益生菌的作用机理及在动物生产中应用(专家文章)

2016-12-09 07:32:13      点击:

高三玉

益生菌也称益生素,是能够对动物产生有益作用的微生物制剂。益生菌作为动物添加剂使用,具有促生长、抗病治病、提高饲料消化率等功能。随着一些新的菌群分子生态学的鉴定和检测方法的出现,如指纹图谱法、核酸探针鉴定技术等,益生菌的作用机理也逐渐被人了解。本文简要介绍了益生菌的菌种选择、益生菌在肠道内的黏附作用、免疫调节、生理活性物质产生、菌群平衡等作用机理的研究进展,益生菌的应用前景以及在动物营养中的应用。

Lilly和Stillwell(1965)[1首先引入了益生菌(probioties)一词,并定义为由微生物产生的能够促进其他微生物生长的一类物质。随着益生菌的作用机理和效果的日益被人了解,Fuller(1989)把益生菌定义为能够促进肠内菌群生态平衡,对宿主起有益作用的活微生物制剂。以后Fuller等人及其他研究者多次修改,相信随着研究的不断深入,益生菌的概念会进一步完善。

 

1益生菌的菌种选择和应用概况

1.1菌种选择条件

人和动物肠道内寄居着大量的细菌菌群,据Luekey等估计,人类消化道中含10“细菌,而人体或动物体细胞仅为10”,不管是单胃哺乳动物(如,人、猪、兔)或是禽类,其粪便中的细菌含量在5x10一5×10o,g粪便湿重,即使粪便湿重的40%以上是细菌细胞。但并不是所有的菌种都能作为益生菌,理想益生菌的菌种应具备以下特征~:

(1)对酸、胆汁有抵抗力,经过胃、小肠时能保持自身的活性。

(2)能够附植于肠道的黏膜上皮细胞,产生的黏液有利于其在胃肠道的定植。

(3)分泌抗菌的多肽,称为细菌素(bacterioeins),抑制其他有害菌种的生长。

(4)刺激机体免疫调节,但不产生炎症反应。

(5)不会使人和动物致病,不与病原微生物产生杂交种。

1.2菌种应用概况

益生菌的菌种种类繁多,但理想的具有特定属性的菌种并不充足。1989年,美国FDA和美国饲料控制官员协会公布了可以直接饲喂。一般认为比较安全的微生物菌种42种】,年使用量约10000t以上,在欧洲市场上,销售的益生素已超过了50种问我国农业部公布的允许使用的饲料添加剂品种目录中,常用的益生素菌种有6种:芽孢杆菌、乳酸杆菌、粪链球菌、酵母菌、黑曲霉、米曲霉。市场上的产品有单一菌株也有复合菌制剂,单一菌株制剂主要有乳酸菌制剂、芽孢杆菌制剂和酵母菌制剂3种。复合菌制剂也大都是由这3种菌混合而制成的。

 

2作用机理

随着一些新的菌群分子生态学的鉴定和检测方法的出现,如,指纹图谱法、16SrRNA寡核酸序列分析法、定量PCR法等,益生菌的作用机理也逐渐被人们所了解。益生菌可能的作用机制”:

2.1肠道上皮的黏附

要使益生菌在动物体内发挥益生作用,首先,需要菌株在肠道内的定植,而益生菌定植的前提条件是微生物与肠道的黏附(Beachey,1981),这也是菌株选择的标准之一。刚出生的动物,肠道内是无菌的,不久外界的菌开始进入体内,有的菌通过黏附和定植,成为常驻菌,有些菌无亲和力,不能黏附和定植,成为过路菌。能在肠道内定植的菌,包含有益菌、有害菌,也有中性菌。它们都是正常菌,构成了肠道微生态系统动态平衡。

2.1.1益生菌表面黏附物质

益生菌通过菌体表面的黏附物质(黏附素)与肠黏膜上皮细胞受体黏附,然后定植,阻止有害菌的入侵,形成生物屏障,从而起到益生的作用。具体的黏附机制,还未完全清楚,不同益生菌的菌种的黏附机制不同,其中,乳酸菌的与肠上皮细胞结合机制研究的较多。乳酸菌细胞表面的组成物质,脂磷壁酸、完整肽聚糖、多糖和表层蛋白(s一层蛋白,SLP),在乳酸菌黏附和定植过程中直接或间接的起到一定的作用。邓一平等(2000)㈣研究表明,这些物质能与肠黏膜表面的糖蛋白结合。其中s一层蛋白还有其特殊的作用s一层蛋白是细菌表面排列规则的蛋白分子,有一些还被糖基化,功能可能有:维持细胞外形、屏障防卫、分子筛的作用、形成抗体、提供外酶的附着结构、黏附于宿主上皮细胞等等,s一蛋白的分泌对黏附有重要作用。

2.1.2肠上皮细胞的黏附素受体

肠上皮表面同样存在着相应黏附物质,既黏附素受体,结合菌体表面的黏附素,完成菌体的黏附。黏附素受体具有一定的特异性,用胰蛋白酶和过典酸处理肠上皮细胞,双歧杆菌的黏附力明显下降,表明,黏附素的受体可能为特异的糖类或糖蛋白。

益生菌菌株在宿主肠道内的黏附、定植并不是永久的(无菌的动物除外)。在停止使用益生菌后,能在粪便中检测到并逐渐消失,表明这种定植只是短暂的。研究表明,益生菌在肠道内的附着能力随宿主年龄的不同而有差异。1999年Ouwehand、Salminen等”对人肠道黏膜上微生物的附着作了研究,发现老年人的双歧杆菌含量明显低于年轻人。因此,在动物生产上使用益生菌时,也应考虑不同的黏附能力的菌种应针对不同年龄的动物。同时,益生菌分子基础的黏附机制研究的不断深入为不同黏附力菌种的筛选提供了必要的理论依据。

2.2维持肠道内菌群平衡

益生菌在肠道内定植后,成为肠道中有益的正常菌,并起着维持肠道内菌群平衡的功能。胃肠道的原籍菌群能抑制其他外来微生物在肠道内的定植或增殖,这被称为“竞争排斥”(competitiveexcursion)作用,或“定植抗力”(Colonizationresistance)定植抗力是体内微生物与致病菌竞争肠道上皮的吸附位点而产生的。通过使用益生菌增加了肠道的有益菌的定植,吸附位点被较多的有益微生物所占据,病原微生物就会被排斥。这样有助于肠道内形成一道微生物屏障,阻止了病原菌的入侵,使肠道内的菌群保持相对的平衡。此外,也有可能因为与有害菌竞争营养物质,阻止了有害菌的生长繁殖。

通过生物夺氧方式阻止病原菌繁殖,就是在肠道微生态系统中,厌氧菌是优势种群。使用耗氧或兼性厌氧的益生菌暂时在肠道定植,降低局部环境的氧分子浓度,促进厌氧微生物的生长,提高定植抗力,而达到恢复生态平衡的目的。从而抑制了有害微生物的繁殖,可用于预防、治疗肠道疾病。但“生物夺氧”这一作用方式,还有待进一步研究。

 

2.3生理活性物质的产生

益生菌在生长代谢过程中,会产生生理活性物质,抑制病原菌、防治疾病。如有些乳酸杆菌和链球菌可产生嗜酸菌素、乳酸菌素等,芽孢杆菌可产生细菌素,对大肠杆菌和沙门氏菌有显著的抑制作用。大部分乳酸菌代谢可产生有机酸,如乳酸、乙酸、丙酸以及过氧化氢。这些物质使动物肠道pH值下降,促进铁、钙和维生素D等的吸收。有利于有益菌的生长,抑制或杀死病原菌。Gibson等报道,双歧杆菌能产生一种未知的广谱抗菌物质,具有抑制沙门氏菌、志贺氏菌、霍乱弧菌等病原菌的活性,罗特氏乳杆菌(1actobacillusreuteri)在鸡肠道内能分泌抗菌物质reuterin,在l5~30g/ml的浓度下就可杀死沙门氏菌、大肠杆菌等致病菌;在60~150ug/ml的浓度下子乳酸菌包括罗伊氏乳杆菌本身也被抑制。

许多益生菌还可产生蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等消化酶,这些活性酶有利于饲料中营养物质的消化吸收,提高饲料消化率。如芽孢杆菌能分泌蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶活性物质,降解植物饲料中复杂的碳水化合物,释放出可吸收的营养物质。同时,益生菌还能刺激动物内源性消化酶的分泌。Rychen等“对添加了益生菌的仔猪进行研究,添加3h后动脉中葡萄糖、半乳糖、L一乳酸和氨基酸含量发生变化,与基础日粮相比,益生菌添加剂能显著提高动脉中葡萄糖、半乳糖、L一乳糖浓度。胡学智(1993)报道有益芽抱杆菌可产生6—1、2-葡萄糖水解酶、果酸果胶裂解酶、蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、半纤维素酶等消化酶和其他一些非消化类酶。

2.4免疫调节

对免疫系统功能的调节是益生菌剂作用最独特的一面。益生菌菌体可直接作用于肠道黏膜免疫系统,发挥调节功能。同时,某些微生物如乳酸菌的代谢产物可刺激动物机体的免疫系统,其作用与免疫佐剂相似,可诱导动物一些与免疫有关的细胞产生白细胞介素、促进细胞分裂素、干扰素、肿瘤坏死因子等。

2.4.1作用途径

益生菌对免疫系统刺激作用的可能途径”:抗原性物质通过淋巴结集中的连滤泡上皮,进入淋巴组织。通过途径有2种,一为微生物代谢产物或碎片作为小分子抗原直接通过普通上皮细胞或者透过上皮细胞间的紧密连接缝隙;二为微生物细胞本身由微褶细胞(M—Cel1)通过胞饮作用传送给位于M—Cell包囊中的巨嗜细胞等。抗原进入淋巴组织后,或由抗原提呈细胞处理后,或直接交给淋巴细胞,产生相应的免疫应答。

2.4.2免疫调节作用

益生菌对动物免疫力的改善主要表现在以下3方面21:

(1)能促进肠黏膜固有层内的巨噬细胞活性,增强巨噬细胞的吞噬作用。刺激巨噬细胞和内皮细胞分泌细胞因子,~tlIL一1、IL一6、IL一8、IL一12、TNF、干扰素等,调节和启动免疫应答。

(2)提高免疫系统抗体产生水平,促使黏膜淋巴小结和固有膜淋巴细胞分泌产生,分泌型IgA(sIgA)和分泌型IgM(sIgM),其中主要以slgA为主,sIgA和肠道正常菌群混合存在,抑制有害菌的繁殖。此外,益生菌可促进免疫系统的成熟、经口耐受的建立、抑制IgE的产生及阻止变态反应的发生。

(3)激活肠上皮内淋巴细胞主要为CDT细胞,自然杀伤性细胞,对病毒感染有免疫监视作用。

益生菌如乳杆菌和双歧杆菌,进入宿主肠道,其代谢产物或整个菌体细胞能通过M细胞(淋巴集结上的一层特殊分化的细胞,也称微皱褶细胞Microfoldcell,与肠上皮细胞紧密排列在一起)进入淋巴集结激活Th2淋巴细胞,产生大量IL一5,促使B淋巴细胞产生IgA,并与肠黏膜上皮细胞产生的分泌小体,结合成sIgA。slgA在肠道黏膜免疫系统中起着重要作用。

Sorokulova等(1998)【2】研究发现,对仔猪饲喂益生菌可明显提高巨噬细胞活性。Perdigon等(1995)发现L.casei、L.acidophilus、bifidobacteria可显著提高肠道分泌型IgA和血清IgA.

Inooka等用纳豆杆菌进行了一系列饲喂仔鸡的试验研究,经分析测定,饲喂纳豆杆菌的仔鸡抗体水平显著增加,脾脏T、B淋巴细胞的比例提高。Yasui等(1994)的实验表明,与对照组相比,母鼠用双歧杆菌饲喂后,乳汁和粪便中的分"~IgA抗体的含量增高明显,幼鼠患轮状病毒感染的发病率也明显降低。Susumn等(1992)进一步研究证实,乳酸菌及其代谢产物刺激动物机体的免疫系统,其作用与免疫佐剂相似,可诱导动物一些与免疫有关的细胞产生白细胞介素、促进细胞分裂素、干扰素、肿瘤坏死因子等。

2.5益生菌本身为动物提供营养

许多益生菌饲喂动物后,能够为动物提供大量的营养物质促进生长。益生菌本身含有可被动物所利用的营养物质。如光合细菌,蛋白含量可达60%以上,同时含有多种维生素、磷、钙及多种微量元素。酵母细胞和霉菌细胞中含有丰富的维生素和各种营养成分,粗蛋白质含量平均为40%一60%。Noh等(1995)报道,断奶仔猪日粮中添JmO.5%浓缩乳酸杆菌,平均日增重率和饲料转化率分别提高了2.7%和8.8%,干物质和氮的排出量分别降低了12.6%和4.2%。赵京杨等(2002)J研究加酶益生菌对仔猪生长的影响。对断奶仔猪饲喂含加酶益生素的饲料,试验组哺乳仔猪Et增重比对照组提高11.42%(P<O.01),腹泻率比对照组降低37.52%(P<O.05)。付水广等(2004)口在乌骨鸡日粮中使用益生菌制剂,结果表明日增重、料肉比、死亡率及腹泻率比对照组均有显著改善(P<O.05)。

3益生菌的应用前景

益生菌作用:维持消化道黏膜的菌群平衡;肠道内形成微生物屏障,抵御病原微生物入侵;产生抗菌物质及营养成分;肠道的免疫调节;减轻便秘,阻止由抗生素引起的腹泻;消除金属毒性;减少血液中胆固醇,降低血压;阻止或减轻过敏性疾病;治疗过敏性皮炎;阻止外伤的伤口感染及牙齿溃疡;有利于肿瘤的消退,减少致癌致突变的物质产生。因此,益生菌可作为预防保健使用,同时,也具有治疗肠道疾病、肠道肿瘤及抗癌等功效。

在动物生产中添加,可促进生长、提供机体营养、提高饲料消耗率、增强动物免疫能力、预防及治疗疾病。

在分子水平上对益生菌作用机理的深入研究,为益生菌产品的研究、开发提供了理论基础,也不断揭开了益生菌强大的益生作用的奥秘,在国际上普遍受到科学家,企业家和消费者的关注。益生菌不仅可以作为动物的绿色添加剂,促生长、防治疾病,在人上面也可作为整肠药、功能性食品等,有保健、治病的功效。因此有人称益生菌为“21世纪的热门话题”、“真正的多功能食品”。人和动物体内特别是肠道内寄居着大量的微生物,这些微生物与人和动物的生理活动息息相关。肠道内的菌群平衡,粘膜免疫,营养物质的转化等几乎都与微生物有关。

近年来,人们正致力于筛选、培育特殊菌种的研究,以适合不同宿主的特殊要求并要求益生菌能发挥人们指定的功效。随着分子生物学和基因工程技术的发展,通过基因工程技术改良菌种已成为可能。把正常菌群,特别是乳酸杆菌、双歧杆菌等GRAS(GenerallyRecognizedAsSafe)微生物,作为工程菌受体,通过基因克隆、基因重组技术,将外源基因(某些营养因子基因、抗性基因、酶基因、抗菌多肽基因等)转入构建的新菌株,使其能够表达外源蛋白,在宿主内发挥特殊的功能[29】。

参考文献:

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