微囊化技術在飼用微生態(tài)制劑中的應用

張 琳，李 杰，劉延國，栗 敏

（東北農業(yè)大學動物營養(yǎng)研究所，哈爾濱 150030）

微囊技術是指生物活性物質（酶、蛋白質、激素及組織細胞等）包埋在具有選擇透過性的膜中，允許營養(yǎng)物質、氧氣及具有生物活性的一些小分子物質進出，同時阻遏大分子抗體及免疫細胞通過半透膜。制備微膠囊的過程稱為微膠囊化。目前，微囊技術廣泛應用于醫(yī)學、輕工、石化、食品、農業(yè)生物技術領域中。微生態(tài)制劑又稱活菌制劑、益生素等，是人工分離正常的菌群，并通過相關工藝制成的活菌制劑，是無毒、無殘留、無耐藥性、成本低、效果顯著的抗生素替代品，但由于其抗逆性較差，因此在不良環(huán)境下易喪失益生特性。大量研究發(fā)現(xiàn)，微膠囊化生產的飼用微生態(tài)制劑的應用效果明顯得以改善，微膠囊化生產的飼料添加劑已經是國際飼料現(xiàn)代工業(yè)中的重要配料之一[1-2]。

1 微膠囊技術

微膠囊技術的研究與應用開始于20世紀30年代，大西洋海岸漁業(yè)公司，以明膠作為壁膜材料，制備出魚肝油明膠微膠囊。Lim等于1980年研究出海藻酸鈉-聚賴氨酸-海藻酸具有“三明治”結構特點的微膠囊，使微膠囊技術在醫(yī)學上的應用帶來了突破性進展[3]。微膠囊可包裹不穩(wěn)定化合物及易揮發(fā)的氣體或液體，其在醫(yī)學、生物制品、肥料、高分子材料助劑等領域應用廣泛，其在飼料行業(yè)也有一定程度的研究與應用，但尚處于起步階段，具有廣闊的發(fā)展空間。

1.1 技術原理

球狀微膠囊的直徑在幾微米到幾百微米，由壁材和芯材構成。壁材是包裹、制作微膠囊所需的材料，是決定微膠囊性能的關鍵因素。其對內部的芯材起到保護作用。常用壁材材料為半合成高分子材料、全合成高分子材料、天然高分子材料及無機材料，天然材料因其生物相容性好、成模性好、免疫原性低、可降解及其本身和產物無毒等特點，是最常用制備微膠囊的材料。選用壁材時要根據(jù)芯材的作用部位、方式及特點進行選擇。

1.2 釋放特點

靶向性是微膠囊技術的主要特點之一。囊芯物質可在特定的位點釋放，提高其利用效率，減少過程中不必要的損失。釋放的方式主要有：在一定條件下，微膠囊受到溶脹、摩擦等作用，囊膜破裂后釋放出芯材；處于液體中的微膠囊因其內外濃度不同，囊芯物質在不同濃度梯度力的作用下釋出；在微生物、酶、酸或堿的作用下囊膜降解，芯材釋出。微膠囊要在特定的條件下釋放出內容物，達到某種特殊效果，因此生產方式與壁材的選擇是至關重要因素。

2 飼用微生態(tài)制劑

2.1 微生物制劑的發(fā)展

微生態(tài)制劑可分為益生素、益生元、合生素等[4]。微生態(tài)制劑發(fā)展歷史悠久，早在1908年俄國的微生物學家首先提出乳酸桿菌具有抑制大腸桿菌的作用。Mollgaard于1947年發(fā)現(xiàn)乳酸桿菌飼喂仔豬可改善仔豬的健康情況，顯著增加仔豬體重，是微生態(tài)制劑首次應用于畜牧領域。Parker于1974年提出的和“抗生素”相對應的新概念，其可直接飼喂動物，能夠有效的調節(jié)動物腸道微生態(tài)環(huán)境，從而達到促進動物生長和提高飼料利用率等。So?rokulova于1998年，發(fā)現(xiàn)益生菌顯著提高巨噬細胞活性。我國農業(yè)部于1999年公布了12種飼料級微生物菌種，目前可用于微生態(tài)制劑的微生物種類主要包括芽孢桿菌、乳酸菌、酵母菌、光合細菌、放線菌等，年使用量約達1 000 t。

2.2 微生物制劑的作用機理

微生態(tài)制劑中的活菌是環(huán)境微生物的成員，具有分解性、繁殖性、定植性和排他性，能夠進入自然微生態(tài)區(qū)系中對非正常菌群產生分解或頡頏作用，其作用機制主要包括：調節(jié)胃腸道微生物區(qū)系的平衡，在正常情況下，胃腸道微生物的優(yōu)勢菌群在微生態(tài)系統(tǒng)中起著關鍵性作用，并維持消化道內菌群的平衡，但在某些應激狀態(tài)下，菌群平衡狀態(tài)被打破，有害細菌大量繁殖，導致動物消化吸收能力減弱、營養(yǎng)缺乏、產生疾病，加入微生態(tài)制劑后，有益菌可與有害細菌爭奪營養(yǎng)素、氧氣及附著位點，使有害菌得以抑制，胃腸道微生物區(qū)系達到平衡狀態(tài)；生物頡頏作用，有益微生物可產生有機酸和細菌素抑制、殺死病原菌；提供營養(yǎng)物質、促進消化，微生態(tài)制劑中的益生菌能夠合成氨基酸、維生素K及消化酶等有利物質，如乳酸菌可促進微量元素與常量元素的吸收，芽孢桿菌具有淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶的活性，可降解復雜的碳水化合物；提高免疫力，微生態(tài)制劑能夠提高巨噬細胞活性，促進動物的細胞免疫和體液免疫，提高機體免疫功能，如釀酒酵母可分泌甘露聚糖寡糖，甘露聚糖寡糖可被胃腸道表面的M細胞或樹突樣細胞吸收，可直接作用于免疫細胞；降解有毒物質，有益菌可提高蛋白質利用率，減少氨、胺的生成，同時減少了氨向外界的排放量[4-6]。

2.3 微生物制劑在畜牧生產中的應用

2.3.1 精飼料

在母豬泌乳不足與仔豬的快速生長階段，在仔豬教槽料中添加微生態(tài)制劑對鍛煉仔豬消化道功能和提高仔豬的生產性能十分重要。有研究證明，微生態(tài)制劑是通過降低胃腸道中有害菌數(shù)量，提高有益菌數(shù)量，達到促進動物健康的目的[7-8]。研究發(fā)現(xiàn)，在仔豬的教槽料和保育料中分別加入微生態(tài)制劑（枯草芽孢桿菌、乳酪桿菌和異常漢遜酵母）0.01%和0.05%，結果顯示，仔豬的腹瀉率和死亡率顯著降低（P＜0.05）；在斷奶仔豬的保育料加入微生態(tài)制劑0.05%，結果顯示，仔豬胃、空腸、結腸、盲腸中乳酸菌數(shù)量顯著升高（P＜0.05），胃和盲腸中的大腸桿菌數(shù)量顯著減少（P＜0.05），因此，微生態(tài)制劑有益于維持仔豬胃腸道微生態(tài)區(qū)系的平衡，降低消化道疾病的發(fā)生率[9]。有研究探討日糧中添加微生態(tài)制劑（芽孢桿菌、酵母菌、乳酸菌等）對3月齡豪豬的料重比和日增重及血液生化指標的影響，試驗期28 d，結果顯示，試驗組豪豬的料重比降低、日增重增加；谷草轉氨酶、谷丙轉氨酶降低，尿素氮、球蛋白、白蛋白升高，改善了豪豬生產性能與血液生化指標[10]。有研究發(fā)現(xiàn)，鼠李糖乳桿菌LR6001能夠通過增強腸黏膜化學屏障、物理屏障以及免疫屏障功能，促進腸道微生態(tài)平衡、改善仔豬腸道健康、減少腹瀉率并促進生長[11]。研究表明，枯草芽孢桿菌復合微生態(tài)制劑能夠提高仔豬生長性能，預防仔豬腹瀉，提高經濟效益[12]。有研究探討酶制劑和微生態(tài)制劑聯(lián)用對動物消化代謝的作用效果，在豬日糧中添加創(chuàng)博富酶利生素，結果顯示，十二指腸、回腸和盲腸的淀粉酶和蛋白酶活性有所提高，且回腸中酶的活性增加最多，試驗證明，生長豬飼喂既含有酶又含有益微生物的富酶利生素，顯著增強腸道內不同部位消化酶活性，提高動物對飼料的消化吸收能力[13]。

2.3.2 家禽飼料

微生態(tài)制劑可以通過促進抗體和免疫因子生成、刺激機體產生免疫細胞、促進免疫器官生長發(fā)育等方式影響機體的免疫功能。研究發(fā)現(xiàn)，在1日齡健康AA肉仔雞飲水中添加微生態(tài)制劑能顯著降低死亡率、料肉比和腸道發(fā)病率，提高肉雞的平均體重、新城疫抗體效價和免疫器官指數(shù)[14]。徐海燕等在肉雞飲水中添加微生態(tài)制劑產品，結果顯示，與對照組相比，料肉比顯著下降（P＜0.05），脾臟指數(shù)、法氏囊指數(shù)顯著升高（P＜0.05），血清中新城疫血凝抑制抗體效價顯著提高（P＜0.05），盲腸內容物中分泌型免疫球蛋白A含量與血清中免疫球蛋白G含量顯著提高（P＜0.05），這證明微生態(tài)制劑不僅能夠提高肉雞的生長性能，而且可以在一定程度上增強肉雞的免疫功能[15]。董秀梅等研究發(fā)現(xiàn)，在艾維因肉仔雞飲水中添加復合微生態(tài)制劑，結果顯示，與對照組相比，顯著降低腸道內大腸桿菌數(shù)量（P＜0.05），顯著增加腸球菌、乳桿菌數(shù)量（P＜0.05）；降低血清中丙二醛的含量，顯著提高肉仔雞血清中超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶的活性（P＜0.05）[16]。范彧等在蛋雞基礎日糧中分別添加芽孢桿菌微生態(tài)制劑0.01%、0.02%及合生素類復合微生態(tài)制劑0.02%，結果顯示，與對照組相比，芽孢桿菌0.01%組和復合0.02%組能夠極顯著提高蛋雞采食量、產蛋量和產蛋率（P＜0.01），顯著提高日糧干物質及相關氨基酸表觀消化率、日糧表觀代謝能，由此可知，添加適量的芽孢桿菌及合生素類復合微生態(tài)制劑可提高蛋雞生產性能和飼料營養(yǎng)物質的表觀消化率[17]。

2.3.3 改善環(huán)境

動物排泄物中的氮磷直接進入河流湖泊、滲入地下水或者沉積在土壤中，可使水體富營養(yǎng)化，生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞，因此促進動物腸道對蛋白質、礦物質等營養(yǎng)物質的吸收，對減少氮、磷排放量有著重要意義[18]。大量研究發(fā)現(xiàn)，日糧中添加微生態(tài)制劑可以提高動物的生產性能，降低氮磷排泄量，有效改善圈舍環(huán)境質量、提高養(yǎng)殖效益。李瑞等在生長豬日糧中添加微生態(tài)制劑（主要含乳酸桿菌、芽孢桿菌和酵母菌）2 000 mg·kg-1，試驗期28 d，結果顯示，微生態(tài)制劑組單位增重N、P的攝入量高于對照組，單位增重糞N、P排放量低于對照組[19]。呂朋琴等在蛋雞日糧中添加微生物發(fā)酵飼料，結果表明，與對照組相比，試驗組腸道中乳酸桿菌數(shù)量顯著增加（P＜0.05）；N排泄量顯著降低（P＜0.05），P排泄量有降低趨勢（P＞0.05），微生物發(fā)酵飼料可顯著改善蛋雞腸道微生態(tài)環(huán)境，減少N、P的排泄量[20]。

2.4 微生物制劑存在的問題

在實際應用中，由于微生態(tài)活菌制劑的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性較差，在液體的條件下難以保存。而微生態(tài)制劑中的益生菌發(fā)揮益生作用需要具備穩(wěn)定的生理活性。在添加使用于配合飼料時，需要將產品高溫加熱制粒處理，這個過程中使產品有效成分損失較大，其保質期也受到限制。益生菌在腸道的存活率是益生菌功效重要指標之一，由于微生態(tài)制劑中的活菌在進入腸道之前經過胃酸和膽汁的作用，大部分活菌死亡，而定居于腸黏膜的活菌才能發(fā)揮其生理作用。目前已有多種方法來提高有益菌對不良環(huán)境的抵抗力，例如調整制備時的壓力、篩選出耐膽鹽和酸的菌株、添加氨基酸和混合肽改善微營養(yǎng)環(huán)境、微膠囊包被技術。其中微膠囊技術已經得到廣泛的應用，是重點開發(fā)的高新技術領域。

3 微囊化微生態(tài)制劑的優(yōu)勢

通過微囊化包被的方法將活菌包被于微膠囊內，提高微生物活菌制劑對加工過程中高溫高壓的抵抗能力，同時由于壁材的包被使芯材與外界隔離，延長了活菌制劑的存活時間，使其在適當?shù)沫h(huán)境下釋放、發(fā)揮作用。大量研究表明，采用微囊化技術可以提高益生菌加工儲藏過程和在胃腸液中的存活率，有效提高微生態(tài)活菌制劑對高溫的耐受能力[21-23]。

屎腸球菌是動物宿主腸道內的原生菌，其具有優(yōu)良的益生特性及生物安全性。王婷婷等采用發(fā)酵前包被工藝，對屎腸球菌進行微囊化，并采用平板計數(shù)法評價其對常溫貯存條件、80℃及模擬腸胃液的耐受能力，結果顯示，與游離屎腸球菌固態(tài)產品相比，其具有更強的模擬胃腸液和80℃高溫的耐受性[24]。研究發(fā)現(xiàn)，對屎腸球菌微膠囊化后所制得的微膠囊粒徑形態(tài)好，大小合適，且對沙門氏菌、巴氏桿菌、金黃色葡萄球菌及致病型大腸桿菌K88、K99有較強的抑制作用；微囊化培養(yǎng)比游離狀態(tài)下培養(yǎng)的屎腸球菌能夠更好的抵抗高銅、模擬胃液的能力及具有更好的生長優(yōu)勢；儲藏試驗結果顯示，4℃條件下，儲存2個月，活菌數(shù)下降不顯著[25]。雙歧桿菌是動物機體腸道內的重要益生菌群，對維持腸道正常生理功能、微生態(tài)平衡及動物體健康有著重要作用，但雙歧桿菌是厭氧菌且不耐受強酸環(huán)境，在胃酸、膽汁及消化酶的作用下，雙歧桿菌大部分失活，難以對動物體起到有效的保健和治療作用。研究發(fā)現(xiàn)，雙歧桿菌微膠囊技術是保護菌體活力的一種最為實用和有效的方法。研究表明，對雙歧桿菌進行微囊化，大量活性雙歧桿菌可順利通過胃酸，并在大腸釋放、增殖及代謝[26]。魏衎采用微膠囊包被乳酸乳球菌、同濃度游離乳酸乳球菌菌液添加在基礎日糧中分別飼喂給AA肉雞，試驗期為42 d，結果顯示，與對照組和菌液組相比，微膠囊包被組顯著提高雞平均日增重、飼料轉化率、胸腺指數(shù)及法氏囊指數(shù)[27]。將微生物活菌制劑與變性淀粉、糊精、阿拉伯膠、玉米糖漿等原料混合溶解、勻制、噴霧干燥，可制得質量好、包埋率高的飼用微生物制劑，可提高飼料添加劑產品的儲存時間，有效的防治高溫制粒加熱過程中的損失，充分發(fā)揮微生物制劑有效成分的作用[28]。微囊化能夠提高微生態(tài)制劑在生產、貯存及代謝過程中的穩(wěn)定性，并在動物機體內發(fā)揮其最大的價值。

4 微囊化微生態(tài)制劑存在的問題及展望

目前微膠囊技術在微生態(tài)制劑上的問題主要有加工成本較高、壁材的穩(wěn)定性、合適的加工工藝等問題。微囊化微生態(tài)制劑產品的開發(fā)需要設備、工藝及良好的材料等各個方面的支持。但隨著人們對微囊化技術認識的不斷加深，新設備、新工藝及新材料不斷的研究與開發(fā)，微囊化技術將在微生態(tài)制劑中具有更加廣闊的應用前景。

[1]Lee J S,Cha D S,Park H J.Survival of freeze-dried lactobacillus bulgaricus KFRI 673 in chitosan-coated alginate microparticles[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2004,52（24）:7 300-7 305.

[2]Lyer C,Kailasapathy K,Peiris P.Evaluation of survival and re?lease of encapsulated bacteria in ex vivo porcine gastrointestinal contents using a green fluorescent protein gene-labelled[J].LWTFood Science and Technology,2004,37（6）:639-642.

[3]Lim F,Sun A M.Microencapsulated islets as bioartificial endo?crine pancreas[J].Science,1980,210（4 472）:908-910.

[4]Salminen S,Ouwehand A,Benno Y,et al.Ptobiotics:how should they be defined[J].Trends in Food Science and Technology,1999,10（3）:107-110.

[5]劉一塵,何明清,倪學勤.益生菌劑與益生協(xié)同劑的協(xié)同作用的研究及應用現(xiàn)狀[J].中國微生態(tài)學雜志,2001,13（3）:179-180.

[6]邢廣林.甘露寡糖、中藥和微生態(tài)制劑對肉雞抗病性、消化酶活性及生產性能的影響[D].泰安:山東農業(yè)大學,2006.

[7]Setia A,Bhandari S K,House J D,et al.Development and in vitro evaluation of an Escherichia coliprobiotic able to inhibit the growth of pathogenic Escherichia coli K88[J].Journal of Animal Science,2009,87（6）:2 005-2 012.

[8]尹清強,李小飛,常娟,等.微生態(tài)制劑對哺乳和斷奶仔豬生產性能的影響及作用機理研究[J].動物營養(yǎng)學報,2011,23（4）:622-630.

[9]李小飛,王為民,鄭秋紅,等.微生態(tài)制劑替代抗生素對豬生產性能和胃腸道微生物數(shù)量的影響[J].畜牧與獸醫(yī),2008,40（10）:55-57.

[10]姜衛(wèi)星,李偉,唐松元,等.日糧中添加微生態(tài)制劑對豪豬生產性能及血液生化指標影響的研究[J].經濟動物學報,2011,15（1）:14-17.

[11]崔志文.鼠李糖乳桿菌影響仔豬腸道屏障功能的研究[D].杭州:浙江大學,2013.

[12]潘康成,黃許鋼,祝小,等.微生態(tài)制劑在斷奶小豬飼料中的應用效果研究[J].四川畜牧獸醫(yī),2006,33（11）:21-22.

[13]徐建雄,馬正馳.酶制劑與微生態(tài)制劑聯(lián)用對生長豬腸道消化酶活性的影響[J].中國飼料,2003（18）:14-15.

[14]張磊,李佳,張濤,等.微生態(tài)制劑對肉仔雞生產性能和免疫功能的影響[J].北京農學院學報,2009,23（4）:41-45.

[15]徐海燕,辛國民,王紅,等.復合微生態(tài)制劑對肉雞生長性能和免疫性能的影響[J].畜牧與飼料科學,2013,34（4）:45-48.

[16]董秀梅,張超范,魏萍.復合微生態(tài)制劑對肉仔雞腸道菌群及抗氧化機能的影響[J].中國家禽,2004,26（14）:11-13.

[17]范彧,李笑櫻,馬秋剛,等.微生態(tài)制劑對產蛋后期蛋雞生產性能及飼料營養(yǎng)物質消化率的影響[J].中國畜牧雜志,2012,48（5）:55-58.

[18]高偉,周豐,郭懷成,等.滇池流域高分辨率氮、磷排放清單[J].環(huán)境科學學報,2013,33（1）:240-250.

[19]李瑞,侯改鳳,鄔理洋,等.微生態(tài)制劑對生長豬生產性能氮磷排放量及血清免疫指標的影響[J].家畜生態(tài)學報,2013,34（6）:66-71.

[20]呂月琴,孫汝江,肖發(fā)沂,等.微生物發(fā)酵飼料對蛋雞腸道菌群和氮磷排泄率的影響[J].家禽科學,2012（6）:9-11.

[21]Cui J H,Goh J S,Dim P H,et al.Survival and stability ofBifido?bacteria loaded in alginate poly-l-lysine microparticles[J].Int J Pharm,2000,210（1）:51-59.

[22]Godward G,Kailasapathy K.Viability and survival of free,encap?sulated and co-encapsulated probiotic bacteria in yoghurt[J].Milk Sci Int,2003,58（7-8）:396-399.

[23]Ding W K,Shah N P.Acid,bile,and heat tolerance of free and mi?croencapsulated probiotic Bacteria[J].J Food Sci,2007,72（9）:446-450.

[24]王婷婷,李愛科,許偉雄,等.微囊化屎腸球菌活菌制劑的研究[J].西北農林科技大學學報,2009,37（12）:51-56.

[25]王婷婷,綦文濤,易建明,等.微膠囊化屎腸球菌及其特性研究[J].中國畜牧雜志,2009,45（21）:52-55.

[26]夏楓耿,許偉雄.微囊化雙岐桿菌的研究[J].中國食品添加劑,2002（6）:25-28.

[27]魏衎.株雞腸源乳酸球菌的篩選及其微囊化后對肉雞生長性能的影晌[D].合肥:安徽農業(yè)大學,2011.

[28]黃文,王益,譚軍.飼用微生物添加劑的微膠囊包被研究[J].糧食與飼料工業(yè),2002（7）:24-25.