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技术交流

灭活乳酸菌在动物日粮中的研究与应用
发布时间:2020-05-13

摘  要:灭活乳酸菌是指将乳酸菌发酵培养完成以后对其进行灭活及浓缩干燥等处理,产品由灭活菌体细胞、细胞壁多糖、细胞内容物以及代谢产生的有机酸、细菌素和胞外多糖等多种成分共同组成的发酵混合物。灭活乳酸菌和活性乳酸菌具有多种相同的生物学功能。在动物日粮中添加灭活乳酸菌能够调节肠道菌群平衡,增强动物机体免疫力,维持动物健康,促进动物生长。与活性乳酸菌相比,灭活乳酸菌具有良好的耐热性能和耐储存性能,抗逆性强,不受抗菌物质影响,是一种新型的抗生素替代产品。
关键词:益生菌;活性乳酸菌;灭活乳酸菌;作用机理


  自1949年发现抗生素对动物具有促生长作用以来,抗生素在畜牧业中的应用已有约70年的历史。实践证明抗生素对保障动物健康、促进动物生长、提高饲料利用率确实具有明显效果。但随着抗生素的不合理使用造成的耐药性和残留问题日益严重,越来越多的国家开始禁止使用饲用抗生素。1986年瑞典宣布全面禁止饲用抗生素,成为首个禁用饲用抗生素的国家。随后欧盟于2006年起全面禁止在饲料中使用抗生素。2019710日,农业农村部发布了第194号公告要求除中药类外的所有促生长类药物饲料添加剂在2020年底前全部退出。1226日农业农村部又发布了第246号公告称自202011日起废止仅有促生长用途的药物饲料添加剂质量标准,在饲料端禁抗、养殖端减抗、限抗已成必然趋势。寻求安全有效的抗生素替代品,是我国畜牧业当前面临的紧迫任务。益生菌、抗菌肽、植物提取物、酸化剂、精油、酶制剂和功能性寡糖等都是目前热门的替抗产品[1]。在这些替抗产品中,益生菌以其绿色安全、效果确切在抗生素替代方面承担着重要的角色。乳酸菌是一类能够代谢产生有机酸、细菌素和多种有益代谢产物的益生菌。在动物日粮中添加活性乳酸菌具有调节动物肠道菌群平衡、提高动物免疫力、减少动物腹泻、保障动物健康的功效,是替抗产品的中坚力量。但乳酸菌应用最大的问题是耐高温和耐储存性能较差,在饲料高温制粒和储存过程中极易失活,使大多数活菌无法进入动物肠道发挥作用,极大降低了乳酸菌的饲用价值。将乳酸菌发酵完成以后采用特殊的工艺将其灭活,完整保留乳酸菌在生长过程中的各种有益代谢产物和灭活菌体制成灭活乳酸菌,有效解决了乳酸菌在高温制粒和储存过程中的活性损失问题。研究表明灭活乳酸菌同活性乳酸菌一样具有维持动物肠道健康,促进动物生长,调节动物机体免疫力,提高饲料利用率的功能,只是两者发挥效用的作用机理有所不同[2]

1 活性乳酸菌的作用机理

  乳酸菌是一类能够发酵碳水化合物产生大量乳酸的无芽孢革兰氏阳性菌的统称,厌氧或兼性厌氧,在无氧条件下生长更好,在pH3.04.5的酸性条件下能够生存,不耐热。活性乳酸菌主要通过竞争性粘附作用及其代谢产生的有机酸、细菌素等抑菌物质,抑制和杀灭肠道有害菌,调节肠道菌群平衡;通过菌体及其活性成分肽聚糖、脂多糖、脂磷壁酸和代谢产生的胞外多糖等物质,调节动物机体免疫水平,维持动物健康[3]

1.1 竞争性粘附作用

  乳酸菌是动物肠道内的优势菌群,属于肠道共生菌,对抵御外来致病菌的入侵和维持动物消化道内菌群平衡具有重要作用。乳酸菌对肠道粘膜的粘附是其发挥益生功能的前提条件,是影响乳酸菌饲用效果的关键因素。乳酸菌依靠其细胞表面具有粘附能力的完整肽聚糖、脂磷壁酸、表面粘附蛋白和胞外多糖等粘附素与肠粘膜上皮细胞和肠道粘液中的粘附素受体进行特异性和非特异性结合,使其能够大量牢固地定植在动物肠粘膜表面,形成一层菌膜,发挥生物屏障作用,在空间上阻碍致病菌与肠粘膜的接触和粘附,抑制病原菌的定植,并通过其代谢产物抑杀致病菌,保护动物肠道健康[4-5]。乳酸菌通过与致病菌竞争肠粘膜上的结合位点和生存空间,在动物肠道内定植和生长发挥其生物学功能。

1.2 产生有机酸

  乳酸菌在肠道内生长繁殖过程中会产生大量乳酸等有机酸,有机酸的持续积累能够降低肠道pH值和氧化还原电位,利于肠道形成酸性环境,优化肠道有益菌的生存环境,抑制嗜碱性有害菌的生长和增殖,降低有害菌的感染率,维持肠道微生态平衡和肠道的正常功能[6]。有机酸能够促进肠道蠕动,增加粪便含水量,润肠通便,同时为动物肠道提供适宜的消化吸收环境,有利于营养物质的消化吸收,提高饲料利用率,增进动物健康,减少疾病发生。乳酸菌代谢产生的苯乳酸具有较宽的抑菌谱,可有效抑制革兰氏阴性菌、阳性菌和真菌的生长[7]

1.3 产生乳酸菌细菌素

  绝大多数乳酸菌在生长代谢过程中会产生具有抑菌活性的肽类物质,称成乳酸菌细菌素或乳酸菌素。细菌素是乳酸菌在代谢过程中通过核糖体合成的具有抑菌活性的多肽或蛋白质类物质,对热稳定。细菌素可选择性抑制或杀死肠道内的病原菌,而对乳酸菌自身不起作用。根据化学结构、稳定性和分子量大小的不同,通常将乳酸菌细菌素分为四类:羊毛硫抗生素()、肽类乳酸菌素()、蛋白类乳酸菌素()和复合型乳酸菌素([8]。细菌素作用的靶细胞是致病菌的细胞膜。细菌素通常先结合到致病菌细胞表面上的特异性受体或非特异性受体上,然后再嵌入到质膜内部后,开始聚集形成寡聚体结构,最终在质膜上形成膜孔,通过形成膜通透孔道引起致病菌细胞内重要物质的流失而达到杀菌目的[9]。乳酸菌细菌素一般对革兰氏阳性致病菌的抑菌效果更好。

1.4 产生乳酸菌胞外多糖

  胞外多糖是微生物在生长过程中分泌到细胞壁外的长链多糖,通常分为荚膜多糖和粘液多糖[10]。荚膜多糖是指疏松地附着在细菌表面的多糖,粘液多糖则是以粘液的形式完全分泌到胞外环境中的多糖。乳酸菌胞外多糖是乳酸菌在生长代谢过程中分泌到细胞壁外渗透在发酵底物中的糖类化合物,分为同型多糖和异型多糖。同型多糖是只包含一种类型单糖的多糖物质。异型多糖也称杂多糖,是由几种不同类型的单糖组成的多糖物质。乳酸菌胞外多糖能够促进乳酸菌与肠道粘膜的粘附,在乳酸菌菌体与肠粘膜的粘液层接触及粘附过程中发挥重要作用[11]。乳酸菌胞外多糖能够选择性促进肠道有益菌的增殖,作为能源物质为肠道有益菌提供营养。乳酸菌胞外多糖具有免疫调节活性,能够提高动物机体的免疫应答,是一种免疫调节剂。胞外多糖能够激活巨噬细胞、NK细胞和B淋巴细胞等免疫细胞的活性,促进细胞的吞噬能力,调节免疫细胞因子的分泌,增强机体特异性和非特异性免疫应答反应,提高动物免疫力[12]

1.5 乳酸菌的免疫调节作用

  乳酸菌对动物机体的免疫具有重要的调节作用。菌体和菌体细胞壁是乳酸菌发挥免疫激活作用的主要活性成分[13]乳酸菌通过其菌体以及细胞壁成分肽聚糖、脂多糖、脂磷壁酸和乳酸菌细胞DNA等多种活性成分提供免疫信号,激活巨噬细胞、B淋巴细胞和NK细胞等免疫细胞的活性和增加肠道中IgA水平激活机体的细胞免疫和体液免疫等特异性免疫反应[14]。乳酸菌也是良好的非特异性免疫增强剂,能够提高机体的非特异性免疫水平。

1.6 吸附霉菌毒素

  霉菌毒素是霉菌在生长过程中产生的有毒有害代谢产物,通过饲料进入动物体内对动物的健康产生严重危害。乳酸菌的代谢产物能够抑制霉菌的生长,从而抑制霉菌毒素的产生[15]。活性乳酸菌的细胞壁具有吸附霉菌毒素的能力。乳酸菌通过细胞壁中的多糖、蛋白质和脂质成分,利用离子交换作用与霉菌毒素结合,吸附霉菌毒素,并将霉菌毒素一起随粪便排出体外,降低和减少霉菌毒素对动物的侵害[16]

3 活性乳酸菌在动物日粮中应用存在的问题

  活性乳酸菌虽然对动物肠道健康具有强大的益生作用,但它在动物饲料中应用时易受饲料加工和储存条件等诸多因素的影响,致使其饲用效果不稳定。活性乳酸菌在应用时存在下列问题:1、活性乳酸菌不耐高温,经过饲料制粒高温后活菌体几乎损失殆尽,极大降低了乳酸菌的生物学功能,限制了其在颗粒饲料中的大量使用。2、乳酸菌耐储存性能较差,活菌数会随着保存时间的延长而逐渐减少,在储存过程中活菌极易失活。尤其是夏季高温环境,对乳酸菌的储存条件要求更高。3、乳酸菌被动物摄食进入胃肠后,在胃酸的作用下,只有一部分活菌能进入肠道,胃内分泌的强酸会使部分乳酸菌失去活性。4、活性乳酸菌也是肠道微生物,一般不能与抗生素质同时使用。抗生素具有广谱杀菌性,在杀灭致病菌的同时也会杀灭乳酸菌。5、在动物肠道发育未成熟、炎症或免疫不全时,乳酸菌可能会突破肠壁侵入动物机体引发炎症[17]6、某些携带抗生素耐药性基因的乳酸菌是潜在的危险因素。

4 灭活乳酸菌的定义及其特点

  灭活乳酸菌是指将乳酸菌发酵培养完成以后对其进行灭活及浓缩干燥等处理,产品由灭活菌体细胞、细胞壁多糖、细胞内容物以及代谢产生的有机酸、细菌素和胞外多糖等多种成分共同组成的发酵混合物。灭活乳酸菌中不含活性乳酸菌,但保留了乳酸菌在生长代谢过程中几乎所有的代谢产物及完整的菌体细胞。灭活乳酸菌赋予了乳酸菌新的生物学性能。胡文峰等[18]研究了热灭活嗜酸乳杆菌及其多肽类抗菌物质的特性,结果表明灭活嗜酸乳杆菌及其多肽类抗菌物质克服了活菌的热不稳定特性,方便产品的储存、运输和加工,灭活嗜酸乳杆菌对抗生素不敏感,能够耐受强酸破坏和动物肠道内各种酶的作用,活菌经热处理后其抑菌物质仍能发挥杀菌或抑菌的功效,解决了长期以来困扰活菌制剂产品稳定性差的难题。与活性乳酸菌相比,灭活乳酸菌具有如下特点:1、灭活乳酸菌耐热性能好,不受饲料制粒高温影响,更加适合饲料制粒加工。2、灭活乳酸菌储存性能稳定,常温保存长时间活性不会损失。3、灭活乳酸菌具有良好的耐酸性能,能顺利过胃进入肠道。4、灭活乳酸菌可与抗菌物质同时使用,两者具有协同作用5、灭活乳酸菌应用于水产饲料中,不会对水环境造成微生物污染[19]6、灭活乳酸菌进入肠道后不再具有生长与繁殖能力,不会与动物争夺饲料营养,提高饲料转化率。7、灭活乳酸菌中保留的灭活菌体、细胞壁肽聚糖、脂多糖、脂磷壁酸和胞外多糖仍然保留其免疫原性,能够调节机体免疫力。8、乳酸菌灭活后对肠道粘膜的粘附能力强,对肠道致病菌同样具有竞争排斥作用。9、灭活乳酸菌对霉菌毒素和细菌内毒素的吸附能力增强。10、灭活乳酸菌不存在耐药性基因转移、菌体位移和噬菌体感染等问题,使用更加安全。

活性乳酸菌(左)和灭活乳酸菌(右)对猪小肠上皮细胞粘附比较

5 灭活乳酸菌的作用机理

  灭活乳酸菌目前在我国饲料工业领域的研究和应用的报道较少,其作用机理尚远未完全探究清楚。灭活乳酸菌调节肠道菌群平衡,改善动物肠道健康,提高动物机体免疫力依靠的不是活菌在肠道的生长代谢,靠的是灭活菌体及其代谢产物在动物肠道发挥生物学功能。推测灭活乳酸菌的作用机理可能是:1灭活乳酸菌通过其灭活菌体以及细胞壁肽聚糖、脂磷壁酸、脂多糖、表面蛋白和胞外多糖粘附到肠粘膜上皮细胞,在肠粘膜上形成一层生物保护膜,阻碍致病菌与肠粘膜的粘附,起竞争性占位作用,抑制有害菌。2灭活乳酸菌中含有的有机酸能够降低肠道pH,抑制大肠杆菌、沙门氏菌等致病菌的生长。3灭活乳酸菌中含有的细菌素能够抑杀肠道内的致病菌。4灭活乳酸菌中含有的胞外多糖及B族维生素等有益代谢产物能促进肠道有益菌的增殖,调节肠道菌群平衡,改善便秘。5灭活乳酸菌具有肠粘膜非特异性免疫激活作用,能够活化免疫细胞,增加肠道内IgA的生成,提高机体免疫水平。6乳酸菌灭活后,其细胞壁肽聚糖、脂磷壁酸和表面蛋白以及胞外多糖对霉菌毒素的吸附能力增强,减少霉菌毒素对动物体的侵害[20]。师守信等[21]研究表明,灭活乳杆菌和活性乳杆菌一样,对预防雏白痢具有相同的效果。周海泳等[22]研究了灭活乳酸菌对断奶仔猪生长性能的影响,结果表明试验组分别比对照组腹泻率降低75.27%77.29%,说明灭活乳酸菌可显著降低早期断奶仔猪腹泻率,且对仔猪各项生长指标都有明显的改善作用。房向杰等[23]研究了在饮水中添加灭活乳酸菌对蛋鸡生产性能的影响,结果显示鸡群产蛋率提高3.14%,合格蛋率提高2.11%,死淘率降低0.05%,说明灭活乳酸菌能够提升蛋鸡生产性能,改善机体代谢。张辉华等[24-25]研究了热灭活乳酸杆菌对竹丝肉鸡生长性能和免疫性能的影响,结果表明灭活乳酸杆菌对竹丝肉鸡的平均日增重、料肉比和成活率都有一定的益生作用,能明显促进竹丝肉鸡法氏囊的生长发育和机体的细胞免疫水平。付丽等[26]研究了灭活乳酸菌对肉鸡生长性能及免疫功能的影响,结果表明在肉鸡日粮中添加灭活乳酸菌能够提高肉鸡的生长性能,增强其免疫功能张瑞艳等[27]通过将灭活植物乳杆菌添加到大菱鲆幼鱼日粮中,研究了灭活植物乳杆菌对大菱鲆饲料中代替鱼粉的影响,结果表明在豆粕替代45%鱼粉蛋白饲料中添加灭活乳酸菌对大菱鲆幼鱼血清生化指标和抗氧化能力有显著影响。陈建国等[28]研究表明,灭活副干酪乳杆菌和活菌对小鼠的便秘均有改善作用。

6 灭活乳酸菌在动物日粮中的应用前景

  作为肠道益生菌,乳酸菌在动物日粮中的应用较为普遍,但活性乳酸菌抗逆性较差,极大降低了乳酸菌的应用效果。灭活乳酸菌和活性乳酸菌具有多种相同的生理功能。灭活乳酸菌虽然不含活菌,不能在肠道生长和繁殖,但其灭活菌体及其代谢产物作为益生素依然具有活菌诸多优良的生物学功能,并且品质和性能更加稳定,不受饲料制粒高温、胃酸和储存条件的影响,非常适合在动物日粮中应用。学者对灭活乳酸菌的科学研究早在100多年前就已开始,国外在食品和保健品上的研究和应用较多。国内有关灭活乳酸菌在动物日粮中应用的研究报道较少。与活性乳酸菌相比,灭活乳酸菌有众多使用优势和较高的应用价值。我们相信随着对灭活乳酸菌作用机理的不断探索,它在动物日粮中一定具有非常广阔的应用前景,作为一种新型的抗生素替代品是完全可行的。

参考文献略



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