力;②贮藏过程中以孢子形式存在，不消耗饲料的营养成分;③在肠道上部迅速复活，复活率接近100%;④可产生多种氨基酸及淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等多种消化酶;⑤消耗肠道内的氧，维持厌氧环境，抑制致病菌生长。2013饲料添加剂目录中允许使用的芽胞杆菌有枯草芽胞杆菌、地衣芽胞杆菌、短小芽胞杆菌、迟缓芽胞杆菌、凝结芽胞杆菌、侧孢短芽胞杆菌等。

3.3 酵母菌

饲料添加剂目录(2013)中，作为微生物饲料添加剂使用的酵母主要有产朊假丝酵母、酿酒酵母等。酵母在动物肠道的作用包括:①改善肠道微生态环境;②提高动物体免疫功能，增强抗病力;③可直接和肠道病原体结合，中和肠道中毒素;④促进动物生长。

3.4 光合细菌

光合细菌作为微生物饲料添加剂主要应用于水产方面。该类细菌是一类能够进行光合作用的微生物，在厌氧条件下利用光能同化二氧化碳。光合细菌作为微生物饲料添加剂，在水产养殖方面发挥的作用主要有:①净化水质条件，提高水产动物生产性能;②菌体蛋白中含有多种必需氨基酸，为水产动物提供丰富的营养物质;③产生生物活性物质，增强动物的免疫力。

3.5 其他饲用微生物

除上述微生物外，在反刍动物中，曲霉属的黑曲霉、米曲霉等具有增加瘤胃中细菌总数、提高纤维素酶产量作用。在水产养殖中添加弧菌、假单胞菌等微生物，还有藻类等低等生物都能够抑制病原菌的生长，提高水产动物的成活率。

4 微生物饲料添加剂在畜牧业中的应用

美国2009年公布了46种可以直接饲喂的安全微生物［16］;1991年，法国销售的益生素品种超过50个，如今，荷兰至少有50%的猪、丹麦至少有30%的母猪在饲喂添加微生态制剂的日粮［17］;我国在微生物饲料添加剂方面的研究与应用稍滞后于世界畜牧发达国家，但近年来发展较快，目前允许使用的微生物种类已经达到34种。

4.1 鸡

鸡的消化道相对较短，肠道黏膜屏障脆弱。在集约化养殖条件下，与长消化道动物相比更加容易受到不良微生物的侵害，导致各类疾病的发生。使用微生物饲料添加剂是防治肠道疾病、改善肉鸡和蛋鸡生产性能的有效手段之一。

肉鸡的生长速度快，集约化生产中受环境影响较大，应用微生物饲料添加剂能够改善肠道菌群平衡，降低肠道疾病的发生率和死亡率，提高出栏重、降低料肉比，且可减少鸡舍内氨气、硫化氢等有害气体排放量，改善产品品质［18-19］。

在蛋鸡养殖中应用微生物饲料添加剂，除了能够防治疾病、提高生产性能和饲料报酬外，还对蛋品质量具有改善效果。研究表明，蛋鸡日粮中添加微生物饲料添加剂，可提高鸡蛋的哈氏单位，降低鸡蛋的胆固醇含量，并具有改善蛋壳厚度、减少软壳蛋等效果［20-21］。

4.2 猪

目前研究与应用表明，微生物饲料添加剂在仔猪、母猪和育肥猪的养殖中均取得了良好应用效果。

在仔猪日粮中添加微生物饲料添加剂，可促进仔猪肠道发育，改善肠道健康，降低腹泻率，提高仔猪生长速度和饲料转化率。对于哺乳期仔猪，添加微生物饲料添加剂有助于建立益生菌的优势菌群;对断奶仔猪，可以改善因自身消化酶分泌、日粮的抗原性等因素导致的腹泻、生长受阻等不利影响［22-24］。

研究表明，在母猪日粮中使用微生物饲料添加剂，可以改善肠道健康，提高母猪免疫力和繁殖性能。添加微生物饲料添加剂以后，可提高调节胃肠道内菌群平衡的能力，增加母猪哺乳期的采食量、抑制体重下降，提高母猪乳汁内的脂肪和蛋白质含量，提高断奶仔猪存活率和断奶仔猪体重［25-26］。

在育肥猪日粮中添加微生物饲料添加剂可提高采食量和饲料转化率，改善健康状况，缩短育肥期，并具有改善品质和减少环境污染的作用。研究表明，添加微生物饲料添加剂，可降低育肥猪的腹泻率，提高免疫力，提高采食量和饲料消化率，从而提高日粮利用率，降低料肉比。并且，微生物饲料添加剂对增加肌内脂肪、提高必须脂肪酸含量具有一定的促进作用，可改善猪肉的品质［27-29］。

4.3 反刍动物

研究表明，微生物饲料添加剂可改善肉羊、肉牛等肉用反刍动物的增重速度，提高胴体净肉率，改善肉质［30-31］;对产奶反刍动物，微生物饲料添加剂可以提高产奶量、延长产奶高峰，提高乳脂率、降低奶中体细胞数量、改善乳成分。并对防治乳房炎和繁殖疾病也有一定作用［32-34］。对于消化道发育尚不健全的犊牛，使用微生物添加剂具有促进犊牛胃肠道菌群建立、调节菌群平衡的作用，减少犊牛下痢的发生。此外，使用微生物饲料添加剂，对犊牛的增重等具有促进作用［35-37］。

4.4 水产

微生物饲料添加剂在水产方面的应用体现在饵料与水体净化两个方面。微生物饲料添加剂可改善水产动物微生态平衡、促进生长发育，发挥防治疾病和提高生产性能的作用。益生菌可在鱼类肠道内定植，促进鱼的生长发育，提高抗病力;饲用微生物饲料添加剂可降低对虾的发病率，提高成活率与产量;微生物饲料添加剂可作为水产动物的免疫刺激剂和佐剂，促进免疫器官发育，改善体液免疫水平，提高免疫功能，该效果在多种水产动物中得到验证［38-39］。

微生物饲料添加剂中的光合细菌、硝化细菌等可消耗水体中的有机物，除去氨氮、硫化氢、亚硝态氮等，是目前应用于改善水产养殖环境的重要有益微生物，在对虾、牙鲆等水产动物养殖中获得良好的应用效果［40-41］。

5 结语

随着我国养殖行业的快速发展，在抗生素使用弊端日益凸显的背景下，微生物饲料添加剂的开发与应用必将更加受到重视。但目前作用机理尚未研究透彻，微生物添加剂优良菌种缺乏、产品质量参差不齐等制约应用的问题仍然存在，限制了微生物饲料添加剂的发展。因此，在机理探索、益生菌筛选、有效性和安全性评价以及配套应用技术等方面急需深入研究。随着分子生物学等先进技术手段的发展和应用，微生物饲料添加剂的研发与应用必将不断焕发出新的活力，在替代抗生素方面发挥更大的作用。

［1］王丽娟.益生素的研究及应用进展［J］.饲料博览，1999，(1):17-20.

［2］潘康成，吕道俊，何明清.正常菌群对动物免疫功能的影响研究进展［J］.饲料工业，1999，(9):24-26.

［3］蔡辉益，霍启光.饲用微生物添加剂研究与应用进展［J］.饲料工业，1993，(4):7-12.

［4］周庆安，刘文刚，邓留坤，等.动物微生态制剂及其应用［J］.饲料博览，2003，(4):11-13.

［5］Oyofo B A，et al.Effect of carbohydrates on Salmonella typhimurium colonization in broiler chichens.Avian Dis.1989，33.

［6］王旭明，陈宗泽，袁毅.益生菌作用机理的研究进展［J］.吉林农业科学，2002，(1):50-53.

［7］Gibson G R，Wang X.Regulatory effects of bifidobacteria on the growth of other colonic bacteria［J］.Journal of Applied Bacteriology，1994，77(4):412-420.

［8］金立明，生宝强.饲用微生物添加剂的研究与应用进展［J］.北华大学学报(自然科学版)，2004，(3):270-272.

［9］陈出新，王立生.双歧杆菌对裸鼠腹腔巨噬细胞产生IL-12和 TNF-α 的影响［J］.实用预防医学，2002，(4):321-322.

［10］王立生，潘令嘉，施理，等.双歧杆菌对裸鼠腹腔巨噬细胞产生 IL-1、IL-6、IL-12 的影响［J］.中华微生物学和免疫学杂志，1998，(5):40.

［11］葛凤霞，袁小林，张朝，等.乳酸杆菌对小鼠腹腔巨噬细胞活化作用及细胞毒作用的初步研究［J］.中国微生态学杂志，1998，(1):48-49.

［12］闫凤兰，卢峥，朱玉琴.肉仔鸡饲喂枯草芽胞杆菌(Bacillus subtilis)效果的研究［J］.动物营养学报，1996，(4):34-38.

［13］董克苏，肖振铎.产酸型活菌制剂对新生仔猪小肠绒毛形态影响的观察［J］.吉林农业大学学报，1994，(1):93-96.

［14］王长文，肖莉，马洪波，等.接续产酸型活菌制剂对犊牛小肠微绒毛结构的影响［J］.江苏农业科学，2006，(4):100-102.

［15］李晓晖.饲用微生物的种类和主要作用［J］.饲料工业，2002，(2):30-32.

［16］徐鹏，董晓芳，佟建明.微生物饲料添加剂的主要功能及其研究进展［J］.动物营养学报，2012，(8):1397-1403.

［17］李莉，李兴华，林森，等.微生态制剂应用的研究进展［J］.广西畜牧兽医，2013，(2):125-127.

［18］杨金玉，张海军，武书庚，等.肉鸡饲用微生物添加剂应用研究进展［J］.中国饲料，2013，(10):20-23.

［19］黄冠庆，张延涛，唐锦锋，等.微生态制剂对黄羽肉鸡生长性能和免疫器官发育的影响［J］.饲料工业，2004，25(7):35-36.

［20］崔西勇，李维炯，倪永珍，等.微生态制剂对商品蛋鸡应用效果的研究［J］.畜牧与兽医，2004，(12):1-2.

［21］曹乐民，周云帆，韩二芳.微生态制剂的应用研究进展［J］.河南农业，2013，(4):47-48.

［22］文静，孙建安，周绪霞，等.屎肠球菌对仔猪生长性能、免疫和抗氧化功能的影响［J］.浙江农业学报，2011，23(1):70-73.

［23］吕利军，季海峰，杨英，等.乳酸菌微胶囊及合生素对仔猪生产性能和免疫力的影响［J］.畜牧与兽医，2009，41(2):35-37.

［24］张常明，李路胜，王修启，等.乳酸菌对断奶仔猪生产性能及免疫力的影响［J］.华南农业大学学报，2007，27(3):81-84.

［25］李彪，杨乃欢.活性酵母对经产母猪生产性能的影响［J］.饲料研究，2009，(7):25-27.

［26］Stamati S，Alexopoulos C，Siochu A，et al.Probiosis in sows by administration of Bacillus toyoi spores during late pregnancy and lactation:effect on their health tatus/performance and on litter characteristics［J］.International Journal of Probiotics and Prebiotics，2006，1(1):33-40.

［27］叶丙奎，李青旺，谢伟华，等.混菌固态发酵饲料对生长育肥猪生产性能的影响［J］.西北农业学报，2009，18(5):22-26.

［28］刘瑞丽，李龙，陈小莲，等.复合益生菌发酵饲料对肥育猪消化与生产性能的影响［J］.上海农业学报，2011，27(3):121-125.

［29］孙建广，张石蕊，谯仕彦，等.发酵乳杆菌对生长肥育猪生长性能和肉品质的影响［J］.动物营养学报，2010，22(1):132-138.

［30］任科润，齐景伟，乌兰，等.反刍动物微生态制剂开发应用的研究进展［J］.饲料研究，2012，(12):17-19.

［31］高飞.微生态制剂饲料饲喂肉羊效果研究［J］.河南农业科学，2011，(10):131-133.

［32］周静文，洪永亮，孙桂芬，等.微生态制剂对奶牛泌乳后期生产性能的影响［J］.广东饲料，2008，(4):28-29.

［33］邵伟，朴香淑，余雄.两种微生态制剂对荷斯坦牛生产性能的影响［J］.中国奶牛，2010，(3):17-19.

［34］邱凌，曾东，倪学勤，等.微生态制剂对奶牛产奶量和乳品质与肠道菌群的影响［J］.中国畜牧杂志，2011，(3):64-67.

［35］张海涛，王加启，卜登攀，等.纳豆枯草芽胞杆菌对犊牛断奶前后瘤胃发酵和酶活的影响［J］.中国畜牧兽医，2009，(12):5-11.

［36］张海涛，王加启，卜登攀，等.日粮中添加纳豆枯草芽胞杆菌对犊牛消化道发育的影响［J］.中国畜牧兽医，2010，(1):5-9.

［37］张海涛，王加启，卜登攀，等.日粮中添加纳豆枯草芽胞杆菌对断奶前犊牛生长性能的影响［J］.中国畜牧杂志，2011，(3):67-70.

［38］李海兵，宋晓玲，李赟，等.水产动物益生菌研究进展［J］.动物医学进展，2008，(5):94-99.