動物微生態制劑研究應用進展

陳祈磊,宋 芹

(成都大學生物產業學院,四川成都 610106)

0 引 言

在正常動物腸道內穩定定殖了400多種不同的微生物,其總數可達1014個.這些正常定殖的微生物群落之間以及微生物與宿主之間在動物的不同發育階段均建立了動態的穩定平衡關系,這種穩定平衡關系是動物健康的基礎.

動物胃腸道內微生物的研究重點最初是針對糞便中的微生物,目前的研究則側重于對進入胃腸道內容物和腸道不同區段與上皮粘膜相關聯的微生物.1989年,Fuller[1]研究了3種成年動物糞便中微生物的組成,發現其腸道內相對穩定的微生物群落的形成有助于提高動物的抵抗力,免受外來有害細菌的感染,特別是對正常健康動物的胃腸道的感染,無菌動物比具有完整胃腸道微生物群落的動物更易感染疾病.在對動物胃腸道內微生物群落在增強動物機體抵抗力、調節胃腸道生態環境以及有利于動物對營養物質的消化與吸收等方面的特殊功效開展深入研究后,Dubos于1965年首先提出了動物胃腸道微生態學的概念,隨后Sazage對于Dubos提出的概念進行了修改.在國內,康白于1988年正式提出了微生態學的概念與理論[2].

此外,自20世紀以來,抗生素、激素、類激素等的發現以及化學抗菌物質的合成并被廣泛用作飼料添加劑,它們在人類醫療、畜禽生產與疫病防治、動物生長促進,以及提高畜禽產品的質量及人們生活水平等方面起到了不可或缺的作用,但同時,由于這些添加劑的長期使用及濫用,其弊端逐漸得到人們的廣泛認識.越來越多的事實表明,抗生素飼料添加劑的應用存在較多的安全性問題,主要表現在:藥物殘留和毒性;過敏作用;強化喂養的家畜中大量應用廣譜抗生素,造成細菌高水平、快速耐藥;長期使用抗生素,擾亂了畜禽體內微生物系統中種群或群落間相互制約的格局,繼而破壞其體內的微生態平衡,導致消化功能紊亂,引起各種消化道疾病;降低動物的免疫功能.

為了克服這些飼料添加劑帶來的弊端,世界各國的科研工作者不斷努力以尋求和開發一種安全、無毒副作用、無殘留,既能促進動物生長,又能防治人畜疾病、替代抗生素的新型添加劑.動物微生態制劑(微生物飼料添加劑)正是基于飼用抗生素的安全性問題應運而生,它不僅能夠對致病菌起抑制作用、對畜產品無毒和促進畜禽生長,而且可改善畜禽產品肉質風味,有利于生態環境和出口貿易,是未來綠色飼料的最佳解決方案之一.

目前,關于微生態制劑的稱謂較多,如微生物促生長劑、益生菌、促生素、生菌劑、活菌制劑等等.對其概念的不同解釋代表了人們對它在功能和來源上的諸多認識.總的來說,微生態制劑是在微生態理論指導下,利用動物體內有益的、活的正常微生物或其促生長物質經特殊工藝制成的活菌制劑,其具有補充、調整和維持動物腸道微生態平衡,達到防治疾病、促進動物健康及提高生產性能的作用.這是一個較為綜合的概念,這一概念的范圍包括了微生物促生長劑與益生菌.關于益生菌的概念,2002年,歐洲權威機構——歐洲食品與飼料菌種協會(EFFCA)給出了最新定義:益生菌是活的微生物,通過攝入充足的數量,可對宿主產生一種或多種特殊且經論證的功能性健康益處.益生菌是人們對廣泛使用抗生素所產生的種種問題十分關注的背景下提出的,其目的是為了研制出在功效上能全面替代抗生素,但無任何毒副作用的實用產品.隨著動物微生態學的建立和發展,益生菌產品的研制與應用也得到了迅速發展.

近年來,國內外研制的微生態制劑,主要是用動物的正常微生物群成員,尤其是優勢種群,經過分離、鑒定和選種后,以不同的生產工藝制成活菌制劑,通過不同方式進入動物消化道回到原來的自然生境,發揮固有的生理作用.研制微生態制劑的關鍵技術是篩選優良的生產菌種,它直接關系到應用的效果及產品質量的優劣,因此,各國科研工作者長期以來都在尋求優良的菌源.

關于微生態制劑所用菌株的種類,各國都有不同的規定.1989年,美國食品與藥物管理局(FDA)與飼料協會(AAFCO)發布了可以直接飼喂動物的安全菌株43種.1999年6月,我國農業部公布的第105號公告所允許使用的飼料添加劑品種目錄中,飼料級微生物添加劑菌種僅有12種.其后,2005年版(修訂318公告目錄)飼料添加劑品種目錄允許使用的微生物菌種增加到18種,包括地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、兩歧雙歧桿菌、糞腸球菌、屎腸球菌、乳酸腸球菌、嗜酸乳桿菌、干酪乳桿菌、乳酸乳桿菌、植物乳桿菌、乳酸片球菌、戊糖片球菌、產朊假絲酵母、釀酒酵母、沼澤紅假單胞菌、保加利亞乳桿菌、凝結芽孢桿菌、側孢芽孢桿菌.目前,畜禽養殖生產中應用的動物微生態制劑多數是由以上單一或多種菌株加工而成的.現在科研人員研究的熱點集中在乳酸菌制劑、芽孢桿菌制劑、真菌制劑、光合菌制劑、復合微生態制劑上,其發展趨勢是研制復合菌制劑.通常,復合微生態制劑由兩種或多種單一菌劑復合而成,它可以先將菌種混合再共同培養,也可先將單一菌種培養再共同混合,由于混合菌有益于微生物的功能互補,故復合微生態制劑效果通常優于單菌制劑.

1 微生態制劑的作用機制

綜合眾多學者對微生態制劑作用機理的闡述,其作用機理基本上表現在以下幾個方面.

1.1 通過生物奪氧方式阻止病原菌的繁殖

通常,動物胃腸道內厭氧菌占多數,微生態制劑中有益的耗氧微生物在體內定殖,可以降低局部氧分子的濃度,扶持厭氧微生物的生長,并提高其定殖能力,從而使失調的微生物恢復平衡,達到治療疾病的目的.

1.2 幫助建立和維持動物正常的腸道優勢種群

使用微生態制劑的目的在于,通過補給優勢菌株與宿主腸道內有益菌一起形成優勢種群,進而修復和維持動物腸道菌群的平衡.此外,在動物腸道非有益微生物區系建立前,給新生家畜、家禽飼喂益生菌有助于畜禽建立正常的微生物區系,能有效排除或控制潛在的病原菌[3,4].

1.3 通過黏附機制和競爭排斥作用阻止病原菌繁殖

某些益生菌通過與動物腸道中有害微生物直接競爭定居部位,可抑制病原菌微生物黏附或定殖于腸道形成保護屏障,防止其直接黏附到動物細胞上,從而發揮其競爭性抑制病原體在宿主腸道的黏附或定殖的作用[5].

1.4 通過代謝產物和生理活性物質抑制或殺滅病原微生物

一些微生物在其發酵過程中,會產生生理活性物質如嗜酸菌素、乳酸菌素、細菌素等,其可直接調節微生物區系,抑制病原菌.這些抗菌性物質通過改變腸道內活菌的數量而發揮作用[3,4,6].

1.5 提供營養物質促進動物生長

微生態制劑能產生多種消化酶,提高飼料利用率.此外,益生菌還能誘導動物內源消化酶的分泌,提高飼料轉化率.同時,益生菌產生的有機酸及維生素能夠促進營養物質的吸收和激活酶原[1].許多益生菌其菌體本身就含有大量營養物質,如光合細菌富含蛋白質,還含有多種維生素、鈣、磷和多種微量元素等,可直接被動物攝取利用.

1.6 增強動物的免疫系統功能

益生菌可產生非特異性免疫調節因子、干擾素,提高免疫球蛋白濃度和巨嗜細胞的活性,增強動物機體免疫功能和抗病力.益生素的細胞壁上存在著肽聚糖,它通過激活黏膜免疫細胞而增加局部免疫抗體,增強動物抵抗有害微生物的能力[8-11].

2 微生態制劑的應用現狀及發展趨勢

2.1 微生態制劑的應用現狀

目前,直接飼用微生物已在畜牧生產、飼料生產、動物胃腸道疾病預防、幼齡動物助消化等方面得到較廣泛應用.

我國微生態制劑的研究始于20世紀70年代,上世紀80年代后期,人們才開始重視微生物飼料添加劑的研究與開發,并多以乳酸桿菌、糞鏈球菌、芽孢桿菌和酵母菌等為主,研制單一或復合型制劑. 1992年,我國成立了中國微生態學會并把飼用微生態制劑及其應用技術研究列入國家“八五”科技攻關課題,推動了微生態制劑的應用研究.全國現有幾十家企業生產、銷售微生物飼料添加劑,主要集中于山東、河北、北京、遼寧、廣東等省市.

國際上從20世紀60年代發現了動物飼養業中抗生素的種種弊端后,開始重視微生物飼料添加劑的研究開發和使用.從全球范圍看,目前微生物制劑市場總銷量已達5萬噸/年,銷售額約為5億美元,使用較多的是日本、歐盟和美國等.

日、德、英等國早在10多年前就相繼開發研制新型的抗生素替代產品并投入批量生產,使微生態制劑得到較快的發展.而美國及西歐一些國家相繼禁用或限用飼用抗生素,也大大推動了微生態制劑行業的發展.美國從20世紀70年代開始使用飼用微生態制劑,年使用量約在8 000噸以上.目前,美國生產此類產品的公司較多,主要菌種是嗜酸乳桿菌、鏈球菌屬和枯草芽孢桿菌,其產品標簽上明確注明所含的活的天然微生物來源以及活的微生物數量保證值.此外,美國還有多種活菌制劑出售,主要用于犢牛育成及育肥期,其次為仔豬、母豬及火雞等方面,年銷售額已超過3 000萬美元.在日本,活菌劑的用量在1989年已達1 000噸以上,年銷售量估計為5億日元,使用菌株最多的是T oyi菌,其次為酪酸菌及雙歧菌,也有多種菌的復合制劑,主要用于防治畜禽腸道菌病和促進畜禽的生長發育及增重.在歐洲,僅法國20世紀90年代初市場上銷售的益生菌品種就不低于50個,德國、荷蘭、丹麥、法國、西班牙等的大中型配合飼料廠和大型畜牧場目前都已開始對畜禽直接飼用微生物制劑,如仔豬的人工乳及犢牛的代用乳、肉犢牛的飼料以及肉用雞、兔飼料等.目前,國外很多生物技術公司已研制出豬用、禽用、牛用、伴侶動物用等多種微生態制劑.同時,國外在應用微生物飼料添加劑生產流體生物飼料方面,產業化發展也非常迅速.丹麥、荷蘭、英國、美國等目前已逐步推廣這一技術.從技術角度來看,國外采用液體發酵,有效解決了產品質量不穩定、有效活菌數不足、產品雜菌污染等問題,并采用低溫真空干燥和微囊包被技術,極大地改變了肉制品產品外觀質量粗糙、貨架時間短的狀況.

2.2 微生態制劑的發展趨勢

隨著社會的發展,人民生活水平的提高,人們的保健意識逐漸在增強,綠色食品概念已逐漸成為人們的共識.而要實現農畜產品的“綠色化”,其前提條件就是要在飼料添加劑產品的開發上進行技術創新.對比其他抗生素及合成藥物類飼料添加劑替代產品,如生物活性多肽、低聚糖、酶制劑、中草藥等植物提取物,微生態制劑以其無毒副作用、無耐藥性、無殘留、成本低、效果顯著等特點成為了最有效和最可行的替代解決方案之一,其作用正逐漸得到行業的認同.

1998年底,歐盟相關機構頒布了桿菌肽鋅、螺旋霉素、維吉尼亞霉素(速大肥)和泰樂菌素4種抗生素在畜禽飼料中作為生長促進劑使用的禁令,禁令已于1999年7月1日起生效.歐盟的最終目標是禁止所有抗生素和合成類抗菌藥作為飼料添加劑,同時,歐盟也將禁止其他地區使用藥物添加劑的畜禽產品進口.我國也將隨著歐盟和北美等逐年限制藥物添加劑,直至完全禁用藥物作為飼料添加劑.隨著國家立法及監督力度的加大,藥物添加劑的使用將呈下降趨勢,微生物飼料添加劑的潛在市場隨之擴大.在我國,雖然微生物飼料添加劑僅有短短幾年的歷史,但其發展十分迅猛,其推廣使用不但能使我國在跟進國外先進的農牧科技方面取得優先權,而且可使無公害畜牧業的發展成為可能,綠色畜禽產品的大量供給有利于提高我國國民的身體素質.

3 結 語

動物微生態制劑產品的廣泛應用,必將在我國飼料行業和養殖行業乃至在整個大農業領域引起一場革命性的變革,并帶動整個行業的發展和技術水平的提高.隨著分子生物學的發展,基因工程、微囊工藝、緩釋技術等新技術的應用,我們有理由相信飼料添加劑必然會從抗生素時代進入到綠色環保、無污染的微生態制劑的時代.

需要指出的是,由于經濟的迅速發展以及人民生活水平不斷提高,醫學科學也從治療醫學發展到預防醫學,進而又從預防醫學發展到保健醫學.人們也開始漸漸接受并形成“有病要治療,沒病要預防,無病要保健”的觀念.伴隨人們健康意識的逐步增強以及對益生菌研究的不斷深入,含有益生菌的人用微生態制劑產品已陸續上市,其產品市場十分廣泛,已涵蓋了各種保健功能性食品與藥用類產品,其形態有片劑、膠囊、飲料粉末、谷物食品、果汁、口服液等多種形式,并且新品種還在不斷地涌向市場.最新資料顯示,目前我國益生菌保健品的消費額每年近百億元,并呈逐年上升的趨勢.由此也可以看出,微生態制劑面臨著一個新的發展領域,必將取得更大的研究突破.

[1]Fuller R.A review:Probiotics in man and animals[J].J Appl Bacteriol,1989,66(5):365-378.

[2]康 白.微生態學[M].大連出版社,1988.

[3]胡東興.微生態制劑及其作用機理[J].中國飼料,2001,12 (3):14-16.

[4]王旭明.益生菌作用機理的研究進展[J].吉林農業科學, 2002,27(1):50-53.

[5]Christiane Forestier,Christophe De Champs,Catherine Vatoux. Probiotic activities of Lactobacillusc aseir hamnosus:invitro adherence to intestinal cells and antimicrobial properties[J].Res Microbio1,2001,152(2):167-173.

[6]全艷玲.地衣芽飽桿菌對有害微生物的拮抗作用[J].食品科學,2002,23(8):67-69.

[7]張日俊.消化道微生物與宿主營養素的吸收和代謝研究[J].中國飼料,2003,14(2):11-14.

[8]Pessi T,Sütas Y,Marttinen A,et al.Probiotics reinforce mucosal degradation of antigen in rats[J].J Nutr,1998,128(12):2313 -2318.

[9]Fang H,Elina T,Heikki A,et al.Modulation of humoral immune response through probiotic intake[J].FEMS Immunol Med Microbiol,2000,29(1):47-52.

[10]Harsharnjit S G,KayJ R.Probiotic supplementation to enhance natural immunity in the elderly:effects of a newly characterised immunostimulatory strain Lactobacillus rhamnosus HN001 (DR20TM)on leucocyte phagocytosis[J].Nutr Res,2001,21 (1-2):183-189.

[11]潘康成,何明清.地衣芽孢桿菌對家兔免疫功能的影響研究[J].中國微生態學雜志,1998,10(4):204-206.