益生菌的作用機理及在動物生產中應用（專家文章）
高三玉
益生菌也稱益生素，是能夠對動物產生有益作用的微生物制劑。益生菌作為動物添加劑使用，具有促生長、抗病治病、提高飼料消化率等功能。隨著一些新的菌群分子生態學的鑒定和檢測方法的出現，如指紋圖譜法、核酸探針鑒定技術等，益生菌的作用機理也逐漸被人了解。本文簡要介紹了益生菌的菌種選擇、益生菌在腸道內的黏附作用、免疫調節、生理活性物質產生、菌群平衡等作用機理的研究進展，益生菌的應用前景以及在動物營養中的應用。
Lilly和Stillwell(1965)[1首先引入了益生菌(probioties)一詞，并定義為由微生物產生的能夠促進其他微生物生長的一類物質。隨著益生菌的作用機理和效果的日益被人了解，Fuller(1989)把益生菌定義為能夠促進腸內菌群生態平衡，對宿主起有益作用的活微生物制劑。以后Fuller等人及其他研究者多次修改，相信隨著研究的不斷深入，益生菌的概念會進一步完善。
1益生菌的菌種選擇和應用概況
1．1菌種選擇條件
人和動物腸道內寄居著大量的細菌菌群，據Luekey等估計，人類消化道中含10“細菌，而人體或動物體細胞僅為10”，不管是單胃哺乳動物(如，人、豬、兔)或是禽類，其糞便中的細菌含量在5x10一5×10o，g糞便濕重，即使糞便濕重的40％以上是細菌細胞。但并不是所有的菌種都能作為益生菌，理想益生菌的菌種應具備以下特征～：
(1)對酸、膽汁有抵抗力，經過胃、小腸時能保持自身的活性。
(2)能夠附植于腸道的黏膜上皮細胞，產生的黏液有利于其在胃腸道的定植。
(3)分泌抗菌的多肽，稱為細菌素(bacterioeins)，抑制其他有害菌種的生長。
(4)刺激機體免疫調節，但不產生炎癥反應。
(5)不會使人和動物致病，不與病原微生物產生雜交種。
1．2菌種應用概況
益生菌的菌種種類繁多，但理想的具有特定屬性的菌種并不充足。1989年，美國FDA和美國飼料控制官員協會公布了可以直接飼喂。一般認為比較安全的微生物菌種42種】，年使用量約10000t以上，在歐洲市場上，銷售的益生素已超過了50種問我國農業部公布的允許使用的飼料添加劑品種目錄中，常用的益生素菌種有6種：芽孢桿菌、乳酸桿菌、糞鏈球菌、酵母菌、黑曲霉、米曲霉。市場上的產品有單一菌株也有復合菌制劑，單一菌株制劑主要有乳酸菌制劑、芽孢桿菌制劑和酵母菌制劑3種。復合菌制劑也大都是由這3種菌混合而制成的。
2作用機理
隨著一些新的菌群分子生態學的鑒定和檢測方法的出現，如，指紋圖譜法、16SrRNA寡核酸序列分析法、定量PCR法等，益生菌的作用機理也逐漸被人們所了解。益生菌可能的作用機制”：
2．1腸道上皮的黏附
要使益生菌在動物體內發揮益生作用，首先，需要菌株在腸道內的定植，而益生菌定植的前提條件是微生物與腸道的黏附(Beachey，1981)，這也是菌株選擇的標準之一。剛出生的動物，腸道內是無菌的，不久外界的菌開始進入體內，有的菌通過黏附和定植，成為常駐菌，有些菌無親和力，不能黏附和定植，成為過路菌。能在腸道內定植的菌，包含有益菌、有害菌，也有中性菌。它們都是正常菌，構成了腸道微生態系統動態平衡。
2．1．1益生菌表面黏附物質
益生菌通過菌體表面的黏附物質(黏附素)與腸黏膜上皮細胞受體黏附，然后定植，阻止有害菌的入侵，形成生物屏障，從而起到益生的作用。具體的黏附機制，還未完全清楚，不同益生菌的菌種的黏附機制不同，其中，乳酸菌的與腸上皮細胞結合機制研究的較多。乳酸菌細胞表面的組成物質，脂磷壁酸、完整肽聚糖、多糖和表層蛋白(s一層蛋白，SLP)，在乳酸菌黏附和定植過程中直接或間接的起到一定的作用。鄧一平等(2000)㈣研究表明，這些物質能與腸黏膜表面的糖蛋白結合。其中s一層蛋白還有其特殊的作用s一層蛋白是細菌表面排列規則的蛋白分子，有一些還被糖基化，功能可能有：維持細胞外形、屏障防衛、分子篩的作用、形成抗體、提供外酶的附著結構、黏附于宿主上皮細胞等等，s一蛋白的分泌對黏附有重要作用。
2．1．2腸上皮細胞的黏附素受體
腸上皮表面同樣存在著相應黏附物質，既黏附素受體，結合菌體表面的黏附素，完成菌體的黏附。黏附素受體具有一定的特異性，用胰蛋白酶和過典酸處理腸上皮細胞，雙歧桿菌的黏附力明顯下降，表明，黏附素的受體可能為特異的糖類或糖蛋白。
益生菌菌株在宿主腸道內的黏附、定植并不是永久的(無菌的動物除外)。在停止使用益生菌后，能在糞便中檢測到并逐漸消失，表明這種定植只是短暫的。研究表明，益生菌在腸道內的附著能力隨宿主年齡的不同而有差異。1999年Ouwehand、Salminen等”對人腸道黏膜上微生物的附著作了研究，發現老年人的雙歧桿菌含量明顯低于年輕人。因此，在動物生產上使用益生菌時，也應考慮不同的黏附能力的菌種應針對不同年齡的動物。同時，益生菌分子基礎的黏附機制研究的不斷深入為不同黏附力菌種的篩選提供了必要的理論依據。
2．2維持腸道內菌群平衡
益生菌在腸道內定植后，成為腸道中有益的正常菌，并起著維持腸道內菌群平衡的功能。胃腸道的原籍菌群能抑制其他外來微生物在腸道內的定植或增殖，這被稱為“競爭排斥”(competitiveexcursion)作用，或“定植抗力”(Colonizationresistance)定植抗力是體內微生物與致病菌競爭腸道上皮的吸附位點而產生的。通過使用益生菌增加了腸道的有益菌的定植，吸附位點被較多的有益微生物所占據，病原微生物就會被排斥。這樣有助于腸道內形成一道微生物屏障，阻止了病原菌的入侵，使腸道內的菌群保持相對的平衡。此外，也有可能因為與有害菌競爭營養物質，阻止了有害菌的生長繁殖。
通過生物奪氧方式阻止病原菌繁殖，就是在腸道微生態系統中，厭氧菌是優勢種群。使用耗氧或兼性厭氧的益生菌暫時在腸道定植，降低局部環境的氧分子濃度，促進厭氧微生物的生長，提高定植抗力，而達到恢復生態平衡的目的。從而抑制了有害微生物的繁殖，可用于預防、治療腸道疾病。但“生物奪氧”這一作用方式，還有待進一步研究。
2．3生理活性物質的產生
益生菌在生長代謝過程中，會產生生理活性物質，抑制病原菌、防治疾病。如有些乳酸桿菌和鏈球菌可產生嗜酸菌素、乳酸菌素等，芽孢桿菌可產生細菌素，對大腸桿菌和沙門氏菌有顯著的抑制作用。大部分乳酸菌代謝可產生有機酸，如乳酸、乙酸、丙酸以及過氧化氫。這些物質使動物腸道pH值下降，促進鐵、鈣和維生素D等的吸收。有利于有益菌的生長，抑制或殺死病原菌。Gibson等報道，雙歧桿菌能產生一種未知的廣譜抗菌物質，具有抑制沙門氏菌、志賀氏菌、霍亂弧菌等病原菌的活性，羅特氏乳桿菌(1actobacillusreuteri)在雞腸道內能分泌抗菌物質reuterin，在l5～30g／ml的濃度下就可殺死沙門氏菌、大腸桿菌等致病菌；在60～150ug／ml的濃度下子乳酸菌包括羅伊氏乳桿菌本身也被抑制。
許多益生菌還可產生蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等消化酶，這些活性酶有利于飼料中營養物質的消化吸收，提高飼料消化率。如芽孢桿菌能分泌蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶活性物質，降解植物飼料中復雜的碳水化合物，釋放出可吸收的營養物質。同時，益生菌還能刺激動物內源性消化酶的分泌。Rychen等“對添加了益生菌的仔豬進行研究，添加3h后動脈中葡萄糖、半乳糖、L一乳酸和氨基酸含量發生變化，與基礎日糧相比，益生菌添加劑能顯著提高動脈中葡萄糖、半乳糖、L一乳糖濃度。胡學智(1993)報道有益芽抱桿菌可產生6—1、2-葡萄糖水解酶、果酸果膠裂解酶、蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、半纖維素酶等消化酶和其他一些非消化類酶。
2．4免疫調節
對免疫系統功能的調節是益生菌劑作用最獨特的一面。益生菌菌體可直接作用于腸道黏膜免疫系統，發揮調節功能。同時，某些微生物如乳酸菌的代謝產物可刺激動物機體的免疫系統，其作用與免疫佐劑相似，可誘導動物一些與免疫有關的細胞產生白細胞介素、促進細胞分裂素、干擾素、腫瘤壞死因子等。
2．4．1作用途徑
益生菌對免疫系統刺激作用的可能途徑”：抗原性物質通過淋巴結集中的連濾泡上皮，進入淋巴組織。通過途徑有2種，一為微生物代謝產物或碎片作為小分子抗原直接通過普通上皮細胞或者透過上皮細胞間的緊密連接縫隙；二為微生物細胞本身由微褶細胞(M—Cel1)通過胞飲作用傳送給位于M—Cell包囊中的巨嗜細胞等。抗原進入淋巴組織后，或由抗原提呈細胞處理后，或直接交給淋巴細胞，產生相應的免疫應答。
2．4．2免疫調節作用
益生菌對動物免疫力的改善主要表現在以下3方面21：
(1)能促進腸黏膜固有層內的巨噬細胞活性，增強巨噬細胞的吞噬作用。刺激巨噬細胞和內皮細胞分泌細胞因子，~tlIL一1、IL一6、IL一8、IL一12、TNF、干擾素等，調節和啟動免疫應答。
(2)提高免疫系統抗體產生水平，促使黏膜淋巴小結和固有膜淋巴細胞分泌產生，分泌型IgA(sIgA)和分泌型IgM(sIgM)，其中主要以slgA為主，sIgA和腸道正常菌群混合存在，抑制有害菌的繁殖。此外，益生菌可促進免疫系統的成熟、經口耐受的建立、抑制IgE的產生及阻止變態反應的發生。
(3)激活腸上皮內淋巴細胞主要為CDT細胞，自然殺傷性細胞，對病毒感染有免疫監視作用。
益生菌如乳桿菌和雙歧桿菌，進入宿主腸道，其代謝產物或整個菌體細胞能通過M細胞(淋巴集結上的一層特殊分化的細胞，也稱微皺褶細胞Microfoldcell，與腸上皮細胞緊密排列在一起)進入淋巴集結激活Th2淋巴細胞，產生大量IL一5，促使B淋巴細胞產生IgA，并與腸黏膜上皮細胞產生的分泌小體，結合成sIgA。slgA在腸道黏膜免疫系統中起著重要作用。
Sorokulova等(1998)【2】研究發現，對仔豬飼喂益生菌可明顯提高巨噬細胞活性。Perdigon等(1995)發現L．casei、L．acidophilus、bifidobacteria可顯著提高腸道分泌型IgA和血清IgA．
Inooka等用納豆桿菌進行了一系列飼喂仔雞的試驗研究，經分析測定，飼喂納豆桿菌的仔雞抗體水平顯著增加，脾臟T、B淋巴細胞的比例提高。Yasui等(1994)的實驗表明，與對照組相比，母鼠用雙歧桿菌飼喂后，乳汁和糞便中的分"~IgA抗體的含量增高明顯，幼鼠患輪狀病毒感染的發病率也明顯降低。Susumn等(1992)進一步研究證實，乳酸菌及其代謝產物刺激動物機體的免疫系統，其作用與免疫佐劑相似，可誘導動物一些與免疫有關的細胞產生白細胞介素、促進細胞分裂素、干擾素、腫瘤壞死因子等。
2．5益生菌本身為動物提供營養
許多益生菌飼喂動物后，能夠為動物提供大量的營養物質促進生長。益生菌本身含有可被動物所利用的營養物質。如光合細菌，蛋白含量可達60％以上，同時含有多種維生素、磷、鈣及多種微量元素。酵母細胞和霉菌細胞中含有豐富的維生素和各種營養成分，粗蛋白質含量平均為40％一60％。Noh等(1995)報道，斷奶仔豬日糧中添JmO．5％濃縮乳酸桿菌，平均日增重率和飼料轉化率分別提高了2．7％和8．8％，干物質和氮的排出量分別降低了12．6％和4．2％。趙京楊等(2002)J研究加酶益生菌對仔豬生長的影響。對斷奶仔豬飼喂含加酶益生素的飼料，試驗組哺乳仔豬Et增重比對照組提高11．42％(P<O．01)，腹瀉率比對照組降低37．52％(P<O．05)。付水廣等(2004)口在烏骨雞日糧中使用益生菌制劑，結果表明日增重、料肉比、死亡率及腹瀉率比對照組均有顯著改善(P<O．05)。
3益生菌的應用前景
益生菌作用：維持消化道黏膜的菌群平衡；腸道內形成微生物屏障，抵御病原微生物入侵；產生抗菌物質及營養成分；腸道的免疫調節；減輕便秘，阻止由抗生素引起的腹瀉；消除金屬毒性；減少血液中膽固醇，降低血壓；阻止或減輕過敏性疾病；治療過敏性皮炎；阻止外傷的傷口感染及牙齒潰瘍；有利于腫瘤的消退，減少致癌致突變的物質產生。因此，益生菌可作為預防保健使用，同時，也具有治療腸道疾病、腸道腫瘤及抗癌等功效。
在動物生產中添加，可促進生長、提供機體營養、提高飼料消耗率、增強動物免疫能力、預防及治療疾病。
在分子水平上對益生菌作用機理的深入研究，為益生菌產品的研究、開發提供了理論基礎，也不斷揭開了益生菌強大的益生作用的奧秘，在國際上普遍受到科學家，企業家和消費者的關注。益生菌不僅可以作為動物的綠色添加劑，促生長、防治疾病，在人上面也可作為整腸藥、功能性食品等，有保健、治病的功效。因此有人稱益生菌為“21世紀的熱門話題”、“真正的多功能食品”。人和動物體內特別是腸道內寄居著大量的微生物，這些微生物與人和動物的生理活動息息相關。腸道內的菌群平衡，粘膜免疫，營養物質的轉化等幾乎都與微生物有關。
近年來，人們正致力于篩選、培育特殊菌種的研究，以適合不同宿主的特殊要求并要求益生菌能發揮人們指定的功效。隨著分子生物學和基因工程技術的發展，通過基因工程技術改良菌種已成為可能。把正常菌群，特別是乳酸桿菌、雙歧桿菌等GRAS(GenerallyRecognizedAsSafe)微生物，作為工程菌受體，通過基因克隆、基因重組技術，將外源基因(某些營養因子基因、抗性基因、酶基因、抗菌多肽基因等)轉入構建的新菌株，使其能夠表達外源蛋白，在宿主內發揮特殊的功能[29】。
參考文獻：略
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