豬腸道微生物的日糧調節方案

Michael Ganzle （加拿大阿爾貝塔大學教授）

豬腸道微生物的日糧調節方案

Michael Ganzle （加拿大阿爾貝塔大學教授）

1 腸道微生物日糧調節的背景

哺乳動物體內居住著大量的微生物，大部分微生物生存于宿主的消化道中，其細胞數量是宿主的10倍，基因數量是宿主的100倍。盡管任何一種腸道微生物都有足夠的能力殺死其宿主，但是大部分共生微生物對宿主還是有益的。

1.1 腸道微生物的調節機制

能夠進入人體和動物腸道的除了微量元素、蛋白質和一些沒有消化的碳水化合物外，還有大量的細菌等微生物。當細菌進入腸道后，宿主能夠識別細菌，經過細菌的刺激作用，宿主的免疫系統機能得以增強。另外，宿主本身產生免疫球蛋白 （IgA）、粘液和防御素，使微生物的整個生存環境發生改變從而對微生物實施控制。再則，各微生物之間在腸道中會相互競爭營養物質，產生抗菌活性物質，形成菌膜。

1.2 腸道微生物的作用

腸道微生物主要有以下幾個作用。一是營養功能，也就是提供食物的功能。微生物進入腸道后，通過發酵飼料中沒有消化的碳水化合物產生乳酸鹽和短鏈脂肪酸，為宿主提供能量供應，同時產生各種維生素 （維生素K、維生素B12、生物素、葉酸）和氨基酸 （賴氨酸、蘇氨酸）等。豬的能源供應30%來源于腸道微生物發酵飼料產生。二是免疫刺激的作用。腸道微生物能夠激發腸道上皮細胞的增殖和分化，由此增強免疫系統的功能。三是保護作用。腸道微生物可以與病原體競爭相關的有機酸和營養物質，從而防止病原體在腸道中的大量定植，保護宿主細胞的機能。

1.3 日糧作為飼用抗生素的替代品

如果有益菌不能在腸道中較好地定植，大量的病原菌就會引起腸道功能紊亂。在豬的不同生長階段各種病原菌的作用效果不同。如產氣莢膜桿菌C型易引起哺乳仔豬的腸功能紊亂，大腸桿菌易引起哺乳仔豬和斷奶豬的腸功能紊亂，痢疾桿菌則易引起生長豬和成年豬的腸功能紊亂。

通常人們可以使用抗生素治療腸道疾病，進而保持動物健康的狀態，減少動物的淘汰，提高動物的生長速度和肉料比。但是從整體上考慮，耐藥性是一個很嚴重的問題，耐藥菌和耐藥基因已經開始由動物向人類上轉移。目前，歐洲、韓國、美國等多個國家已經立法，禁止多種抗生素在畜禽生產中使用。

由于日糧可以干預腸道微生物的狀態，因此，可以考慮作為飼用抗生素的替代品。現有的方法主要有改變飼料配方、添加有機酸、日糧非降解性碳水化合物、低聚糖和具有特定抗菌活性的益生菌等。

2 非消化性碳水化合物的抑菌作用

圖1到達大腸的營養素

食物進入小腸后，機體吸收可降解的的碳水化合物，不可吸收的部分便進入大腸，在大腸里經過微生物的發酵，生成可被機體吸收的微生物代謝產物。為了研究不同結構的非消化性碳水化合物對腸道菌群的影響，將8頭安裝有末端回腸瘺管的生長育肥豬按照4×4拉丁方設計飼喂4種不同日糧，即以谷物淀粉和酪蛋白為基礎日糧，添加4種不同結構的非消化性碳水化合物：低粘度、低可發酵性纖維素 （CEL），高粘度、低可發酵性纖維素羧甲基纖維素 （CMC），低粘度、高可發酵性燕麥β-葡聚糖 （LG）和高粘度、高可發酵性纖維素燕麥β-葡聚糖 （HG）。在每個試驗期的最后3天收集腸道樣品。通過比較糞便和回腸的內容含量，可以得到到達大腸的營養素含量，結果表明到達大腸的營養素，飼喂CMC日糧的豬低于其它3組 （圖1）。通過分析糞便的菌群結構，發現CMC組具有與其他3組完全不同的細菌組群。CMC組糞便中粘附的耐熱型大腸桿菌毒素較高。CEL組和CMC組粘附的梭狀芽孢桿菌毒素數量較高，而LG和HG組對梭狀芽孢桿菌毒素的粘附效果不太理想。可見，可以通過改善日糧纖維來減少病原體在豬腸道中的定殖，同時只有特定的日糧纖維才能對一些特定的病原菌產生效果。

2.1 寡糖的抑菌作用

母乳中除了含有水，還含有1%～1.3%的寡糖。由于嬰兒不含有相應的分解酶，這些寡糖不能被嬰兒消化和利用。但這些寡糖有著特異性功能，一是有助于嬰兒腸道微生物區系的建立，二是能夠溶解或粘附相關的病原體，成為病原菌的可溶性受體。如腸道內存在的寡糖與產腸毒素大腸桿菌發生物理性粘附，機體便將已經粘附的病原菌隨食物殘渣排出腸道。在豬上也類似。

若細菌的表面結構與腸道粘膜表面的結構互補，發生配體-受體反應，使得細菌粘附在腸道。而不同的寡糖作為受體類似物可以與特異性細菌配體結合，從而抑制細菌在腸道的粘附。不同的大腸桿菌菌株具有受體特異性。一些大腸桿菌只結合含有N-乙酰神經氨酸（NeuGc）糖鍵的寡糖，卻不能結合含有其它糖鍵的寡糖，如大豬含有NeuGc糖鍵的寡糖，而新生仔豬不含有。因此，寡糖分子結構上的細小變化就能影響細菌的粘附。以大腸桿菌為例，需要尋找具有特異分子結構的寡糖，使大腸桿菌與之形成物理上的粘附。

2.2乳酸菌產生的胞外多糖的抑菌作用

乳酸菌可以合成胞外多糖，而胞外多糖可以粘附微生物。產腸毒素大腸桿菌 （ETEC）是導致斷奶前后仔豬發生腹瀉的主要致病菌，為了驗證乳酸菌產生的胞外多糖是否具有抗粘附特性從而抑制ETEC的生長，采用了紅細胞凝聚試驗。即將不同ETEC菌株與乳酸菌產生的胞外多糖 [甘露糖 （市場購買）、果聚糖 （羅伊乳桿菌產生）和葡聚糖 （羅伊乳桿菌產生）]混合后加入制備好的豬血紅細胞，培養一段時間，觀察紅細胞的擴張情況。結果發現在對照組中，隨著ETEC濃度的增加，紅細胞擴張的越來越嚴重，果聚糖和葡聚糖對紅細胞擴張的抑制作用非常明顯，而甘露糖的抑制效果不明顯 （圖2）。可見，乳酸菌產生的胞外多糖可以干擾ETEC的粘附。

圖2豬血紅細胞凝聚試驗