乳酸菌及其在养猪生产中的应用

时间：2024-05-23

张吉鹍

（1．湖北博大生物股份有限公司，湖北黄石 435000；2．江西省农业科学院畜牧兽医研究所，江西南昌 330200）

乳酸菌（Lactic acid bacteria， LAB）是一个非正式、不规范的细菌分类学名词[1]，指的是一类能够发酵碳水化合物且主要产物为乳酸的无芽孢（No spores）、革兰氏阳性（Grampositive）厌氧（Anaerobion）或兼性厌氧菌（Facultative anaerobe）的总称，这是一个广义概念。LAB是生物圈的重要组成成员，广泛分布于自然界（包括人、畜胃肠道和雌性生殖道）中，种类繁多，而以细菌、球菌以及杆菌为主。从土壤、植物、动物、空气、器皿以及奶制品、乳制品、发酵食品等中都可以分离到各种乳酸菌[2-4]，除芽孢乳杆菌属、芽孢杆菌属外的乳酸菌均不能形成内生芽孢，普遍不会运动（个别菌仅有少量的运动）。乳酸菌能够颉颃其他微生物的生长，但绝大多数乳酸菌对人和动物无毒、无害，可以增进人和动物的健康。同时乳酸菌也是一类仅次于酵母的重要的工业微生物，广泛应用于食品、医药、轻工业和饲料行业等不同领域，既可作为细胞工厂来生产某些有价值的产品，亦可作为生物能源开发的重要菌种，有着巨大的经济价值。

1 乳酸菌的分类、代谢、培养与保存

1.1 乳酸菌的分类

乳酸菌最早是从牛奶中分离得到的，随后相继在一些发酵品和食物中分离出乳酸菌。乳酸菌属于真细菌纲（Eubac-teriac）真细菌目（Eubacteriales）中的乳酸细菌科（Lactobacillaceae），根据目前生物学对细菌的分类，参照《伯杰氏系统细菌学手册》（第八版），乳酸菌在分类上至少涉及到23 个属，包括双歧杆菌属（Bifidobacterium）、肉食杆菌属（Carbibacterium）、乳杆菌属（Lactobacillus）、糖球菌属（Saccharococcus）、乳球菌属（Lactococcus）、肠球菌属（Enterococcus）、链球菌属（Streptococcus）、片球菌属（Pediococcus）、孪生菌属（Gemella）、环丝菌属（Brochothrix）、奇异菌属（Atopobium）以及明串珠菌属（Leuconostoc）等[5]。根据乳酸菌的细胞形态，可分为杆菌与球菌，其中片球菌属、明串珠菌属以及链球菌属是最常见的球形乳酸菌；根据生长温度的不同，可将乳酸菌分为高温型与中温型；根据乳酸发酵（所谓乳酸发酵指的是乳酸菌利用可发酵糖类产生乳酸的过程）的代谢途径，可将其分为3类：①同乳酸发酵途径，代谢产物只有乳酸；②异型乳酸发酵途径，代谢产物为乳酸、乙酸、乙醇及香味成分等；③双型歧途径，代谢产物为乳酸与乙酸。可见，乳酸是各种代谢途径的主要物质。因而，“耐酸性”成为筛选理想乳酸菌的特性之一。

1.2 乳酸的代谢产物及其应用

1．2．1 概论

1）乳酸菌为食品级生物制剂

乳酸菌以单糖、二糖等可发酵糖类为基质，在有氧和无氧的环境中所进行的乳酸发酵代谢相对较简单，具有较好的生物安全性，使得乳酸菌成为公认的安全级微生物（Generally recognized as safe， GRAS）[6]，美国 FDA（食品与药品管理局）将乳酸菌作为GRAS食品级生物制剂。

2）乳酸菌产生的多种抑菌活性物质

乳酸菌在代谢过程产生多种抑菌活性物质，主要包括有机酸（以乳酸、乙酸和丙酸为主）、细菌素（如乳链菌肽Nisin，又叫乳酸链球菌素）、抗菌肽、罗伊菌素、双乙酰、二氧化碳、苯乳酸以及过氧化氢等化合物。其抑（杀）菌作用，是通过单一的代谢产物如细菌素、有机酸、过氧化氢等，或通过与所产生的酶如溶酶体酶和蛋白酶共同发挥作用[7]。这些物质能够抑制食品腐败微生物及病原菌的生长[8-10]，对细菌、霉菌和酵母等微生物具有广谱抑杀作用[11]，从而可以防止食品、饲料腐败变质，延长食品、饲料的货架期。例如，乳球菌、植物乳杆菌对食盐和亚硝酸盐具有较好的耐受性，无明显降解蛋白质和脂肪的能力，不产气、不产氨、不产H2S、不产黏性，是较为理想的肉用乳酸菌种[12]。嗜酸乳杆菌对食盐和亚硝酸盐有一定的耐受性，可用作低盐肉制品发酵菌种，或与植物乳杆菌配合用作混合肉制品发酵剂。乳酸菌用作肉制品发酵剂，不仅对包含人在内的动物机体健康无害，且不改变肉类食品的组织状态和感官特性[11]，在食品、饲料工业中的应用必将更加广泛。总之，乳酸菌的代谢活动不仅可以增强机体的免疫能力，还可以提升食品的味道，促进动物机体对营养物质的吸收。

3）乳酸链球菌素

乳酸链球菌素是一种由34个氨基酸组成的疏水化合物，在酸性环境下比较耐热，很适合于食品加工。过去为了避免胀气造成干酪质量问题，常在干酪制作过程中将乳酸链球菌素添加到牛奶中，所添加的乳酸链球菌素还能有效地促进干酪中发酵剂菌体的分解，形成干酪特有的口味，并抑（杀）干酪中的致病菌。现在，乳酸链球菌素因其热稳定性强、无毒（害）的特点，常被用作食品、饲料的防腐剂。

1．2．2 具有抑菌活性的细菌素

乳酸菌在代谢过程中产生的细菌素（Bacteriocins），是细菌合成并分泌到环境中的一类可作为抗竞争分子、生物膜信号分子阻碍病原菌入侵微生物群落，且一般只对同种或产细菌素亲缘关系较近的微生物具有抑菌活性的杀菌蛋白、多肽物质或其复合物的次级代谢产物[13]，种类较多，抑菌谱较为广泛，对多种革兰氏阳性菌具有较强的抑杀作用[14]，是一种具有潜在开发价值的天然食品、饲料防腐剂[15-18]。例如，各种双歧菌素（Bifidin）与乳酸杆菌素（Lactobacillin）均能显著地抑杀沙门氏菌（Salmonella）、梭状芽孢杆菌（Clostridium）、葡萄球菌（Staphylococcus）以及志贺氏菌（Shigella）[19]。此外，双歧杆菌等还能将结合胆酸（Conjugate Bile Acid）分解为游离胆酸（Free bile acid），而游离胆酸对细菌的抑杀效果比结合胆酸更好。目前，许多对病原微生物具有抑菌作用的乳酸菌已从不同的生态环境中分离出来[7，20-21]。这些分离出的乳酸菌每种都可以产生一种或多种乳酸菌素，但产量低，故分离、筛选高产广谱细菌素乳酸菌株，构建工程菌株成为当前乃至今后一定时期有关乳酸菌研究的热点之一。

1．2．3 乳酸菌胞外多糖

乳酸菌胞外多糖是一种无毒副作用、具有一定生物活性的物质，具有多种用途：①参与生物体内生命现象中细胞的各种活动，具有较为丰富的生物学功能，主要体现在调节动物机体免疫、抗肿瘤，抗病毒、防衰老，降血糖等方面。②乳酸菌胞外多糖的稳定与增稠作用，被广泛用作食品加工的凝胶剂与乳化剂，以增强食品与水的结合能力。

1.3 乳酸菌的培养

乳酸菌有着特殊且复杂的营养要求，为了满足乳酸菌的正常生长需要，除需在培养基加入碳源、氮源、无机盐类外，还需要补充维生素、氨基酸、肽等。山丽杰等[22]发现培养乳酸杆菌通常使用的培养基是脱脂乳、乳清基础培养基和MRS培养基。汤保贵等[23]指出乳酸菌生长的最适 pH 为 6．5 ～ 7．0。不同的乳酸菌，对最适温度要求不同。高温型的最适温度为37 ℃；中温型的最适温度为25～30 ℃，一般采用恒温厌氧培养即采用95%氮气加5%二氧化碳的培养箱培养。

1.4 乳酸菌的保存

乳酸菌在其保存过程中，会因代谢产生的乳酸而逐渐降低培养基的pH，最终导致乳酸菌的死亡，所以保存乳酸菌时要不断地进行传代移种。目前，保存乳酸菌菌种的方法主要有传代法、干燥法、冷冻法及冷冻干燥法4种，而以冷冻干燥保存法和超低温保存法因安全性高，使用最广。这是因为在超低温冷冻（-196 ℃液氮）中保存的乳酸菌，其活细胞物质代谢和生长几乎完全停止[24]。Fonseca等[25]用甘油、糖类、麦芽糊精等高黏度保护剂先对乳酸菌进行保护，然后快速冷冻保存乳酸菌，证明这些高黏度保护剂对乳酸菌具有较好的保护效果，而以二甲基亚砜、甲醇等做保护剂，因其不能改变冷冻浓缩液结构，对乳酸菌的保护效果较差，建议不用或少用作乳酸菌的冷冻保护剂。

2 乳酸菌的生理机能

乳酸菌在动物消化系统内的正常生长，可有效地抑制腐败菌在动物肠道内的繁殖，更好地调控动物胃肠道内菌群的平衡。深入了解乳酸菌的生理机能，让乳酸菌更好地为畜牧业服务。

2.1 维持动物肠道微生态平衡

乳酸菌是动物肠道内重要的优势菌群，在维持动物肠道菌群平衡方面有着重要作用，能为肠道屏蔽住一些致病菌种的侵袭。动物刚出生时，其消化道内通常无菌。出生后在与外界的接触中逐步建立起自己的肠道微生物体系，此时若给初生动物添加乳酸菌这类外源益生菌，可有效地提高益生菌在动物肠道的定植抗力，使其成为动物肠道的优势菌群。在肠道中定植的乳酸菌类益生菌，由于其正常生长夺取了致病菌的生存空间与营养，加之其代谢产物对包括腐败菌在内的病原菌生长增殖的抑制及对致病菌入侵的阻栏[26]，从而保证了肠道内微生态的平衡，发挥着增强机体免疫功能、调节肠道菌群结构、促进畜禽生长的作用。马治宇[27]指出，优势菌群是维持动物肠道内微生态平衡的核心因素，如果肠道内的优势菌群含量下降或失衡，将导致肠道微生态体系的紊乱与失衡。Angela等[28]证明，乳酸菌是定植在动物肠道中的有益菌群，以乳酸菌为代表的专性厌氧菌是构成动物定植抗力（即宿主对致病菌与潜在致病菌在正常微生物群中定植和繁殖的阻抗力）的主力。而且，来源于宿主本身的菌种制剂比外源菌种制剂对机体健康更有益[29]。因此，早期补充乳酸菌，能使其更多地定植于肠道上皮，起到占位作用，同时产生足量的乳酸，降低肠道pH，抑制致病菌及腐败菌的生长，促进肠的蠕动，维持肠道微生态平衡和正常生理功能。

2.2 增强动物机体的免疫功能

第一，乳酸菌作为肠道中的益生菌，不仅能够激活、提高巨噬细胞的吞噬作用，而且由于它在肠道中的定植，可以刺激肠道黏膜生长，促进免疫器官的发育与成熟，加快动物机体免疫系统的建立与天然免疫屏障的完善。第二，乳酸菌能够刺激腹膜巨噬细胞，影响黏膜免疫系统（Mucosal immune system， MIS），调节T细胞的免疫反应，促进细胞分裂、产生干扰素与抗体，提高免疫细胞的活性与血清中免疫球蛋白水平，促进细胞免疫，从而增强机体的特异性与非特异性免疫反应，提高机体的抗病能力，发挥预防、治疗疾病的作用。第三，乳酸菌能够促进T淋巴细胞与B淋巴细胞的增殖，提高T淋巴细胞和B淋巴细胞的活性，增强机体的体液免疫和细胞免疫功能以及免疫调节能力[30]。杭柏林等[31]的研究发现，在基础日粮中添加植物乳杆菌和粪链球菌均能促进AA肉鸡胸腺、脾脏和法氏囊的发育，增强白细胞的吞噬功能，增加胸腺和脾脏中T细胞的数量，提高机体产生ND疫苗HI抗体的水平。张凯等[32]报道，乳酸菌可刺激宿主产生免疫及清除功能，增加黏膜表面和血清中IgA、IgM、IgG水平，增强体液免疫，促进T、B淋巴细胞的产生，活化自然杀伤细胞，并产生免疫球蛋白。Strompfova等[33]给仔猪日粮中添加屎肠球菌后，发现屎肠球菌可以显著提高其血清总蛋白、钙、血红蛋白、红细胞浓度及颗粒细胞吞噬指数（P＜0．05），提高了机体的免疫力。李雪平等[34]通过在肉鸡的基础日粮中添加150 g/t乳酸菌制剂，结果表明肉鸡的脾脏、法氏囊指数和血清的溶菌酶含量显著提高（P＜0．05）。这些研究结果表明，乳酸菌能提高畜禽的免疫力。

2.3 发酵饲料，促进营养物质吸收的功能

乳酸菌在饲料消化代谢中，可以降解饲料原料（如豆粕）中的抗营养因子以及一些不易为动物机体吸收利用的大分子（蛋白质、糖类、脂肪等）营养物质，显著地提高这些营养物质的消化率与生物效价，促进其消化吸收[35]。这些饲料原料经乳酸菌发酵后，极大地降低了其中不利于动物机体吸收的营养物质的含量，大幅度地增加了易于为动物机体消化吸收的营养物质的含量，提高了饲料的营养价值。此外，乳酸菌除了能产生一般微生物所产生的酶系（如促进机体对营养物质吸收、利用的淀粉酶、蛋白酶和葡萄糖苷酶等多种消化酶）外，还能产生一些特殊酶系，使其具有特殊的生物学功能[36]。如产生有机酸的酶系、分解亚硝胺的酶系、分解脂肪的酶系、合成多醣的酶系、合成各种维生素的酶系等。在这些酶系的共同作用下，使得经乳酸菌发酵的食品、饲料具有柔和的酸香味，改进了包括感官品质在内的饲（食）用品质，使得经乳酸菌发酵的食品、饲料具有抗肿瘤和增强机体免疫力等重要生物学功能。这也是乳酸发酵自古就被广泛用于果蔬制品、乳制品、肉食加工、酿造和面包制造等的重要原因。乳酸菌在代谢过程中除消耗维生素外，同时还合成维生素，如叶酸等B族维生素。其代谢过程产生的有机酸会降低肠内pH，增强维生素B1、维生素B6和维生素B12的稳定性，使Ca、P元素处于易吸收的离子状态，从而促进骨骼发育，防止动物由于缺铁、缺钙引起贫血病与软骨病等。总之，乳酸发酵对食品、饲料的主要作用，可以归纳为：提高酸度，增加风味；提高养分，改善食品、饲料的营养价值与动物的采食量；延长食品、饲料的保质期，防止腐败；增强动物机体的免疫力，减轻疾病。

3 乳酸菌在养猪生产中的应用举例

3.1 日粮中直接添加乳酸菌

让猪采食添加有足量乳酸菌的日粮，可以提高猪的抵抗力、饲料利用率（提高饲料转化率、降低料重比）与生产性能（提高日增重与猪肉品质）。将1×109CUF/mL 植物乳杆菌 ZJ316添加到仔猪基础日粮中，仔猪的日增重、饲料转化率分别较添加抗生素乙酰甲喹的对照组提高 20．45%（P＜ 0．05）、21．95%（P＜ 0．05），料重比减少19．18%（P＜ 0．05），并且显著降低了仔猪的死亡率与腹泻率，明显改善了猪肉品质[37]。这是因为在断奶仔猪日粮中添加乳酸菌等有益菌，使仔猪肠道内乳酸菌大量繁殖而抑制了有害菌的生长，提高了机体的抗病力，使得断奶仔猪的腹泻率降低[38]。

3.2 乳酸菌及其组合发酵的猪饲料及其应用

3．2．1 乳酸菌及其组合发酵猪饲料的工艺与验证

李洁等[39]利用枯草芽孢杆菌和乳酸菌发酵仔猪全价饲料，以制作仔猪液体微生物发酵饲料，最佳发酵条件为：总接种量4%（其中芽孢菌与乳酸菌各占2%），料水重量体积（W/V）比为1：3．5，发酵温度 32 ～ 37 ℃。在 37 ℃下发酵3 d，饲料含水量80%，还原糖含量达到 2．17%（提高 10倍），乳酸含量 3．4%，柠檬酸含量 0．331%，丙酸含量0．130%，乳酸菌活菌数达到1010CFU/g。并用经此工艺发酵的液体饲料进行仔猪饲养试验以验证发酵工艺。饲养试验结果表明，添加50%发酵液态饲料的试验组，其日增重与采食量分别比对照组提高 11．68%（P ＜0．05）与 1．96%（P ＞0．05）；其料重比与腹泻率分别降低 8．55%（P ＞0．05）与54．88%（P ＜0．05）。

3．2．2 乳酸菌及其组合发酵的猪饲料对猪生产性能的改善

金桩等[40]研究了乳酸菌发酵饲料对规模化猪场生长猪生产性能和健康的影响，发现在平均温度为29．8℃，平均相对湿度为78．2%的条件下，在生长猪饲料中分别添加20%、30%和50%的乳酸菌发酵饲料，平均日采食量比对照组分别提高了 3．47%、4．16% 和 4．88%（P＜0．05）；平均日增重分别比对照组提高了 9．67 %、11．47% 和 13．68%（P＜0．05）；料重比分别比对照下降了5．16%、6．35% 和 7．54%（P＜ 0．05）；发病率分别比对照组降低了38．46%、46．15% 和 69．23%（P＜ 0．05），而且试验组猪的病程明显比对照组猪要短，治疗药物用量少；经济效益分别比对照组提高 22．7%、26．8% 和 31．6%（P＜0．05）。在体重25～50 kg 阶段生长猪日粮中添加50%乳酸菌发酵饲料能最大限度地提高生产性能、改善健康状况并取得最大收益。

胡新旭等[41]用复合益生菌制剂（主要成分为乳酸杆菌、枯草芽孢杆菌和酵母菌等，活菌数≥ 2×109CFU/mL）发酵全价乳猪配合粉料，发酵时添加液体（菌液和水分，发酵液接种比例为5%）比例为40%（料水比为3：2），发酵3～7 d，制作仔猪无抗发酵饲料。无抗发酵饲料发酵前和发酵7 d后成分检测结果为：发酵前，粗蛋白质18．00%、钙 0．71%、总磷 0．59%、无机磷 0．40%；发酵 7 d后，粗蛋白质18．20%、钙 0．70%、总磷 0．58%、无机磷 0．46%、乳酸菌 2．7×109CFU/g、枯草芽孢杆菌 4．2×106CFU/g、酵母菌 4．5×106CFU/g。发现在断奶仔猪日粮中添加20% 的无抗发酵饲料，就能表现出明显效果：能够改善仔猪肠道微生物平衡，增强仔猪免疫力（血清碱性磷酸酶活性和葡萄糖、总蛋白、免疫球蛋白G含量显著提高，腹泻率降低63．63%），提高仔猪的养分表观消化率（血清尿素氮含量降低，料重比降低5．54%）与生长性能（日增重提高6．37%）。

3．3 乳酸菌对猪肠道屏障功能的调节作用及其机制

谯仕彦等[41]就乳酸菌对猪肠道屏障功能的调节作用及其机制进行了综述，指出：乳酸菌具有很好的改善猪肠道屏障功能的作用，这种作用与乳酸菌对肠道菌群结构、肠绒毛结构、上皮细胞通透性和TJs、黏液的分泌和免疫功能的调节有关。众多研究者从乳酸菌的表面分子组成中寻求微生物相关分子模式与宿主上皮细胞（包括树突状细胞）分子识别受体间的关系，进而解析乳酸菌调节肠道屏障功能的分子机制。但这种机制仍然具有很多的不确定性，且这些结果都是由体外细胞实验取得。乳酸菌对肠道功能的调节具有很强的菌株特异性，且人和动物的肠道环境非常复杂。近年来，基因组学、蛋白质组学和代谢组学的发展，为从体内实验的角度探索乳酸菌的确切作用机制提供了新的认识和研究手段。