丁酸梭菌作用機理及其在動物生產中的應用

胡紅偉，張嬋娟，閆凌鵬，麻嘯濤，楊京娥，黨亞鵬，陳茹茹

（山西大禹生物工程股份有限公司，山西 芮城 044600）

丁酸梭菌又名酪酸梭菌、宮入菌，由日本千葉大學宮入近治博士首次從糞便中分離，該菌是腸道中的一種嚴格厭氧的芽孢桿菌，能夠分泌丁酸，大量存在于土壤及健康動物及人的腸道中，具有較好的抗逆性能，能夠在低pH、高膽鹽濃度的培養基中存活，能夠產生內生孢子，這些特性有利于丁酸梭菌作為飼料添加劑應用于動物生產中[1-5]。日糧中添加丁酸梭菌具有促進生長、提高免疫力及平衡腸道菌群等功能，早在1976年，日本批準丁酸梭菌作為飼料添加劑，歐盟于2003年批準丁酸梭菌作為飼料添加劑，2009年，我國農業部批準丁酸梭菌作為新飼料添加劑應用于畜禽生產。

1 丁酸梭菌形態及生理特征

丁酸梭菌菌體為桿菌，寬0.5～1.7 μm，長2.4～7.6 μm，偶爾可見到絲狀菌體，周身鞭毛，能運動。為革蘭氏陽性專性厭氧菌，菌種培養后期產生孢子，芽孢呈圓形或卵圓形，使菌體偏末端部位膨大呈梭狀[6]。細胞壁不僅含有D、L-二氨基庚二酸，還含有葡萄糖，平板培養基中菌落乳白色或奶油色、濕潤，呈圓形，不規則，菌落稍凸，直徑為1～3 mm。丁酸梭菌具有很強的抗逆性，芽孢90℃處理10 min，100℃處理5 min都不會失活，在pH為1.0時仍能存活，在pH 4.0～9.8時能較好的生長，最適生長pH為7.2。生長溫度為16～44℃，其中最適生長溫度為36℃。

丁酸梭菌能較好利用葡萄糖發酵產氫氣，同時能夠利用多種碳水化合物，如蔗糖、麥芽糖、棉籽糖、果糖、甘露糖、乳糖和淀粉，明膠不液化，不發酵肌醇。代謝產物有丁酸、乙酸、乳酸、丁醇等，同時還可產生淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶、脂肪酶等酶制劑，生長過程中能合成除生物素以外的其他維生素和氨基酸，因此培養基中需要額外添加生物素[7-8]。

2 丁酸梭菌作用機理

2.1 頡頏病原菌，修復腸黏膜

益生菌與致病菌競爭定植位點，降低致病菌的黏附能力，這是衡量益生菌抑菌能力的重要指標。相關研究顯示，丁酸梭菌在腸道中可抑制致病菌的生長，減少對腸黏膜黏附和定植的機會，降低各種有毒代謝產物的產生，修復受損腸黏膜[9-10]。丁酸梭菌可在腸道中發酵糖類產生丁酸、乙酸、丙酸的酸化劑，能夠降低腸道pH，低pH可對某些致病菌起到抑制作用。丁酸是結腸黏膜主要的能量來源，Chapman等發現，短鏈脂肪酸（乙酸、丙酸、丁酸）是由結腸細菌發酵非淀粉多糖產生的，丁酸是結腸上皮細胞主要的能源物質，潰瘍性結腸炎患者的結腸上皮細胞對丁酸的氧化能力減弱，因此通過氧化獲得的能量將會減少，丁酸對結腸黏膜修復的能力下降[11]。

2.2 增強免疫

腸道菌群的失調引發宿主的炎癥免疫應答，導致多種免疫和代謝疾病[12-14]。Atarashi等研究發現，梭菌屬細菌誘導腸上皮細胞的轉化生長因子TGF-β促進IL-10的積累，IL-10誘導T調節細胞抑制葡聚糖硫酸鈉（DSS）誘導的結腸炎[15]。Yoshio等發現，丁酸梭菌代謝產物中的某種成分能夠促進雙歧桿菌的增殖，但經過熱處理后該功能被抑制，說明這些成分對熱敏感，可能是由蛋白質組成；同時還發現丁酸梭菌代謝物中還存在一些能夠抑制大腸桿菌、沙門氏菌、白色念珠菌等病原菌的抑制因子[16]。經DSS處理后的急性結腸炎小鼠，腸道內丁酸吸收減少，進而導致腸黏膜受損，腸道各項生理功能受到影響[17]。Segain等試驗證實，丁酸能夠抑制腸道克羅恩病患者的炎癥反應，原因在于腸道丁酸抑制了免疫細胞中NF-κB的活化，而NF-κB在免疫反應和炎癥反應中參與了TNF、IL-1、IL-6等炎癥相關基因的表達，丁酸的作用在于抑制NF-κB進入細胞核，由于沒有活性NF-κB，促炎性因子的mRNA不能轉錄，促炎性因子不能表達，最終導致炎癥反應被抑制[18]。

2.3 產生抑菌物質-丁酸梭菌素

一些研究將丁酸梭菌的培養液分離，進一步研究其抑菌效果和生理功能。Clarke等從丁酸梭菌NCIB7423菌株發酵液中分離并純化得到一種能夠對抗其他梭狀芽孢桿菌的蛋白質-丁酸梭菌素7423，其作用位點是細胞膜[19]。用丁酸梭菌素處理巴斯德梭狀芽孢桿菌時，細胞膜通透性發生改變，細胞膜中的代謝物和離子外流，進而導致細胞死亡。賈麗楠等通過體外抑菌實驗研究丁酸梭菌發酵上清液的抑菌效果和抑菌機理，分別用丁酸梭菌發酵上清液和經過排酸、過氧化氫酶、胰蛋白酶、蛋白酶K處理的上清液對大腸桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌、副溶血性弧菌、產氣莢膜梭菌等5種腸道致病菌進行體外抑菌實驗，結果表明，未處理上清液對5種腸道致病菌均有明顯抑制作用，經蛋白酶處理后抑菌作用消失，可以推斷出起抑菌作用的物質為有機酸、蛋白質或多肽類物質[20]。

3 丁酸梭菌在動物生產中的應用

3.1 調節腸道微生態平衡

歷經長久的生物進化演變，任何動物腸道中的微生態區系達到了一個相對穩定的平衡狀態，一旦外界環境發生改變或生物體內部疾病的發生，各種有害菌或機體自身的有害菌迅速增殖，打破原有的腸道微生態平衡，導致多種疾病的發生，因此維持腸道微生態平衡十分必要。

丁酸梭菌分泌產生的丁酸和H2，丁酸為結腸上皮細胞提供能量來源，H2可以降低腸道氧化應激，減少炎癥的產生。丁酸梭菌在腸道中發酵產生乙酸、丙酸等其他短鏈脂肪酸，可以促進腸道蠕動，減少毒素在腸道存留時間，同時，代謝產物丁酸梭菌素可有效抑制腸道病原菌。丁酸梭菌及其代謝產物相結合，為腸道益生菌的生長提供良好的環境。

張玲等研究丁酸梭菌與鼠李糖乳桿菌混合培養對腸道中沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、產氣莢膜梭菌梭菌和大腸桿菌4種致病菌的影響，結果表明，4種致病菌均受到丁酸梭菌不同程度的抑制作用，與單獨培養相比，混合培養后，致病菌數量下降3～5個數量級[21]。龐敏等研究發現，丁酸梭菌可以使斷奶仔豬回腸和結腸咬合蛋白mRNA表達量顯著升高，降低腸道通透性，減少腹瀉，同時顯著降低回腸隱窩深度[22]。歐陽志周等從仔豬腸道內容物中分離獲得1株丁酸梭菌，命名為C.butyricumQL-1，90℃水浴5 min存活率＞95%，pH在2～3時，存活率＞94.8%，且能夠耐受＜0.3%膽鹽，日糧中添加該菌，能夠改善仔豬十二指腸與回腸的V/C值，改善腸道形態[23]。Yang等添加在肉仔雞日糧中添加不同比例丁酸梭菌，同時做對照組，發現丁酸梭菌添加量為2.0×107cfu·g-1日糧或3.0×107cfu·g-1日糧時，21～42 d時，乳酸菌和雙歧桿菌數量高于對照組，14～42 d，腸道大腸桿菌及沙門氏菌顯著低于對照組[24]。楊靜等試驗發現，丁酸梭菌磷壁酸能夠通過抑制NF-κB的表達減少TGF-α的分泌，減少了組織損傷[25]。Hossain等評估了枯草芽孢桿菌、丁酸梭菌和嗜酸乳桿菌組成的三聯菌對腸道微生物影響，發現與對照組和抗生素組相比，試驗組雙歧桿菌數量顯著提高[26]。

3.2 改善動物生產性能

大量研究證實，丁酸梭菌能改善肉仔雞的生產性能，原因可能是丁酸梭菌通過調節腸道微生態平衡，維持肉仔雞穩定的腸道環境，同時，丁酸梭菌在腸道內產生淀粉酶、蛋白酶等消化酶，促進了動物對營養物質的消化吸收。Yang等研究表明，肉仔雞生長全期日糧中丁酸梭菌添加量為2×107～3×107cfu·kg-1時，肉雞體重和平均日增重都顯著高于對照組，與Zhang等的研究結果一致[24,27]。Zhao等研究丁酸梭菌和糞腸球菌對Ross 308肉仔雞生產性能的影響，發現日糧中添加丁酸梭菌1×109cfu·kg-1能夠顯著提高日增重與日采食量，與添加量為糞腸球菌2×109cfu·kg-1差異不顯著[28]。鄧文等研究丁酸梭菌和低聚木糖對Ross 308肉雞生長性能、屠宰性能和肉品質的影響，結果顯示同時添加丁酸梭菌和低聚木糖能顯著提高平均日增重，降低料肉比，兩者交互作用明顯，同時還能顯著降低肉雞腹脂率，顯著提高胸肌pH45min及顯著降低滴水損失[29]。馬洪慶等研究由丁酸梭菌、地衣芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌組成的三聯菌劑對麻羽肉雞生長性能的影響，結果表明，日糧中添加丁酸梭菌三聯菌劑100 mg·kg-1，可提高日增重7.6%，降低料肉比10%，還可以顯著降低腸道大腸桿菌和沙門氏菌的數量，乳桿菌數量比對照組提高9.1%[30]。

相關學者研究丁酸梭菌對仔豬生產性能的影響。仔豬剛出生時，消化道是無菌的，從出生到斷奶前，仔豬的消化道菌群逐漸建立，但是穩定性差，丁酸梭菌的添加可改善仔豬腸道微生態平衡和生長性能。凌欣華等報道了飼料在添加復合丁酸梭菌對保育仔豬的影響，試驗周期30 d，發現添加量為1 000 g·t-1后，日增重比對照組提高5.18%，比抗生素組提高4.79%，料重比較對照組下降3.08%，所有數據差異不顯著[31]。李玉鵬等在日糧中添加丁酸梭菌5×105cfu·g-1，研究其對斷奶仔豬生長性能的影響，結果表明，與對照組相比，試驗組仔豬平均日增重提高7.83%，料重比降低5.26%[32]。王騰浩等研究丁酸梭菌對斷奶仔豬生長性能的影響，結果表明，與Zn+抗生素組相比，丁酸梭菌組平均日增重顯著提高，飼料轉化率顯著降低，平均日采食量差異不顯著[33]。何婷等的研究表明，日糧中添加丁酸梭菌能顯著降低生長豬全腸道表觀消化率，顯著提高血清中順式-5，8，11，14，17-二十碳五烯酸含量，丁酸梭菌和日糧中蛋白質水平對血清中總脂肪酸、二十四酸、棕櫚油酸、花生四烯酸含量影響互作顯著[34]。

3.3 提高機體免疫力

免疫球蛋白（IgG、IgA、IgM等）是動物免疫細胞分泌的抗感染成分，主要存在血清中，由特異性抗體和分特異性抗體組成，具有抗菌、抗病毒等多種功能。IgG是單體免疫球蛋白，血清中含量最高，作用時間長，在機體抗感染中起主要作用。IgM產生時間最早，殺菌作用也最強，但是作用時間短，主要在感染早期起作用。IgA主要存在于呼吸道、腸道等的分泌液中，在抵抗微生物入侵方面起重要作用。劉亭婷等在蛋用海蘭褐仔公雞日糧中添加丁酸梭菌，研究不同濃度丁酸梭菌添加量（250、500、750、1 000 mg·kg-1）對免疫指標和空腸組織相關細胞因子基因mRNA表達的影響，結果表明，1 000 mg·kg-1添加組脾臟指數顯著高于對照組，各丁酸梭菌組免疫球蛋白IgG與對照組相比顯著增加，與對照組相比，750、1 000 mg·kg-1組的空腸IL-6基因mRNA表達水平顯著降低，從而降低炎癥的發生[35]。史煥等研究表明，育肥豬飼糧中添加丁酸梭菌，能有效降低血清中皮質醇含量，說明丁酸梭菌具有一定的抗應激作用，同時發現尿素氮含量低于對照組，說明丁酸梭菌對育肥豬體內氨基酸平衡有促進作用[36]。Takanori等研究表明，丁酸梭菌可以誘導腸道巨噬細胞分泌IL-10，進而抑制實驗性結腸炎的發生[37]。Han等對比研究丁酸梭菌對肉仔雞腸道免疫功能的影響，結果顯示，21 d時，丁酸梭菌組血清IgM顯著高于對照組，血清IgA與IgG在整個42 d飼養周期中都高于對照組，差異不顯著[38]。Masayuki等研究在荷斯坦奶牛臨產前后添加活性蛋清（AEWP）和丁酸梭菌Miyairi 588對外周血白細胞數量的影響，分別在臨產前1個月、1周和產后1個月取血樣，結果表明，AEWP組和Miyairi 588組與對照組相比，在臨產前后均能提高CD4+T細胞數量，增強免疫機能[39]。Zhuang等研究丁酸梭菌對櫻桃谷肉鴨免疫性能的影響，試驗分兩組，對照組飼糧中添加桿菌肽鋅40mg·kg-1，試驗組添加丁酸梭菌1.0×109cfu·kg-1，試驗周期42 d，結果發現，胸腺、脾臟和法氏囊等免疫器官重量兩組差異不顯著，與對照組相比，21 d時，丁酸梭菌組血清IgM含量顯著高于對照組，說明丁酸梭菌可以替代桿菌肽鋅應用于家禽生產[40]。邢帥等以斷奶仔豬為研究對象，設計4組試驗，對照組和試驗1組飼喂基礎日糧，試驗2組和試驗3組日糧中添加丁酸梭菌0.05%（活菌數1.0×1010cfu·kg-1），飼喂2周后，對試驗1組和試驗3組攻毒大腸桿菌，24 h后采樣測定血清指標，結果顯示，與對照組相比，試驗2組平均日增重和平均日采食量39.03%和31.13%，攻毒大腸桿菌后，試驗3組和試驗2組相比，乳酸脫氫酶和血糖含量分別升高了41.20%（P＜0.01）和44.60%，說明丁酸梭菌增強了斷奶仔豬的抗應激能力[41]。王柳懿等研究丁酸梭菌對仔豬回腸免疫信號通路相關蛋白和血清細胞因子的影響，發現丁酸梭菌可以適度激活機體免疫應答，回腸TLR2/4、下游接頭蛋白MyD88、負調控因子Bcl3和Tollip基因表達量增加，使機體免疫水平維持在穩定狀態，血清中的IL-8和TNF-α升高[42]。

3.4 抗氧化，改善畜產品品質

正常情況下，動物機體自由基的生成與機體抗氧化防御系統之間處于良好的動態平衡，動物受到外界不良環境影響時，產生的過量自由基對機體造成氧化損傷。超氧化物歧化酶（SOD）和還原性谷胱甘肽（GSH）是生物體內重要的抗氧化酶，而丙二醛（MDA）的高低反應了自由基對機體脂質氧化損傷程度的高低。涂杜等研究丁酸梭菌和荔枝多酚聯合應用對腹瀉小鼠機體氧化還原狀態的調節功能，配制成的丁酸梭菌和荔枝多酚濃度分別為10、20和40 mg·mL-1，發現不同濃度混合液均能提高小鼠體內SOD活性，促進還原性GSH的產生，其中以中劑量組效果最好[43]。李可等在肉仔雞日糧中添加丁酸梭菌，研究丁酸梭菌對肉仔雞胴體性狀和肉品質的影響，結果表明，丁酸梭菌能顯著提高肉仔雞胸肌率，顯著降低肉仔雞腹脂率，并顯著降低滴水損失率和蒸煮損失率[44]。Liao等研究表明，肉仔雞丁酸梭菌添加組SOD活性顯著高于對照組，MDA含量顯著低于對照組，試驗組血清中膽固醇和腹部脂肪含量顯著低于對照組，胸肌重量顯著高于對照組，說明肉仔雞日糧添加丁酸梭菌能夠促肝臟抗氧化功能，改善肌肉品質，提高胸肌瘦肉率[45]。Zhao等研究丁酸梭菌對脂質代謝的影響，結果顯示，日糧中添加丁酸梭菌可以顯著提高肌內脂肪含量、肝臟中脂肪酶含量和胸肌中脂蛋白脂肪酶含量[28]。Hossain等研究發現，肉仔雞日糧中添加丁酸梭菌三聯菌（TSP）能夠降低肌肉亮度（L*），增加肌肉感官品質[26]。Zhang等試驗證實，丁酸梭菌能夠顯著增加肉仔雞腹部脂蛋白脂肪酶的活性，同時能激活肝臟脂肪酸連接蛋白基因的表達，最終結果導致加速肝臟脂肪的消耗和減少肝臟脂肪合成，增加胸肌肌內脂肪含量，改善肉品質[46]。賈聰慧等研究丁酸梭菌對羅斯肉雞308抗氧化能力的影響，結果表明，丁酸梭菌組血清谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）和總超氧化物歧化酶（T-SOD）活性顯著高于對照組，表明丁酸梭菌增強了肉雞血清的抗氧化能力[47]。

4 小結

丁酸梭菌作為微生態制劑具有多種功能，能夠分泌蛋白酶、纖維素酶、淀粉酶等多種酶制劑促進動物消化吸收，同時維生素、氨基酸、丁酸等營養物質修復并為腸道上皮細胞提供能量，產生的抑菌物質丁酸梭菌素可抑制多種其他梭菌所引起的腸道感染，丁酸梭菌通過提高動物血清抗氧化能力來改善肉品質。因此，隨著丁酸梭菌在飼料領域的廣泛應用，丁酸梭菌將成為無抗時代極具潛力的抗生素替代品。