益生素的应用研究与发展趋势

井明艳 孙建义 许梓荣 (浙江大学动物分子营养学教育部重点实验室)

    摘要:益生素是一类活微生物制剂,它作为一种新型饲料添加剂,具有无毒、无副作用,以及促进动物生长,提高饲料转化率,增强动物机体的免疫功能等特点,目前已被广泛用于畜禽养殖业中。本文主要综述益生素的作用机理和应用概况,分析了在实际使用过程中应注意的问题,展望了益生素的应用前景。
    关键词:益生素;微生物;动物;作用机理;应用

    饲料中添加抗生素促进动物生长已有50多年的历史,对集约化畜牧业的发展做出了重大贡献。随着人们生活水平的提高和对健康的重视程度不断加强,人们开始发现抗生素饲料添加剂在带来巨大经济效益的背后所隐藏的负面效应,如抗生素引起的内源性感染和二重感染(刘亚力,1999),耐药性的产生,肠道正常菌群的破坏和畜产品及环境中的残留等问题,这些都将对养殖业、饲料工业和动物带来严重威胁,进而通过食物链危及人类的健康。因此,禁止抗生素添加剂在畜牧业中使用的呼声越来越高,研究和开发新的抗生素替代品的工作更加紧迫。而益生素作为一种新型的抗生素替代品,具有无毒副作用、无耐药性、无残留、效果显著等诸多优点,受到了养殖业的首肯。它与抗生素不同的是,抗生素是微生物的代谢产物,能够抑制消化道内微生物(有害菌和有益菌)的生长或将其杀死 ;而益生素是活的微生物,主要是通过向消化道内导入对动物有益的活菌,从而使有益菌处于主导地位。因此,益生素的应用前景更为广阔。

    一、益生素概念的发展
    益生素(Probiotics)是相对于抗生素(Antibiotics)而言的,它首先被Lilley和 Stillwell(1965)使用,定义为“由一种微生物分泌,刺激另一种微生物生长的物质”。1974年美国学者R.E .Parker认为,“益生素是维持肠道内微生物平衡的微生物或物质”。后来又由美国食品与药品管理局(FDA)把这类产品定义为“可以直接饲喂的微生物制剂品(Direct Feed Microbial Products)”。 这一概念在1989年又被进一步明确,仅仅局限在活的微生物制剂范围内,其主要功能在于能改善动物肠道中微生态平衡,从而赋予寄主许多有益的效果(Cole等,1989)。1991年,我国学者又提出了一个较通俗的概念“饲用微生物添加剂”。总之,益生素是一种含有大量有益菌及其代谢产物和生长促进因子,具有维持肠道微生物平衡、提高机体健康水平的活菌制剂 。

    二、益生素使用的微生物种类
    可用做益生素的微生物种类很多,美国FDA(1989)规定允许饲喂的微生物有43种,我国农业部1996年6月公布可用于饲料微生物添加剂的有12种:干酪乳杆菌、植物乳杆菌、类链球菌、屎链球菌、乳酸片球菌、枯草芽孢杆菌、纳豆芽孢杆菌、嗜酸乳杆菌、乳链球菌、啤酒酵母、产阮假丝酵母、沼泽红假单孢菌。但在实际中真正用于配合饲料的活体微生物菌群较少,主要是乳酸杆菌(以嗜酸乳酸杆菌为主)、类链球菌、芽孢杆菌、双歧杆菌、仙人山属菌及酵母菌。其中酵母菌和乳酸菌是应用最多的微生物添加剂,主要用于预防和治疗消化不良、下痢和制做青贮饲料。

    三、益生素的作用机理
    益生素是一种活的微生物制剂,与抗生素相比,它的作用机理在理论上的进展还比较小,目前主要有三种学说:①优势菌群学说;②菌群屏障学说;③微生物夺氧学说。
    1.微生物的作用方式
    (1)优势菌群学说 正常动物肠道内的细菌与宿主保持着动态平衡,且微生物种群中的优势种群对整个种群起决定作用,维持着畜禽的正常生长和生产。这些菌群一旦失去了平衡,就会使原来的优势菌群发生更替,引起机体消化机能紊乱,抑制动物的生长发育,严重的则可致病。而添加益生素的目的就是为了补充有益菌,使有益菌在数量和作用强度上占绝对优势,使优势菌群得到恢复。这些菌群的繁殖和代谢,大大地抑制致病菌群的生长繁殖,从而保持菌群的正平衡,有效防止菌群失调症发生。田允波等(1999)指出,一般情况下,猪、鸡肠道内优势种群为厌氧菌(占99%以上),其中主要是拟杆菌、双歧杆菌及乳酸杆菌等。动物处于应激状态时,兼性厌氧杆菌等显著增加,专性厌氧杆菌显著减少,这时可诱发动物腹泻、下痢等症状。添加益生素可使优势种群得到恢复,从而使动物处于正常生理状态。
    (2)菌群屏障学说 益生素参与消化道有益菌群与致病菌之间的生存和繁殖空间竞争、时间竞争、定居部位竞争以及营养竞争,益生素可竞争性地抑制病原菌附着在肠壁上,它们有的通过改变有害菌附着的受体结构,有的由于与病原菌结构相似,同病原菌竞争附着空间,限制致病菌的生存、繁殖。有益菌在消化道内生成致密的膜菌群,形成微生物屏障,一方面可抑制消化道粘附病原菌,中和毒性产物;另一方面也可防止毒素以及废物等有毒成分的吸收。因此,给幼龄动物饲喂益生素可有助于建立正常的有益的微生物群落,排除或控制潜在的病原菌。
    (3)微生物夺氧学说 正常动物肠道内是以厌氧菌为优势菌群的微生物区系,当益生素以孢子形式添加时,它们在生长繁殖过程中可消耗肠内氧气,在局部范围内形成厌氧环境,有利于厌氧微生物的生长,从而把失调菌群恢复到正常状态,以达到防病、治病、提高免疫力和促生长等目的。
    2.微生物的作用途径
    (1)益生素是良好的免疫激活剂,直接饲喂动物可有效地提高巨嗜细胞的活性,增强机体的免疫功能。Wren(1987)研究发现,乳酸杆菌可作为某种免疫调节因子而起作用,刺激肠道某种局部型免疫反应。1979年Bloksma用酸奶喂无菌动物,发现其体内免疫球蛋白G1 、G2a、G2b的含量明显提高。
    (2)益生素的有益菌群能在消化道繁衍,促进消化道内多种氨基酸、维生素等一系列营养成分的有效合成和吸收利用,降低肠道pH值,抑制包括很多革兰氏阳性菌在内的病原菌的繁殖,同时也可产生溶菌素、过氧化氢和类抗生素物质。H2O2可杀灭机体潜在的病原菌;类抗生素则可通过改变肠道内的活菌数量和代谢,从而促进畜禽生长发育。
    (3)益生素能抑制有害物质的产生。肠道内的大肠杆菌等腐败菌增多,会产生一些有害物质,如氨、生物胺和吲哚等,这些物质具有潜在抑制生长和致癌作用。益生素对这些物质有抑制作用。

    四、益生素的应用效果
    1.在养猪业上的应用
    刘研贺等(1998)研究发现,益生素可使仔猪产生较高的 IgA 水平,用粪链球菌M74和乳酸杆菌饲喂仔猪,发现回肠组织中白介素-2的含量为7.43mg/kg而对照组为3.7mg/kg,黏膜上皮细胞的吞噬活性明显提高。益生素无论在仔猪、母猪还是生长肥育猪上应用报道均较多,且一般具有正效果。Pollmann(1986)分别用乳酸杆菌发酵产物、乳酸杆菌合剂及纯乳酸杆菌对断奶仔猪进行饲喂试验,结果试验组的生产速率及料肉比均高于对照组。权吉锡等(1996)报道,生长肥育猪添加益生素制剂可使日增重提高9.5%;研究表明,母猪日粮中添加益生素也可使断奶仔猪数和断奶体重显著提高。张国龙等(1994)报道,在35日龄断奶仔猪日粮中添加0.2%～0.4%益生素(主成分是蜡样芽孢杆菌),可使粪中大肠杆菌总数显著降低(p<0.05)。
    2.在养禽业上的应用
    仔鸡日粮中添加益生素可提高肉鸡的日增重、饲料转化率及群体均匀度,预防和治疗鸡白痢等疾病。詹志春等(1993)报道,益生素可使肉鸡增重提高 14.1% ,料重比下降7.6%。于永波(1994)指出,35周龄蛋雏鸡日粮中添加益生素,使增重提高7.3%,料重比下降19.3%。死淘率下降36.4%。Georgia研究表明,益生素可使7～14周龄小母鸡群体均匀度提高28%～42%。田允波等(1999)在综述中也指出,益生素可预防和治疗鸡白痢,也可使蛋鸡的生产期平均延长32天,而饲料消耗和死亡率均明显下降。阎凤兰等(1996)在肉仔鸡饲料中添加枯草芽孢杆菌使鸡肠道中乳酸杆菌数量增加,沙门氏菌数量减少,饲料转化率提高。
    3.在养牛业上的应用
    健康牛肠道以拟杆菌、双歧杆菌、乳酸杆菌、消化球菌为优势菌群,当犊牛腹泻时,其肠道中的肠杆菌、梭杆菌数量显著增加,而双歧杆菌、乳酸杆菌数量明显减少,出现明显的菌群失调。芽孢杆菌和乳酸杆菌可以竞争性排斥肠杆菌和梭杆菌,使双歧杆菌和乳酸杆菌的数量迅速恢复,从而达到调整微生态平衡、防治腹泻的目的。另外,曲霉可加速纤维素的分解,提高饲料转化率,提高奶牛的生产性能。

    五、使用益生素时应注意的问题
    1.在微生物大家族中可用作益生素菌种的很多,在实际应用中应深入研究各菌种的生理特性,从中筛选出一些优良菌种,而且要尽量选育一些来自动物的正常菌群,这样才能最大限度地发挥其益生的作用。芽孢杆菌等虽不是动物的正常菌群,但由于其特殊的生理特性,可以起到促生长作用,因此也常被用作益生素的菌株。
    2.选择菌种时要以菌株安全性为出发点,要在试验过程中定期进行安全试验检测,以保证菌株的无毒副作用;同时要保证活菌制剂中活菌的含量与稳定性,主要是控制一些外界因素的影响,如温度、湿度、酸度等;此外,饲料品质也会影响益生菌的活力。尤其是在饲料加工过程中,菌株必须能经受起高温的考验,可以通过一些微胶囊包埋技术和基因工程技术来保证益生素正常效力的发挥。
    3.使用益生素要有一定的针对性,充分考虑到其作用对象以及使用目的,对不同的动物要区别对待,对不同的使用及生产需要应选择合适的制剂,才能以最经济的代价达到最理想的效果。反刍动物一般选用真菌类益生素,以曲霉为好,可加速纤维素的分解;促进仔猪生长发育、提高日增重和饲料报酬则应选用双歧杆菌等菌株;用于改善养殖环境的主要是光合细菌、消化细菌以及芽孢杆菌。
    4.合理正确把握益生素的施用时间和施用剂量。益生素在动物的整个生长过程中都可以使用,但不同的生长时期其作用效果不尽相同,一般多用于幼龄动物,以防止病原微生物侵害肠道,提高其防御能力,同时要达到合适的菌株数量,才能在体内形成菌群优势,发挥积极作用。另外,环境因素的影响也是不可忽视的,动物处于应激状态下,体内微生态平衡遭到破坏,使用益生素对形成优势种群极为有利。
    5.益生素在动物中的使用主要是为了维护正常微生态平衡,这是一个长期的过程,因此,必须在动物的养殖过程中不断地加以补充,不断地加以研究,使益生素的应用更出色。

    六、益生素的发展趋势
    1.发展趋势
    针对目前益生素应用效果及应用过程中出现的问题,人们开始研究和探讨如何更加合理有效地使用益生素,使之发挥其预期效力。从国外的开发和使用效果看,复合菌制剂较单一菌株益生素的作用效果更好,更符合生态环境;复合菌制剂一般都具有协同作用,因此有单一菌株的益生素逐渐向复合益生素发展的趋势,如肠道共生复合菌、瘤胃复合菌等;从医用益生素逐渐向适合动物生理生化特性的益生素品种开发;益生素在用于动物肠道的研究基础上逐渐转向用于伤口感染等治疗;同时在饲用益生素发展的基础上,逐渐向农业、医疗保健及环境改良等方面发展。为了提高益生菌剂有效性,人们正着力于益生素辅剂的研制开发,如微胶囊的应用。近年来,国外开发了一些具有双歧杆菌增殖效果的寡糖,并开展了寡糖与益生素复合添加试验,取得了可喜的效果;同时,人们也在开发和研究益生素与其他制剂间的联合使用,如酶制剂、酸化剂、中草药等,充分利用制剂间的协同作用。益生素作为转基因工程菌的研究已有报道,主要是将益生菌作为基因工程的受体菌,使之表达一些有用的外源基因,扩大其生物学特殊功能,从而达到一种制剂发挥多种功能的目的,如可以利用此技术来增强益生菌的稳定性。
    2.展望
    我国畜牧业目前面临 “绿色贸易壁垒”,因此发展益生素受到了人们极大的重视。我国对益生素的需求量将不断增加,因此其发展前景极为广阔。然而,益生素生产菌株的稳定性一直是一大难题,以休眠体形式代替活菌形式投入到饲料中饲喂动物是值得探讨的问题,再利用基因工程技术,使休眠态的益生素在动物体内特定位点激活,以发挥其预期效力;另一方面,我们可以通过常规手段筛选出更具优良性能的菌株,或者利用遗传工程技术,改善益生素的耐热、耐酸等抗外界不良环境特性;同时,针对目前可利用菌种十分有限的现状,也可以采用各种生物技术开发出更多的益生素品种,使其在各个行业都能得到应用,尤其是在环保方面的应用。
    总之,益生素这种新型的生物制品正以其独特理念影响着日益发展的畜牧业,而且随着微生态学研究的进一步深入,以及人们对绿色、安全和环保意识的不断增强,益生素的应用前景会更加广阔,相信在未来会有形形色色的益生素广泛地应用于农业、医疗保健业、环保等各个行业。
    (参考文献略)