科研 ▏飼用芽孢桿菌的生物學功能及其在飼料中的應用

摘 要：本文論述了飼用芽孢桿菌的分類、生物學功能及在畜禽養殖中的應用，還討論了影響其功效的因素及未來發展趨勢等，為今後進一步研究飼用微生物製劑在畜禽飼料和養殖業上的應用提供了參考。

關鍵詞：芽孢桿菌；生物學；應用

飼料級微生物添加劑是近年來發展起來的一類新型飼料添加劑，在提高飼料利用率，改善生產性能，調節腸道微生態平衡，增強免疫力等方面具有顯著的促進作用。目前在飼料及動物生產上使用較多的微生物有乳酸菌、酵母菌、芽孢桿菌及光合細菌，其中芽孢桿菌具有抗逆性強、耐高溫高壓、耐酸鹼膽鹽、易貯存等獨特的生物特性，從動物生產和飼料工業角度評價，芽孢桿菌比其它微生物添加劑具有更大的優勢，能更好地滿足現代飼料工業生產的要求。本文就飼用芽孢桿菌的生物學功能及其在飼料中的應用作一簡述。

1.飼用芽孢桿菌種類

菌種安全性問題一直是研究、生產和應用益生菌中最關注的問題。1989年，美國食品藥物管理局（FDA）與飼料協會發布的可直接投喂動物的安全菌株有43種，其中芽孢桿菌包括枯草芽孢菌（B.subtilis）、凝結芽孢桿菌（B.coagulans）、緩慢芽孢桿菌（B.lentus）、地衣芽孢桿菌(B.licheniformis)、短小芽孢桿菌（B.pumilus）等5種。我國農業部公布的《飼料添加劑品種目錄》中微生物添加劑有33種，其中芽孢桿菌僅6種：枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、緩慢芽孢桿菌、短小芽孢桿菌、凝結芽孢桿菌和側孢芽孢桿菌（B. laterosporus）。隨著國內外相關研究的深入，飼用芽孢桿菌家族成員不斷壯大，湧現出了生物學功能更加突出的新菌種，如納豆芽孢桿菌（B.natto）、芽孢乳桿菌（Lactobacillus sporogens）、環狀芽孢桿菌（B.circulans）、巨大芽孢桿菌（B.megeterium）、堅強芽孢桿菌（B.firmus）、東洋芽孢桿菌（B.toyoi）和丁酸梭菌（Clostridium butyricum）等，進一步豐富和健全了飼料級微生物添加劑體系，強化了微生物製劑在飼料添加劑及飼料領域的地位，為飼料行業的健康發展和突破提供了新思路和技術保障。

2.飼用芽孢桿菌生物學功能

2.1 分泌胞外酶及生理活性物質，促進營養物質的消化吸收

芽孢桿菌能夠分泌大量的胞外酶，參與飼料的降解、消化，提高飼料利用率。劉學劍等（2005）報道，芽孢桿菌可以分泌澱粉酶、蛋白酶、脂肪酶等消化酶及功能酶，具有降解宿主難消化吸收的營養物（如果膠、木聚糖、葡聚糖、纖維素等）的能力。芽孢桿菌還能產生大量的B族維生素和維生素C，為養殖動物提供維生素營養。柏建玲等（2003）研究地衣芽孢桿菌產酶能力時發現，地衣芽孢桿菌能產生蛋白酶、澱粉酶及植酸酶。Jadamus等（2001）等研究表明，蠟樣芽孢桿菌可以顯著提高仔豬空腸中脂肪酶的活性，降低空腸食糜中細菌產生的牛磺膽酸解聚酶活性。溫俊等（2008）將枯草芽孢桿菌添加到牙鮃飼料中，顯著提高牙鮃腸道蛋白酶、澱粉酶和脂肪酶活力，改善餌料係數。付天璽等（2008）報道投喂凝結芽孢桿菌對奧尼羅非魚胃蛋白酶活性提高了30.59%(P＜0.05)，消化吸收率提高了10.68% (P＜0.05)，蛋白質表觀消化率提高了4.71% (P＜0.05)，餌料係數降低9.2% (P＜0.05)，增重率提高10.76% (P＜0.05)。

2.2 調節動物消化道的微生態平衡

動物初生時消化道內通常是無菌的。出生後3h在胃和小腸中、12h在大腸中可檢測出入侵的細菌。按需氧菌、兼性厭氧菌、厭氧菌的演替順序，最終形成以乳酸桿菌、雙歧桿菌等厭氧菌為優勢的正常腸道微生態菌群。芽孢桿菌為需氧菌，進入體內後，消耗大量的遊離氧，降低氧化還原電勢，有利於厭氧微生物的生長，保持腸道微生態系統平衡。芽孢桿菌在其生長繁殖過程中可產生乙酸、丙酸、丁酸等揮發性脂肪酸，這些物質可降低動物腸道的pH值，抑制腸內病原菌的生長，為腸道益生菌的生長創造有利條件。芽孢桿菌還能產生抗菌物質如桿菌肽、枯草菌素等，對病原微生物直接抑制與殺滅。宋會儀等（2006）報道，丁酸梭菌最顯著的生物特性是能與雙歧桿菌、乳酸菌、糞桿菌等腸道有益菌共生，並促進腸道內有益菌群增殖和發育。全艷玲（2002）用地衣芽孢桿菌與雙歧桿菌、乳酸菌、大腸桿菌混合培養時發現，地衣芽孢桿菌對大腸桿菌有抑制作用，而對雙歧桿菌、乳酸菌有促進和共生作用。Urdaci等（2004）報道凝結芽孢桿菌在生長穩定期能產生抑菌物質對金黃色葡萄球菌、鏈球菌、艱難梭菌等有很好的抑制作用。宋增福等（2006）研究表明，當丁酸梭菌、鰻弧菌共同孵育黏附上皮細胞時，丁酸梭菌能顯著抑制鰻弧菌黏附細胞，黏附率降低了7．03%(P<>

2.3 增強動物機體免疫力與抗病力

增強動物免疫功能是微生物添加劑作用與功效之一。關於芽孢菌促進動物機體免疫功能的作用機理，一些研究者認為是與菌體細胞結構和代謝產物以及微生物菌群的調整有關。近年來研究表明，芽孢桿菌能促進動物腸道相關淋巴組織處於高度的「免疫準備狀態」，同時促使免疫器官發育加快，免疫系統成熟提前，T、B淋巴細胞數量增多，動物體液和細胞免疫水平提高。部分芽孢桿菌，如凝結芽孢桿菌、芽孢乳桿菌等還具有促進消化道粘膜免疫的發生。潘康成（1996）研究認為地衣芽孢桿菌的免疫促進作用的機理是由於口服芽孢桿菌後，作用於腸道集合淋巴結的抗原結合位點或通過調整動物的微生物群（雙歧桿菌群為主導）間接地發揮免疫賦活的作用，提高機體的局部或全身防禦功能，從而達到防病、抗病，提高增重的作用。季奎文等（2005）應用試驗表明，凝結芽孢桿菌具有提高動物腹腔巨噬細胞的吞噬能力，增強動物NK細胞活性，使動物免疫器官發育增快。周國勤等（2006）研究表明，每日投喂納豆芽孢桿菌及其發酵產物，可促進受試魚類血液NBT陽性細胞數量和血清溶菌酶活力顯著上升，增強魚類非特異性免疫功能。

3.飼用芽孢桿菌在飼料工業中應用效果

3.1 芽孢桿菌在養豬生產中的應用

在飼料日糧中加入益生芽孢桿菌可提高動物生長速度、改善飼料利用率、減少疾病發生、改善產品品質、提高動物免疫力。王保正等（2007）在哺乳仔豬教槽料中添加0.2%丁酸梭菌，可顯著增強豬的抗病力與免疫力，提高飼料轉化率和增重率，降低料重比，促進豬的健康生長。吳建忠（2007）在凝結芽孢桿菌製劑取代抗生素對仔豬生產性能的影響試驗中發現，基礎日糧中添加500mg/kg凝結芽孢桿菌的試驗組仔豬日增長較抗生素組提高9.78%(P<><>

3.2 芽孢桿菌在家禽生產中的應用

大量研究表明， 益生芽孢桿菌可以減少腸道疾病的發生，降低飼料係數，提高肉仔禽增重和蛋禽產蛋率。聶實踐等（1999）用蠟樣芽孢桿菌DN423餵養1-128日齡的蛋雞，投喂量為飼料的0.1%，存活率可以達到97% ，未發生沙門氏菌病，降低腹瀉率90%以上。鄧菊雲(2008)的試驗表明，黃羽肉雞日糧中添加芽孢桿菌微生物製劑能夠提高雞的平均日增重和蛋白質、氨基酸的表觀消化率，顯著降低料肉比。杜雲平等（2010）在研究日糧中添加丁酸梭菌對種雞生產性能的影響中發現，飼餵丁酸梭菌後，種雞平均料蛋比下降明顯，降幅為6.48%，而對照組的料蛋比反而有所升高，差異極顯著。張富等（2005）採用芽孢桿菌製劑飼餵雛雞，結果表明益生芽孢桿菌能顯著促進雛雞生長發育。

3.3 芽孢桿菌在水產飼料中的應用

芽孢桿菌添加到水產飼料中，能促進魚蝦生長、提高飼料轉化率、調節腸道微生態平衡、增強機體免疫力，降低死亡率和減少氮磷的排放，降低污染等。許國煥等（2008）在基礎日料中添加枯草芽孢桿菌與凝結芽孢桿菌，奧尼羅非魚增重率分別顯著提高12.27%和8.56%，餌料係數分別顯著降低10.92%和8.18%，飼料表觀消化率分別顯著提高10.54%和10.07%，蛋白質表觀消化率分別顯著提高4.18%和3.63%。於葉兵等（2007）在斑節對蝦飼料中添加不同劑量芽孢桿菌，可顯著提高飼料干物質、粗蛋白、氨基酸及磷的表觀消化率。沈錦玉(2006)在飼料中添加枯草芽孢桿菌B115，可顯著提高魚蝦腸道消化酶活性，同時能增加腸道中有益菌群（如乳桿菌和雙歧桿菌），對氣單胞菌、腸桿菌和腸球菌的量則沒有影響。Kumar(2007)研究表明，1.5×107芽孢桿菌能顯著提高鯉魚的巨噬細胞吞噬能力和抗嗜水氣單胞菌的能力，促進非特異性免疫力的提高。Saka等（1995）給虹鱒口服適量丁酸梭菌，顯著增強其對弧菌病的抵抗力。

4.飼用芽孢桿菌功效的影響因素

4.1 菌種和活菌數

不同菌種的生理生化特性、代謝產物有很大的差異，故其應用效果差異很大。甚至同種菌的不同菌株生理特性也有一定的差異，使其應用效果也不盡相同。要發揮一定功效，飼用芽孢桿菌還需具備一定量的需求，一般認為每克配合飼料中的活菌數不應低於106CFU。

4.2 動物個體體況

動物個體的生理狀況和生理階段也是影響作用效果的重要因素，所以要根據最佳效應期原則使用。研究發現處於應激、疾病（尤其是胃腸道疾病）狀態下或抗生素治療後的動物，添加芽孢桿菌能起到良好的效果。幼齡動物體內酶系、腸道微生態都還不健全，所以在幼齡動物飼料中使用芽孢桿菌效果通常優於成年動物。

4.3 飼料組分

高營養水平的飼料使用效果不如低營養水平的使用效果明顯。因為高營養水平的飼料很容易滿足養殖動物的營養需求，益生菌的補充增效功能不能有效發揮。

目前飼料中添加一定量的抗生素是一個常態。過去的觀點認為，益生素不能與抗生素混合使用，現在的觀點認為二者可以在一定程度上聯合使用。飼用芽孢桿菌在動物採食後需要2-3個小時萌發後才會對環境包括抗生素藥物敏感，而飼料中添加的那些吸收性能好的抗生素經過2-3小時後95%以上都可被腸道吸收，所以這些抗生素對芽孢桿菌不會有太大威脅；有些抗生素如硫酸新黴素、硫酸粘桿菌素雖然在腸道中不被吸收，但主要作用於革蘭氏陰性菌，屬於革蘭氏陽性菌的芽孢桿菌對他們極不敏感，所以芽孢桿菌在飼料添加抗生素的情況下使用仍能發揮功效。

4.4 造粒加工工藝

益生菌在飼料工業中應用受限最主要的問題在於必須克服制粒過程中的高溫高壓。芽孢桿菌，如枯草芽孢桿菌、凝結芽孢桿菌、丁酸梭菌均能產生抗逆性能高的芽孢，可耐高溫、高壓、酸鹼、膽鹽等不利環境。筆者通過試驗證明芽孢桿菌經80℃、30min和90℃、10min熱處理後幾乎沒影響；90℃處理20min後，99%存活；100℃處理5min後，45%存活。一般顆粒飼料制粒過程中的溫度為70-90℃，所以芽孢桿菌受到的影響較小。

4.5 黏附性與腸道停留時間

黏附性是衡量腸道益生菌的一個重要標準。芽孢桿菌為過路菌，不能黏附於腸道上皮細胞，在腸道短暫停留，隨糞便排出體外，所以芽孢桿菌一般認為通過促進消化吸收和生物耗氧發揮生理功能，在生物拮抗方面功能有限。但凝結芽孢桿菌和丁酸梭菌兼具乳酸菌的大部分生理功能，能高度黏附於腸道上皮細胞，促進腸道粘膜免疫的發生，較常規芽孢桿菌具有更優越的腸道益生菌功能。

腸道停留時間也是影響益生菌功效的一個關鍵因素，因為芽孢桿菌進入消化道後都需要一個萌發的過程，時間在數小時不等。如果芽孢桿菌停留時間過短，芽孢尚未萌發，生理活性物質尚未釋放，就排除體外，其益生功能將大打折扣。筆者通過試驗證明，枯草芽孢桿菌、凝結芽孢桿菌與丁酸梭菌複合製劑在豬腸道中可定植7-15天，在魚類腸道可維持2-7天左右，較一般的單一芽孢桿菌製劑具有更長的停留時間，能保證代謝活性產物的分泌及益生功能的有效發揮。

5.飼用芽孢桿菌未來的發展趨勢

通過對美國食品藥物管理局與我國農業部發布的可用作飼料添加劑的微生物品種目錄的對比分析可以看出，我國的飼用微生物添加劑遠遠落後於國際同行業。目前我國的益生菌產業尚處於開發階段，研究重點還集中在菌種和工藝的實驗室篩選上，如何加快飼用芽孢桿菌產業化應用步伐是未來一定時期內工作的重心。

從益生芽孢桿菌的生理功能來講，它在動物飼料中的應用空間應該更大。但是芽孢桿菌作為飼料添加劑的具體作用機理以及應用技術（包括使用階段，使用劑量等）等一系列問題，至今尚未有統一認識。這就給我們提供了諸多課題：1）加強新菌種研究，篩選出繁殖力強、性能穩定、協同作用強和安全無副作用的菌種供生產應用；2）加強芽孢桿菌與其他益生素及酸化劑、低聚糖、酶制制等綠色飼料添加劑之間組合使用技術以及對不同動物不同生理階段的適宜添加量的研究；3）微生態基因工程菌的研究，對芽孢桿菌進行必要的遺傳工程改造，設計出功能更全面，功效更突出的新菌株，包括特殊營養功能菌株，高耐性菌株，強粘附力菌株等，強化芽孢桿菌與腸道菌群的互作效應；4）健全動物微生物製劑管理法規及國家標準建設，鼓勵和加快新飼料級微生物添加劑的研發與申報等。

作者：新華揚技術服務部 凌華雲、唐明紅、王啟軍