益生芽孢桿菌機理探究及應用研究進展

劉 陽

(四川旅游學院，四川 成都 610100)

1 益生菌研究現狀

近年來，隨著人們對抗生素的耐藥性及殘留等安全問題的重視，一種無毒、無殘留、無抗藥性的微生態添加劑——益生菌應運而生。益生菌通俗而言，是指一類對宿主健康有益的活性微生物[1-2]。世界衛生組織(WHO)及聯合國糧食與農業組織(FAO)專家組對益生菌的定義為：經適量服用后，可對宿主健康給予有益作用的一些活的微生物[3]。而目前通常認為：益生菌是指能通過調節腸道營養與菌群平衡對宿主產生有益的生理作用，或是通過改變宿主某一部位菌群的組成對宿主健康有利的單一微生物或組成明確的混合微生物[4-7]。

根據美國藥品與食品管理委員會發布的統計結果，目前可被安全應用的有益微生物有43種，例如乳酸菌、鏈球菌、腸球菌、酵母菌、芽孢桿菌、真菌等[8]。我國農業部2006年第658號公告中也發布了可直接飼喂動物、允許應用的飼料級微生態制劑菌種包括枯草芽孢桿菌、保加利亞乳桿菌、釀酒酵母等16種。此外，在國內外還陸續有新的應用菌種報道，如堅強芽孢桿菌、環狀芽孢桿菌、芽孢乳桿菌、丁酸梭菌、巨大芽孢桿菌等[9]。現階段，常用的益生菌主要有酵母、乳酸菌、光合細菌和芽孢桿菌四大類[10-12]。

目前國內外報道中，益生菌主要分離于動物腸道和非腸道(如植物和相關作物食品等)。已分離的益生菌群主要分為3大類，即：乳桿菌類[13]、雙歧桿菌類[14]、革蘭氏陽性球菌[15]。這些菌株均具有良好的耐酸，耐膽汁、胃液及對抑菌病原菌的性能特征。在實際生產應用中，針對不同材料來源和功能需求，將不同功能的益生菌添加食品、藥品中進而使其發揮重要的生理功能作用，目前已應用的益生菌株，如表1所示。

某些益生菌還具有緩解不耐乳糖癥[19-21]、促消化、延緩衰老和抑菌作用[22]。在禽類養殖業中，將益生菌添加肉雞養殖中能明顯增加肉雞體重、提高對原料利用率、降低脂肪厚度[23-24]，應用在水產養殖中也可以顯著提高產量，改善產品質量[25-27]。

表1 益生菌功能及其相應菌株

2 益生芽孢桿菌

益生菌株的品種繁多且功能各異，其中益生芽孢桿菌就是一類潛力巨大的菌群。芽孢桿菌(Bacillus)，屬桿菌科細菌，多數為好氧或兼性厭氧，革蘭氏染色顯陽性，是一類能夠在逆境下形成休眠體芽孢以抵制不良環境的桿狀細菌[28]，是土壤和植物微生態環境的優勢種群之一。

益生芽孢桿菌能夠產生內生孢子，而芽孢是整個生物界中抗逆性最強的生命體，故其對外界環境壓力的抵抗能力很強，能夠避免干燥、熱和紫外線輻射所造成的損傷。一些芽孢桿菌能夠分泌活性很強的淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、纖維素酶等，此有利于降解動植物食物中的大分子物質。其次，有些芽孢桿菌還可以產生抗菌素等。此外，由于腸道內大多有害菌為需氧菌，厭氧環境不利于其生長，芽孢桿菌通過利用生物奪氧形成腸道內的厭氧環境，從而保持腸道生態平衡[29-30]。益生芽孢桿菌的優良性能使得其被廣泛應用于飼料加工、醫藥業、農業、工業等各個行業。

3 芽孢桿菌益生性能

3.1 生物奪氧，維持腸道厭氧環境

動物腸道中的原著菌株多為厭氧菌，在厭氧環境中才能正常生長和代謝。當芽孢桿菌進入動物腸道后，生長代謝消耗大量的氧氣，導致腸道內的局部氧分子濃度下降，從而造成腸道內的厭氧環境。這樣不僅可增強腸道對需氧菌的抑制能力，同時還有利于雙歧桿菌、乳酸菌等原著厭氧益生菌的生長，從而促進動物健康。

3.2 抵抗病原微生物，維持和調節腸道微生態平衡

動物腸道的微生物種類和數量一直處于一個動態的平衡。這種平衡的相對穩定保證了動物內環境穩定與動物健康，而當這種微生態平衡被破壞，某些危害動物的細菌就會大量增殖，動物因此會處于危急狀態，引發動物疾病，例如大腸桿菌在豬仔體內大量增殖，可誘使仔豬免疫力下降，沙門氏菌趁機侵入血液，引起仔豬沙門氏菌病[31]。

芽孢桿菌對調整動物機體腸道內的微生態平衡具有一定的促進作用，其不僅能抑制一些病原菌的生長，還能促進動物體內有益菌和厭氧菌的增殖。有體外研究表明，豬源性芽孢桿菌代謝產物中所含抑菌活性因子對致病性大腸桿菌具有較好的抑菌效果[32]。給動物喂養芽孢桿菌后，可促使動物腸道內有益菌增多而潛在的致病菌減少，進而減少疾病的發生率。也有研究報道，將地衣芽孢桿菌與雙歧桿菌、乳酸菌、大腸桿菌混合培養，前者對雙歧桿菌、乳酸菌有促進和共生作用，而對大腸桿菌具有抑制作用[33]。

3.3 增強免疫功能，提高抗病能力

芽孢桿菌可作為非特異性的免疫調節因子，刺激機體免疫系統，提高機體免疫力。芽孢桿菌侵入動物體內，可刺激機體腸道相關淋巴組織處于高度的“免疫準備狀態”，從而加快免疫器官發育，促進免疫系統的成熟，提高動物的免疫水平，增強抗病能力[34]。

3.4 產生酶類、營養物質等

芽孢桿菌在動物腸道內快速生長代謝，可以產生許多對機體有益的代謝產物。例如，地衣芽孢桿菌可以產生含量較高的維生素B、維生素C、促生長因子等，這些物質能顯著的改善動物的生長發育[35]。此外，研究表明大多數芽孢桿菌能分泌淀粉酶、脂肪酶等水解酶，以及果膠酶、纖維素酶等非淀粉多糖的酶類，這些酶類可提高動物對飼料的利用率。據報道，飼喂芽孢桿菌能夠提高肉雞淀粉酶和總蛋白酶活性，用蠟狀芽孢桿菌飼喂仔豬，其空腸中脂肪酶的活性可顯著提高。

4 益生芽孢桿菌應用現狀

芽孢桿菌種類繁多、數量龐大，且具備多方面的益生性能，促使其在生產實踐中應用及其廣泛。

4.1 芽孢桿菌在養殖業上的應用

芽孢桿菌在畜禽的養殖中應用廣泛，不僅能夠增強動物機體應對不良刺激的能力，減少死亡率，降低經濟損失，還可提高產品品質，增加同類產品的經濟價值和食用價值。有實驗表明，將納豆芽孢桿菌添加到仔雞的飼料中，并與未添加的對照組相比，實驗雞的抗體水平有顯著增加，脾臟中淋巴T、B細胞的數量也有提高，仔雞死亡率明顯降低[36]。此外，研究人員還發現在25周齡蛋雞飼料中添加枯草芽孢桿菌培養物，能降低蛋黃中膽固醇的含量[37]。另有研究結果表明，在仔豬日糧中添加芽孢桿菌可以提高仔豬生長速度、飼料轉化率，降低哺乳時間及斷奶后仔豬的腹瀉率，改善仔豬腸道健康[38]。

此外，益生芽孢桿菌在水產業中也有應用，其主要有兩種用途：一是直接用于凈化水質，另一方面是用作養殖飼料的添加劑。

4.2 芽孢桿菌在農業上的應用

芽孢桿菌在農業生產上有著廣泛的應用，其可用做生物農藥和生物肥料。用作生物肥料的主要是具備固氮作用的芽孢桿菌，被稱為固氮芽孢桿菌(Bacillus caotofixans)，是多粘芽孢桿菌的一個變種。此外，利用芽孢桿菌可制成很多生物農藥，尤其是蘇云金芽孢桿菌及其伴胞晶體制成的農藥，是農業上理想的殺蟲劑，已成為世界上產量最大的生物農藥之一[39]。國內外有關枯草芽孢桿菌對植物病原菌的抑制作用及防治試驗的研究也有很多，因其能夠產生多種抑制植物病原菌生長的抑菌因子，且對人畜無害，綠色環保，所以在防治植物病害中起著舉足輕重的作用[40]。

4.3 芽孢桿菌在工業上的應用

因芽孢桿菌具有產生大量的淀粉酶和蛋白酶等水解酶類的特性，所以在工業上也得到了廣泛的應用。淀粉酶是非常重要的一類酶制劑，工業上常用的耐高溫的α-淀粉酶(俗稱液化酶)，大部分是由地衣芽孢桿菌產生的[41]；嗜堿芽孢桿菌可以生產堿性纖維素酶，該酶是非常重要的洗滌添加劑，它可以增強洗衣液的洗滌效果，除去衣物上的污漬，增加衣物的鮮艷度等[42]。此外，芽孢桿菌在污水處理，改善環境方面也發揮著重要作用，芽孢桿菌產生的酶可以降解水中的有機污染物，以達到凈化水質的目的[43]。

4.4 芽孢桿菌在醫藥衛生上的應用

芽孢桿菌在醫藥領域中主要用于保健品和腹瀉治療藥物生產，目前，像蠟樣芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌等是常用的活菌制劑。如地衣芽孢桿菌無毒菌株BL20386活體菌株制成的膠囊——“整腸生”，主要具備調節微生態平衡、醫治腸炎、腹瀉等多種功效[44]；再如從韓國進口的治療幼兒腹瀉的藥物-“媽咪愛”，其主要有效成分為枯草芽孢桿菌和糞鏈球菌。此外，某些枯草芽孢桿菌活菌制劑口服液可用于治療腸炎、支氣管炎等多種炎癥，且對預防和治療燒傷瘡面也具有一定療效[45]。

4.5 芽孢桿菌在科學研究中的應用

在芽孢桿菌屬中，很多天然菌株具有高生物活性的基因，如地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、短小芽孢桿菌可用作基因工程的受體菌株。可見，芽孢桿菌在分子生物學領域也具有廣泛的利用價值，并且多數芽孢桿菌安全性高，對環境不會造成污染，使其在科學研究中的應用日益增加。

5 小結

綜上所述，益生芽孢桿菌具有其獨特的應用優勢，即應用安全性、產酶性能好、廣譜的抗菌活性、代謝快、穩定性高、和分子加工易操作性等。而現階段我國的益生芽孢桿菌產品相比國外同類產品仍比較匱乏，益生芽孢桿菌基礎理論和生產技術方面的研究也相對薄弱。因此，篩選益生特性強的芽孢桿菌具有非常重要的現實意義，其不僅可擴大益生芽孢桿菌制品的開發應用，也會進一步促進益生菌的研究。