益生菌在豬上的應用效果和作用機理研究進展

王 斐 徐樹杰，2 李 響 李衛芬*

(1.浙江大學動物科學學院飼料科學研究所，教育部動物分子營養學重點實驗室，杭州 310058；2.浙江大學海南研究院，三亞 572025)

我國是世界上生豬養殖規模和消費量最大的國家。2010—2018年，我國生豬存欄量和產量分別在4.5億頭左右和5 100萬t以上；2019年，非洲豬瘟的傳入對生豬養殖業造成了較大影響，生豬存欄量和豬肉產量分別降至3.1億多頭和4 200多萬t[1]。隨著2020年7月1日起飼料全面禁抗(中藥類除外)的實施，生豬養殖業面臨了更大的挑戰，安全、綠色、促健康的飼料添加劑已成為當前研究的熱點和市場急需產品。大量研究表明，益生菌、益生元、酸化劑、植物提取物和抗菌肽等在替代飼用抗生素方面均有一定的效果。其中，益生菌的應用較為廣泛，當在動物飼糧中給予一定數量時，能夠提高宿主腸道中有益微生物的數量，促進動物腸道健康[2]。飼用益生菌可分為乳酸菌類、芽孢桿菌類和酵母菌類三大類[3]。益生菌具有維持腸道菌群穩態、抑制病原菌定植、改善腸道黏膜結構、促進營養物質消化吸收、增強機體免疫機能和預防動物患病等功效[4-6]。本文就益生菌在生豬上的應用以及作用機理等方面進行綜述，旨在為益生菌能更好地應用于生豬養殖業提供參考。

1 益生菌在豬上的應用效果

總得來說，在飼糧中添加益生菌可以改善豬各個階段的健康狀況并提高生產性能。

1.1 益生菌在仔豬上的應用效果

仔豬斷奶后，消化道中的乳酸菌數量減少，胃中pH升高，導致消化酶活性下降，同時由于飼糧更換和環境改變所造成的應激，促使斷奶仔豬腸道中的病原菌大量增殖，最終導致仔豬腹瀉[7-8]。斷奶仔豬腹瀉是養豬業中最為突出的問題。益生菌在仔豬上的應用效果主要表現在降低腹瀉和提高生長性能等。如鼠李糖乳桿菌能使仔豬腹瀉率比對照組降低30.73%[9]，枯草芽孢桿菌能使仔豬平均日增重比對照組提高7.37%[10]。在仔豬飼糧中添加富硒益生菌或糞腸球菌可改善腸道微生物組成，增加乳酸桿菌數量，從而改善仔豬生長性能[11-12]。益生菌還可以提高仔豬的免疫功能和抗體水平，口服枯草芽孢桿菌可顯著提高感染豬流行性腹瀉病毒的仔豬血清中免疫球蛋白G(IgG)和回腸免疫球蛋白A(IgA)含量[13]；德氏乳桿菌可使仔豬腸黏膜分泌型免疫球蛋白A(sIgA)含量顯著提高[14]。sIgA是調節腸黏膜防御能力的主要抗體，可保護腸上皮免受腸毒素和病原微生物的侵害，有助于維持腸內穩態[15]，從而改善仔豬的免疫應激。

此外，適量的益生菌可使仔豬腸道中揮發性脂肪酸的含量顯著增加，抑制病原菌生長，促進營養物質消化吸收[16]。但過量添加益生菌會使其效果下降，如飼糧中添加6×1011CFU/kg枯草芽孢桿菌組的仔豬生長性能低于最適添加量組，但優于不添加組[17]。近年來，益生菌在仔豬上的應用效果見表1[10-11,14,18-40]，除改善生長性能外，益生菌還能改善仔豬腸道微生物的組成以及腸黏膜結構，增強腸道屏障、抗氧化和免疫功能，減少仔豬腸道炎癥等。

表1 益生菌在仔豬上的應用效果Table 1 Application effects of probiotics in piglets

1.2 益生菌在生長育肥豬上的應用效果

研究表明，飼糧中單獨或復合使用益生菌可以維持生長育肥豬腸道的形態完整[41]，促進腸絨毛增長和消化酶的分泌[42]，提高其平均日增重，改善豬肉肉色、pH、眼肌面積和大理石花紋等指標[43]，提高生長育肥豬對干物質和氮的消化率，增加糞便中乳酸菌的數量，降低糞便的pH，減少總硫醇和氨的排放等[44]。肉質的嫩度和多汁性主要取決于豬肉肌間脂肪的含量，而在飼糧中添加乳酸球菌FT28不僅可以降低豬肉pH以及血清中的甘油三酯含量，增加肌內脂肪含量從而改善肉質風味,而且可以通過阻止脂質氧化來改善肌肉內的氧化穩定性，但對豬腰肌的水分和粗蛋白質含量沒有影響[45]。總而言之，益生菌可影響生長育肥豬的生長性能、腸道健康、胴體品質和肉品質等，其在生長育肥豬上的應用效果見表2[41-42,44-49]。

1.3 益生菌在種豬上的應用效果

目前種豬繁殖性能低下仍然是我國養豬業面臨的嚴峻問題，種豬的繁殖能力改善不僅需要提高母豬的受胎率和產仔數，還要改善出生仔豬免疫力從而提高仔豬的存活率。研究表明，飼糧中單獨或復合使用益生菌可有效提高母豬采食量[50]、妊娠期母豬體重[51]、哺乳中期母豬血清中膽固醇和脂質含量[52]、胎次數[53]、乳汁分泌量及其IgA和IgG含量，增加仔豬出生體重和免疫力，降低出生仔豬腹瀉率和死亡率[54]。另外，益生菌對種公豬精液品質也有很好的改善作用，如用含有0.3 mg/kg富硒益生菌的飼糧飼喂種公豬，能增加其精液中健康精子的數量，提高精子形態和功能的完整性以及谷胱甘肽過氧化物酶的活性[55]。總得來說，益生菌對種豬繁殖性能具有顯著的積極作用，益生菌在種豬上的應用效果見表3[50-51,54-60]。

表3 益生菌在種豬上的應用效果Table 3 Application effects of probiotics in breeding pigs

2 益生菌改善豬生產性能和腸道健康的作用機理

2.1 改善腸道菌群結構、功能和代謝產物

腸道微生物由100多萬億個細菌組成，與腸道發育密切相關，不同的菌群通過各自新陳代謝的過程使得動物腸道內環境維持在相對穩定的狀態[61]。豬腸道微生物主要由真菌、鏈球菌屬、乳桿菌屬、梭菌屬以及擬桿菌屬等組成[62]。

益生菌可以調節腸道菌群的結構和功能。益生菌通過爭奪營養抑制有害菌附植，并且產生代謝物質，如乳酸菌在代謝過程中可以產生細菌素、有機酸、過氧化氫和短鏈脂肪酸等，抑制病原菌增殖[63-65]。此外，益生菌還可以通過占位效應搶占腸道中的附植位點，抑制或阻斷病原菌的吸附和定植，調節腸道菌群的結構和功能，控制腸道內毒素和其他有害代謝產物的產生量，從而促進動物腸道的發育[66]。飼糧中添加0.1%的含芽孢桿菌的復合益生菌能顯著增加斷奶仔豬糞便中乳酸桿菌的數量，并減少大腸桿菌的數量，提高養分消化率[67]，而糞腸球菌對大腸桿菌具有特定的預防作用，可以顯著降低仔豬腸道黏膜上黏附的致病性大腸桿菌的數量[68]。

豬腸道微生物大部分屬于厚壁菌門和擬桿菌門[69]。腸道內菌群不同其功能則不同，代謝產物也不同。貝萊斯芽孢桿菌B13能顯著提高豬腸道中瘤胃球菌屬和毛螺菌科的相對豐度，使腸道中短鏈脂肪酸產生增多，對抵抗炎癥有促進作用[70]。Wang等[71]研究表明，地衣芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌復合益生菌不僅能提高擬桿菌科和瘤胃球菌屬的相對豐度，還能降低梭狀芽孢桿菌的相對豐度，并加快腸道菌群的成熟。益生菌通過影響豬腸道菌群結構、功能以及腸道菌群的代謝產物，從而影響豬腸道健康和生長性能。

當致病菌在豬腸道中大量定植后，產生的細菌毒素進入腸腔內，分解細胞間緊密連接蛋白來破壞腸道屏障，再進入體內循環，導致動物機體患病[72]。細菌素是某些細菌在代謝過程中由核糖體合成的一類抗菌肽，不僅可以對目標致病菌產生抑制效果，同時還對腸道菌群的結構和代謝產物產生影響[73]。通過對艱難梭菌CD4菌株的遺傳修飾，得到的R型細菌素能有針對性地預防艱難梭菌在動物腸道中定植，并能將其有效地消滅[74]。

2.2 提高機體對營養物質的消化吸收以及肝臟的代謝功能

益生菌本身不僅能分泌消化相關的酶類，還能影響宿主消化道淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、二糖酶和肽酶等酶的分泌和活性，從而促進營養物質的消化吸收，提高飼糧利用率[75]。益生菌還通過調節腸道菌群影響腸道微生物酶的合成和分泌。有研究發現，干酪乳桿菌和糞腸球菌能刺激豬腸道中可分泌蛋白酶和淀粉酶的微生物生長繁殖，從而提高豬消化道中相關酶活性[76]。而丁酸梭菌可以通過抑制大腸桿菌K88和脂多糖的毒性保障腸道的完整性，提高受大腸桿菌K88感染的動物消化道中消化酶的活性，丁酸梭菌組或抗生素組動物在試驗第3、7和14天蛋白酶和淀粉酶活性更高，在試驗后第3和7天脂肪酶活性更高[77]。

益生菌可通過提高腸上皮細胞的吸收能力和轉運載體的表達，促進小肽和氨基酸等小分子物質的吸收和轉運[78]。此外，益生菌對糖類的轉運也有積極作用，葡萄糖轉運蛋白(GLUT)家族蛋白是介導葡萄糖攝取的膜載體蛋白，它通過協同擴散方式幫助細胞轉運糖類[79]。鈉/葡萄糖轉運蛋白1(SGLT1)介導的葡萄糖攝取增加了小腸抗凋亡蛋白，并保護了腸上皮細胞免受凋亡和屏障缺陷的影響[80]；肽轉運蛋白1(PEPT1)在機體中大量表達，介導小肽的吸收[81]。有研究表明，益生菌可以上調GLUT2和PEPT1基因的表達[82-83]。

肝臟在營養物質代謝中有著非常重要的作用，包括糖原儲存、蛋白質和脂質的合成以及解毒作用等[84-85]。在肝臟中，葡萄糖和脂質代謝的異常能導致肝脂肪變性和全身胰島素抵抗等有關疾病，胰島素受體底物2(IRS2)/磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/RAC-β絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶2(Akt2)信號傳導能調節葡萄糖轉運和脂質與糖原合成，而腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)是脂質和蛋白質合成與葡萄糖轉運的主要調節劑[86]。益生菌能有效調節體內相關因子的水平，提高肝臟對營養物質代謝的功能，如植物乳桿菌Ln4能提高肝臟中與葡萄糖和脂質代謝相關的代謝因子的水平，包括IRS2、Akt2、AMPK以及脂蛋白脂酶的mRNA水平[87]，而枯草芽孢桿菌能下調肝臟中脂肪酸合成酶和乙酰輔酶A羧化酶α的mRNA水平[88]。

高脂飲食能改變腸道菌群，使腸道內脂多糖含量增多，從而誘發腸道炎癥，機體產生胰島素抵抗[89]，而發酵乳桿菌CECT5716可預防肝脂肪變性，減輕胰島素抵抗，并顯著改善營養不良[90]。還有研究表明，嗜酸乳桿菌和干酪乳桿菌能通過降低肝臟葡萄糖的積累，以及血漿總膽固醇、低密度脂蛋白和極低密度脂蛋白的含量，從而減少胰島素抵抗的發生[91]。當動物機體的肝功能受損時將會影響動物對營養物質的吸收利用，而長雙歧桿菌BB536可以顯著降低大鼠血漿總膽固醇含量，減少肝臟脂質沉積，縮小脂肪細胞大小，并改善其肝腎功能[92]。

2.3 改善腸道黏膜結構和物理屏障功能

動物機體對營養物質的消化吸收主要在小腸中完成，腸絨毛能增加腸腔吸收營養物質的表面積。腸絨毛是由小腸上皮和固有層向腸腔形成的突起組成，腸絨毛脫落在動物腸道中時刻發生，為了維持腸絨毛的平衡，隱窩基部的細胞能分化形成腸上皮細胞以促進腸絨毛更新[93]。小腸絨毛高度和隱窩深度影響動物消化道對營養物質的消化吸收[94]。絨毛高度增加，隱窩深度變淺，可以增加小腸與營養物質的接觸面積，使得小腸對營養物質的消化吸收能力提高[95]。丁酸梭菌能增加十二指腸和空腸中的絨毛高度和絨毛高度/隱窩深度，提高仔豬對營養物質的消化吸收能力[96]。

腸上皮細胞由分泌抗菌肽的潘氏細胞、分泌黏液的杯狀細胞和腸內分泌細胞組成，是外部環境與宿主免疫系統之間的物理屏障，由緊密連接的多蛋白結構調節[97]。細胞間緊密連接蛋白調節著各種物質的跨細胞旁路的被動轉運，當其緊密連接蛋白相關分子基因和蛋白表達下降，會引起緊密連接結構和功能的改變，進而損害腸道黏膜機械屏障功能[98]，腸道通透性增加，導致動物胃腸功能紊亂[99-100]。羅伊氏乳桿菌LR1能通過激活Toll樣受體2增加斷奶仔豬腸道中緊密連接蛋白表達和抗菌肽表達[25]，還能促進細胞遷移來改善腸上皮屏障的功能[101]；植物乳桿菌MB452能上調緊密連接蛋白-1(ZO-1)、緊密連接蛋白-2(ZO-2)和閉合蛋白(occludin)的基因和蛋白質表達[102]。

腸上皮的杯狀細胞分泌黏液素可以增強腸道屏障功能來緩解應激，但長期的慢性應激會使得杯狀細胞的數量減少[103]。有研究發現，嗜黏蛋白-艾克曼菌(Akkermansiamuciniphila)能與培養的結腸上皮細胞系Caco-2和HT-29牢固結合以影響黏液層的厚度，并在腸道損傷部位競爭性排斥病原菌，從而保護新生的腸道上皮，維持腸道屏障的完整性和消化吸收功能[104]。

2.4 改善動物腸黏膜免疫屏障和機體免疫功能

益生菌對改善動物腸黏膜屏障和機體免疫功能具有積極的作用。腸黏膜免疫屏障由腸道內漿細胞sIgA和腸黏膜淋巴組織構成[105]。sIgA的分泌需要Th1和Th2這2種輔助性T細胞的參與，Th2細胞分泌的轉化生長因子-β(TGF-β)、白細胞介素(IL)-4、IL-5、IL-6及IL-10等細胞因子對sIgA分泌有重要的作用[106]；而益生菌和中草藥復合制劑能提高豬血清中丙氨酸氨基轉移酶活性以及白蛋白、免疫球蛋白M(IgM)、IL-4、IL-6和β-干擾素的含量[107]。上皮內淋巴細胞分布于腸道上皮細胞之間，益生菌能促進其增殖，維持上皮內淋巴細胞數量穩定，如臘狀芽孢桿菌飼喂母豬和仔豬能促進腸道內淋巴細胞的增殖以及減少其凋亡，同時增加腸道中吞噬細胞的數量來清除病原菌[108]。

此外，派爾集合淋巴結是小腸黏膜內由B細胞和以CD4+為主的T細胞組成的淋巴濾泡，其表面覆蓋的一層M細胞，能識別抗原參與腸道免疫過程，是腸黏膜免疫系統的重要組成部分[109]。益生菌能通過促進腸道中T細胞增殖和血清中免疫因子的含量來保護動物健康，如釀酒酵母能顯著增加仔豬血清IgA、IL-2和IL-6的含量和CD4+/CD8+值，促進T淋巴細胞的增殖，從而改善斷奶仔豬的免疫功能[110]。飼糧添加發酵乳桿菌I5007可提高仔豬外周血CD4+T淋巴細胞的百分比，增強胃腸道黏膜腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和干擾素-γ(IFN-γ)mRNA的表達，并最終在腸道中發揮免疫調節作用[111]。

2.5 提高抗應激能力，降低細胞凋亡，促進腸黏膜修復

應激，包括仔豬早產應激、斷奶應激、氧化應激和冷熱應激等，是豬養殖中常見的問題，制約著養殖業的發展。應激會導致細胞凋亡，損傷腸道結構，誘導與高通透性和腸道黏膜炎癥有關的腸道屏障功能問題，嚴重影響消化吸收功能[112]。除此之外，應激還會影響豬機體內分泌系統和免疫功能等，降低其抗病力[113]。

益生菌能影響細胞凋亡，修復損傷的腸黏膜。雙歧桿菌、嗜酸乳桿菌和干酪乳桿菌等復合益生菌可以改善腸絨毛形態，減少腸道黏膜萎縮、功能障礙和病原體的定植，促進腸黏膜的損傷修復，預防和治療壞死性小腸結腸炎，從而緩解仔豬的早產應激[114]。羅伊氏乳桿菌和唾液乳桿菌的復合益生菌可以增加仔豬的回腸黏膜和盲腸腔中雙歧桿菌的數量和免疫分子的含量，降低皮質醇和內毒素的含量，血漿中生長激素的類胰島素生長因子含量也有所改善，從而能夠緩解仔豬的斷奶應激[115]。約翰遜乳桿菌BS15k可以緩解高脂飲食誘導的小鼠氧化應激，同時也可改變小鼠的腸道菌群結構[116]。富硒益生菌通過影響機體內硒的含量和谷胱甘肽過氧化物酶的活性來增強血液抗氧化能力，下調熱應激仔豬熱休克蛋白的mRNA水平，緩解高溫引起的熱應激[117]；并通過影響脫碘酶的活性來增強甲狀腺功能，降低丙二醛含量和熱應激引起的自由基增加，使得生產性能得到提高[12]。將雙歧桿菌與致病菌共培養后可降低細胞凋亡，顯著緩解致病菌對細胞膜的損傷[118]。此外，益生菌還可以調節黏蛋白的產生，同時通過影響腸道黏蛋白單糖的組成、黏液層的厚度和腸道形態等來促進腸黏膜修復，從而維持腸道屏障的完整性[119-120]。

3 小 結

益生菌具有改善腸道菌群和黏膜結構，提高腸黏膜屏障功能、機體免疫功能和抗氧化應激能力，以及促進腸黏膜修復和營養物質消化吸收代謝等諸多生物學功能，因此可以提高生豬各個階段生產性能。但有關益生菌深入的作用機制還需作進一步的研究，以使其在生豬養殖業中發揮更大的作用。