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凝结芽孢杆菌的特性及其研究进展
  作者:张高娜等 山东宝来利来生物工程股份有限公司 摘自:中国饲料工业信息网 日期:2013-03-29  

  摘 要:凝结芽孢杆菌是益生菌领域中的后起之秀,不仅具有乳酸菌和双歧杆菌的保健特性,还具有较强的耐高温、耐酸、耐胆盐的抗逆性。除此之外,它还对肠道内的致病菌有较强的抑制作用。在国外,对凝结芽孢杆菌的研究已经进行了很多年,且已开发出许多得到人们普遍认可的产品。而在国内,对其研究还处于起步阶段。本文从凝结芽孢杆菌的特性、生理功能、作用机理、影响因素及其在动物中的研究与应用等方面进行了综述。

  关键词:益生菌;凝结芽孢杆菌;作用机理;研究与应用

    益生菌( Probiotics) 是指能够促进人和动物肠道中微生物群平衡的活菌制剂或其代谢产物,是近年来国内外迅速发展的一类微生态制剂。它广泛应用于医疗、保健、食品、畜牧和水产等行业,具有调节肠道功能紊乱、维持肠道内菌群平衡和提高机体免疫水平的特性,且能够有效避免服用抗生素带来的耐药性和二重感染的问题, 一直倍受世人瞩目。凝结芽孢杆菌是乳酸菌的一种,除了具有乳酸菌的所有特点外, 还具有抗逆性强、耐高温、易储存等生物学特性[1],逐渐成为近年来益生菌研究的热点。本文从凝结芽孢杆菌的特性、生理功能、作用机理、影响凝结芽孢杆菌发挥作用的因素及其在动物中的研究与应用等方面进行了综述。

  1 凝结芽孢杆菌的性状、生理功能和作用机理

  1.1 凝结芽孢杆菌的性状

  凝结芽孢杆菌(Bacillus coagulans)为革兰氏阳性菌,胞体呈杆状,两端钝圆,单个、成对、少数呈短链状,芽胞端生,无鞭毛,最适生长温度为37~45℃,最适 pH 值为 6.6~7.0,其能分解糖类生成L-乳酸,为同型乳酸发酵菌。该菌可以产生芽胞,对环境有很强的抗性。凝结芽胞杆菌经90℃、10min和100℃、5 min 处理,不会失活;在室温干燥情况下,固体活菌制剂可保存3~5年,其活菌数无明显减少;凝结芽胞杆菌在1%~7% NaCl溶液中可存活4周以上,在8% NaCl溶液中可存活1个月[2];在pH为1.0的情况下仍能存活,但凝结芽胞杆菌在低pH条件下,其抗逆性会下降。例如在酸性条件下(pH为4.0),凝结芽胞杆菌的孢子对热几乎没有耐受性而且生长受到抑制[3]。与双歧杆菌、乳酸菌等其他有益菌相比,凝结芽孢杆菌能耐受胃酸和消化酶的双重作用而在肠道中定居。它们在肠道中能快速复苏,重新成为活菌,从而发挥其对肠道的保护作用[4]。凝结芽胞杆菌是乳酸菌的一种,除具有乳酸菌的所有特点外,还具有抗逆性强、耐高温、易储存等特性。

  1.2 凝结芽孢杆菌的生理功能

  凝结芽胞杆菌经口服进入胃后,在胃液的作用下被活化,芽胞衣膨胀,芽胞形状增大,水分增加,代谢加快。当凝结芽胞杆菌进入十二指肠时,其胞子萌发成营养细胞。营养细胞进入小肠后开始生长繁殖,大约30分钟繁殖一代。凝结芽孢杆菌为兼性厌氧菌,当其进入肠道后会消耗游离氧而进行肠道繁殖,有利于厌氧微生物乳酸菌和双歧杆菌的生长,从而调节肠道内微生物菌群的平衡,提高机体的免疫力和抗病力,减少肠道疾病的发生。凝结芽孢杆菌在肠道繁殖的过程中还会分泌淀粉酶和蛋白酶,促进机体对营养物质的消化和吸收;其产生的B族维生素、氨基酸、短链脂肪酸等物质能增加小肠的蠕动速度,从而改善肠道的消化功能。另外,凝结芽孢杆菌在肠道内定居后还能产生大量抑制有害菌的凝固素(Coagulin)和L(+)乳酸等抑菌物质[5]。因此,其对胃肠道炎症有一定的治疗作用。

  1.3 凝结芽孢杆菌的作用机理

  凝结芽孢杆菌并非肠内固有的微生物,其在肠道中所起的生理作用是通过分泌多种有益物质以及与肠道其它益生菌协同作用的结果,并非是某种物质起作用。目前为止,还未见有关凝结芽孢杆菌生理作用机制的确切报道。凝结芽胞杆菌是兼性厌氧菌,在有氧及无氧的环境下都可生长,能适应低氧的肠道环境,对酸和胆汁有较高的耐受性,能够进行乳酸发酵,产生的L-乳酸能降低肠道PH值,抑制有害菌,并能促进双歧杆菌等有益菌的生长和繁殖。凝结芽孢杆菌能够形成芽孢,与其他不产乳酸的芽孢杆菌相比有利于恢复胃肠道的微生态平衡[6]。路福平等(1997) [7]研究发现,凝结芽孢杆菌对大肠埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌和变形杆菌等常见的肠道病原菌有一定抑制作用。经实验推测,抑菌物质是乳酸和一些低分子量一级胺类混合物,而非过氧化氢和有机酸。此外,凝结芽孢杆菌还能分泌抗菌肽物质—凝结素。凝结素是由44个氨基酸残基组成,中间氨基酸形成α-螺旋结构,两端为无规则卷曲,是质粒 pI4 DNA 编码,与乳酸片球菌分泌的片球菌素(pediocin)相似,仅在C 末端存在一个氨基酸差异,能穿透细胞的细胞膜[5]。凝结素经60℃处理90min,pH在4~8的条件下仍保持稳定且不受α-淀粉酶、酯酶和有机溶剂(10%,V/V)的影响,对肠球菌、明串珠球菌、李斯特菌和小球菌等有抑制作用[8]。

  2凝结芽孢杆菌对动物的的作用

  2.1 调节动物消化道的微生态平衡

  凝结芽孢杆菌为兼性厌氧菌,当其进入肠道后会消耗游离氧,并在肠道内定植, 降低氧化还原电势, 有利于肠道内厌氧微生物( 细菌) 如乳酸菌、双歧杆菌的生长, 从而达到肠道内微生态的菌群平衡, 提高机体的免疫力和抗病力, 减少肠道疾病的发生, 促进动物生长。因此, 凝结芽孢杆菌以活菌状态进入动物肠道要比以死菌 ( 细胞组成部分和代谢产物) 状态进入肠道内的功效要好得多, 其主要原因是死菌不能在肠道内消耗游离氧, 也不能定植, 不能促进肠道内厌氧菌的生长, 只能从死菌的细胞和代谢产物的营养成分中供给肠道一部分养分而已。所以,凝结芽孢杆菌在临床上应用效果的关键取决于其本身活菌数含量的高低, 而决定活菌数高低和有效期长短的主要因素是凝结芽孢杆菌产品中活菌产生的芽孢数量。芽孢形成率高, 活菌数多,则保存时间长,有效期也就随之延长。

  2.2 促进动物机体的消化作用

  动物摄取的营养物质进入机体后, 需要经过一系列的理化作用才能被吸收利用。凝结芽孢杆菌以两种方式影响机体的消化作用:一是通过促进多种消化酶的分泌来提高对营养物质的消化和吸收;二是通过凝结芽孢杆菌在动物消化道内生长、繁殖和定植, 直接产生如维生素、氨基酸、短链脂肪酸等多种营养物质来增加小肠蠕动的速度, 改善肠道消化功能, 进而促进机体对饲料中各种营养成分的消化和吸收。

  2.3 改善动物机体的免疫功能,提高抗病力

  天津医科大学的应用试验表明, 凝结芽孢杆菌还可降低动物的血脂、防止动脉粥样硬化;降低血糖水平, 使糖耐量减低现象好转;提高动物腹腔巨噬细胞的吞噬能力, 增强吞噬细胞功能;增强动物NK细胞活性;加快动物免疫器官发育,增加T、B淋巴细胞的数量,提高动物的体液免疫水平和细胞免疫水平;增大动物肝脏和法氏囊系数等。此外, 凝结芽孢杆菌对动物的结肠炎也有较好的疗效。

  3影响凝结芽孢杆菌发挥作用的因素

  3.1 有效活菌数

  产品中活菌数的多少对不同菌种的生理生化特性和代谢产物有不同的影响, 从而导致在生长过程中分泌的代谢产物也不同,作用效果也有很大差异。相同菌株在不同工艺条件下生产的产品, 其活菌数和芽孢形成率也不同。通常情况下, 在动物基础日粮中芽孢杆菌活菌数达 106 cfu/g或107cfu/g 时效果比较明显。

  3.2 动物自身条件

  影响凝结芽孢杆菌发挥作用的直接因素有:动物的年龄、健康状况、生理功能等。对体内酶系不健全的动物, 在其生长早期使用凝结芽孢杆菌, 可利用凝结芽孢杆菌具有较强的多酶活性,促进动物对饲料中碳水化合物的降解, 从而有助于机体对营养物质的吸收和利用。研究发现, 当动物处于应激状态或发生胃肠道疾病时, 添加凝结芽孢杆菌能对动物起到良好的作用效果, 而对于健康的生产性能良好的动物只能起到一定的保健作用。

  3.3 使用的剂量、时间及饲喂的方式

  在饲料中的添加量和添加时间不同, 效果也不同。比如:用于促进猪生长, 则应从断奶直至上市连续使用;如果防治新生仔猪下痢, 就应在产前 7d 对母猪饲用, 否则起不到相应的效果。一般而言, 拌料饲喂的效果好于饮水的效果。

  3.4 其他因素

  如果自身水分含量较高(超过10%), 饲料中添加的其他抗生素药物、抗氧化剂、防霉剂等会杀死大量凝结芽孢杆菌的活菌。水分对凝结芽孢杆菌的存活率影响很大,随着水分含量的升高和保存期的延长, 凝结芽孢杆菌的活菌数会有所下降, 进而影响其使用效果。因此, 凝结芽孢杆菌的水分应控制在8% 以下, 保存期一般为1年, 最长不超过2年。凝结芽孢杆菌的添加量、添加方法和添加载体的不同,也会影响其使用效果。此外,高营养水平饲料的使用效果不如低营养水平的使用效果明显。因为高营养水平的饲料很容易满足动物的营养需求,凝结芽孢杆菌补充增效的功能得不到有效发挥。

  4凝结芽孢杆菌在动物中的研究与应用

  4.1 鼠

  凝结芽孢杆菌能有效帮助大鼠抵御紫外线对皮肤的伤害, 延缓皮肤的衰老[9]并有防止大鼠形成动脉粥样硬化的作用[10]。刘锋等(2009) [11]研究发现,给亚急性衰老模型小鼠经常饲喂凝结芽孢杆菌TBC169株可直接或间接刺激小鼠的免疫细胞分泌各种细胞因子和免疫球蛋白, 诱导抗衰老酶如SOD、GSH-Px的合成,减少产生或加速清除自由基, 起到延缓衰老的作用。李飞(2011)对嗯哇酮诱导的大鼠溃疡性结肠炎的治疗研究中发现,凝结芽抱杆菌TBC-169能修复UC大鼠炎症组织损伤,缓解大鼠炎症症状,有效降低模型鼠IL-1b、IL-17和TNF-a血清的含量,抑制此类致炎因子的分泌和各种致炎因子之间的正反馈调节环路;能提高抗炎因子IL-10血清的含量,阻断炎症反应,缩短炎症的持续时间,其治疗效果与奥沙拉秦钠存在平行关系。

  4.2 人

  魏红娟等(2012)[12]对手口足病(HFMD)的研究发现,在手口足病患儿常规治疗基础上,加用益生菌制剂凝结芽孢杆菌活菌片治疗后,治疗组患儿疱疹好转及消失时间、食欲和体温恢复正常时间均显著短于对照组,痊愈率和总有效率高于对照组,差异均有统计学意义(P均<0.05)。张小燕等(2008)[13]用凝结芽孢杆菌TBC169片在治疗小儿便秘中发现,便秘患者通常存在肠道菌群失调的现象,而凝结芽孢杆菌TBC 169能分解多糖为低聚糖,为肠道有益菌生长提供所需营养物质,能促进有益菌增殖,快速恢复肠道菌群平衡。此外,凝结芽孢杆菌TBC169不仅具有保水润肠的作用还能产生40多种消化酶,能有效消除便秘患儿腹胀、食欲减退等症状。用凝结芽孢杆菌TBC169片治疗后发现,粪便颜色由暗棕色变为黄棕色,粪便气味和PH值降低,排便频率相对低的人,排便频率有所增加。

  4.3 猪

  周映华等(2012)[14]研究凝结芽孢杆菌对断奶仔猪生长性能的影响,试验结果表明:在断奶仔猪日粮中添加0.05%的凝结芽孢杆菌能明显提高日增重、饲料转化率和粪便中乳酸菌和双歧杆菌的数量,显著降低腹泻率和粪便中大肠杆菌的数量。对断奶仔猪表现出较好的促生长和防治腹泻的作用,从而改善其肠道菌群平衡,提高断奶仔猪的生产性能和养殖效益。李国建(2004)[15]在生长肥育猪中用凝结芽孢杆菌替代抗生素,研究凝结芽孢杆菌对生长肥育猪的影响,研究结果表明:在生长肥育猪饲料中添加凝结芽孢杆菌制剂可显著提高猪的平均日增重,降低饲料成本,饲养效果与抗菌药利菌净没有显著差异。

  4.4 禽

  天津市畜牧兽医研究所的应用饲喂试验表明,在肉用仔鸡饲料中添加凝结芽孢杆菌预混剂100~300 mg/kg,平均体重和平均日增重可提高5.5%左右, 死亡淘汰率降低15.2%,饲料增重比下降了7%。有研究报道,凝结芽孢杆菌可以提高肉鸡的日增重、改善饲料转化率,其功效不亚于抗生素。国外研究者发现,凝结芽孢杆菌具有促进生长和预防疾病的作用,可以作为抗生素的替代品。

  4.5 水产

  付天玺等(2008)[16]报道,在奥尼罗非鱼的饲料中添加1.0*1011cfu/kg的凝结芽孢杆菌能显著促进其生长和对营养物质的利用。投喂凝结芽孢杆菌后,奥尼罗非鱼胃蛋白酶的活性提高了 30.59% (P< 0.05),消化吸收率提高了 10.68% (P< 0.05),蛋白质表观消化率提高了 4.71% (P < 0.05),增重率提高 10.76% (P < 0.05),饵料系数降低 9.2%(P < 0.05)。

  5结语

  与双歧杆菌、乳酸菌等益生菌相比, 凝结芽胞杆菌具有抗逆性强、耐高温高热、易贮藏等特性,能顺利通过胃酸和消化酶的双重作用进入肠道“定居”,并在肠道迅速复苏成为活菌,发挥其对动物肠道的保健作用。在国外,利用凝结芽孢杆菌生产的保健品以及微生态制药已畅销多年,而在我国,对凝结芽胞杆菌的研究还处于起步阶段,这就给我国科研工作者的研究留下了很大的空间。随着人们对凝结芽胞杆菌进一步的研究,相信在不久的将来定会有更多、更新、更好的凝结芽胞杆菌产品问世。

 

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