丁酸梭菌的特性及其在仔猪生产中应用的研究进展

李 洁 ，王勇生，孙铁虎，杨 鑫，郑晓卫，周 哲，李 义，陈 博*，佟 毅*

（1.中粮营养健康研究院有限公司，北京 102209；2.中粮生物科技（北京）有限公司，北京 102209；3.北京市畜产品质量安全源头控制工程技术研究中心，北京 102209；4.玉米深加工国家工程研究中心，吉林长春 130033；5.中粮生物科技股份有限公司，安徽蚌埠 233010）

伴随规模化、集约化养猪的快速发展，仔猪早期断奶已是猪场常规饲养管理模式。但由于氧化应激、仔猪消化和免疫机能发育不全等多种因素，乳仔猪容易腹泻、生长缓慢，死亡率较高，统称为“仔猪早期断奶综合征”[1]。此前，应用抗生素及高锌是应对仔猪早期断奶综合征的主要措施，但该措施引发的耐药菌株增加及肠道菌群紊乱等问题日益凸显。我国将于2020 年7 月1日起，饲料企业停止生产含有促生长类药物饲料添加剂的商品饲料，同时非洲猪瘟的发生导致生猪整体出栏量进一步大幅下降。在此背景下，寻求无副作用且不降低养殖效益的抗生素替代产品是养猪业亟待解决的问题。

丁酸梭菌早已广泛应用于临床治疗，联合使用双粪肠球菌与丁酸梭菌能增加腹泻儿童的血清抑炎因子白细胞介数10（IL-10）含量，降低肿瘤坏死因子-α（TNF-α）水平[2]。嗜酸乳杆菌与丁酸梭菌共培养，活菌数增长了约43%[3]。丁酸梭菌能增强机体免疫、改善肠道环境，产生有机酸、淀粉酶等物质，生产中能耐受饲料制粒的高温，储存性能稳定，对胃酸、消化酶和胆汁具有足够的耐受能力，在饲料应用中发挥了重要功能且产生了巨大的经济效益，在2013 年正式纳入饲料添加剂品种目录中，适用于断奶仔猪及肉仔鸡阶段。本文从氧化应激、肠道屏障、免疫调节和消化功能等方面综述了丁酸梭菌对断奶仔猪生长性能、机体免疫及肠道健康的影响和机制，探讨丁酸梭菌在仔猪阶段饲粮中的应用前景。

1 丁酸梭菌的发展简史

丁酸梭菌由Prazmowski 等人于1880 年首次从猪的肠道中分离获得[4]，俄罗斯微生物研究所的Kingi miyairi 博士于1935 年从健康人的粪便中分离得出MIYAIRI 588 菌株，并发现其培养物中含有乳酸、丁酸等短链脂肪酸[5]。1992 年，黑龙江科学院微生物研究所从俄罗斯研究所引进丁酸梭菌并在我国定植，我国从1996 年开始研制能替代抗生素治疗顽固性肠炎、腹泻的微生态药物，所筛选出的丁酸梭菌CGMCC313-1 菌株是我国第一株治疗腹泻、肠炎、阻止肠恶变的药用丁酸梭菌菌株[6]。2002 年，赵建新等[7]从健康人的粪便中分离得出4 株丁酸梭菌，通过安全性评价，发现Z-10 菌株可用于生产饲用益生菌，开启了丁酸梭菌在我国作为饲料添加剂的应用研究阶段。

2 丁酸梭菌的形态及特性

丁酸梭菌是一种严格厌氧的革兰氏阳性菌，但培养时间较长可变为阴性，又称酪酸梭状芽孢杆菌，是动物正常的肠道菌，广泛存在于动物粪便、土壤、奶酪中。菌体一般为单个或成对存在，呈稍弯曲或直杆状，两端钝圆，中间部分轻度膨胀，长3.0～7.0 μm，宽0.6～1.2 μm，菌落表面形态直径1～3 mm，奶黄色或白色，煎蛋样，中间隆起，其细胞壁含D，L-二氨基庚二酸和葡萄糖，周身鞭毛，可运动，偶见丝状菌体，芽孢卵圆，偏心或次端膜细胞的增殖[8-9]。

由于丁酸梭菌能够生成内生芽孢，因此具有较强的耐热、耐酸、耐盐等抗逆性，同时又能在厌氧环境下产生乳酸、丁酸，兼具了芽孢杆菌与乳酸菌的优点[6]。其最适生长温度为25～37℃，80℃、30 min 和90℃、10 min 热处理后全部存活，加热90℃、20 min 后仍然有90%存活，对pH 适应范围广，pH 为4.0～9.8 时均适合其生长，在pH 为1.0～5.0 时仍能存活，在动物肠道环境、人工胃液、肠液及胆盐中都能存活[10-11]。因此，经饲料加工过程中的高温制粒后，丁酸梭菌仍能保持较高的活性和菌量，能耐受动物体内胃酸环境，其厌氧培养发酵液中含有的短链脂肪酸具有调整肠道菌群的作用，能抑制肠道有害菌，促进有益菌（如双歧杆菌和乳酸杆菌）的生长。

3 丁酸梭菌在仔猪生产中的应用及作用机制

3.1 丁酸梭菌与仔猪抗应激 仔猪在受到外界应激时，机体神经兴奋、肾上腺素升高，导致肝糖原分解，血糖升高[12]。由于肌肉能量供应不足，细胞受到损伤时，细胞膜的通透性会增大，肌酸激酶会从肌肉中溢出，导致血液中肌酸激酶升高[13]。应激状态下，机体会首先为心脏和中枢神经系统供应氧气，其他组织在缺氧状态下有可能会通过无氧酵解的方式进行供能，乳酸脱氢酶含量也会升高[14]。如何在禁用抗生素后，维护断奶仔猪肠道功能稳定，提高仔猪阶段免疫功能和抗应激能力，从而提高仔猪健康度和生产成绩是当前亟待解决的问题。

研究发现，丁酸梭菌可促进仔猪产生还原型辅酶I和II、过氧化物酶、超氧化物歧化酶，清除应激状态下所产生的活性氧和自由基，发挥抗氧化作用[15]。丁酸梭菌通过诱导机体和转录因子Nrf2 的表达，从而调节抗氧化酶的表达并抑制肝脏的氧化应激[16]。耿正颖等[17]在仔猪饲粮中添加1×109～5.0×109CFU/kg 丁酸梭菌，发现断奶仔猪的谷胱甘肽过氧化物酶、总超氧化物歧化酶的含量和总抗氧化能力均提高。断奶仔猪日粮中添加0.05%丁酸梭菌能够显著提高仔猪血清中超氧化物歧化酶的活性[18]。邢帅等[19]研究表明，与对照组相比，仔猪饲粮中添加0.05%丁酸梭菌（活菌总数1×1010CFU/g）可有效降低大肠杆菌攻毒后仔猪血糖浓度、肌酸激酶和乳酸脱氢酶含量，提高仔猪抗应激能力。此外，丁酸梭菌还可以通过厌氧发酵淀粉和纤维素等碳水化合物产生丁酸和氢气，发挥抗氧化应激的效果。丁酸是肠黏膜细胞的主要能量来源，能够显著减少过氧化氢诱发的结肠细胞DNA 损伤，增加结肠黏膜谷胱甘肽含量，提高肠道抗氧化能力，氢气可以通过选择性清除机体中的羟自由基而起到抗氧化的作用[15,20]。

3.2 丁酸梭菌与仔猪肠道健康

3.2.1 丁酸梭菌与肠道微生态平衡 动物肠道屏障的主要功能是维持上皮细胞的完整性和防止微生物入侵[4]。健康动物消化道的微生物菌群保持着动态平衡的状态，在仔猪断奶时肠道微生态系统遭到破坏，由于消化系统发育不全，消化酶及胃酸分泌不足，未被充分消化的营养物质进入大肠后段，大肠杆菌、链球菌等有害菌能通过胃进入消化道定植，黏附和入侵受损的肠道上皮细胞，仔猪表现出肠炎及腹泻等病理状态。

Liao 等[21]研究表明，丁酸梭菌能够抑制有害菌生长繁殖，促进有益菌生长，发挥维持肠道菌群稳定的作用。丁酸梭菌产生的丁酸、乙酸和丙酸等一系列短链脂肪酸可降低培养环境的pH，随着氢离子浓度的上升，沙门氏菌、大肠杆菌、梭状芽孢杆菌等病原菌对氢离子耐受性较差而大量消亡，乳酸杆菌和粪链球菌对氢离子的耐受性相对较高而存活下来，此外，丁酸梭菌可通过产生淀粉酶将碳水化合物分解成有利于益生菌利用的低聚糖，可供有益菌利用的发酵底物增多，其大量繁殖，逐渐占据优势，从而使动物肠道的健康状态得到改善[22]。研究发现，丁酸梭菌与鼠李糖乳杆菌混合培养，二者表现出良好的互惠共生关系，丁酸梭菌与婴儿型双歧杆菌混合培养后，对几株肠道致病菌表现出更强的抑制作用[23-24]。丁酸梭菌能与双歧杆菌、嗜酸乳杆菌和粪链球菌这些肠道有益菌共生，3 种菌在与丁酸梭菌共培养条件下，活菌数分别增长了约24%、43%和7%[3]。

丁酸梭菌能促进肠道中短链脂肪酸的分泌，从而抑制病原微生物竞争肠道中的营养物质，且短链脂肪酸作为低分子能量物质可以抑制病原微生物的繁殖[25-26]。丁酸梭菌对大肠杆菌、产气夹膜梭菌、金黄色葡萄球菌和沙门氏菌有明显的抑制作用，对双歧杆菌和乳酸杆菌等有益菌有一定促生长作用[27]。在断奶后第7 天以及第14 天，日粮中添加0.05% 丁酸梭菌有减少盲肠中大肠杆菌的数量、增加乳酸菌和双歧杆菌数量的趋势[28]。丁酸梭菌与肠出血性大肠杆菌、痢疾志贺菌、霍乱沙门菌、霍乱弧菌混合培养24 h，与单独培养相比，致病菌数量降低了4 个数量级以上[29]。部分经过筛选培养的丁酸梭菌可产生细菌素等抑菌蛋白，可以抑制致病菌蛋白质和核酸的合成、降低ATP 浓度，促使细胞内K+外流，进而抑制有害菌定植生长，丁酸梭菌可促使细胞壁上的脂磷壁酸抑制大肠杆菌在肠上皮细胞的黏附作用[30-31]。

3.2.2 丁酸梭菌与肠道功能 哺乳动物肠道是机体消化吸收营养物质的首要部分，同时也是阻挡有害抗原和病原菌入侵的首要屏障。仔猪断奶应激容易导致肠道损伤，肠道黏膜完整性受到破坏，主要表现为肠道绒毛高度降低、隐窝加深、肠道形态由浓密、手指状绒毛群变成平滑、舌头状绒毛面，消化吸收能力下降[32]。因此，通过营养手段提高仔猪断奶后肠道黏膜完整性是改善肠道健康的重要举措。

欧阳志周等[33]研究发现，在仔猪日粮中添加 1×1 09CFU/k g丁酸梭菌可显著提高十二指肠、回肠的绒毛高度以及肠绒毛高度和隐窝深度比值。刘婷婷等[34]研究也表明，丁酸梭菌对于断奶仔猪的小肠形态有明显的改善作用，断奶第7 天，与对照组相比，丁酸梭菌可以显著增加回肠绒毛高度，当丁酸梭菌与谷氨酰胺连用时，断奶第7、14 天，与对照组相比，复合组的十二指肠绒毛高度有显著提高，隐窝深度显著变浅。李玉鹏等[35]研究结果也表明，与对照组相比，丁酸梭菌组（丁酸梭菌添加量50 mg/kg，活菌浓度为1×1010CFU/g）仔猪空肠核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白6 （NLRP6）、NLRP12、封闭蛋白1（CLDN1）和紧密连接蛋白-2（claudin-2）的mRNA 表达水平显著上调，回肠CLDN1和claudin-2 的mRNA 相对表达量极显著上调，同时仔猪空肠和回肠中乳酸杆菌数量显著提高，回肠中大肠杆菌数量显著降低。丁酸梭菌对肠道发育的作用可能是由于其产生的丁酸是结肠黏膜的主要能量来源，能抑制核因子κB（NF-κB）的活化，促进肠上皮细胞增殖，在修复黏膜及治疗肠炎时发挥重要作用，通过调节肠道屏障功能促进肠道黏膜发育[15,36]。

3.3 丁酸梭菌与仔猪免疫功能 免疫球蛋白含量、细胞因子含量在一定程度上能够反映仔猪免疫健康状况。丁酸梭菌可通过激活仔猪补体系统、调节免疫球蛋白、血清细胞因子含量和抑制肠道炎症的发生等作用机理，对仔猪免疫功能发挥作用。补体系统是仔猪免疫系统中的关键组成，其中补体3（C3）是血清中含量最高的补体成分，在补体经典激活途径和旁路激活途径中均发挥重要作用[37]。饲粮中添加丁酸梭菌可通过激活仔猪补体系统，提高仔猪免疫力。张彩云等[38]研究结果表明，丁酸梭菌组杜×长×大断奶仔猪血清中C3 含量较对照组显著提高。丁酸梭菌还可以通过提高仔猪血清中重要免疫球蛋白的含量，从而发挥抗菌和抗病毒的功能，这也是丁酸梭菌提高仔猪免疫功能的一种作用机制。郑有秀等[39]在初始断奶体重6.24 kg 的杜×长×大仔猪进行丁酸梭菌梯度试验（活菌总数2.0×108CFU/g，梯度分别为250、500、1000、2 000 mg/kg）的研究结果表明，与对照组相比，250 mg/kg 和500 mg/kg 丁酸梭菌组腹泻率分别显著降低40.99%和44.32%，丁酸梭菌组断奶仔猪空肠绒毛高度和空肠绒毛度/隐窝深度均有显著提高，IgA 和IgG 含量有显著提高。王腾浩[30]的研究也表明，饲粮中添加丁酸梭菌具有提高断奶仔猪血清IgG、IgM 和C4 含量的趋势，可显著提高血清IgA 和C3 含量。同时，耿正颖等[17]研究不同梯度丁酸梭菌（日粮活菌数分别为1.0×108、1.0×109、1.0×1010CFU/kg）对断奶仔猪免疫机能影响的结果表明，与对照组相比，伴随丁酸梭菌添加量的增加，仔猪血清IgG 含量有上升趋势，日粮添加5.0×109CFU/kg 丁酸梭菌可显著降低仔猪血清中TNF-α和IL-6 含量，IL-4 含量与丁酸梭菌添加量呈线性提高。

丁酸梭菌可激活机体的免疫应答，促进机体免疫系统进一步发育，增强机体免疫能力，维持仔猪机体健康状态，其抗炎作用主要是激活仔猪肠上皮细胞的Toll样受体2（TLR-2），调节NF-κB 信号途径分泌IL-6、TNF-α等细胞因子，从而抵抗致病菌的感染[36]。这表明，丁酸梭菌可通过调节仔猪细胞免疫改变动物血清中细胞因子含量，增强机体的免疫功能。在仔猪日粮中添加5×1011CFU/kg 丁酸梭菌能激活TLR2/4 信号通路，启动固有免疫应答，提高细胞因子TNF-α和IL-8基因的表达，提升机体的免疫力[40]。

在仔猪饲粮中添加丁酸梭菌也可以通过抑制肠道炎症的发生提高仔猪免疫力[40]。杨华等[41]研究表明，丁酸梭菌可抑制产肠毒素大肠杆菌黏附基因和产肠毒素基因表达，抑制产肠毒素大肠杆菌诱导的猪肠道上皮细胞的炎症反应，降低产肠毒素大肠杆菌对猪肠道上皮细胞的损伤作用。在小鼠上的研究表明，乳酸杆菌联合丁酸梭菌对小鼠急性溃疡性结肠炎有治疗作用[42]。

3.4 丁酸梭菌与仔猪生长性能 丁酸梭菌可在动物消化道内产生多种消化酶，包括纤维素酶、脂肪酶和淀粉酶等，有利于提高动物对营养物质的消化吸收利用率，消除部分抗营养因子的影响。还能够发酵葡萄糖、蔗糖、乳糖、果糖等碳水化合物产生有机酸，加强肠道蠕动频率，促进营养物质的吸收。同时，也可以通过合成动物所需的氨基酸和维生素等营养物质，改善生长性能。

研究显示，在哺乳仔猪饲粮中添加丁酸梭菌，可显著改善仔猪断奶时耗料增重比，提高育成率及断奶后的生长性能[43]，在断奶仔猪日粮中添加250 mg/kg丁酸梭菌可提高仔猪平均采食量和日增重[44]。饲粮中添加500 mg/kg 丁酸梭菌和1% 谷氨酰胺的复合物可显著提高仔猪断奶平均日增重[34]。也有研究表明，与1 125 mg/kg Zn2+＋抗生素组相比，日粮添加丁酸梭菌可显著提高仔猪平均日增重，显著降低耗料增重比和腹泻率，与2 250 mg/kg Zn2+＋抗生素组效果相当[30]。John 等[45]研究表明，采食添加丁酸梭菌固态培养物的日粮，保育猪的平均日增重较对照组显著提高了30.2%，腹泻情况得到改善。丁酸梭菌能合成维生素B族及维生素E、维生素C 和维生素K 等维生素为动物提供营养物质且对机体具有保健作用。丁酸梭菌还可分泌不同类型的蛋白酶，能促进动物机体对蛋白质的消化吸收，提高饲料转化率[46]。

虽然丁酸梭菌的生物学特征已被广泛认可，但仔猪的消化机能是伴随体重和日龄阶段逐步发育，最后进入完全成熟阶段，而在前期的发育过程中，不同阶段仔猪的消化酶、胃酸分泌能力都有所不同，不同饲养环境下也会对仔猪肠道菌群造成较大影响，同时，关于丁酸梭菌的菌种以及发酵水平导致的使用效果差异分析鲜有学者报道，因此，部分报道显示添加丁酸梭菌对仔猪生长性能特别是在仔猪后期并没有产生显著影响。如耿正颖等[17]研究显示，日粮添加不同浓度的丁酸梭菌对断奶仔猪平均日增重、平均日采食量和耗料增重比均无显著影响。250 mg/kg 和1 000 mg/kg 丁酸梭菌组断奶仔猪平均日采食量较对照组均有显著降低[39]。这些现象可能与仔猪饲养阶段和饲养环境、肠道菌群情况、菌种、发酵水平以及添加剂量不同有很大关系，但具体机理还需进一步研究。

4 小结与展望

丁酸梭菌具有诸多生理功能，在改善仔猪抗应激、提高仔猪肠道健康和免疫功能、生长性能方面都有一定作用，同时其耐高温、高压及酸性胃肠环境的特点，决定了丁酸梭菌在仔猪阶段具有良好应用前景，但其对仔猪的作用机理很多方面尚未完全明确，未来在丁酸梭菌的研究和应用可从以下几方面开展：第一，基于仔猪生理特点的菌株筛选。结合仔猪生理特点及不同阶段需求，利用丁酸梭菌菌株的特殊代谢产物（如产酸、产抗菌肽、抗逆性等）特性为目的，筛选更具有特异性或功能性的菌株。第二，对发酵质量及稳定性的研究。优化工艺，提高发酵质量、减少杂菌污染风险、保证有效活菌数，同时通过稳定化技术、微囊化技术等菌体保护技术改善产品质量、延长保质期。第三，仔猪禁用抗生素背景下的配伍技术优化。在丁酸梭菌功能性菌株的研究基础上，通过对不同菌株的生长特性、代谢特点，进行配伍技术优化，实现不同菌株功能互补，同时对植物提取物、酶制剂、酸化剂、益生元等新型添加剂进行有机结合，可应对更加复杂的养殖环境及病原微生物，提升仔猪阶段整体使用效果。第四，仔猪使用过程中安全性评估。对有害代谢产物、可能存在的耐药基因转移、宿主过度免疫反应、宿主机会感染等安全性评估。第五，仔猪精细应用的作用机理。从仔猪肠道健康、免疫健康、营养物质吸收转化方面进行更深层次的机理研究，提取关键作用靶向的有效成分进行产品升级。