浅述乳酸菌在畜禽生产中的应用

董亚超，刘启航，彭译苇，王乐莅，尹 佳*，印遇龙,2

(1.湖南师范大学生命科学学院， 湖南省动物肠道生态与健康国际科技创新合作基地， 动物营养与人体健康实验室， 长沙 410081； 2.中国科学院亚热带农业研究所动物营养生理与代谢过程实验室， 亚热带农业生态过程重点实验室， 长沙 410125)

抗生素已被广泛用于促进畜禽的生长，同时它们可以预防或者治疗由病原菌引起的感染。随着生产技术的革新以及消费者安全意识的不断提高，人们逐渐意识到抗生素滥用已经给畜禽产品、生态环境带来一系列危害，对人类的健康造成巨大威胁，因此无抗养殖的趋势已成必然[1]。作为益生菌(probiotics)的一员，乳酸菌(Lactic acid bacteria,LAB)能有效改善肠道菌群结构，还可增强畜禽的非特异性和特异性免疫能力，具有其它饲料添加剂不可比拟的优势，故乳酸菌可以作为抗生素替代品引入畜禽养殖(如表1)。乳酸菌属非侵袭、非致病性微生物，是世界公认的安全菌，可直接应用于食品工业和畜牧业，相比于抗生素而言，其安全系数更高。本文主要概述乳酸菌在畜禽养殖方面发挥益生功效的作用机制和应用范围，着重讲述乳酸菌相较于其他主要畜禽养殖益生菌的优势以及劣势，以及乳酸菌在种养结合中的运用机制，对乳酸菌的未来发展和应用前景提出展望。

表1 乳酸菌在畜禽养殖中的应用以及作用机理Tab.1 Application and mechanism of Lactobacillus in livestock and poultry production

表1 (续)

1 乳酸菌在养殖方面的应用

近年来，科学家根据乳酸菌的生物学性质和分子机制，发现并建立了一系列乳酸菌表达系统。越来越多基因工程菌的成功研发将为无抗养殖带来巨大经济效益。在不同年龄及不同疾病阶段中越来越多的研究发现，乳酸菌的功能具有多样性，如促进机体生长、改善胃肠道功能、提高机体免疫力、维持动物肠道菌群稳态等作用，并且具有对机体无毒、无抗药性、无残留、无副作用等优点[2]。

1.1 猪中的应用

乳酸菌在养殖应用中可以改善仔猪断奶应激中易出现的腹泻，并且使仔猪的死亡率也显著降低[3]，向仔猪饲料中添加益生乳酸菌[嗜酸乳杆菌NCDC15(Lactobacillusacidophilus)和乳酸片球菌FT28(Pediococcusacidilactici)]能够增强机体对饲料的转化[4]。给仔猪饲喂双歧杆菌M-602(Bifidobacterium)或嗜酸乳杆菌LAC-300，其哺乳和断奶期间体重明显增加，尤其在哺乳期间体重增加幅度比断奶期间更加明显。在饲粮中添加干酪乳杆菌(Lactobacilluscasei)可以通过减少促炎性细胞因子和提高抗氧化能力来减轻脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)诱导的肝脏损伤[5]。

乳酸菌对机体的免疫系统具有一定调节能力，它们能够通过调节抗病毒免疫反应影响动物健康，乳酸菌通过黏膜向机体传递抗原，刺激宿主体液免疫和细胞免疫等免疫应答，增加血清中IgA、IgM和IgG含量，在提高宿主免疫水平方面具有显著作用[6]。乳酸杆菌(Lactobacillus)能够通过增强巨噬细胞活性、提高局部抗体水平、诱导干扰素产生和激活杀伤细胞来充当免疫调节剂，达到激活特异性免疫的目的，从而可以有效预防畜牧养殖中病毒导致的大规模流感疫情[7]。德氏乳杆菌OLL1073R-1(Lactobacillusdelbrueckii)产生的细胞外多糖(extracellular polysaccharides)具有调节猪肠道上皮细胞的先天抗病毒免疫反应功能[8]，并且具有改善肠道固有抗病毒反应和保护肠道抵御病毒(如轮状病毒)的潜力[9]。唾液乳杆菌CICC 23174(Lactobacillussalivarius)被发现能够刺激肠道上皮细胞分泌免疫球蛋白，增加肠道免疫功能细胞如上皮内淋巴细胞和IgA产生细胞的数量[10]。

1.2 家禽中的应用

给肉鸡食用添加乳酸杆菌的日粮可以增加肉鸡体重并提高肉质[11]，增加营养吸收以及内源性消化酶的分泌[12]。乳酸杆菌会在鸡胃肠道中定植，其代谢物质会降低消化液的pH值，从而抑制大肠杆菌(Escherichiacoli)和其他有害细菌的增殖[13]，如沙门氏菌(Salmonella)、梭菌(Clostridium)和葡萄球菌(Staphylococcus)[14]，改变肠道微生物区系的组成，影响胃肠道微生物群平衡，增加有益细菌如双歧杆菌属数量。目前乳酸杆菌已广泛用作饲料中的益生菌，经过乳酸杆菌处理的鸡提高了对胃肠道的保护率，乳酸杆菌的补充可降低血清中胆固醇含量以及减少氧化应激[15]，有助于增强肉鸡的免疫能力和生长性能，以改善整体健康状况[16,17]。

乳酸菌是家禽肠道微生物菌群的重要成员，它们定殖于消化系统的不同部分，通过刺激免疫系统，可以减少鸡的肠道疾病。嗜酸乳杆菌(Lactobacillusacidophilus)和唾液乳杆菌刺激巨噬细胞产生一氧化氮(NO)并增加吞噬作用，同时两者都增加了抗体介导的免疫应答，用唾液乳杆菌处理鸡会导致抗体反应的持续增加从而使得细胞介导的免疫反应减少，膳食补充嗜酸乳杆菌可以调节一些细菌分类群的相对丰度，它可以恢复由产气荚膜梭菌(Clostridiumperfringens)感染破坏的微生物群落，抵御肠道病原体，改善炎症反应并抑制某些病原体的增殖[18]。

1.3 反刍动物中的应用——青贮饲料

青贮饲料是一种用于畜禽的发酵饲料(如表1)，如肉牛、奶牛、绵羊、山羊和马，通过天然或人工发酵保存草、豆类、农业或工业副产品，是农民全年确保足够饲料储备的重要技术[19]。这种青贮饲料具有良好的适口性、维生素含量和能量水平高、营养品质好，营养成分强于干饲料等优点[4]。青贮植物经过压实密封，内部缺乏氧气，乳酸菌在厌氧环境下将草料中的水溶性碳水化合物发酵成有机酸(主要是乳酸和醋酸)[20]，这种发酵由附生细菌实现，酸积累造成低pH值环境，抑制病原微生物的生长，有利于防止青贮饲料质变并保留其营养价值[20,21]，并且这种发酵过程受到自身产生的乳酸负反馈的调节，导致发酵过程停止，随后饲料进入稳定储藏状态，但此时原料中的糖分等营养成分损失尚且不大。通过乳酸菌改善青贮植物蛋白质保存(即降低的NH3-N)，可以增加瘤胃微生物蛋白质的合成，提高动物生长性能(摄入量，增重和产奶量)[22]。研究证明部分乳酸菌可以用于青贮饲料添加剂[23,24](如表1)，例如植物乳杆菌(Lactobacillusplantarum)、布氏乳杆菌(Lactobacillusbuchneri)、嗜酸乳杆菌、短乳杆菌(Lactobacillusbreris)、鼠李糖乳杆菌、乳酸杆菌和屎肠球菌(Enterococcusfaecium)。用植物乳杆菌Chikuso-1和纤维素酶的混合物处理，对瘤胃降解具有有益的协同作用，添加纤维素酶提高源自草料纤维降解的水溶性碳水化合物作为乳酸菌生成乳酸的底物[25,26]。植物乳杆菌MiLAB393和植物乳杆菌MiLAB14产生抗酵母物质以抑制青贮饲料的有氧恶化[27,28]，改善饲料质量[29,30]。布氏乳杆菌是青贮饲料添加剂的优势菌种，它在筒仓储存期间缓慢地将乳酸转化为乙酸和1,2-丙二醇，改善有氧稳定性，同时对动物生产性能没有影响，已发现布氏乳杆菌在发酵过程中通过厌氧降解乳酸来增加乙酸含量来改善青贮饲料的有氧稳定性[31,32]。除此之外，乳酸菌还可以减轻牛乳腺炎[33]，具有抑制三种主要乳腺炎病原体[金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)、大肠杆菌(Escherichiacoli)和无乳链球菌(Streptococcusagalactiae)]生长的能力，例如干酪乳杆菌BL23，它能够损害金黄色葡萄球菌的粘附。在乳腺炎模型中，体外和体内研究显示乳酸菌具有抗炎特性[34]，它是通过细胞免疫和体液免疫机制保护人和动物宿主抵抗粘膜感染[35,36]。

新生小牛基本上是一种单胃动物，新生牛犊的粘膜微生物群和免疫系统尚未完全发育，它们对几种粘膜病原微生物敏感，一旦免疫发育受损，更容易受到病原微生物的影响，早期断奶会降低其对细菌感染的抵抗力并损害其生长性能。由干酪乳杆菌DSPV 318T、唾液乳杆菌DSPV315T和乳酸片球菌DSPV 006T组成的牛源乳酸菌接种物可以改善新生牛犊的生长性能[37,38]，维持胃肠道微生物平衡并增强免疫功能。在这种情况下，乳酸菌已在动物生产中用作食品补充剂，特别是在新生动物中，添加乳酸菌可以降低新生小牛死亡率[39,40]。研究表明摄入乳酸菌菌株使得宿主免疫系统能够更快、更有效地对微生物感染作出反应，因此作为食品补充剂，它能够促进牛的免疫预防[39,41]。

2 乳酸菌与其它主要畜禽养殖益生菌的比较

益生菌是严格筛选的微生物活菌株，当以适宜的量施用时，改善宿主健康状况[42]。益生菌可以在恶劣的条件下存活，抑制病原微生物生长且增加有益细菌，提高肠道生态系统的稳定性，它们还影响消化、代谢过程以及免疫反应。因此，益生菌的特性可以改善动物的健康，提高宿主的免疫力。

截止至今，现阶段有35个种或亚种可用于食品发酵，目前生产中常用的菌种有乳酸菌、粪肠球菌(Enterococcusfaecalis)、酵母(Yeast)以及芽孢杆菌(Bacillus)。属于乳杆菌属和肠球菌属的细菌是动物消化道的天然微生物群的组分，并且通常分别以107～108和105～106CFU/g的量存在，而酵母和芽孢杆菌属细菌通常不存在于胃肠系统中[42]。

乳酸菌相较于其他的益生菌有较强的优势。1)由于乳酸菌在厌氧环境下发酵过程中会产生乳酸，以至于酸积累形成低pH值环境，抑制病原微生物的生长且增加有益细菌，影响胃肠道菌群的平衡，保障畜禽的健康[13]；2)乳酸菌的生长最适pH为5.5～5.8，是内源性消化酶活性最佳条件[43]，可将不易吸收的营养物质进行再度消化分解，有助于发酵饲料的利用率、风味、质地以及营养价值，更好的提高动物的食欲并且促进消化[44]；3)乳酸菌对生理应激条件具有较强的适应性，参与有益免疫调节反应的化合物对病原微生物的拮抗反应，有助于维持肠内稳态[45]；4)通过调节宿主的天然防御机制，乳酸菌分泌的代谢物已经显示出对许多癌症的抑制作用，抑制癌症的开始以及进一步恶化，改善凋亡和下调参与癌细胞增殖的基因[46]；5)乳酸菌可用于去除不同食品中的霉菌毒素，如黄曲曲毒素、单端孢霉烯和伏马菌素[47]；6)从传统发酵饲料分离出的乳酸菌可用于配制发酵食品，它们具有多种有利特性，例如预防腹泻、抗过敏、对乳糖不耐受、降低血清胆固醇、控制轮状病毒和梭菌、幽门螺杆菌等病原菌的生长、降低结肠癌发病率，这将有助于预防或治疗消费者的疾病[47]。

从现有的研究上看，上述益生菌对宿主均是正面影响，但部分益生菌对宿主健康某方面存在不良影响，例如，粪链球菌是鸡中淀粉样蛋白关节病的野外病例中发现的主要病原体[48]，粪肠球菌2A(XJ05)基因组比粪肠球菌V583明显小，但与其他非致病性粪肠球菌没有显著差异，携带4种抗生素抗性基因，包括氨基糖苷类，大环内酯类，苯酚类和四环素类，与广泛的耐药表型结果一致。粪肠球菌2A(XJ05)还携带18个与毒力相关的新毒力因子基因，溶血素基因(cylA、cylB、cylM、cylL)可能在粪肠球菌2A(XJ05)的羔羊脑炎中起重要作用[49]，肠球菌属细菌还可能参与抗生素耐药性的传播。蜡状芽孢杆菌菌株能够产生内毒素和催吐毒素[42]。在断奶仔猪日粮中补充酵母培养物、细胞壁水解产物和酵母提取物(统称为“酵母产品”)的混合物可能会增加腹泻的发生率，并对肠道形态和屏障功能产生不利影响[50]。

当然，乳酸菌也并非均表现正面作用。在胃腺癌中，乳酸菌富集，已有研究证明乳酸菌是培养细胞产生活性氧(reactive oxygen species，ROS)的特别强的诱导剂,可诱导结肠细胞DNA损伤，同时也被证明乳酸菌会将硝酸盐还原为亚硝酸盐，导致大量的N-亚硝基化合物的形成，然而N-亚硝基化合物可促进突变、血管生成、原癌基因表达抑制细胞凋亡。另外，乳酸菌通过碳水化合物的厌氧发酵产生代谢物丁酸盐，并且为宿主细胞如结肠细胞提供重要的能量来源，尽管丁酸盐已经在一系列研究中显示出有益的抗癌作用，但在正确的遗传背景下，丁酸盐能通过诱导异常上皮细胞的增殖来促进癌症的发生[51]。

3 乳酸菌在种养结合中的优势

种植与养殖相结合的模式是基于畜禽养殖中的粪便和有机物，为养殖业提供有机肥料的原料，同时，种植业生产的农作物可以作为为畜禽养殖的饲料来源的资源可循环农业链，应用到农场中可持续发展使利益更大化。畜禽类动物产生粪便经过乳酸菌加工处理后从而形成优质有机肥料，青贮植物吸收利用有机肥料可提高作物产量以及质量，增强植物对逆境的抵抗和忍耐能力，并且提高植物对营养物的利用率。另一方面，青贮植物通过乳酸菌发酵的促进作用实现优质青贮饲料，可以抑制畜禽肠道病原菌的生长和繁衍，提高畜禽的免疫力，减少疾病发病率。青贮植物可以独自发酵或者和粪便混合发酵作为无机肥，再施回土壤中，这样不仅分解速度快、肥效耐久、作物易吸收，而且经过发酵后的植物更容易储存，不易腐烂。

4 总结与展望

目前，已有大量研究证实乳酸菌菌株的抗癌性和抗突变性。他们来自乳酸杆菌、链球菌属和双歧杆菌属。这些乳酸菌菌株具有结合致癌化合物的良好能力，并且结合能力是菌株依赖性的，其与致癌化合物的结合位点位于细胞壁中，除蛋白之外，碳水化合物是主要的结合物。乳酸菌菌株细胞壁中有三类碳水化合物，除了磷壁酸和胞外多糖外，肽聚糖是主要的类型。疏水相互作用在结合中起重要作用，并且分子之间的结合主要通过氢键，pH影响乳酸菌菌株结合各种致癌化合物的能力，解毒作用取决于细胞浓度和致癌化合物的类型。对于未来，可精准的筛选具有良好抗癌性的乳酸菌菌株，加强细胞模型和动物试验的评价体系。为了评估结合效应，应开发从不同菌株中纯化这种肽聚糖类似物化合物的方法，以验证乳酸菌在去除宿主细胞中的各种致癌物中的作用，优化乳酸菌菌株与致癌化合物的结合条件，以有效地消除食物和饲料相关环境中的诱变化合物。最近开发的分子生物学技术有助于更好地了解益生菌菌株与肠道生态系统之间复杂的相互作用，基因组学和蛋白质组学方法有助于深入了解肠道菌群与宿主肠上皮细胞和免疫系统之间的相互作用。有必要将分子分类学、现代微生物生态学、免疫学、胃肠病学、生理学和生物化学相结合，以获得探索肠道微生物和宿主细胞之间相互作用的方法，应该使用组学来研究乳酸菌菌株-致癌物-细胞系或动物模型的机制，可能需要对乳酸菌菌株进行一些基因修饰以改善抗癌性和抗突变性，有效预防畜牧养殖中致病菌导致的大规模流感疫情。