Michael Ganzle （加拿大阿爾貝塔大學(xué)教授）

豬腸道微生物的日糧調(diào)節(jié)方案

Michael Ganzle （加拿大阿爾貝塔大學(xué)教授）

1 腸道微生物日糧調(diào)節(jié)的背景

哺乳動(dòng)物體內(nèi)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(xì)胞數(shù)量是宿主的10倍，基因數(shù)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(diào)節(jié)機(jī)制

能夠進(jìn)入人體和動(dòng)物腸道的除了微量元素、蛋白質(zhì)和一些沒有消化的碳水化合物外，還有大量的細(xì)菌等微生物。當(dāng)細(xì)菌進(jìn)入腸道后，宿主能夠識別細(xì)菌，經(jīng)過細(xì)菌的刺激作用，宿主的免疫系統(tǒng)機(jī)能得以增強(qiáng)。另外，宿主本身產(chǎn)生免疫球蛋白 （IgA）、粘液和防御素，使微生物的整個(gè)生存環(huán)境發(fā)生改變從而對微生物實(shí)施控制。再則，各微生物之間在腸道中會相互競爭營養(yǎng)物質(zhì)，產(chǎn)生抗菌活性物質(zhì)，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(gè)作用。一是營養(yǎng)功能，也就是提供食物的功能。微生物進(jìn)入腸道后，通過發(fā)酵飼料中沒有消化的碳水化合物產(chǎn)生乳酸鹽和短鏈脂肪酸，為宿主提供能量供應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)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(yīng)30%來源于腸道微生物發(fā)酵飼料產(chǎn)生。二是免疫刺激的作用。腸道微生物能夠激發(fā)腸道上皮細(xì)胞的增殖和分化，由此增強(qiáng)免疫系統(tǒng)的功能。三是保護(hù)作用。腸道微生物可以與病原體競爭相關(guān)的有機(jī)酸和營養(yǎng)物質(zhì)，從而防止病原體在腸道中的大量定植，保護(hù)宿主細(xì)胞的機(jī)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(chǎn)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(jìn)而保持動(dòng)物健康的狀態(tài)，減少動(dòng)物的淘汰，提高動(dòng)物的生長速度和肉料比。但是從整體上考慮，耐藥性是一個(gè)很嚴(yán)重的問題，耐藥菌和耐藥基因已經(jīng)開始由動(dòng)物向人類上轉(zhuǎn)移。目前，歐洲、韓國、美國等多個(gè)國家已經(jīng)立法，禁止多種抗生素在畜禽生產(chǎn)中使用。

由于日糧可以干預(yù)腸道微生物的狀態(tài)，因此，可以考慮作為飼用抗生素的替代品。現(xiàn)有的方法主要有改變飼料配方、添加有機(jī)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(dá)大腸的營養(yǎng)素

食物進(jìn)入小腸后，機(jī)體吸收可降解的的碳水化合物，不可吸收的部分便進(jìn)入大腸，在大腸里經(jīng)過微生物的發(fā)酵，生成可被機(jī)體吸收的微生物代謝產(chǎn)物。為了研究不同結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)飼喂4種不同日糧，即以谷物淀粉和酪蛋白為基礎(chǔ)日糧，添加4種不同結(jié)構(gòu)的非消化性碳水化合物：低粘度、低可發(fā)酵性纖維素 （CEL），高粘度、低可發(fā)酵性纖維素羧甲基纖維素 （CMC），低粘度、高可發(fā)酵性燕麥β-葡聚糖 （LG）和高粘度、高可發(fā)酵性纖維素燕麥β-葡聚糖 （HG）。在每個(gè)試驗(yàn)期的最后3天收集腸道樣品。通過比較糞便和回腸的內(nèi)容含量，可以得到到達(dá)大腸的營養(yǎng)素含量，結(jié)果表明到達(dá)大腸的營養(yǎng)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(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)CMC組具有與其他3組完全不同的細(xì)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?cái)?shù)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?？梢?，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(shí)只有特定的日糧纖維才能對一些特定的病原菌產(chǎn)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(yīng)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(qū)系的建立，二是能夠溶解或粘附相關(guān)的病原體，成為病原菌的可溶性受體。如腸道內(nèi)存在的寡糖與產(chǎn)腸毒素大腸桿菌發(fā)生物理性粘附，機(jī)體便將已經(jīng)粘附的病原菌隨食物殘?jiān)懦瞿c道。在豬上也類似。

若細(xì)菌的表面結(jié)構(gòu)與腸道粘膜表面的結(jié)構(gòu)互補(bǔ)，發(fā)生配體-受體反應(yīng)，使得細(xì)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(xì)菌配體結(jié)合，從而抑制細(xì)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(jié)合含有N-乙酰神經(jīng)氨酸（NeuGc）糖鍵的寡糖，卻不能結(jié)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(jié)構(gòu)上的細(xì)小變化就能影響細(xì)菌的粘附。以大腸桿菌為例，需要尋找具有特異分子結(jié)構(gòu)的寡糖，使大腸桿菌與之形成物理上的粘附。

2.2乳酸菌產(chǎn)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(chǎn)腸毒素大腸桿菌 （ETEC）是導(dǎo)致斷奶前后仔豬發(fā)生腹瀉的主要致病菌，為了驗(yàn)證乳酸菌產(chǎn)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(xì)胞凝聚試驗(yàn)。即將不同ETEC菌株與乳酸菌產(chǎn)生的胞外多糖 [甘露糖 （市場購買）、果聚糖 （羅伊乳桿菌產(chǎn)生）和葡聚糖 （羅伊乳桿菌產(chǎn)生）]混合后加入制備好的豬血紅細(xì)胞，培養(yǎng)一段時(shí)間，觀察紅細(xì)胞的擴(kuò)張情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在對照組中，隨著ETEC濃度的增加，紅細(xì)胞擴(kuò)張的越來越嚴(yán)重，果聚糖和葡聚糖對紅細(xì)胞擴(kuò)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(chǎn)生的胞外多糖可以干擾ETEC的粘附。

圖2豬血紅細(xì)胞凝聚試驗(yàn)