丙酸杆菌及代谢产物在畜牧业中的研究进展

丁美洁, 何万领*, 丁小伟, 任振东

(1. 河南科技大学 动物科技学院,河南 洛阳 471023;2. 河南省河南岐伯实业有限公司,河南 鹤壁 456250)

丙酸杆菌(Propionibacterium)为放线菌纲,丙酸杆菌属细菌[1]。其种属中分离于奶酪的经典丙酸杆菌是一种多代谢产物益生菌,为革兰染色阳性厌氧菌。菌体微小,呈圆端或尖端的棒状形态,通常为单个、成对或链状分布,以V或Y字形排列,菌体长约0.5～1.5 μm,不运动,不产芽孢,最适生长温度为30～37 ℃[2]。其代谢产物包括活性维生素B12、海藻糖、丙酸以及细菌素[3]。这些代谢物均具天然无毒的性质,在提高动物生产性能、泌乳性能,增加盲肠有益菌丰度,抑制有害微生物生长以及延长食品保鲜期等方面发挥着重要作用[4-7]。武笑天等[8]研究发现,在产蛋高峰期京红蛋鸡饲粮中添加25 ug/kg维生素B12,可以显著改善小肠组织形态、屏障功能及炎症相关基因的表达量,表明该菌在改善家禽肠道健康方面具有研究价值。郑雪丽等[9]通过发酵费氏丙酸杆菌获得丙酸杆菌代谢物,发现其对于大肠杆菌和沙门氏菌能产生良好的抑菌作用,表明该菌在防腐抑菌方面具有潜在应用前景。

目前,在全面禁抗的大环境下,丙酸杆菌抑制病原菌生长的作用使其有望成为新型抗生素替代品,在应对抗生素耐药性和保护公共健康方面具有重要意义。另外,丙酸杆菌在自然界中分布十分广泛,已普遍应用于食品工业、医药卫生和农业生产等领域。该文就丙酸杆菌代谢物在畜牧业中的应用研究进展作一综述,旨在为其在畜牧领域的广泛应用提供参考。

1 丙酸杆菌的代谢产物

1.1 维生素B12

维生素B12(Vitamin B12)是发现时间最晚,结构式最为复杂的含钴维生素[10],在人和动物体内具有非常重要的作用,其生产方式主要包括化学合成与微生物发酵,由于钴胺素的全化学合成需要经过70多个步骤,工艺复杂,成本高昂。因此利用微生物发酵生产维生素B12受到广泛关注。丙酸杆菌是生产维生素B12的模式菌株,具有美国GRAS认证[11],其可通过厌氧途径,在钴离子与5,6-二甲基苯并咪唑的诱导下合成一种结构不稳定、活性低下的B12前体物质——脱氧腺苷钴胺素,与氰化钠反应后生成稳定的氰基钴胺素[12]。丙酸杆菌批量生产维生素B12常采用液体发酵模式,杜威等[13]利用扩张床原位吸附的半连续耦合发酵工艺,将维生素B12的产量提高到108.08 mg/L。近几年,许多研究学者利用丙酸杆菌发酵食品,在不增加生产成本的情况下,使消费者从正常饮食中获取更多的维生素,不需再额外补充化学合成的维生素制剂[14-15]。Xie等[14]利用费氏丙酸杆菌与短乳杆菌共同发酵谷物,发现费氏丙酸杆菌可在大多数谷物中生成维生素B12,米糠中B12的产量最高,约达742 ng/g。

1.2 丙酸

丙酸(Propionic Acid)是一种天然存在的短链脂肪酸,又称为初油酸,是可与水混溶的无色液体,具有轻微的腐蚀性与腐臭味[16-17]。丙酸杆菌主要通过Wood-Werkman途径生成丙酸,在甲基丙二酰辅酶A羧基转移酶和生物素-CO2复合物的存在下,丙酮酸转化为草酰乙酸,草酰乙酸通过苹果酸和富马酸被还原成琥珀酸,琥珀酸被琥珀酰辅酶A合成酶乙酰化为琥珀酰辅酶A,琥珀酰辅酶A与辅酶B12(钴胺素)和甲基丙二酰辅酶A变位酶合作转化为甲基丙二酰辅酶A,然后导致丙酰辅酶A生成,辅酶A转移酶作用释放辅酶A,将其转化为丙酸[18]。丙酸属于天然高效、安全广谱的天然防腐剂,丙酸及丙酸盐类衍生物都具有较强的生物活性,可以抑制细菌、霉菌的生长,是青贮饲料防霉防腐的重要添加剂,在调节反刍动物血糖方面有一定作用[19]。目前,丙酸杆菌发酵生产丙酸也是天然防腐添加剂开发的热点方向。

1.3 细菌素

细菌素(Bacteria)是一种在细菌代谢过程中由核糖体合成的多肽或蛋白类物质,具有良好的抑菌、抗菌作用,且不易产生耐药性[20],其抑菌效果堪比抗生素。不同的是,细菌素能够在细胞中完全代谢,无残留,表明细菌素在天然防腐物质的研究方面具有较大潜力[21]。丙酸杆菌属的大多数菌种都能产生细菌素,目前已报道出的丙酸杆菌素有丙酸杆菌素F、PLG-1、Tl、SM1、Jenseniin G、PAMP、MicrogardTM等,能有效抑制细菌、酵母菌和霉菌[22]。罗欣等[23]发现用丙酸杆菌素溶液清洗绿豆芽,可有效抑制豆芽表面金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、志贺氏菌、沙门氏菌以及副溶血性弧菌的生长,并延长了豆芽的保存期。丙酸杆菌素属于低分子量蛋白质,具有高度环境稳定性,Jenseniin G在100 ℃下加热2 min后仍能保持活性[24]。研究表明,丙酸杆菌素PLG-1在长期储存后不会变质,可在4 ℃和-25 ℃的温度下保持活性长达25周[25-26]。目前细菌素尚处于实验室研究阶段[27-28],临床应用相对较少,细菌素的使用可弥补化学防腐剂的弊端,或可成为新型天然防腐剂开发以及抗生素替代研究的一大突破口。

1.4 海藻糖

海藻糖(Trehalose)又称蘑菇糖,是热力学和动力学上最稳定的非还原性二糖,存在于多种植物、无脊椎动物和微生物中[29]。海藻糖由2个吡喃型葡萄糖单体以α,α-1,1-糖苷键连接而成,具有独特的对称低能结构。已知海藻糖有5种代谢途径:OtsAB、TreS、TreYZ、TreP 和 TreT[30]。丙酸杆菌利用的是OtsAB和TreS途径,Cardoso等[31]指出,P. freudenreichii 通过OtsAB途径合成海藻糖,而TreS途径负责其分解代谢。OtsAB途径包括由6-磷酸海藻糖合酶和海藻糖磷酸酶催化的两个酶促反应:6-磷酸葡萄糖先将UDP-葡萄糖转化为6-磷酸海藻糖,然后在磷酸酶的作用下水解为海藻糖。研究表明,丙酸杆菌能在不同压力条件下积累高水平的海藻糖,并且海藻糖能够提高丙酸杆菌在代谢过程中的耐受能力,使菌体在响应渗透、氧化和酸胁迫时增加海藻糖含量[31-33]。Cardoso等[34]发现,丙酸杆菌在酸性环境中承受较强的pH梯度时,海藻糖可以维持其细胞膜的稳定性,并且pH由7.0降低至4.7的过程中,海藻糖积累量几乎增加了2倍,达到430 mg/g。

2 丙酸杆菌在畜牧领域的应用

2.1 在饲料加工中的应用

丙酸杆菌是一种优质的发酵饲料益生菌。丙酸和细菌素在抑制有害菌生长、延长饲料保存期和提高饲料营养品质方面具有重要作用[35]。揣玉多等[36]使用乳酸菌、丙酸杆菌、酵母菌等多个菌种混合发酵奶牛精饲料,发现饲料粗蛋白的含量提高了19.47%,挥发性脂肪酸含量增加至23.25 g/kg,并且显著减少了霉菌生长。董晓玲等[37]用丙酸杆菌接种青贮发酵完熟期的高油玉米秸秆,发现接种丙酸杆菌对玉米秸秆的青贮品质和体外消化率均没有显著影响,但青贮饲料72 h产气量和丙酸含量均高于对照组,并且在抑制霉菌方面效果较好。廖湘萍等[38]用丙酸杆菌发酵豆粕,发现在接种量 1.4 %、发酵温度 37 ℃、发酵周期72 h的条件下,丙酸杆菌生长较好且产生最低抑菌效果。欧盟委员会[39]近期评估了P. freudenreichii DSM 33189 和 L. buchneri DSM 12856组成的青贮饲料添加剂,表明其具有较高的安全性,并且添加该菌剂的青贮饲料稳定性更好,保存期延长了2 d,由此也证实了丙酸杆菌增加青贮料稳定性的潜力。

2.2 在反刍动物中的应用

最新的饲料添加剂目录[40]显示,产酸丙酸杆菌属于可直接饲用微生物(DFM),可用于青贮饲料和牛饲料中。国家禁抗令颁布以来,DFM在畜牧业中的应用越来越广泛。研究发现,在反刍动物日粮中添加丙酸杆菌对瘤胃发酵、生产性能及健康均有正向作用。Luo等[41]使用多种丙酸杆菌与瘤胃液做体外试验,发现丙酸杆菌增加了瘤胃液中的丙酸和丙酸盐含量,减少了乳酸含量,有效降低了乳酸堆积发生酸中毒的风险。Alazzeh等[42]在人工模拟瘤胃中添加丙酸杆菌P169,发现小剂量的菌液接种对体外甲烷产生量及丙酸生成量影响较小,无明显变化。王亮亮等[43]在奶牛日粮中添加不同水平的丙酸杆菌,发现与对照组相比,奶牛产奶量分别提高4.08%、3.74%和10.97%,乳脂率略有提高。据报道,费氏丙酸杆菌对泌乳期荷斯坦奶牛的产奶量和乳脂率均有提升效果[44]。Chen等[45]使用奶牛的瘤胃液和青贮饲料浓缩混合物作为底物,添加特氏丙酸杆菌后,最高减少了20%的甲烷产量,底物降解和总挥发性酸产量分别增加了8%和21%。Lawrence等[46]评估了费氏丙酸杆菌与动物乳杆菌直接饲喂对奶牛生产性能的影响,发现试验组可增加淀粉消化率,但差异极微,在增加饲料淀粉含量后,试验组奶牛产乳量略低于对照组(33.2 kg/d对35.7 kg/d)。丙酸杆菌在反刍动物中的应用已久,其提高瘤胃乳酸利用率、降低酸中毒的风险、减少甲烷排放及能量流失的作用,反映出丙酸杆菌在提高反刍动物生产性能方面的优势。

2.3 在单胃动物中的应用

丙酸杆菌在单胃动物领域的研究较少,作为新兴益生菌株,其在单胃动物体内的代谢机理与途径尚不清晰。MARTINEZ等[47]用34只母鸡做了体外试验,发现26%的母鸡体内有丙酸杆菌的生长,并发现在体外盲肠中接种丙酸杆菌会使丙酸、乙酸等短链脂肪酸含量升高,丙酸杆菌还能与沙门氏菌竞争肠黏膜上的结合位点,减少沙门氏菌的生长。MARTINEZ等[48]还发现,饲喂产酸丙酸杆菌菌液能够显著增加肉鸡回肠的绒隐比,并增加回肠粘膜上杯状细胞的数量,从而使中性黏蛋白表达量升高,但丙酸杆菌影响回肠黏膜的作用机制仍需进一步探索。Luo等[49]发现,饮水中添加詹氏丙酸杆菌能够显著增加平均蛋重,降低肉豆蔻酸、棕榈油酸和全顺式-11,14-二十碳二烯酸的含量,表明丙酸杆菌可安全应用于蛋鸡生产,改善鸡蛋脂肪酸含量。另外,有研究表明,丙酸杆菌在抵抗肠道炎症方面有突出作用。NAIR等[50]发现,费氏丙酸杆菌能与禽类上皮细胞有效结合,抑制鼠伤寒沙门氏菌、海德堡沙门氏菌和肠炎沙门氏菌对鸡肠黏膜的侵袭,在预防肠道病原感染方面有重要研究价值。Rabah等[51]发现,费氏丙酸杆菌乳酪培养物或牛奶超滤液培养物均可调节仔猪肠道炎症基因的表达,也验证了丙酸杆菌预防肠道炎症的作用,拓宽了其抗炎领域的研究前景。

3 展 望

近年来,丙酸杆菌作为多功能益生菌,受到众多研究者的青睐。在畜牧领域中,丙酸杆菌的饲喂安全性已得到验证,其分解代谢乳酸的能力在反刍动物饲喂领域展现出了极大的优势,但在单胃动物体内的作用机制有待探索。丙酸杆菌发酵饲料富集维生素B12也是一条新的研究途径,既免去了B12繁琐的提取步骤,又可利用其代谢生成的丙酸和细菌素提高发酵饲料防腐防霉的能力,降低成本的同时提高了饲料的营养价值,便于动物能够从日常采食中增加维生素B12的摄入量。

随着全球多方位可持续发展观念的增强,各领域都在进行天然、环保、低能耗产品的研发与推广,丙酸杆菌的益生特性能引领多种新功能性食品开发,而且其发挥的炎症调节作用在动物保健方面也具有潜在价值。从多种形式来看,丙酸杆菌的应用研究前景较为广阔。