乳酸菌制剂益生特性及在畜牧业中的应用研究进展

何江波,姚志芳,吴国芳，杨雨鑫,王 磊*

(1.青海大学 畜牧兽医科学院，青海 西宁 810016；2.西北农林科技大学 动物科技学院，陕西 杨凌 712100)

1 乳酸菌制剂产生的背景

近年来，人们生活水平不断提高，绿色食品理念深入人心，消费者越来越关注肉类产品中的抗生素残留，无抗、替抗的呼声日益升高。2019年7月10日，农业农村部发布第194号公告[1]，意味着抗生素类饲料添加剂在2020年7月1日后将成为历史，无抗养殖成为未来畜牧业发展的必然趋势。微生物制剂以其绿色、安全、环保等特点作为替代抗生素的新型手段应运而生，其由一种或多种益生菌经特殊加工工艺复配而成，可直接饲喂动物，优化动物体内的有益菌群，改善饲料营养代谢和提高动物机体免疫力，促进动物健康生长，目前应用较广泛的微生物制剂主要有乳酸菌、酵母菌、芽孢杆菌等[2-3]。

乳酸菌广泛存在于人和动物的消化道、生殖道以及青贮饲料、乳制品等发酵物中，影响和改善动物生产与健康[4-5]。乳酸菌根据其发酵产物的不同又可分为同型发酵乳酸菌和异型发酵乳酸菌，前者发酵产物为乳酸，后者发酵产物除乳酸外还产生乙酸、乙醇、二氧化碳等化合物，能有效抑制酵母菌、霉菌等好氧菌的增殖，在提高青贮有氧稳定性中发挥重要作用[6-7]。

2 乳酸菌制剂益生功能

2.1 乳酸菌在消化道的粘附与定植

乳酸菌是动物胃肠道中存在的正常微生物，其在消化道内定植存活是发挥其益生作用的基础和前提。乳酸菌穿过胃肠道后对上皮和粘液的粘附特性是反映其益生功能的关键标准之一，延长了益生菌在肠道中的停留和发挥作用时间。乳酸菌通过与肠道粘膜上皮结合形成菌膜，从而干扰病原体与宿主结合并允许与免疫细胞的相互作用。对乳酸菌定植起决定作用的粘附素主要有脂磷壁酸、肽聚糖、细菌表面层蛋白、细胞壁毛缘等[8]。有研究结果表明，鲁氏乳杆菌ZJ617的GAPDH蛋白是一种粘附成分，在与肠上皮细胞结合中起重要作用[9]。也有研究报道，乳酸菌细胞膜肽聚糖和脂磷壁酸与细胞粘附性能有关，表层蛋白中SlpA可以与纤维连接蛋白作用参与肠道定植[10]。人和动物肠道分离的益生菌与源自食物和其他非常规来源的益生菌具有不同的粘附能力，肠道分离菌株通常比食源性分离菌株具有更高的粘附活性[11]。

2.2 产生有机酸、细菌素等抗微生物活性物质

近几十年来，人们对研究乳酸菌产生的活性物质的兴趣日益浓厚，乳酸菌抗有害微生物的能力通常被认为是通过产生非特异性的抑制性代谢产物来发挥的，例如有机酸、细菌素、过氧化氢、多糖、短链脂肪酸、噬菌体等，通过与病原微生物或病毒直接相互作用、产生抗病毒抑制物质或刺激免疫系统等多种机制发挥作用[12]。有机酸在消化道形成肠道酸性环境，抑制有害菌的生长繁殖，有研究表明乳酸菌产生有机酸含量与其抑菌活性存在正相关性，说明乳酸菌对病原微生物的抑制作用可通过产生的有机酸实现[13]。而且不同菌株之间有机酸水平存在差异[14]。苯乳酸是近年来发现的一种新型抑菌物质，有研究发现在乳酸菌生长培养基中添加苯乳酸前体苯丙酮酸有助于提高实验室菌株的抗真菌活性，并导致菌株聚乳酸的产生[15]。

细菌素是一种核糖体合成的小的、多为阳离子的两亲性多肽，具有对密切相关的细菌种类的抗菌特性[16]，细菌素被认为是最丰富的抗菌素种类之一，99%的细菌被认为至少能产生一种细菌素，细菌素通过不同的机制抑制细胞的生长，包括破坏细胞膜的完整性，以及通过DNA/RNA降解抑制基因表达和蛋白质生产，从而干扰抑制敏感细胞生长或杀死细菌[17]，也可以选择性作用于靶细胞，通常用作食品防腐剂或抗生素补充剂[18]。

乳酸菌在一定条件下能够代谢产生过氧化氢，作为一类强氧化剂，能够通过形成超氧化物阴离子破坏羟基自由基发挥抑菌作用。有结果表明，乳酸菌在细胞悬浮液中积累的过氧化氢在减少食源性病原体活细胞数方面非常有效[19]。乳酸菌的胞外多糖可作为肠道菌群的益生元底物发酵产生有机酸、短链脂肪酸、乙醇等，对于宿主健康很重要[20]。有研究发现植物乳杆菌的粗糖提取物具有很好的抑制金黄色葡萄球菌的能力，其中发挥主要作用的就是胞外多糖[21]。李嘉文等[22]的研究表明筛选出的胞外多糖高产菌株嗜热链球菌属于益生菌。另外，乳酸菌细胞壁的主要成分肽聚糖也具有多种生物学活性，在增强动物免疫功能、抗感染、抗肿瘤方面发挥重要作用[23]。同时，乳酸菌发酵产生的CO2通过创造无氧环境抑制好氧菌的生长繁殖。

2.3 促进营养物质吸收

胃肠道是动物完成消化吸收的重要场所，乳酸菌作为消化道中酶的重要来源，涉及许多酶促反应，例如脂解酶、蛋白质水解酶、淀粉酶等[24]，能够将结构复杂的大分子化合物分解成为单糖和小分子肽，促进营养物质的吸收，提高饲料利用率。乳酸菌发酵产生的有机酸可以促进胃肠蠕动，也可以作为动物能量来源。

2.4 调节机体免疫应答

在健康状态下，动物胃肠道中的优势菌群为益生菌，但是当营养不良、使用抗生素或存在潜在疾病等因素时就会导致病原菌定植和入侵，此时需要对肠道菌群进行优化，乳酸菌是胃肠道疾病的天然、安全和有用的干预措施。乳酸菌通过在肠粘膜的定植，除了刺激机体产生抗菌肽等细胞因子，还能增强T淋巴细胞和B淋巴细胞活性，激活肠粘膜中的巨噬细胞和NK细胞，从而增强机体细胞免疫和体液免疫功能。有研究发现，乳杆菌可以激活肠道固有淋巴细胞产生IL-22，并提高全身IL-22的水平，增强粘膜屏障功能[25]。Azad等[26]报道许多种类的乳酸菌和双歧杆菌能通过增加天然杀伤细胞的细胞毒性和巨噬细胞的吞噬作用而在先天免疫中发挥重要作用，并与肠上皮细胞、树突状细胞、Th1、Th2和Treg细胞相互作用来介导适应性免疫反应。

3 乳酸菌在畜牧业中的应用

3.1 乳酸菌在青贮饲料中的应用

青贮饲料是反刍动物的主要粗饲料，乳酸菌作为青贮发酵过程中最重要的微生物，直接决定了青贮的成败和质量。为了改善传统青贮技术，获得高质量和高消化率的青贮饲料，以促进其有效利用，近年来，关于微生物添加剂青贮的研究应用处于热点领域，其通过人工控制技术筛选具有特殊特性的乳酸菌改善发酵过程，促进青贮饲料的pH值迅速降低并防止需氧降解以提高营养价值并改善青贮饲料的稳定性，还可作为减少肠道微生物疾病的工具[27-28]，从而弥补传统青贮技术的缺陷，同时也为我国农作物秸秆高效利用提供可行方案，促进草食动物产业发展。有研究结果表明，在新鲜稻草青贮中添加植物乳杆菌，提高了稻草青贮饲料的粗蛋白含量和体外干物质消化率、乳酸含量和乳酸与乙酸的比例，降低了pH、乙酸、NH3-N和丁酸的含量[29]。目前关于乳酸菌的抗菌机制还有待进一步研究，但已有研究表明乳酸菌属、乳球菌属、肠球菌等菌种都具有酯酶基因，对青贮病原菌存在潜在抗菌作用[30]。选择青贮饲料接种菌的重要性不仅在于青贮饲料发酵的改进，还在于它们对霉菌及霉菌毒素产生的影响。有研究表明鼠李糖乳杆菌能迅速降低pH值并抑制真菌生长和霉菌毒素的产生，并且不存在抗生素抗性基因，显示出其在动物饲料中作为接种剂和生物防治剂的巨大潜力[31]。未来青贮饲料添加剂有望直接抑制梭菌等有害微生物，降低青贮饲料中霉菌毒素的水平，提高有氧稳定性，改善细胞壁消化率，提高动物对青贮氮和淀粉的利用率[32]。通过特异性菌种发酵的青贮饲料还具有传递益生菌的媒介功能，因此未来微生物青贮接种剂的研究要更多考虑菌种益生特性、对动物的安全性以及高质性等。

3.2 乳酸菌制剂在反刍动物中的应用

乳酸菌是反刍动物瘤胃和肠道内正常菌群的重要组成部分，其在反刍动物中的应用，一是作为青贮添加剂用于青贮发酵中制作优质粗饲料，二是直接添加到饲料中进行饲喂，能起到增加动物消化道有益菌群，防治肠道疾病，改善饲料营养代谢的作用。乳酸菌作为可直接饲用微生物，足够的剂量对促进幼龄动物消化道发育，减少病原微生物侵害，提高免疫力方面效果显著[33]，Sandes等[34]通过对分离自健康犊牛的70株乳酸菌进行益生潜能筛选，结果表明这些菌株除了能以不同的方式在系统水平上刺激适应性免疫反应外，还能在局部水平上定植于小鼠粘膜并触发sIgA合成，这些具有益生菌特征的乳酸菌可作为直接饲用乳酸菌，促进幼龄动物健康并降低粘膜感染的严重性。有研究评估了通过乳酸菌口服给药对山羊体重，肠道菌群的影响，结果表明，乳酸菌补充剂能够通过减少肠杆菌如沙门氏菌和增加乳酸菌和双歧杆菌来改变菌群平衡，同时还观察到山羊体重的显著增加[35]。

3.3 乳酸菌制剂在养猪生产中的应用

我国作为公认养猪大国，未来我国养猪业必然朝着集约化、工厂化、高密度无抗生产体系发展。在高密度饲养条件下寻找饲用抗生素替代品显得尤为重要。乳酸菌细菌素和益生菌制剂可替代抗生素，用于动物饲料[36]。乳酸菌通过调节肠道环境，抑制或杀死胃肠道中的病原体，改善肠道中的微生物平衡，调节肠道粘膜免疫力并维持肠道屏障功能，从而有利于猪的健康，其作用的相关机制可能包括产生对胃肠道病原体和其他有害微生物有作用的杀微生物物质，与病原体竞争肠道上皮细胞表面和粘蛋白上的结合位点，以及刺激免疫系统等[37]。初生仔猪由于胃肠道和免疫系统尚未完全发育，容易受到病原微生物的侵袭或应激反应对仔猪产生负面影响，从而影响个体发育的全过程，有研究表明给新生仔猪补充乳酸菌可以调节仔猪肠道菌群的形成，从而有利于仔猪的健康[38]。仔猪在断奶期间由于饲料和环境的变化通常容易发生腹泻，研究者发现在饲料中添加适量乳酸菌可有效减少断奶仔猪腹泻，增强其消化能力和免疫能力，并促进仔猪生长[39]。成年猪具有成熟的消化系统，能分泌多种消化酶，具有较高免疫能力和抗病性，所以乳酸菌对成年猪的影响相对有限，但是仍有研究表明与饲喂加入抗生素的基础日粮相比，饲喂加入乳酸菌混合物的基础日粮，可提高生长肥育猪的增重和降低死亡率[40]。总之，乳酸菌在猪生产上的研究和应用数据表明，乳酸菌作为饲料中抗生素的替代品具有很大的潜力，但是其作用机制以及不同乳酸菌之间的相互作用有待进一步深入研究。

3.4 乳酸菌在家禽生产上的应用

随着我国家禽业规模化、集约化程度越来越高，在这种饲养条件下家禽对病原微生物抵抗能力更加脆弱，加上抗生素在畜牧业生产上的禁用，导致疾病发生频率增加。因此，无害抗生素替代品的需求日趋强烈。乳酸菌是用作益生菌的常见微生物，也被认为是在动物生产过程中替代抗生素的一种选择，可作为非抗生素生长促进剂。有研究通过筛选乳酸菌生产发酵饲料并制粒饲养肉鸡，结果表明饲料中可消化氨基酸含量增加，肉鸡生长性能明显改善[41]。日粮中添加乳酸菌还会影响肠道微生物种群，研究表明在鸡日粮中添加嗜酸乳杆菌会促进有益细菌，如乳酸杆菌属、双歧杆菌属的存在，并减少潜在的有害细菌，例如大肠杆菌，梭菌和葡萄球菌[42]。乳酸菌的应用除了提高生产性能，对改善畜舍环境也有积极作用，马晓婷等研究显示，在处于产蛋后期蛋鸡日粮中添加150 mg/kg乳酸菌，能明显提高产蛋性能，改善蛋品质，降低发酵粪中NH3和H2S浓度[43]。有研究以戊糖乳杆菌LB-31为目标菌株，用该菌株对肉仔鸡进行了饲养试验，结果表明，该菌株具有调节免疫应答的能力，对肉仔鸡的形态生理、生产性能和健康指标均有良好的影响[44]。

4 展 望

乳酸菌制剂作为在畜牧生产中应用最广泛的微生物制剂，越来越多的研究和生产实践都表明，它们对宿主的有益作用主要表现在竞争性抑制有害菌的定植生长，调节动物胃肠道菌群平衡，刺激动物机体的免疫反应产生大量免疫球蛋白，增强机体免疫功能，代谢产生各种酶，提高饲料消化率，合成维生素等促生长因子促进动物生长。目前，乳酸菌等益生菌的安全性和持续性还需深入研究，未来，随着人们对乳酸菌研究的不断深入，不同乳酸菌制剂的作用机制将会更加明确，其功能也更加广泛，应用前景更加广阔，将提高畜牧生产经济效益，推动畜牧业健康可持续发展。