益生凝結芽孢桿菌在肉禽養殖中的應用及作用機理研究進展

2020-10-31 10:07:18 點擊：

摘要：凝結芽孢桿菌（Bacillus coagulans）作為一種新型飼用益生菌，能夠促進腸道健康和營養吸收、增強機體免疫力和維持腸道菌群平衡，從而提高動物生產性能。肉禽養殖是我國畜牧業重要的組成部分，如何促進肉禽養殖業的健康可持續發展、提高生產效益和無抗綠色養殖已成為下研究的熱點之一。本文就凝結芽孢桿菌的生物學特性、益生作用機理及其在肉禽生產中的應用以及目前存在的問題做一綜述，為進一步開發凝結芽孢桿菌在肉禽養殖中的應用提供參考。

禽肉作為優質、廉價的蛋白質來源，在居民食品消費結構中的比例正逐步提高，但肉禽養殖過程會受到應激刺激、抵抗力下降、腸道功能紊亂、藥物殘留等影響，導致養殖成本不斷攀升、疫病防控形式嚴峻和食品質量安全得不到保障，如何能夠提高肉禽生產性能和養殖效益已成為當下研究的熱點。凝結芽孢桿菌首次由Hammer等進行分離和描述，通過對其逐步的研究和認識，最終將其統一命名為一個新的菌種——凝結芽孢桿菌。凝結芽孢桿菌具有調節腸道菌群平衡、促進腸道健康與營養物質的吸收、提升機體免疫力等作用。凝結芽孢桿菌已獲得美國、歐盟兩大食品、藥品安全機構的認可，多個國家將其應用于藥品、食品和飼料添加劑等行業，我國于2004年逐漸批準凝結芽孢桿菌在飼料添加劑和其他行業使用。凝結芽孢桿菌既可以像乳酸菌屬類益生菌一樣產酸，又能像芽孢桿菌形成芽孢，具有耐高溫高壓和易貯藏等優點，是近年來研究的熱門益生菌種之一。然而，飼用凝結芽孢桿菌至今未在肉禽養殖中規模化應用。本文將針對凝結芽孢桿菌的生物學特性、益生作用機理及其在肉禽養殖生產中的應用等進行綜述，為其進一步應用于肉禽領域提供相關參考。

1 凝結芽孢桿菌的生物學特性

凝結芽孢桿菌是一種兼性厭氧菌，可形成芽孢，革蘭氏染色為陽性，類屬芽孢桿菌屬。菌體表面無鞭毛，呈桿狀，如頭發絲狀，長2.5~5.0μm，寬0.6~1.0μm；芽孢端生，如“榔頭”狀；喜中性偏酸pH，最適溫度為37.0~45.0℃。凝結芽孢桿菌具有同乳酸菌一樣的產酸能力；其具有耐酸、耐熱、耐鹽、容易培養和保存的特點，也是其最明確的優勢；可經受高溫處理1h，活菌數僅下降一個數量級的抗逆性，也可經受飼料制粒的溫度；將其置于pH>2.42的酸性溶液中處理1年，其活菌數仍高達105；其可在1%~8%NaCl溶液中存活數周。在動物飼糧中添加凝結芽孢桿菌，芽孢化的菌體形態能夠順利通過制粒、動物胃液環境，在進入十二指腸后，芽孢萌發形成營養體，隨后進入小腸，開始迅速生長繁殖，并發揮生物學功能。

2 凝結芽孢桿菌在肉禽應用中的益生機理

學者們普遍認為益生菌并不是一種單一物質發揮作用，而是一個多種物質協同作用和腸道其他益生菌共同完成的綜合方式。

2.1 凝結芽孢桿菌可促進肉禽的腸道健康和對營養物質的消化吸收

2.1.1 凝結芽孢桿菌對肉禽血液生化指標的影響

血液生化指標與機體的營養吸收、代謝和疾病密切相關，一定程度上可反映肉禽的健康狀況。肉禽飼糧中添加凝結芽孢桿菌能夠顯著提高血清總蛋白（TP）和白蛋白（Alb）含量，使白羽肉雞、黃羽肉雞、北京公油雞和肉鴨血清TP顯著提高3.83%~54.44%，Alb含量顯著提高4.45%~9.68%，同時能夠使黃羽肉雞和北京母油雞的血清尿素氮（UN）顯著降低16.36%和23.11%。血清TP和Alb升高，UN含量降低，表征機體內蛋白質和肽類物質得到很好的利用。在飼糧中添加凝結芽孢桿菌也能夠使肉雞血清葡萄糖含量顯著提高15.36%，反映出肉禽對飼料中碳水化合物的消化與吸收水平的提高。另外，夏濤等研究發現在肉雞飼糧中添加凝結芽孢桿菌也能夠顯著提高血清甘油三酯（TRIG）和高密度脂蛋白膽固醇（HDL-C）含量，表征飼料中脂質營養物質的良好消化與吸收。然而，Huang等研究表明添加凝結芽孢桿菌對肉雞血清指標的影響差異不顯著，這可能與選用的凝結芽孢桿菌的菌株特性有關。綜上，在飼糧中添加凝結芽孢桿菌能提高肉禽血清TP、Alb、葡萄糖、TRIG和HDL-C含量，降低血清UN含量，從而增強了肉禽腸道對碳水化合物、脂質營養物質和蛋白類物質的消化和吸收，改善肉禽的生長性能。

2.1.2 凝結芽孢桿菌對肉禽內源酶分泌的影響

飼糧中含有許多復雜的碳水化合物，這些化合物必須經過機體內的代謝途徑和酶促反應才能進行降解，從而更容易被腸道消化吸收，提高飼料利用率。已有報道表明，肉禽飼糧中添加一定量的凝結芽孢桿菌能使肉雞和肉鴨血清堿性磷酸酶活性顯著提高6.1%~55.39%；血清丙氨酸氨基轉移酶活性顯著提高45.83%~51.64%。堿性磷酸酶是小腸消化吸收功能發生變化的標志酶之一，參與多種生理生化反應，而丙氨酸氨基轉移酶活性可反映肝細胞代謝營養物質的活躍程度。另外，添加凝結芽孢桿菌能夠顯著提高肉禽腸道胰蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶等消化酶的活性。凝結芽孢桿菌可以產生40多種動物內源性酶，提高肉禽腸道內源酶活性。這些腸道消化酶活性的增加，促進了機體進一步分解飼糧中復雜的營養物質，有利于提高肉禽對飼料相應營養物質的消化與吸收，從而提高日增重和降低耗料增重比等生產性能。

2.1.3 對肉禽血清抗氧化能力的影響

機體內過氧化產物的積累會引起脂質、蛋白質和核酸氧化損傷，而機體抗氧化能力的提高，也是肉禽腸道健康的一個重要表現。抗氧化能力的指標包括總抗氧化能力（T-AOC）、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化氫酶（CAT）活性、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-PX）活性和丙二醛（MDA）含量。在肉禽飼糧中添加凝結芽孢桿菌能夠使T-AOC顯著提高12.07%~46.80%，SOD活性顯著提高9.86%~27.91%，CAT活性顯著提高39.71%~40.74%，GSH-PX活性顯著提高6.53%~27.41%，MDA含量顯著降低20.66%~37.24%。同時，也能夠緩解因腸炎沙門氏茵感染、熱應激和敵草快（雙吡啶除草劑）攻毒所造成的肉雞氧化應激。綜上，凝結芽孢桿菌通過提高肉禽血清抗氧化酶類活性使機體的T-AOC顯著提高，同時使脂質過氧化產物MAD含量顯著降低。此外，凝結芽孢桿菌本身也可以產生具有顯著抗氧化活性的胞外多糖，能有效保護機體免受氧化應激損傷，這也是其可提高肉禽生產性能的一個重要原因。

2.1.4 凝結芽孢桿菌對肉禽腸道形態和其他指標的影響

完整的腸道形態不僅是腸道健康、營養物質消化和吸收的必備條件，同時也是抵御外源有害物質入侵的結構保障。絨毛高度、絨窩深度及兩者比值是衡量小腸消化吸收功能的主要指標。肉禽飼糧中添加凝結芽孢桿菌一方面能夠緩解由于病原菌感染所導致的腸道病變計分的升高，試驗組腸道病變計分降低了20.63%~35.43%。另一方面，可顯著提高白羽肉雞、黃羽肉雞和肉鴨的絨毛高度與隱窩深度比值（11.08%~50.41%）和腸絨毛高度（12.72%~31.87%）。也有報道表明，凝結芽孢桿菌可以恢復由敵草快（雙吡啶除草劑）引起的空腸形態結構。綜上，日糧中添加凝結芽孢桿菌能夠改善肉禽腸道的形態和健康，促進小腸絨毛的發育，使小腸絨毛變粗、變長或排列更加緊密，從而降低絨窩深度，使整個腸道絨毛高度與隱窩深度比值增大。這種小腸形態恰恰能夠更好地吸收營養物質，促進肉禽生長發育，進而提高日增重和降低耗料增重比。

2.2 凝結芽孢桿菌可提高肉禽機體免疫力和抗病能力

有報道顯示，凝結芽孢桿菌的發酵上清液和細胞壁中某些成分具有抑制活性氧、調節細胞因子和增強細胞吞噬能力的作用，能夠在機體腸道構成一道生物保護屏障，促進消化道黏膜發生免疫反應，從而提高腸道免疫能力。此外，通過促進B淋巴細胞的增殖和免疫球蛋白的分泌提高體液免疫的水平和提高效應T淋巴細胞中腫瘤壞死因子的含量防治一些特定病毒的感染。另外，凝結芽孢桿菌也可以通過增加吞噬細胞的活性，刺激機體分泌溶菌酶，提高胸腺、脾臟和胃腸等器官對病原微生物的抵抗能力和機體免疫能力。凝結芽孢桿菌對肉禽免疫器官指數的影響見表1。在肉禽飼糧中添加凝結芽孢桿菌能夠顯著提高胸腺指數（7.34%~46.67%）、脾臟指數（9.38%~107.14%）、法氏囊指數（6.37%~32.84%）和腸道指數（16.68%）。但趙娜和張營營等的試驗結果表明凝結芽孢桿菌的添加降低了肉雞法氏囊和腸道指數，這可能與試驗組肉雞腸道致病菌的菌群結構有關，凝結芽孢桿菌可以抑制腸道致病菌，從而減少法氏囊和腸道中免疫應答反應，導致法氏囊和腸道指數減小，具體原因仍有待進一步驗證。另外，也有報道顯示，添加凝結芽孢桿菌可以顯著提高肉雞血清球蛋白的含量，促進致炎因子和抑炎因子的平衡。Wu等也發現凝結芽孢桿菌對肉雞的免疫功能有促進效果。由此可知，飼糧中添加凝結芽孢桿菌通過提高肉雞、肉鴨免疫器官指數，促進腸黏膜免疫因子的表達，或者是血清免疫細胞的增殖來提高肉禽的免疫能力，降低肉雞、肉鴨患病率、腹瀉率和死淘率，從而達到提高生產性能的目的。

2.3 飼用凝結芽孢桿菌可改善肉禽腸道菌群結構

動物腸道內菌群結構是一個復雜的“大家庭”，當腸道內有害菌“過量”并打破平衡狀態時，動物就會發病。凝結芽孢桿菌主要通過3種方式維持肉禽腸道菌群平衡：首先，凝結芽孢桿菌作為一種兼性厭氧菌，進入動物體內生長繁殖時會消耗游離的氧，從而降低腸道內氧化還原電勢，腸道有益菌大部分是厭氧型，這種環境下促進了有益菌的增殖而抑制有害菌的生長。其次，凝結芽孢桿菌可以利用多種糖類進行同型乳酸發酵，產生大量L-乳酸，降低動物腸道pH，有效地抑制嗜堿性乃至中性致病菌的生長。最后，該菌株在生長繁殖過程中，會產生抑菌物質凝固素和Lactoporin。凝固素是一種大小為4612 Da小肽類物質，其結構已經被解析出來，與片球菌素極為相似，具有較強的抑菌效果，可對鏈球菌、金黃色葡萄球菌等致病菌有拮抗作用。Lactoporin作為一種陰離子抗菌物質，可以使細胞內外質子形成動力勢差，導致病原微生物胞內蛋白質、核酸及肽多糖的代謝減弱，因而能對致病菌起到有效的抑制作用。凝結芽孢桿菌對肉禽腸道菌群結構的影響見表2。在肉禽飼糧中添加凝結芽孢桿菌，一方面，能夠顯著提高腸道乳酸菌數量（2~6.92倍）、雙歧桿菌數量（2~5倍）和總厭氧菌數量（4.47倍）；另一方面，能顯著降低腸道大腸桿菌數量（2.5~12.59倍）、腸道和肝臟產氣莢膜梭菌數量（4~50倍），腸道沙門氏菌和葡萄球菌數量也有顯著降低。趙娜等采用更加精確的實時熒光定量PCR法測定分析了盲腸和回腸食糜中的凝結芽孢桿菌和大腸桿菌的數量，結果顯示與對照組相比，21和42日齡肉雞盲腸、回腸凝結芽孢桿菌數量顯著提高，大腸桿菌數量也顯著降低接近3~4個數量級。說明凝結芽孢桿菌在肉雞腸道內定植，通過競爭排斥作用減少大腸桿菌在腸道中的數量成為優勢菌群，穩定發揮益生作用。但試驗所測定的菌群數量偏高、差異更大，可能與試驗過程中使用更加靈敏的實時熒光定量PCR的方法有關，結果有待進一步證實。在肉鴨飼糧中添加凝結芽孢桿菌也可顯著提高乳酸桿菌數量和降低大腸桿菌數量。綜上，在肉禽飼糧中添加凝結芽孢桿菌可以改善腸道菌群平衡，抑制腸道有害菌大腸桿菌、產氣莢膜梭菌、沙門氏菌和葡萄球菌的生長，促進有益菌乳酸菌、雙歧桿菌和總厭氧菌的增殖，以達到增加有益菌，減少有害菌的目的，從而促進肉禽腸道健康，提高肉禽生產性能和降低腹瀉率、死淘率。

3 飼用凝結芽孢桿菌在肉禽養殖中的應用現狀

3.1 飼用凝結芽孢桿菌對肉禽生產性能的影響

3.1.1 飼用凝結芽孢桿菌對肉雞生長性能的影響

凝結芽孢桿菌在肉雞中的應用效果見表3。與基礎飼糧相比，3.0×105~4.0×107CFU/g凝結芽孢桿菌組白羽肉雞的平均日采食量顯著提高4.09%~8.43%，平均日增重顯著提高5.84%~9.49%；耗料增重比顯著降低4.00%~10.48%，死淘率顯著降低52.42%~61.70%。2.0×105~1.5×107CFU/g凝結芽孢桿菌組黃羽肉雞的平均日采食量顯著提高4.55%~5.12%，平均日增重顯著提高3.76%~10.46%；耗料增重比顯著降低3.49%~5.59%，死淘率顯著降低50.00%~78.17%。此外，基礎飼糧中添加凝結芽孢桿菌對科寶肉雞、油雞和羅氏雞的生長性能也有積極影響，如顯著提高了平均日增重，顯著降低了耗料增重比和死淘率。由此可見，在不同品系的肉雞（白羽、黃羽、三黃雞、科寶、油雞、羅氏）飼糧中添加凝結芽孢桿菌均能顯著改善肉雞生長性能，提高飼料利用率和經濟效益。但在相同肉雞品種中應用凝結芽孢桿菌時，也存在一定差異，這可能與添加凝結芽孢桿菌劑量和菌種特性有關。

作為一種新型飼用益生菌，凝結芽孢桿菌在替代抗生素方面也有杰出貢獻。有報道顯示，與抗生素組相比，在基礎飼糧中添加凝結芽孢桿菌，替代桿菌肽鋅和維吉尼霉素，肉雞生長性能無明顯差異。同時，飼糧中含有抗生素也不會影響凝結芽孢桿菌的使用效果，甚至可以明顯降低肉雞的腹瀉率，這可能與凝結芽孢桿菌具有良好抗逆性有關。另外，肉雞在養殖過程中會遇到應激和有害菌感染等風險和挑戰。有研究表明，飼糧中添加凝結芽孢桿菌可對熱應激肉雞的耗料增重改善具有積極作用，提高了感染產氣莢膜梭菌和沙門氏菌后肉雞的生長性能，主要體現在顯著提高肉雞平均日增重、降低耗料增重比和死淘率等方面。由此可見，在肉雞飼糧中添加凝結芽孢桿菌不僅能夠顯著改善生長性能，在替抗方案中、有抗日糧、熱應激和有害菌感染環境下也均有明顯積極作用，隨著科研人員的努力，今后其應用將會更加廣泛。然而，不同品種、不同菌株和飼糧配方之間存在的固有差異，特別是添加量（105~107CFU/g）上的不確定性會導致其在應用上的差異，上述研究結果表明添加量約為2.0×106CFU/g最為合適。值得注意的是，飼料中凝結芽孢桿菌的添加量并不是越多越好，添加過量的凝結芽孢桿菌會導致腸道營養物質的消耗。

3.1.2 飼用凝結芽孢桿菌對肉鴨生長性能的影響

凝結芽孢桿菌在肉鴨中的應用效果見表4。與空白對照組相比，1.0×105~4.5×105CFU/g凝結芽孢桿菌組肉鴨的平均日增重顯著提高3.78%~6.26%，耗料增重比顯著降低2.50%~6.37%，腹瀉率顯著降低22.56%。凝結芽孢桿菌試驗組肉鴨的生長性能與抗生素桿菌肽鋅組無差異，因此，凝結芽孢桿菌可以替代抗生素的使用。龔萍等研究結果表明，在肉鴨飼糧中添加1.0×105CFU/g凝結芽孢桿菌比糞腸球菌更適合，可提高肉鴨的成活率和采食量，這可能與凝結芽孢桿菌比糞腸球菌具有更好的抗逆性有關。綜上，在肉鴨養殖中，添加凝結芽孢桿菌也能很好地促進肉鴨的生長性能，主要表現在提高日增重、降低耗料增重比和腹瀉率。與肉雞飼糧添加量相比，凝結芽孢桿菌在肉鴨中的添加量更少，相差接近10倍左右，這可能與飼糧配方不同有關。

3.2 飼用凝結芽孢桿菌對肉禽屠宰性能和肉品質的影響

屠宰率和肉品質也是肉禽良好生產性能的重要指標，一般肉禽屠宰率和全凈膛率分別要達到80%和60%以上。孫煥林等研究表明，飼糧中添加7.5×106CFU/g凝結芽孢桿菌可以使肉雞的全凈膛率、腿肌率和胸肌率分別顯著提高0.14%、1.06%和1.05%。曹廣軍等研究表明，飼糧中添加1.5×107CFU/g凝結芽孢桿菌可以顯著提高黃羽肉雞的屠宰率和半凈膛率。林麗花等研究發現，添加2.0×105CFU/g凝結芽孢桿菌可以使1~70日齡黃雞胸肌率顯著提高3.97%，其他屠宰性也能均略有提高，但差異不顯著。在肉品質方面，孫煥林等的試驗結果顯示，凝結芽孢桿菌可以提高肉雞胸肌脂肪含量和熟肉率。曹廣軍等的研究結果顯示，添加2.0×105CFU/g凝結芽孢桿菌能夠顯著提高右胸肌pH。Zhou等研究表明，添加2.0×106CFU/g凝結芽孢桿菌也能改善肉雞肉品質，但胸肌pH略有降低，與曹廣軍等的結果不一致，這可能與飼糧成分、添加量有關。總體來說，飼糧中添加凝結芽孢桿菌會對肉禽屠宰性能和肉品質某一方面起到積極影響，但也與添加量、肉禽品種、日齡、飼養條件和管理措施有直接關系，目前在這一方面的研究還比較薄弱，仍需要進一步的試驗證實。

4 小結和展望

綜上所述，凝結芽孢桿菌在肉禽養殖中的效果是毋容置疑的。在肉禽養殖過程中，添加凝結芽孢桿菌能夠提高肉禽生產性能、促進腸道健康和營養物質吸收、提高肉禽免疫能力和調節腸道菌群平衡。相對國外而言，我國對凝結芽孢桿菌的研究和應用依然處于滯后階段，綜合目前的研究，仍存在以下問題有待進一步解決：①凝結芽孢桿菌作為一種微生態產品，其本身產品性能差異就比較大，首先要保障凝結芽孢桿菌產品質量的可靠性、安全性和有效性，包括菌株特性的研究、總菌數和芽孢化率的保障、雜菌率的控制等。應從發酵工藝入手，解決目前國內單一液體發酵的方式，可使用固體發酵以及混合發酵。此外，在發酵培養基、參數、工藝優化等方面也有待深入研究。②凝結芽孢桿菌在飼糧中的最適添加量比較寬泛（1.0×105~4.0×107CFU/g），差異近乎400倍，不利于凝結芽孢桿菌在實際應用中的推廣。針對此類問題應當根據不同肉禽品系、不同時期、菌株特點和其他因素進行系統全面的研究，做到“精準定位”，以便為實際應用提供更加詳細的依據。③復合添加劑的推廣勢在必行，凝結芽孢桿菌和其他益生菌、酶制劑、益生元、酸化劑以及天然植物提取物等添加劑的協同作用的研究和報道還很少，其協同效果及作用機理，值得深入研究與探討。總之，隨著人們對凝結芽孢桿菌的進一步深入研究，飼用凝結芽孢桿菌在肉禽養殖業中的開發和應用將更加科學合理。

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益生凝結芽孢桿菌在肉禽養殖中的應用及作用機理研究進展

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