乳酸菌的生理功能及在饲料发酵中的应用

左志芳,谢红兵,刘长忠,崔艳红,王元元,刘兴友

（河南科技学院,河南新乡453003）

益生菌能在动物体内生长繁殖,改善宿主微生态平衡,进而提高宿主的健康水平.目前,关于益生菌的研究与应用受到美国、俄罗斯、日本、德国、法国等许多国家的重视.我国对乳酸菌的研究也有相当长的一段历史,20世纪80年代就已成立了研究包括乳酸菌在内的微生态学的学会组织.目前研究和应用较多的益生菌是乳酸菌类,美国食品与药物管理局（FDA）和饲料控制管理协会（AAFCO）1989年公布的安全微生物品种共43种,其中乳酸杆菌占12种,我国1999年公布允许使用的12种饲用微生物中有3种是乳酸杆菌.美国益生菌工业上应用的产品中57%含有乳酸杆菌,法国在1991年市场销售的益生菌品种达50多种.到2010年,我国乳酸菌产业规模已经超过200亿元,产量突破160万t[1].1875年巴斯德研究乳酸发酵时发现了乳酸菌,随后的几年也有从酸败的牛乳中分离到乳酸菌的现象,数年之后,又发现了从肠道而来的双歧杆菌及嗜酸乳杆菌.19世纪初俄国细菌学家梅奇柯夫报导经常饮用乳酸菌发酵酸奶会使人长寿[2].现代相当多的试验研究表明,乳酸菌发酵饲料能够提高动物的生产性能,通过维持肠道内的菌群平衡进而净化畜舍内环境,在畜牧生产中有着重要的意义[3].

1 乳酸菌的主要生理功能

乳酸菌是革兰氏阳性菌,不形成芽孢,触媒阴性,细胞色素缺失,兼性厌氧,营养需求苛刻,耐酸,在糖发酵时有严格的发酵方式,终产物以乳酸为主.

1.1 营养与保健作用

乳酸菌可提高脂类的消化性,促进蛋白质的消化与吸收,提高钙、磷利用率,促进维生素D和铁的吸收,产生B类维生素,提高肠道内B族维生素的稳定性和提供半乳糖,有效避免乳糖不耐症的发生.Gilliland等研究表明,双歧杆菌能产生叶酸及B族维生素,且不同种类的双歧杆菌所产生的量不同.此外,乳酸菌还可通过降低血清中胆固醇的含量,达到预防和治疗心脑血管疾病的目的[4].Lye等对5株乳杆菌进行研究,发现在模拟人胃肠道环境的情况下,胆固醇粘附到细胞表面,在胆盐的存在下,抑制胆固醇胶束的形成,降低了模拟环境中胆固醇的含量[5-6].除降低血清胆固醇外,乳酸菌还通过多种形式对机体产生降高血压作用.Donkor等在常规发酵剂中添加嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌和乳双歧杆菌来发酵牛乳,发酵过后该乳在贮存初期表现出明显的血管紧张素I转化酶（ACE）抑制活性,并发现从中分离鉴定出的ACE抑制肽Val-Pro-Pro（VPP）和Ile-Pro-Pro（IPP）具有很强的ACE抑制能力[7].

1.2 调节肠道内环境

乳酸菌在动物体内能够通过自身及其代谢产物对致病菌产生非特异性拮抗作用,调整菌群之间的比例,抑制或减少有害菌的滋生[8-9].Kobashi等通过给断奶仔猪饲喂乳酸菌发酵饲料,发现乳酸菌能显著降低猪肠道内pH值,且肠道内乳酸菌的数目显著增加,而有害菌的含量显著下降[10].由试验可知,乳酸菌能使相当数量的不耐酸的致病菌受到抑制而死亡[11].乳酸菌合成的抑菌物质,如H2O2、细菌素等,能氧化有害菌细胞及杀灭有害菌.此外,乳酸菌还通过与有害菌竞争营养物质和占据有害菌在小肠内膜上皮部位的结合位点发挥抑菌作用[12].Schnurer等发现乳酸菌还有抗真菌作用,被广泛应用于防治真菌感染[13].

1.3 增强动物机体的抗病能力

乳酸菌具有一定的免疫调节活性,其活菌体、热杀死菌体、菌体破碎液、细胞壁分离产物、细胞质提取液及发酵液均具有免疫调节活性.Tejada-Simon等用嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌发酵乳制品饲喂小鼠,发现其发酵乳制品显著增强了小鼠体内免疫细胞的免疫应答作用[14].Taranto等研究报道,给小鼠饲喂干酪乳杆菌,然后经口感染鼠伤寒沙门氏菌和致病性大肠杆菌,检测到小鼠肠道中出现IgA抗体,并且发现IgA对这两种病原菌表现出拮抗活性.乳酸菌本身及其代谢产物还具有抗肿瘤的活性[15].Rafter发现,乳酸菌主要是通过调整肠道菌群的组成及其代谢,增强了宿主机体免疫能力,从而减少肠道内致癌物的形成[16].Lakritz等将经罗伊氏乳杆菌发酵的食物喂给小鼠,发现这种发酵食物能刺激机体产生CD4+和CD25+淋巴细胞,而这两种淋巴细胞足以抑制乳腺肿瘤的发生[17].

1.4 营养作用及改善食品风味

乳酸菌发酵后能产生乳酸及丁二酮（双乙酰）、乙醛、3-羟基丁酮等风味物质,这些风味物质是影响发酵产品风味的主要因素.乳酸和醋酸等与酵母产生的醇类酯化,形成酯类香味物质.例如利用明串珠菌属和乳杆菌属的部分乳酸菌进行联合发酵,它们能将糖转化成双乙酰、甲基乙酰甲醇等芳香成分[18].有的乳酸菌可分解蛋白质形成肽和氨基酸,食品所具有的丰富而独特的风味与这些分解产物有重要的关联.此外,乳酸菌还能通过产生的风味物质降低某些原料的异味,如发酵牛奶的保加利亚乳杆菌,可以除去牛奶的生臭味,并产生微弱的香味[19].

2 微生物发酵饲料

2.1 概念及历史

微生物发酵饲料是指在人为可控制的条件下,通过微生物自身的代谢活动,降解植物性、动物性原料中的抗营养因子,产生适口性好、无毒害且容易被动物机体吸收的饲料原料[20].1908年,Metchnikeff通过对幼畜饲喂乳酸菌发酵酸奶可起到治疗腹泻的效果.1947年,Mollgaard发现使用乳酸杆菌能提高仔猪的日增重,降低其腹泻率.1968年,Redmend也报道了乳酸杆菌可以减少仔猪下痢、改善仔猪的发育状况[2].20世纪80年代,荷兰首先探讨了是否在猪的日粮中使用含乳酸菌的发酵液体饲料,此后在法国、西班牙、丹麦、瑞士、瑞典等国得到扩展性的使用[21].世界上已有许多国家大量使用益生菌制剂和发酵饲料,1989年,美国直接饲喂的发酵微生物在8000 t以上,日本在1000 t以上.我国的微生物饲料研究起步于20世纪80年代,20世纪90年代以后进入产业化研制、开发及生产[22].

2.2 发酵饲料种类

发酵饲料的分类主要是通过其中水分的含量进行分类,分为固体发酵饲料和液体发酵饲料.目前,在国内普遍使用固体发酵饲料技术,而国外特别是美国、丹麦、荷兰等国家普遍使用液体发酵饲料技术.制作液体发酵饲料时一般通过自然发酵而成,其中不添加另外的菌种,通过自然发酵后,液体发酵饲料中乳酸菌占主导地位.Winsen等提出的液体发酵饲料指标目前已得到广泛认同：乙酸含量＜40 mmol/L、乙醇含量＜0.8 mmol/L、乳酸含量＞150 mmol/L、LAB＞109 CFU/mL、pH值＜4.5[23].固体发酵饲料的分类比较复杂,主要分为发酵浓缩料、发酵全价料、发酵酵母培养物、发酵豆粕及其他发酵产品.发酵全价饲料是指将不含抗生素的全价饲料、微生物和水按一定比例混合经过厌氧或好氧发酵而成的饲料.这类饲料营养均衡,不仅能满足畜禽的营养需要,而且富含氨基酸、小肽、酶及多种未知生长因子,具有明显的促进动物生长的作用.发酵浓缩料是指将浓缩饲料与水、微生物按一定的比例发酵而成的非全价饲料.与发酵全价饲料相比少了一类能量饲料,但具有方便运输的优点.目前,通过国内外使用较多的酵母发酵产品来看有2种类型：一种是含有大量酵母代谢产物的产品,另一种是以酵母活细胞为主的功能性产品.酵母发酵产品在反刍动物及母猪上使用较多.发酵豆粕是指通过以豆粕为原料,在适当的条件下经过微生物发酵降解其中的蛋白质、多糖等大分子化合物而成的富含小肽的蛋白质饲料[24].除此之外,还有用青贮饲料、棉籽粕、菜籽粕、工业废弃物（如甜菜渣、木薯渣、啤酒渣和豆渣）及农业废弃物（如玉米秸秆）等制成的发酵饲料[25].

3 发酵饲料的功能及应用

3.1 发酵饲料的主要功能

3.1.1 改善原料的蛋白质品质经过发酵处理后将动物性或植物性的蛋白质分解产生富含活性肽、小肽等物质.此外,益生菌还能将一定含量的糖、粗纤维及粗脂肪饲料转化为粗蛋白,有效提高畜禽的消化吸收率[26].

3.1.2 降低饲料中的粗纤维,提高饲料的适口性富含粗纤维的饲料如玉米秸秆,通过发酵处理后可降低其中12%～16%粗纤维的含量,进而提高了饲料的适口性,增加了动物对饲料的消化率.Carlson等研究报道,将饲料发酵后,可将其中的植酸磷和无机磷降解或析出,变成了游离磷而容易被动物机体吸收[27].

3.1.3 降低饲料中毒素的含量酵母发酵产物脱毒的方法很早就得到验证,Bennet等在使用发霉变质的玉米酿酒时发现酿出的乙醇里不含霉菌毒素,而发酵后剩余的残渣里却检测含有霉菌毒素.对酿酒酵母的分解霉菌毒素的产物进行研究时也发现了同样的现象,终产物中不含霉菌毒素[28].另外发酵益生菌的代谢产物也可降低饲料中的毒素含量.侯然然等发现葡甘露聚糖可以有效地缓解由黄曲霉毒素B1产生的毒性[29].余伯良通过分离曲霉属、串珠霉属时发现,其中的5个菌株能降低棉粕中棉酚的含量[30].

3.1.4 产生未知的促生长因子,促进动物的生长饲料经微生物发酵后所产生的一些物质,如：B族维生素、有机酸和未知生长因子等能很好地促进动物机体对营养物质的吸收.Feng等报道,通过微生物发酵技术,饲料中的某些抗营养因子被消除,而其中的小分子化合物、游离氨基酸及小肽等的含量明显增加,能够促进肠道对营养物质的利用,很好的减缓畜禽的应激[31].

3.2 乳酸菌发酵饲料在动物生产中的应用

益生菌发酵饲料能产生其特有的发酵酸香味,另外其中含有丰富的脂肪酶、蛋白酶能很好地改善动物对饲料的适口性,增加其采食量,提高动物的食欲,进而提高其生产性能.

3.2.1 发酵饲料在家禽生产中的应用Engberg等将含有高浓度的乳酸（160～250 mmol/kg饲料）和乙酸（20～30 mmol/kg饲料）、pH约为4.5的湿发酵料饲喂16至38周龄产蛋鸡,采食量、饲料转化率和蛋重,实验组较对照组分别提高了13.6%、11.0%和2.3%,同时肠绒毛高度也得到了相应程度的提高[32].Missotten等在潮湿的饲料中接种植物乳杆菌NCIMB40087,26℃分批发酵48 h后喂给280日龄肉鸡,发现生长和肥育期结束后,绒毛高度在空肠中段和回肠实验组较对照组分别提高了22.6%和16.0%,饲料利用率也改善了[33].孙汝江等使用嗜酸乳杆菌、毕赤酵母菌和枯草芽孢杆菌等复合菌种发酵饲料饲喂产蛋鸡,产蛋率上,实验组Ⅱ（添加微生物发酵饲料5%）和Ⅲ（添加微生物发酵饲料10%）较对照组Ⅰ分别提高1.66%和2.10%,差异显著（P＜0.05）；料蛋比上,两试验组均有所降低,其中Ⅲ比Ⅰ降低3.46%,差异显著（P＜0.05）；两试验组的平均蛋重较对照组均有提高[34].尹鹏鹏用乳酸菌和芽孢杆菌以0.1%接种量的发酵饲料饲喂35日龄肉鸭,添加不同菌种和配比比例的G2组的肉鸭,其末期体重和平均日增重分别提高了6.53%和6.61%,差异极显著（P＜0.01）,G1分别增加了5.84%和5.95%,G3分别增加了6.39%和6.38%,也都显著提高（P＜0.05）[35].

3.2.2 发酵饲料在养牛生产中的应用Kung等将由北美、欧洲各大学和政府研究机构发表的关于使用乳酸菌青贮剂的奶牛养殖试验的12个报告进行了归纳性总结,统计显示,乳酸菌青贮剂至少可以使奶牛提高4.6%的产奶量[36].Ghorbani等给育肥牛直接饲喂含有乳杆菌属的微生物（DFM）,发现经瘤胃发酵后,NH3浓度增加了18.7%,差异极显著（P＜0.01）,同时瘤胃原虫数也显著增加了（P＜0.05）,并推断DFM可以用来降低接受高精料日粮的育肥牛酸中毒的风险[37].何爽等用乳酸菌发酵秸秆饲料饲喂架子牛,结果表明试验组的平均日增重比对照组高0.17 kg（P＜0.05）；饲料转化率方面,试验组比对照组平均低11%,差异显著（P＜0.05）[38].

3.2.3 发酵饲料在养猪生产中的应用Demecková等用含植物乳杆菌的发酵液体饲料饲喂产仔母猪,发现初乳样品中肠上皮细胞和淋巴细胞有丝分裂活性,对照组（干饲料）分别为53433±1568 CPM和1231±61.4 CPM、试验组（发酵液体饲料）分别为79326±3069 CPM（次/分）和1903±204 CPM,分别提高了48.5%（P＜0.01）和54.6%,差异极显著（P＜0.01）,提高了母猪初乳的质量[39].金桩等在30～60 kg阶段的生长猪饲粮中添加干酪乳杆菌、乳糖乳杆菌、植物乳杆菌、肠链球菌和酵母等复合菌发酵的饲料,试验组平均每日比对照组多长49.5 g,提高了6.38%；试验组料肉比2.28∶1,比对照组的2.35∶1降低了3.07%（P＜0.05）[40].吕锋使用乳酸菌、芽孢菌和酵母菌以3∶2∶1比例发酵而成的全价饲料饲喂断奶仔猪,试验组（发酵全价料,且不含抗生素）日增重比对照组I（不含抗生素）和II（含抗生素）显著增加；腹泻率分别比对照组I和II降低77.8%（P＜0.05）和63.6%（P＞0.05）.由此可知,发酵饲料能提高断奶仔猪的生产性能,减低断奶仔猪的腹泻发生率,在一定程度上可取代饲料中添加的抗生素[21].Sholly等用液体发酵谷物饲喂生长猪,发现回肠CH2O消化率试验组（发酵）和对照组（非发酵）分别为86.5%和84.5%,试验组高2.3%,差异极显著（P＜0.01）,减少了糖尿病的发生率,改善了健康状况[41].张博等用枯草芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌混合菌株包部分发酵原料完成前处理后,等量替代原饲料配方中相应比例的原料饲喂商品猪,试验组与对照组相比,显著提高末重及日均增重,其中日均增重提高12%（P＜0.05）；扣除发酵中水分因素,表观料肉比校正为2.48（P＜0.05）[42].经济效益上,发酵原料部分替代原配方相应原料组的相对经济效益和头均经济效益均大于对照组.

4 展望

对于乳酸菌来说,生活中的传统产品主要是酸奶、奶酪等乳制品,虽然人类用其制成产品的历史已有百余年,但用它作为益生菌种来发酵动物饲料却在物资丰富的当今刚刚起步.尽管如此,微生物发酵饲料也已经具备与抗生素促生长因子相同的功能,同时也为下一步动物安全生产提供了重要的途径.如果能够解决发酵控制及有效性、发酵质量标准以及使用的安全性等问题,发酵饲料将是一种理想的抗生素促生长因子替代品.有专家预言,益生菌发酵饲料将成为取代当今畜牧业颗粒饲料和粉料的主要饲料种类.

随着微生物学、分子生物学的发展以及现代仪器分析手段的更新,采用基因工程技术手段,将与乳酸菌益生功能相关的功能基因,例如可以编码磷酸烯醇式丙酮酸依赖的磷酸转移酶（PTS）及其他糖转运系统相关酶类的基因[43],进行克隆和表达,对乳酸菌应用于畜牧业发酵,充分发挥其益生功能有着重要的实践意义.并且,随着乳酸菌遗传和代谢机制神秘面纱的揭开,加之其重要益生功能基因被逐渐地发现,益生菌发酵饲料必然成为未来发展方向,也将会得到越来越广泛的应用.

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