益生菌兼或益生元对牛肠道菌群调节作用研究进展

朱　鹏，龙　淼,2*

(1.沈阳工学院生命工程学院，辽宁抚顺 113122；2.沈阳农业大学畜牧兽医学院，辽宁沈阳 110866)



益生菌兼或益生元对牛肠道菌群调节作用研究进展

朱鹏1，龙淼1,2*

(1.沈阳工学院生命工程学院，辽宁抚顺 113122；2.沈阳农业大学畜牧兽医学院，辽宁沈阳 110866)

摘要：益生菌/益生元具有调节胃肠(GI)菌群平衡及活动的能力，能够显著地影响家畜肠道内菌群的结构和活动，使有益菌(主要是乳酸菌)占有生态位，成为优势菌群，抑制霉菌生长和霉菌毒素的产生。饲喂益生菌后，牛肠道中的菌群呈现多样性，群落的复杂程度增高，牛肠道菌群的微生态稳定性增强。低聚麦芽糖、低聚半乳糖等益生元则能不同程度的被有益菌分解利用，作为有益菌的生长促进剂，发挥其益生作用。目前，益生菌/益生元已被广泛应用于食品、医药保健和饲料等各个领域。随着对其深入的了解和成熟的市场或产业化发展，益生菌/益生元的应用前景很好。

关键词：瘤胃；胃肠道；酵母；低聚糖

益生菌由FAO/WHO(Food and Agriculture Organization of the United Nations/World Health Organization)定义为“活性微生物，当数量充足时，对宿主健康有益”。常用的益生菌包括一些乳酸杆菌、双歧杆菌和肠球菌种的乳酸菌(lactic acid bacteria，LAB)。益生元是不易消化的食物成分，主要指低聚糖或不易消化的膳食纤维。

有关益生菌和益生元的研究已发展为医药食品和饲料领域之间的一个横向研究领域。目前已有一些有关益生菌和益生元在牛的应用研究，但涉及其对牛胃肠菌群调控的报道不多。本文通过讨论应用益生菌和益生元对反刍动物特有的胃肠道微生物的调控作用，探索如何更好地使用益生菌和益生元来提高反刍动物的生产力。

1　犊牛胃肠道菌群特点

初生牛犊的肠道处于无菌状态，胃肠道中的细菌在小牛出生后立即开始定殖。此后随着动物生长发育，一个复杂和动态的微生物生态系统与大量活菌在肠道中建立起来。小牛肠道菌群的分子监测结果显示，小于3周的小牛体内检测到的主要细菌属于普氏拟杆菌、球形梭菌-直肠真杆菌、柔嫩梭菌属和阿托波氏菌属[1]。在小牛出生后的12周内，普氏拟杆菌和球形梭菌-直肠真杆菌是菌群的主要成分(约50%～70%)，阿托波氏菌属、柔嫩梭菌属和一些益生元细菌(如乳酸杆菌和双歧杆菌属)则在动物生长的过程中逐渐减少。相反的是，断奶之后，野生瘤胃球菌和纤维杆菌可以在排泄物的样本里被检测出来，大约有1%～2%。犊牛胃肠菌群的变化与胃肠道的新陈代谢和生理功能息息相关。这种未成熟的且不断变化的肠道菌群在面对饮食的突然变化时，会导致犊牛对病原体的抵抗力减弱，进一步导致了腹泻和呼吸系统疾病的发生。

2　胃肠道菌群平衡与奶牛健康的关系

饮食和管理限制等大量因素能够显著地影响瘤胃菌群的结构和活动。胃肠道菌群破坏会影响家畜的健康、使其生产力降低。利用16S rRNA基因的末端限制性片段分析技术T-RFLP(terminal restriction fragment length polymorphism)和实时PCR(polymerase chain reaction)对泌乳奶牛中与亚急性瘤胃酸中毒(sub-acute ruminal acidosis，SARA)相关的微生物群落变化进行监测。T-RFLP分析结果显示，SARA期间最显著的变化是革兰阴性拟杆菌减少。瘤胃内革兰阴性细菌死亡释放的脂多糖会引起奶牛炎症[2]。此外，奶牛过肥后是新陈代谢、传染、消化和生殖障碍的主要风险因素。这些与反刍动物的胃肠菌群密切相关。因为奶牛瘤胃中高效的发酵系统主要负责能量转换和积累，而这些均来自于肠道内微生物的发酵作用[3]。目前尽管尚未证明瘤胃功能与体脂存储有直接关系，但控制瘤胃微生物发酵十分重要。这将有助于反刍动物的健康。

3　益生菌和益生元对犊牛的作用

3.1益生菌对犊牛健康的作用

近些年来，关于益生菌在犊牛上的利用也有一些研究报道，表明益生菌对犊牛生长性能和饲料的利用有促进作用。抗生素疗法已经被用于保持犊牛的生产力并减少腹泻。然而，由于抗生素的耐药性、抗生素进入环境以及动物产品中的化学产留物等安全性问题[4]。益生菌中乳酸菌等益生菌已经用来代替抗菌药物作为犊牛生长促进剂[5]。当饲料中抗生素被益生菌制剂部分或全部替代， 均能达到与抗生素组持平的促生长效果[6]。在幼龄反刍动物中，乳酸菌和芽胞杆菌等益生菌一般作用于肠下端，稳定肠道菌群并降低病原体入侵的风险。乳酸菌可在平衡GI菌群以及动物营养和健康中产生有利作用。目前已经证明，在牛幼龄阶段乳酸杆菌和双歧杆菌在菌群中的数量有所减少。因此，使用乳酸菌来优化肠道菌群对于小牛的健康饲养非常必要，因为它增加了益生菌的数量，保证了肠道的菌群平衡。另外，乳酸菌在早期进入肠道生态系统可能会减少病原体在肠道黏膜上的附着。目前已证明稳定的乳酸杆菌含量能够提高幼龄小牛的高免疫能力；但益生菌的效果取决于牛犊的饲养条件。从粪便或直肠温度[7]可以确定，当对照(未处理)小牛不健康时，益生菌的效果往往非常明显。另外，目前已有大量报道事实证明， 给新生犊牛补充乳酸杆菌和链球菌将有助于降低腹泻的发生率[8]。所以，益生菌的主要作用机理是提高机体免疫水平和对病原菌的拮抗效应。在哺乳期犊牛代乳品中添加益生菌能够增加日增重，有改善犊牛生长性能的趋势，断奶犊牛日粮中添加益生菌，能够改善断奶前期犊牛的饲料转化率，并影响断奶后犊牛的瘤胃微生物区系[9]；给黑白花犊牛饲喂含乳酸杆菌的发酵乳30 d， 其反刍时间显著加长， 幼龄反刍动物随着年龄的慢慢增长， 体内的微生态体系也更加趋于稳定， 所以在动物刚出生后使用益生乳酸菌能达到最佳效果[10]。

3.2益生元对犊牛健康的作用

一些低聚糖对犊牛具有特殊作用。甘露低聚糖(mannan oligosaccharides，MOS)是复杂的甘露糖，一般认为其能够阻止病原体入侵消化系统。也有报道称，单独添加一定量的甘露低聚糖显著提高了犊牛的生长速度和经济效益[11]。研究表明，给牛饲喂低聚果糖(fructooligosaccharides，FOS)和喷雾干燥的牛血清能够降低犊牛肠道疾病的发生率和严重程度。该糖能够阻止肠道杆菌的附着，尤其是大肠埃希菌和沙门菌在肠道上皮细胞上的附着。也能够防止早期断奶犊牛肠道萎缩，维持肠道正常形态结构，提高犊牛免疫性能。早先的研究发现在代乳品(milk replacer，MR)中添加低聚半乳糖(galactosyl-lactose，GL)对犊牛的生长和健康有益。添加MOS、FOS和GL可能改善断奶后犊牛的生长性能。然而，这些糖对微生物发酵活动的改变尚未得到详细的检测。研究证明,甘露低聚糖、果寡糖等均可以充当免疫刺激因子,激活机体的免疫系统,增强机体对抗原的免疫应答能力,促进动物体液免疫和细胞免疫能力,进而提高机体的抗病及生长能力。此外，与益生菌相似的是，对于健康的犊牛，益生元的作用表现一般不明显。

纤维低聚糖(cellooligosaccharide，CE)由葡萄糖吡喃糖通过β-1-4糖苷键连接而成。补充CE能够在饲喂全乳时有效地调节牛肠道中的细菌群落[12]。补充CE提高了菌群中球形梭菌-直肠真杆菌群的比例[13]。研究表明，CE补充剂对断奶前乳牛大肠中乳酸杆菌和双歧杆菌的数量没有影响。一般认为CE被牛肠道中的特定微生物利用，导致属于球形梭菌-直肠真杆菌的产丁酸细菌数量增加。丁酸梭菌数量增加，提高了肠道内丁酸盐的含量。由于丁酸盐除了作为能量来源的价值外，丁酸盐也参与大肠中肠道细胞的生长和分化，因此能够改善肠道细胞的上皮结构并提高消化和吸收效率，这可能也有助于其形成超高的营养吸收能力。丁酸梭菌还可以促进有益菌群的增殖和发育，抑制有害菌的活力，减少肠毒素的产生,纠正肠道菌群紊乱[14]。与液体饲料(牛奶或复原代乳品)一同饲喂的CE可能到达消化系统的下端，引起食道沟槽的反射作用并使用与单胃动物相似的机制来发挥益生菌的作用。

虽然饲喂CE能够在牛断奶后提高其每日增重和饲料效率，而在断奶前则没有这种作用[15]。主要原因可能是丙酸盐和总体短链脂肪酸(short chain fatty acid，SCFA)的增加促进了瘤胃发酵。这表明CE是通过提供碳和能量来影响发酵形式。另外短链脂肪酸和一些抗生素物质可以抑制外源致病菌和肠内固有腐败细菌的生长繁殖，减少由这些细菌产生的各种毒素，从而降低肠道中内毒素及尿素酶的含量，使血液中的内毒素和氨含量下降，减轻肝脏分解毒素的负担[16]。断奶后，固态饲料直接进入瘤胃由微生物进行处理。瘤胃CE最终可能成为体内各种原有微生物的营养来源。除了特别幼小的反刍动物，口服益生元会被瘤胃微生物消耗而无法到达肠下端。给断奶的牛饲喂低聚糖似乎仍是有益的，因为通过益生元补充剂使牛体内形成的理想肠道(瘤胃和/或肠下端)菌群在牛长大后可能会进一步促进其生长。

4　补充益生菌/益生元对小母牛、产乳奶牛和肉牛的影响

为成年反刍动物挑选益生菌主要是用于改善瘤胃微生物对纤维的消化作用。这种益生菌对不同的消化过程有促进作用，尤其是纤维素的水解和微生物蛋白的合成。通常奶牛使用的益生菌主要为不同的酵母菌菌株(大多为酿酒酵母)。至于成年反刍动物使用的细菌益生菌，提供乳酸的产乳酸菌(肠球菌、乳酸杆菌)比牛链球菌的作用更为稳定，这或许提供了一种防止饲喂高精料而导致动物酸中毒的方式[17]，尤其是在肉牛饲养场。能够利用乳酸盐的埃氏巨球形菌或丙酸菌种也已作为饲用微生物用于防止瘤胃乳酸积累。酵母菌对肉牛也有作用，日粮中添加活性干酵母可显著提高粗饲料(苜蓿颗粒、玉米秸秆青贮、 黑麦干草)中性洗涤纤维 (neutral detergent fiber，NDF)和酸性洗涤纤维(acid detergent fiber，ADF)在肉牛瘤胃的快速降解比例，提高其有效降解率[18]。

在饮食中添加酵母培养菌最持续的作用是提高产乳奶牛和产肉肉牛的生产力。由于酵母能够调控胃肠道的发酵，促进瘤胃微生物生长和纤维消化率，增加干物质采食量，从而可以提高犊牛生长速度[19]。酵母产品的作用方式尚未明确，但通常认为其与瘤胃发酵效率和形式的变化有关。瘤胃pH是评价瘤胃发酵状况的基本指标，决定着瘤胃微生物对底物的发酵利用效率[20]。活性干酵母的特定菌株对提高和稳定瘤胃pH尤其有效。通过刺激特定的纤毛虫来快速消耗淀粉，并因此与分解淀粉的产乳酸菌产生有力的竞争。目前已证明酸性较弱的环境有益于水解纤维素的微生物的生长和纤维素的降解活动。酵母还能改变瘤胃中的发酵过程来减少甲烷(CH4)产生[21]。酿酒酵母细胞能为瘤胃内的微生物提供生长因子，包括有机酸和低聚糖、B族维生素和氨基酸，这些生长因子能够在瘤胃中刺激微生物的生长，因此间接地稳定瘤胃pH[22]。酵母在瘤胃中的另一个作用是消除氧气，为瘤胃内微生物创造一个更好的无氧环境。在这种情况下，酵母不仅是益生菌，还帮助瘤胃内其他微生物生长，因此还扮演了益生元的角色。最近，活性干酵母对瘤胃微生物群落结构的影响通过使用基于16 S rRNA基因的焦磷酸测序技术得到了确认[23]。一项酵母对微生物群的影响评估结果显示，巨球型菌属、月形单胞菌属和分解纤维素菌群(如纤维杆菌门和瘤胃球菌属)等利用乳酸盐的细菌的相对数量随着酵母补充剂的添加而增加，确定了酵母的作用方式对纤维素分解活动有促进作用。

Desnoyers M S等使用定量荟萃分析评估了酵母补充剂对摄食、牛奶产量和瘤胃发酵的影响。结果表明，酵母补充剂可提高瘤胃的pH，且降低乳酸含量。当饲喂高度易发酵的饲料时，肉牛酸中毒的风险增加。早先有报告指出，通过持续添加活酵母补充剂，肉牛生长参数(平均每日增重、最终体重、摄食和饲喂增重比)提高显著[24]，而其他研究中几乎没有观察到其对生产力的影响。结果中的这种差异可能是由瘤胃微生物成分的差异导致的，不同地区的牛瘤胃微生物可能存在显著差异。例如，分解纤维素的细菌对pH的耐受性一般小于分解糖的细菌。

尽管早先的研究支持酵母补充剂的作用，但尚无有力的证据能够证明补充酵母始终有效。而且，不同产品的这种潜能差异较大，尤其在将这些产品的饲喂成本考虑在内时。这些差异可以归因于使用的酵母类型不同和菌株不同以及细胞是否存活[25]。此外，有些商品的数据是在体外条件下根据单胃动物或小型反刍动物得到的，实际情况与牛奶和牛肉不一定相符。

5　结语

目前已证明牛胃肠道中的微生物构成因不同因素导致菌群对环境做出适应性反应而有所不同，这些因素包括饮食、年龄和应激。益生菌和益生元都有潜力提高家畜的生产力和人类健康。尽管研究表明益生菌和益生元调节了牛体内胃肠道菌群的平衡，但其对瘤胃菌群的活力和功能仍需更详细的检测。针对肠道中微生物群的结构和活动、肠道中微生物的功能性相互作用以及微生物和宿主细胞间关系的进一步研究，是未来有关益生菌/益生元的基本层面的研究。“元”方法(元基因组学、元转录组学、元蛋白质组学和元代谢组学分析)是分析胃肠道菌群和宿主新陈代谢间关系的有效工具[26]。未来利用基于元方法的研究和获取的最新知识来理解益生菌/益生元对胃肠道微生物群平衡的调节功能，将会更有助于对其作用机制的研究。

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收稿日期：2016-03-05

基金项目：国家自然科学基金项目(31201961，31302152)；中国博士后科学基金项目(2014M551125)；辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2014561)

作者简介：朱鹏(1993-)，男，黑龙江鹤岗人，本科，主要从事益生菌功能开发利用。*通讯作者

中图分类号:S852.2；S816.79

文献标识码:A

文章编号:1007-5038(2016)07-0076-04

Progress on Effect of Probiotics/Prebiotics on Regulation of Gastrointestinal Bacteria Flora of Cows

ZHU Peng1,LONG Miao1,2

(1.CollegeofLifeEngineering,ShenyangInstituteofTechnology，Fushun,Liaogning， 113122，China；2.CollegeofAnimalScienceandVeterinaryMedicine,ShenyangAgriculturalUniversity，Shenyang，Liaogning， 110866，China)

Abstract:Probiotics/prebiotics have the ability to regulate gastrointestinal (GI) microflora balance and activity.They can significantly affect the structure and activities within the intestinal flora of livestock.The beneficial bacteria (mainly lactic acid bacteria) can occupy the niche,become the dominant bacteria,and can inhibit the growth of molds and their production of mycotoxin.After feeding probiotic bacteria,bovine intestinal flora diversity are increased,the community of the bacteria in the gastrointestinal become more complexity,and the stability of bovine intestinal flora was enhanced.As the bacteria growth promoting agents,maltose oligosaccharides,galactooligosaccharides and other prebiotics are able to be used at different levels by the beneficial bacteria.Currently probiotics/prebiotics have been widely used in various fields such as food,medical care and feed.With its in-depth understanding and mature market or industrial development,the era of the probiotics/prebiotics will come.

Key words:rumen; gastrointestinal tract; yeast; oligosaccharide