益生菌的功能及其在生豬養殖產業中的應用
我國是生豬養殖大國，也是抗生素生產及使用大國，每年用于動物養殖產業的抗生素多達9.7萬t，因此養殖業是抗生素濫用的重災區。抗生素在養殖業的使用不僅影響其在肉產品中的殘留，也造成人類對抗生素耐藥性，因此抗生素的濫用影響動物生產及人類健康。為提升消費者對畜牧產品的信賴，農業部擬計劃全面禁止抗生素作為飼料添加劑在動物生產中應用。
根據國內外減少或禁用抗生素使用的發展趨勢，抗生素替代的研究越來越多，其中益生菌作為抗生素替代物已在多國使用。美國食品與藥品管理局以及飼料管理協會已公布可直接飼喂且安全的益生菌已有40余種，歐盟市面已有50余種益生菌，我國農業部第105號公告允許使用干酪乳桿菌( Lactobacillus casei) 、植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum) 、糞鏈球菌( Streptococcus faecalis ) 、屎鏈球菌( Streptococcus faecium) 、乳酸片球菌( Pediococcus acidilactici) 、枯草芽孢桿菌( Bacillus subtilis)、納豆芽孢桿菌( Bacillus natto ) 、嗜酸乳桿菌( Lactobacillus acidophilus) 、乳鏈球菌( Streptococcus lactis) 、啤酒酵母( Saccharomyces cerevisia) 、產朊假絲酵母( Candida utilis ) 和沼澤紅假單胞菌( Rhodopseudomonas palustris) 等12種飼料級微生物菌種，其中乳酸桿菌、雙歧桿菌及酵母菌等在飼料中的應用較為廣泛。
1益生菌的定義及其在飼料應用中的調制方式
自1899 年法國科學家Henry Tissier 首次從嬰兒的糞便中分離出第1 株益生菌“雙歧桿菌”至今，人類對益生菌的研究已有一百多年的歷史。隨著益生菌研究的發展，不僅活微生物對宿主健康有益，熱滅活的微生物如乳酸桿菌、雙歧桿菌等菌株也有利于宿主健康。因此，凡是對宿主健康有益的活的微生物及有活力的微生物細胞都稱為益生菌。
隨著動物飼料中抗生素使用的限制，益生菌替代抗生素的應用日益廣泛。迄今為止，已發現的益生菌種類繁多，根據益生菌的生物學特性，主要分為乳酸菌科如保加利亞乳桿菌( Lactobsccillus bulgaricus) 、植物乳桿菌、羅伊氏乳酸桿菌( Lactobacillus reuterii) 、發酵乳酸桿菌( Lactobacillus fermentum)等; 芽孢桿菌科如地衣芽孢桿菌( Bacillus licheniformis) 、短小芽孢桿菌( Bacillus pumilus ) 、枯草芽孢桿菌等; 鏈球菌科如乳酸鏈球菌、嗜熱鏈球菌( Streptococcus theromophilus) 等; 放線菌科如動物雙歧桿菌( Bifidobacterium animaiis ) 、嗜熱雙歧桿菌( Bifidobacterium thermophilum) 、短雙歧桿菌( Bifidobacterium breve ) 、兩歧雙歧桿菌( Bifldobacterium bifldium) 等; 以及乳酸片球菌、腸膜明串珠菌( Leuconostoc mesenteroides ) 、糞腸球菌( Enterococcus faecium) 等其他科細菌。隨著益生菌應用的推廣，根據益生菌的生物學特性及飼料加工工藝，益生菌作為飼料添加劑的調制方式也出現多元化。目前主要采用活性及滅活益生菌干粉直接添加，益生菌發酵飼料( 固體和液體發酵) 、益生菌微膠囊化等作為飼料添加劑使用。
2益生菌改善動物健康
益生菌調節宿主腸道健康、營養利用及抗應激等生理機能的作用機制主要包括3 個方面: 一是通過調節先天免疫及獲得性免疫提高宿主免疫功能; 二是直接作用于共生或病原微生物，防御及治療感染腸道疾病并恢復腸道微生物穩態; 三是對微生物毒素脫毒以及宿主代謝產物、食物等成分的解毒作用。
2.1 益生菌調節腸道健康
益生菌主要通過抑制病原菌群的生長，促進有益菌群生長來調節腸道穩態并促進腸道健康，一方面通過清除腸道代謝產物、細菌素，促進腸道抗菌肽及黏蛋白的生成等間接方式調節腸道的屏障功能、免疫功能、脫毒、解毒作用; 另一方面通過與腸道病原菌群黏附位點的時空競爭、營養競爭作用，限制腸道中病原菌的定植、生存及繁殖，并通過控制有益菌群與有害菌群的比例來調節腸道菌群穩態，從而調節宿主腸道健康( 表1) 。
2.1.1 益生菌改善腸道免疫功能
腸道是體內與外界環境接觸的主要場所，也是病原體入侵和定植的主要場所。腸道黏液層是聯系腸道上皮細胞與腸道微生物的中間凝膠網狀結構，其隔離腸腔內物質包括營養物質、分泌物、代謝產物及腸道微生物等與腸上皮細胞的接觸。黏液層是腸道黏膜屏障抵御病原微生物侵擾的第1 道防線，通過降低抗原在免疫系統中的暴露以及保護機體免于自我消化行使其防御功能。腸道黏液層主要由杯狀細胞分泌的黏蛋白組成，益生菌可緩解大腸桿菌引起的杯狀細胞的減少以及黏液層厚度的降低來提高機體免疫功能; 影響斷奶仔豬小腸黏蛋白中糖蛋白組分，黏蛋白的聚糖通過結合具有聚糖結構特異性黏附素的細菌，影響對腸道細菌的黏附作用，調節有益菌群在腸道中的定植。有研究表明，益生菌通過增加腸道黏膜層的定植影響黏液層的厚度，其影響黏膜層的定植、膜層杯狀細胞黏蛋白的分泌、黏液層的厚度，進而影響黏液層的防御功能。益生菌不僅通過調節黏液層中黏蛋白誘導腸上皮細胞表面蛋白的合成來影響腸上皮細胞的黏附作用，以及編碼微生物與宿主黏附作用的黏附素影響其與宿主腸道細胞的黏附與定植，還通過調節腸上皮細胞之間緊密連接蛋白( ZO-1) 、閉合蛋白( occludin) 、密封蛋白( claudin) 等表達，降低病原微生物的入侵，改善腸道健康。
腸上皮細胞與病原微生物的互作常引起動物腸道的免疫失調，益生菌通過調節腸上皮細胞免疫功能，預防或治療腸道功能的紊亂。益生菌通過增加腸道中吞噬細胞數量清除腸道病原菌，調節腸道免疫; 也可通過調節腸道免疫球蛋白、細胞因子及抗菌肽等表達提高機體免疫功能。Cazorla等研究表明干酪乳桿菌及副乾酪乳桿菌( Lactobacillus paracasei) 增加腸道潘氏細胞數量及腸道抗菌肽活性。研究發現益生菌有效改善大腸桿菌或沙門氏菌感染引起的仔豬腹瀉及腸道損傷，降低血清中白細胞介素－6( IL-6) 含量，增加血清中免疫球蛋白M ( IgM) 及免疫球蛋白A( IgA) 含量，增強仔豬免疫力，促進仔豬生長。
益生菌通過介導腸上皮細胞的模式識別受體( PＲＲ) 直接應答微生物、代謝產物，或介導PＲＲ 與微生物相關分子模式( MAMP) 結合，通過調節多個信號通路來調控受體的表達，并激發機體自身非特異性免疫應答，維持腸道內環境穩定及炎癥抑制等一系列免疫保護反應。研究發現益生菌通過絲裂原活化蛋白激酶( MAPK) 信號通路及信號轉導與轉錄激活因子( STAT3) 信號通路，調節細胞因子信號傳導的抑制因子( SOC3) 的表達，抑制核因子－κB ( NF-κB) 的活性及IL-6 的分泌，緩解炎癥的發生。酵母菌通過激活過氧化物酶體增殖物激活受體－γ( PPAＲ-γ) 和抑制細胞外信號調節激酶1 /2( EＲK1 /2) 和p38 絲裂原活化蛋白激酶( p38 MAPK) 的磷酸化來抑制促炎因子IL-6、白細胞介素－8( IL-8) 、趨化因子配體20( CCL20) 、趨化因子配體2 ( CXCL2 ) 及趨化因子配體10( CXCL10) 的轉錄表達，進而調節腸道免疫。
2.1.2 益生菌影響腸道微生物菌群結構
益生菌通過爭奪營養、代謝產物以及時空的占位效應等產生生物拮抗功能，調節腸道菌群結構及穩態，調控腸道微生物的毒素的產生量及活力，控制腸道潛在病原菌的毒力及活性。
研究表明枯草芽孢桿菌通過調節盲腸內容物中擬桿菌門( Bacteroidetes) 及增加厚壁菌門( Firmicutes)比例改善腸道菌群結構及穩態，促進動物生長。雙歧桿菌及乳酸桿菌的復合益生菌可降低腸道內潛在致病菌產氣莢膜梭狀芽胞桿菌( Clostridium perfringens) 的定植密度。出生后立即使用該復合益生菌可提高乳酸菌等有益菌群的定植，同時降低致病菌群的定植，緩解早產仔豬腹瀉、功能障礙，降低病原菌入侵及早產新生仔豬的壞死性小腸結腸炎的發生率及程度。鼠李糖乳酸桿菌有效改善大腸桿菌感染后仔豬腸道微生物菌群結構，降低糞便中大腸桿菌數量，增加雙歧桿菌等有益菌群數量。
腸腔內細菌毒素通過分解細胞間緊密連接蛋白并破壞腸道屏障后，經細胞旁運輸進入循環，誘發腸道炎癥及腹瀉。植物乳桿菌有效降低腸道中半乳糖與甘露醇比例及腸道通透性，減少細菌內毒素( LPS) 進入腸道黏膜層及基底層的數量，進而起到脫毒的效果。添加植物乳桿菌( 22F、25F 和31F) 、乳酸片球菌( 72N) 及戊糖片球菌( Pediococcus pentosaceus 77F) 等復合益生菌，顯著抑制大腸桿菌( Escherichia coli) 、豬霍亂沙門氏菌( Salmonella choleraesuis) 及豬鏈球菌( Streptococcus suis)等豬腸道病原菌的生長及活性，調節腸道菌群穩態，促進動物生長。研究發現飼糧中添加芽孢桿菌可顯著提高斷奶仔豬糞便中乳酸桿菌數量，降低大腸桿菌數量，調節腸道微生物菌群。而屎腸球菌不僅提高沙門氏菌感染后仔豬糞便以及腸道中沙門氏菌數量，同時提高腸道免疫力，抵御腸道病原菌及毒素的入侵，但也有研究指出屎腸球菌對沙門氏菌感染后仔豬的糞便中沙門氏菌的數量無影響，對感染沙門氏菌的仔豬生長、免疫等也無改善效果，對母豬腸道微生物菌群也無顯著改善效果，不影響母豬腸道乳酸桿菌、革蘭氏陽性及陰性厭氧菌、大腸桿菌及腸球菌等增殖。因此，益生菌的菌株菌種、質量差異以及受試動物差異等直接影響其有效性評價。
2.2 益生菌調節營養物質利用
益生菌通過調控腸道營養物質利用，促進動物生長。益生菌調控腸道蔗糖酶、乳糖酶、三肽酶、淀粉酶、脂肪酶、植酸酶、蛋白酶等消化酶活性，改善豬腸道對飼糧中營養成分的消化吸收，進而影響斷奶仔豬的生長。飼糧中添加枯草芽孢桿菌增加豬腸道內容物中厚壁菌群數量，降低擬桿菌群數量，改善腸道消化吸收功能; 枯草芽孢桿菌通過降低血清中甘油三酯、葡萄糖含量，以及肝臟中脂肪酸合酶( FAS) 和乙酰輔酶A 羧化酶α( ACCα) 表達，調節機體脂肪等營養物質的代謝。此外，益生菌也可能通過改善腸道絨毛高度，增加腸道營養物質的吸收面積，進而提高營養物質吸收效率。
益生菌影響動物對飼料轉化率及飼料中營養成分的利用率，調控動物的生長。飼糧中添加復合芽孢桿菌不僅顯著提高斷奶仔豬干物質、氮及總能的全消化道表觀消化率及蛋白質利用率進而提高營養利用率。而芽孢桿菌與釀酒酵母復合使用顯著提高生長豬干物質、氮及總能的全消化道表觀消化率，同時提高回腸中氮及部分氨基酸( 異亮氨酸、色氨酸、纈氨酸、絲氨酸及酪氨酸) 消化率。屎腸球菌與釀酒酵母混合菌提高肥育豬粗脂肪、粗蛋白質、干物質、鈣、磷等消化率。研究表明加氏乳桿菌( Lactobacillus gasseri) 、羅伊氏乳桿菌( Lactobacillus reuteri) 、嗜酸性乳桿菌( Lactobacillus acidophilus) 及發酵乳酸桿菌等復合型乳酸菌提高斷奶仔豬腸道有機物、粗蛋白質、粗纖維全消化道表觀消化率。枯草芽孢桿菌、釀酒酵母菌及植物乳桿菌復合使用，可有效提高氮、磷表觀消化率，提高飼料利用率。因此，益生菌可有效改善飼料轉化率及利用率，促進動物生長，其在生豬產業中推廣使用具有良好的發展前景。
2.3 益生菌促進生豬養殖的節能減排
益生菌可通過提高營養物質消化吸收功能來提高飼料轉化率，還可通過調節腸道微生物菌群結構影響微生物代謝產物，進而減少廢棄物的排放。益生菌發酵飼料改善仔豬腸道黏膜形態、腸道內發酵及營養物質消化，促進生豬養殖業的節能減排、綠色生態的健康發展。研究表明飼糧中添加復合芽孢桿菌可還降低血液尿素氮含量，減少生豬糞污中氨氣及硫化氫的排放，而釀酒酵與母芽孢桿菌或與屎腸球菌復合使用減少生長肥育豬氨氣、硫化氫及硫醇類等臭味物質排放。短乳酸菌或與酵母菌復合使用可降低鈣、磷的排放，而復合型乳酸菌降低豬糞污中氮、磷排放。枯草芽孢桿菌、釀酒酵母菌及植物乳桿菌復合菌可減少糞便中氮和磷排放，降低畜禽糞便對環境的污染。因此，益生菌通過調控豬生理功能，對減少糞污氮磷及臭氣等排放具有顯著的效果，其作為綠色、環保、生態的飼料添加劑在生豬產業中推廣使用具有良好的發展前景。
2.4 益生菌影響豬生長及應激狀況
隨著益生菌的應用開發，益生菌作為替代抗生素的促生長劑，被廣泛應用于動物飼料中。益生菌除了改善動物腸道菌群、免疫力，調節動物營養消化率及飼料轉化效率，對養殖中動物應激也有一定的緩解效果。雙歧桿菌、嗜酸性乳酸桿菌、干酪乳桿菌、戊糖乳桿菌及植物乳桿菌的復合益生菌有利于緩解早產應激，提高早產仔豬生長性能。乳酸片球菌、腸球菌、酵母菌( 釀酒酵母及布拉迪酵母) 、嗜酸性乳桿菌等益生菌也可改善仔豬腸道健康，減少仔豬斷奶后腹瀉的發生率、嚴重程度及仔豬死亡率，緩解仔豬斷奶應激綜合征。嗜酸性乳酸桿菌及釀酒酵母通過下調組織中熱休克蛋白70( Hsp70) 和熱休克蛋白27( Hsp27) 的表達，提高組織中谷胱甘肽過氧化物酶( GPx1) 的表達，緩解高溫引起的仔豬熱應激及氧化應激。研究發現地衣芽孢桿菌及枯草芽孢桿菌可有效緩解母豬產仔后乳房炎、子宮炎引起的無乳綜合征，提高母豬生育力及后代仔豬存活率。應激是生豬養殖業中常見的問題之一，目前，益生菌在動物應激方面的相關研究較少，因此，益生菌對緩解動物應激的研發具有良好的發展前景及推廣價值，對提高生豬生產力及生豬養殖業中經濟效益具有重要意義( 表2) 。
2.5 益生菌改善豬肉品質
益生菌不但提高豬生長速度，還可提高豬肉營養價值，改善豬肉品質。飼糧中添加益生菌通過提高豬肉中超氧化物歧化酶及谷胱甘肽過氧化物酶等酶類活性，提高豬肉抗氧化能力及肉品質。研究表明飼喂復合益生菌( 枯草芽孢桿菌與丁酸梭菌) 可顯著改善肥育豬背最長肌肉色、大理石紋評分、系水力、pH，提高眼肌面積及瘦肉率等胴體品質。飼糧中添加乳酸菌片球菌可改善豬肉pH、嫩度、系水力、多汁性、風味、顏色與外形等品質，植物乳酸桿菌可有效改善豬肉pH、剪切力、咀嚼嫩度、油膩性、系水力、黏性等肉品質，因此，益生菌作為飼料添加劑可提高豬肉營養價值及品質，具有良好的市場應用前景。
3益生菌在生豬養殖業中的推廣應用
3.1 益生菌在仔豬生產中的應用
益生菌具有改善腸道菌群結構、腸道免疫及消化等功能，其常用于仔豬生產，尤其是斷奶仔豬。研究表明從出生到斷奶期口服屎腸球菌顯著降低仔豬腹瀉率及腹瀉程度，同時提高仔豬平均日增重。Lv 等利用富硒益生菌顯著提高仔豬糞便中乳酸桿菌與大腸桿菌比例，改善腸道菌群結構; 提高仔豬血清中硒含量及谷胱甘肽過氧化物酶活性，緩解斷奶應激及高溫應激; 提高斷奶仔豬體重、平均日增重，降低料重比，促進仔豬生長。何佳等通過在玉米－豆粕型基礎飼糧中添加復合益生菌調節仔豬腸道微生物菌群，提高糞便中乳酸桿菌和雙歧桿菌等有益菌群數量，降低大腸桿菌數量，降低仔豬腹瀉率并提高仔豬生長性能。吳寧等利用益生菌與中草藥及酸化劑進行復合使用，降低仔豬腹瀉率，提高仔豬生長性能，且達到替代抗生素的效果，即提高仔豬免疫力及促生長功能。目前出現大量的益生菌與其他物質復合使用( 如纖維寡糖、非淀粉多糖復合酶類、木瓜蛋白酶等) ，改善腸道菌群結構及干物質、粗蛋白質、粗纖維等腸道消化率，促進仔豬生長，進而達到替代抗生素的目的。益生菌發酵料在仔豬生產中用于改善仔豬腸道健康及免疫功能，促進仔豬生長。
3.2 益生菌在生長肥育豬生產中的應用
益生菌不僅用于仔豬生產，也應用于生長肥育豬生產。添加益生菌提高生長豬平均日增重、眼肌面積、瘦肉率、肌肉系水力，降低背膘厚; 同時通過增加血清和肌肉中超氧化物歧化酶及谷胱甘肽過氧化物酶活性及降低丙二醛含量，提高機體抗氧化能力; 同時降低成本，提高生豬養殖利潤。飼糧中添加乳酸菌可改善豬肉pH、嫩度、系水力、多汁性、風味、顏色與外形等品質，而添加枯草芽孢桿菌與丁酸梭菌可改善豬肉肉色、大理石紋評分、系水力、pH 及眼肌面積等品質。研究表明益生菌與中草藥復合使用顯著提高血清免疫球蛋白IgM 含量，白細胞介素－4( IL-4) 、IL-6及干擾素－β( IFN-β) 等免疫因子的表達，并調高葡萄糖等營養物質的轉化，促進生長豬的生長。Jeong 等在飼糧中添加益生菌發酵的中草藥，提高生長豬干物質、總能的消化率，降低有毒氣體如氨氣、硫化氫的排放，增加飼料轉化率，促進動物生長。研究表明該益生菌復合配方可作為抗生素替代物的生長促進劑應用于生長豬生產。益生菌可改善氮、氨基酸的回腸消化率及營養物質的全消化道表觀消化率、腸道菌群及穩態，提高生長豬平均日增重，降低養豬成本。飼糧中添加芽孢桿菌可提高生長肥育豬平均日增重，降低料重比及死亡率，增加養殖效益。益生菌不僅可改善生長肥育豬毛色，提高平均日增重及有機磷消化率，降低料重比，還可通過調節腸道pH 及腸道微生物菌群改善肥育豬的健康狀況，調節飼料轉化率及新陳代謝促進肥育豬生長。
3.3 益生菌在母豬生產中的應用
在母豬生產養殖中，益生菌常用來改善母豬健康狀況，緩解應激，提高其生長性能。Inatomi等研究發現飼糧中添加腸系膜芽孢桿菌( Bacillus mesentericus) 、丁酸梭菌和糞球菌復合菌不僅提高妊娠期母豬體重，還顯著提高產后母豬的體重及其乳汁產量，并提高初乳中IgA 和IgG 含量及抗體滴度，縮短斷奶到發情的時間間隔; 同時也發現該復合菌顯著提高后代哺乳期仔豬體重并降低哺乳期仔豬死亡率。屎腸球菌可提高初產母豬妊娠期及泌乳期采食量及體重，但不影響初產母豬及后代仔豬糞便微生物乳酸桿菌、革蘭氏厭氧菌、大腸桿菌及腸球菌的菌群數量，而Taras等指出屎腸球菌不影響母豬哺乳期及后代體重、采食量及飼料轉化率，但降低后代仔豬斷奶后腹瀉率。母豬飼糧中長期添加蠟狀芽孢桿菌顯著提高母豬護理仔豬的數量及天數，并提高后代仔豬平均日增重及飼料轉化率，緩解仔豬斷奶后腹瀉，促進后代仔豬生長。而飼糧中添加地衣芽孢桿菌及枯草芽孢桿菌增加母豬產后采食量，減少哺乳期母豬體重損失; 提高其血清膽固醇及總脂肪含量及乳汁中總脂肪和總蛋白含量; 緩解乳房炎－子宮炎－無乳綜合征，縮短發情間隔，提高生育力; 同時還降低后代仔豬腹瀉率、死亡率，增加后代仔豬體重。
4結 論
益生菌作為替代抗生素的微生物制劑，不僅促進動物生長，還利于改善豬腸道健康，提高營養利用，緩解動物應激，其作為新型微生物促生長劑及保健劑的研發具有廣闊的發展前景。然而益生菌的調控機理尚未完善、優良菌種缺乏且質量參差不齊、安全性尚無明確定論、微生物添加劑相關標準尚未完善等問題至今未能解決，限制了微生物飼料添加劑的推廣與發展。因此，需要進一步深入探索益生菌調控機理、篩選良種、評價其有效性和安全性、配套相應標準及技術，不僅對畜禽養殖生產應用具有指導意義，而且對畜牧業的健康養殖及生態農業的發展也具有重大的推動作用。
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