益生芽孢杆菌机理探究及应用研究进展
2020-05-04刘阳
刘 阳
(四川旅游学院,四川 成都 610100)
1 益生菌研究现状
近年来,随着人们对抗生素的耐药性及残留等安全问题的重视,一种无毒、无残留、无抗药性的微生态添加剂——益生菌应运而生。益生菌通俗而言,是指一类对宿主健康有益的活性微生物[1-2]。世界卫生组织(WHO)及联合国粮食与农业组织(FAO)专家组对益生菌的定义为:经适量服用后,可对宿主健康给予有益作用的一些活的微生物[3]。而目前通常认为:益生菌是指能通过调节肠道营养与菌群平衡对宿主产生有益的生理作用,或是通过改变宿主某一部位菌群的组成对宿主健康有利的单一微生物或组成明确的混合微生物[4-7]。
根据美国药品与食品管理委员会发布的统计结果,目前可被安全应用的有益微生物有43种,例如乳酸菌、链球菌、肠球菌、酵母菌、芽孢杆菌、真菌等[8]。我国农业部2006年第658号公告中也发布了可直接饲喂动物、允许应用的饲料级微生态制剂菌种包括枯草芽孢杆菌、保加利亚乳杆菌、酿酒酵母等16种。此外,在国内外还陆续有新的应用菌种报道,如坚强芽孢杆菌、环状芽孢杆菌、芽孢乳杆菌、丁酸梭菌、巨大芽孢杆菌等[9]。现阶段,常用的益生菌主要有酵母、乳酸菌、光合细菌和芽孢杆菌四大类[10-12]。
目前国内外报道中,益生菌主要分离于动物肠道和非肠道(如植物和相关作物食品等)。已分离的益生菌群主要分为3大类,即:乳杆菌类[13]、双歧杆菌类[14]、革兰氏阳性球菌[15]。这些菌株均具有良好的耐酸,耐胆汁、胃液及对抑菌病原菌的性能特征。在实际生产应用中,针对不同材料来源和功能需求,将不同功能的益生菌添加食品、药品中进而使其发挥重要的生理功能作用,目前已应用的益生菌株,如表1所示。
某些益生菌还具有缓解不耐乳糖症[19-21]、促消化、延缓衰老和抑菌作用[22]。在禽类养殖业中,将益生菌添加肉鸡养殖中能明显增加肉鸡体重、提高对原料利用率、降低脂肪厚度[23-24],应用在水产养殖中也可以显著提高产量,改善产品质量[25-27]。
表1 益生菌功能及其相应菌株
2 益生芽孢杆菌
益生菌株的品种繁多且功能各异,其中益生芽孢杆菌就是一类潜力巨大的菌群。芽孢杆菌(Bacillus),属杆菌科细菌,多数为好氧或兼性厌氧,革兰氏染色显阳性,是一类能够在逆境下形成休眠体芽孢以抵制不良环境的杆状细菌[28],是土壤和植物微生态环境的优势种群之一。
益生芽孢杆菌能够产生内生孢子,而芽孢是整个生物界中抗逆性最强的生命体,故其对外界环境压力的抵抗能力很强,能够避免干燥、热和紫外线辐射所造成的损伤。一些芽孢杆菌能够分泌活性很强的淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶等,此有利于降解动植物食物中的大分子物质。其次,有些芽孢杆菌还可以产生抗菌素等。此外,由于肠道内大多有害菌为需氧菌,厌氧环境不利于其生长,芽孢杆菌通过利用生物夺氧形成肠道内的厌氧环境,从而保持肠道生态平衡[29-30]。益生芽孢杆菌的优良性能使得其被广泛应用于饲料加工、医药业、农业、工业等各个行业。
3 芽孢杆菌益生性能
3.1 生物夺氧,维持肠道厌氧环境
动物肠道中的原著菌株多为厌氧菌,在厌氧环境中才能正常生长和代谢。当芽孢杆菌进入动物肠道后,生长代谢消耗大量的氧气,导致肠道内的局部氧分子浓度下降,从而造成肠道内的厌氧环境。这样不仅可增强肠道对需氧菌的抑制能力,同时还有利于双歧杆菌、乳酸菌等原著厌氧益生菌的生长,从而促进动物健康。
3.2 抵抗病原微生物,维持和调节肠道微生态平衡
动物肠道的微生物种类和数量一直处于一个动态的平衡。这种平衡的相对稳定保证了动物内环境稳定与动物健康,而当这种微生态平衡被破坏,某些危害动物的细菌就会大量增殖,动物因此会处于危急状态,引发动物疾病,例如大肠杆菌在猪仔体内大量增殖,可诱使仔猪免疫力下降,沙门氏菌趁机侵入血液,引起仔猪沙门氏菌病[31]。
芽孢杆菌对调整动物机体肠道内的微生态平衡具有一定的促进作用,其不仅能抑制一些病原菌的生长,还能促进动物体内有益菌和厌氧菌的增殖。有体外研究表明,猪源性芽孢杆菌代谢产物中所含抑菌活性因子对致病性大肠杆菌具有较好的抑菌效果[32]。给动物喂养芽孢杆菌后,可促使动物肠道内有益菌增多而潜在的致病菌减少,进而减少疾病的发生率。也有研究报道,将地衣芽孢杆菌与双歧杆菌、乳酸菌、大肠杆菌混合培养,前者对双歧杆菌、乳酸菌有促进和共生作用,而对大肠杆菌具有抑制作用[33]。
3.3 增强免疫功能,提高抗病能力
芽孢杆菌可作为非特异性的免疫调节因子,刺激机体免疫系统,提高机体免疫力。芽孢杆菌侵入动物体内,可刺激机体肠道相关淋巴组织处于高度的“免疫准备状态”,从而加快免疫器官发育,促进免疫系统的成熟,提高动物的免疫水平,增强抗病能力[34]。
3.4 产生酶类、营养物质等
芽孢杆菌在动物肠道内快速生长代谢,可以产生许多对机体有益的代谢产物。例如,地衣芽孢杆菌可以产生含量较高的维生素B、维生素C、促生长因子等,这些物质能显著的改善动物的生长发育[35]。此外,研究表明大多数芽孢杆菌能分泌淀粉酶、脂肪酶等水解酶,以及果胶酶、纤维素酶等非淀粉多糖的酶类,这些酶类可提高动物对饲料的利用率。据报道,饲喂芽孢杆菌能够提高肉鸡淀粉酶和总蛋白酶活性,用蜡状芽孢杆菌饲喂仔猪,其空肠中脂肪酶的活性可显著提高。
4 益生芽孢杆菌应用现状
芽孢杆菌种类繁多、数量庞大,且具备多方面的益生性能,促使其在生产实践中应用及其广泛。
4.1 芽孢杆菌在养殖业上的应用
芽孢杆菌在畜禽的养殖中应用广泛,不仅能够增强动物机体应对不良刺激的能力,减少死亡率,降低经济损失,还可提高产品品质,增加同类产品的经济价值和食用价值。有实验表明,将纳豆芽孢杆菌添加到仔鸡的饲料中,并与未添加的对照组相比,实验鸡的抗体水平有显著增加,脾脏中淋巴T、B细胞的数量也有提高,仔鸡死亡率明显降低[36]。此外,研究人员还发现在25周龄蛋鸡饲料中添加枯草芽孢杆菌培养物,能降低蛋黄中胆固醇的含量[37]。另有研究结果表明,在仔猪日粮中添加芽孢杆菌可以提高仔猪生长速度、饲料转化率,降低哺乳时间及断奶后仔猪的腹泻率,改善仔猪肠道健康[38]。
此外,益生芽孢杆菌在水产业中也有应用,其主要有两种用途:一是直接用于净化水质,另一方面是用作养殖饲料的添加剂。
4.2 芽孢杆菌在农业上的应用
芽孢杆菌在农业生产上有着广泛的应用,其可用做生物农药和生物肥料。用作生物肥料的主要是具备固氮作用的芽孢杆菌,被称为固氮芽孢杆菌(Bacillus caotofixans),是多粘芽孢杆菌的一个变种。此外,利用芽孢杆菌可制成很多生物农药,尤其是苏云金芽孢杆菌及其伴胞晶体制成的农药,是农业上理想的杀虫剂,已成为世界上产量最大的生物农药之一[39]。国内外有关枯草芽孢杆菌对植物病原菌的抑制作用及防治试验的研究也有很多,因其能够产生多种抑制植物病原菌生长的抑菌因子,且对人畜无害,绿色环保,所以在防治植物病害中起着举足轻重的作用[40]。
4.3 芽孢杆菌在工业上的应用
因芽孢杆菌具有产生大量的淀粉酶和蛋白酶等水解酶类的特性,所以在工业上也得到了广泛的应用。淀粉酶是非常重要的一类酶制剂,工业上常用的耐高温的α-淀粉酶(俗称液化酶),大部分是由地衣芽孢杆菌产生的[41];嗜碱芽孢杆菌可以生产碱性纤维素酶,该酶是非常重要的洗涤添加剂,它可以增强洗衣液的洗涤效果,除去衣物上的污渍,增加衣物的鲜艳度等[42]。此外,芽孢杆菌在污水处理,改善环境方面也发挥着重要作用,芽孢杆菌产生的酶可以降解水中的有机污染物,以达到净化水质的目的[43]。
4.4 芽孢杆菌在医药卫生上的应用
芽孢杆菌在医药领域中主要用于保健品和腹泻治疗药物生产,目前,像蜡样芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌等是常用的活菌制剂。如地衣芽孢杆菌无毒菌株BL20386活体菌株制成的胶囊——“整肠生”,主要具备调节微生态平衡、医治肠炎、腹泻等多种功效[44];再如从韩国进口的治疗幼儿腹泻的药物-“妈咪爱”,其主要有效成分为枯草芽孢杆菌和粪链球菌。此外,某些枯草芽孢杆菌活菌制剂口服液可用于治疗肠炎、支气管炎等多种炎症,且对预防和治疗烧伤疮面也具有一定疗效[45]。
4.5 芽孢杆菌在科学研究中的应用
在芽孢杆菌属中,很多天然菌株具有高生物活性的基因,如地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、短小芽孢杆菌可用作基因工程的受体菌株。可见,芽孢杆菌在分子生物学领域也具有广泛的利用价值,并且多数芽孢杆菌安全性高,对环境不会造成污染,使其在科学研究中的应用日益增加。
5 小结
综上所述,益生芽孢杆菌具有其独特的应用优势,即应用安全性、产酶性能好、广谱的抗菌活性、代谢快、稳定性高、和分子加工易操作性等。而现阶段我国的益生芽孢杆菌产品相比国外同类产品仍比较匮乏,益生芽孢杆菌基础理论和生产技术方面的研究也相对薄弱。因此,筛选益生特性强的芽孢杆菌具有非常重要的现实意义,其不仅可扩大益生芽孢杆菌制品的开发应用,也会进一步促进益生菌的研究。