微生态制剂的研究进展

（焦作恒辉牧业有限公司 河南知微生物有限公司 北京理工大学）
摘要：微生态制剂是在微生态理论指导下发展起来的一种新型活菌剂或其促进物质。它具有调整微生态失调、保持微生态平衡和提高宿主健康水平的作用。本文主要从微生态制剂的种类、作用机理、在生产中的应用、影响微生态制剂作用的因素、存在的问题及发展趋势等几个方面进行了论述。
关键词：微生态制剂；益生菌；饲料添加剂
微生态制剂（Microecological preparation）是在微生态理论指导下，利用对宿主有益的、活的正常微生物或其促生长物质经特殊工艺制成的制剂，以达到调整体内微生态平衡的目的。其商品名称则主要有：生物兽药、饲用微生物添加剂、生菌素、益生素、生物发酵剂、生物净化剂、合生素等。
世界上已有许多国家大量使用微生态制剂。据报道，美国准许直接饲喂的益生菌种已有40种，年使用量约8000吨以上，在欧洲仅法国1991年市场上销售的益生菌品种就不低于50个；日本每年益生菌用量在1000吨以上。20世纪80年代初期由日本硫球大学比嘉照夫教授研制出微生态制剂EM(effective microorganism )液，含有光合细菌、放线菌、酵母菌、乳酸菌以及发酵系列的丝状菌等5科10属80余种微生物。在我国，对于微生态制剂的开发利用虽然起步较晚，但起点较高，发展较快。2000年微生态制剂的生产厂家约100多家，到2002年我国微生态制剂厂家已达400多家，年产量约1万吨。随着动物微生态学的研究和应用的发展，微生态制剂的研制和开发蓬勃发展起来。
1. 微生态制剂的种类
微生态制剂的种类繁多，传统的分类方法多种多样，但自20世纪90年代以来，微生态制剂的分类方法国内外逐渐趋向统一。目前，肠道微生态制剂分为3大类：益生菌、益生元和合生元三大类。
1.1益生菌
益生菌（Probiotics）又称为益生素，Parker在1974年将益生菌定义为维持肠道内微生态平衡的活的或死的微生物及其发酵物。Fuller在 1989年又将益生素定义为一种可通过改善肠道菌群平衡，对动物施加有利影响的活微生物饲料添加剂。而 Sosard在1990年将益生素定义为摄入动物体内参与肠内微生物群落的阻碍作用，或者通过增强非特异性免疫功能来预防疾病而间接地起到促进生长作用和提高饲料效率的活的微生物培养物。
目前，国内外市场上的微生态制剂主要为双歧杆菌（Bifidobacterium）、芽孢杆菌属（Bacillus）和乳杆菌（Lactobacillus）制备的益生菌。双歧杆菌主要定居在人的结肠部位，在肠粘膜表面形成生物防御屏障，代谢产物为对人体健康有益的乙酸、乳酸、维生素B1、维生素B2和多种酶。芽孢杆菌属不能在人体肠道内长期定植，但是它们在人体肠道内主要通过生物夺氧作用，使局部微环境中的氧分子浓度降低，氧化还原电位下降，造成适合正常优势菌群——双歧杆菌等生长的微环境，起到间接调整菌群失调的作用。乳杆菌在代谢过程中产生乳酸、乙酸、酶和抗菌物质等，有益于微生态平衡。乳杆菌制剂常用的菌种有嗜酸乳杆菌、保加利亚乳杆菌、德式乳杆菌、干酪乳杆菌、鼠李糖乳杆菌和植物乳杆菌。
目前，其他常用的菌种还有链球菌属中的嗜热链球菌、丁酸梭菌、乳酸链球菌，乳球菌属中的乳酸乳球菌、布拉氏酵母菌等。
1.2益生元
益生元（Prebiotics）又叫化学益生素，是一种不能被宿主消化吸收，也不能被肠道有害菌利用，只能被有益微生物选择性吸收利用或能促进有益菌的活性(或繁殖)的一类化学物质。最早发现的益生元是双歧因子，后来又发现多种不能被消化的寡糖可作为益生元，如乳果糖、低聚果糖及低聚麦芽糖等。
1.3合生元
合生元（Synbiotics）为益生菌和益生元按一定比例结合的生物制剂，能同时发挥二者的共同作用，这类产品的发展前景非常广阔。例如，在双歧杆菌等活菌制剂中加进低聚果糖等益生元，既可直接补充双歧杆菌，促进双歧杆菌的生长和代谢，促进微生态平衡，也可提高制剂中双歧杆菌在肠道的存活力和定植力。
2微生态制剂的作用机理
2.1抑制有害菌的生长
现阶段对微生态制剂抑制有害菌生长的机理的研究主要基于“微生态平衡理论”，主要包括：（1）竞争性抑制有害菌的定植：在动物的健康处于正常情况下时，动物肠道内能有效促进动物生长和消化的有益菌群主要由杆菌、真菌、消化球菌、厌氧弯曲杆菌、乳杆菌和双歧杆菌等构成。当肠道内微生态环境失衡时，及时补充益生菌可以维持或增强有益菌群的优势。益生菌进入肠内后与病原菌和有害菌竞争营养物质和生存空间，抑制病原菌粘附到肠细胞上。（2）有益需氧菌夺氧：动物肠道内的优势菌群以厌氧菌为主，益生菌中的有益需氧菌如蜡样芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌等在动物肠道内生长繁殖过程中，消耗环境内的氧气，可降低局部氧分子的浓度，利于正常菌群专性厌氧菌的定植和生长繁殖，由于需氧菌与兼性厌氧菌的下降，使肠道微生态平衡恢复正常。（3）生成抗生物质：嗜酸乳杆菌、乳酸乳杆菌等菌种可通过产生过氧化氢抑制葡萄球菌的生长繁殖，使有益菌在细菌的种间竞争中占优势。双歧杆菌、乳酸杆菌通过产生乙酸、乳酸等有机酸以致降低肠道内的pH值。较低的pH值可以抑制有害菌的生长，从而减少疾病的发生。有些益生菌合成抗生物质（嗜酸菌素、乳糖菌素、杆菌肽、伊维菌素）、维生素（VB1、VB2、VB12、VK）等可以对有害菌产生较强的抑制作用。
2.2消除污染物、净化环境
微生态制剂能发挥氧化、氨化、消化、反消化、固氮等作用，将动物的排泄物、残存饲料、浮游生物残体、化学物质等迅速地分解为二氧化碳、硝酸盐、磷酸盐、硫酸盐等无毒无害的营养物质，供植物利用。
2.3刺激机体免疫系统，提高免疫力
微生态制剂可以刺激胸腺、脾脏等免疫器官的发育，有效提高抗干扰素和巨噬细胞的活性，通过产生抗体和提高噬菌作用活性等刺激免疫，增强T淋巴细胞和B淋巴细胞对抗原刺激的反应性，激发机体体液免疫和细胞免疫，从而增强机体免疫功能。Yasui从双歧杆菌属中分离出可以诱导派伊尔结(IgA)产生大量免疫球蛋白的品系，某些品系的短双歧杆菌促进IgA的产生和细胞的增生。另有报道，益生菌可产生类属抗原，引起机体对一些病原性微生物产生交叉反应，因而使机体对病原微生物产生免疫作用。乳酸菌抗原包括脂磷壁酸和细胞壁蛋白。
2.4营养作用
双歧杆菌在肠道内发酵后可以产生乳酸和醋酸，提高钙、磷、铁的利用率，并促进铁和维生素D的吸收。双歧杆菌能够合成维生素和蛋白质，促进消化和吸收：双歧杆菌具有磷蛋白磷酸酶，能分解奶中的α-酪蛋白，提高蛋白消化率。用作微生态制剂的菌种，一般都具备特殊的酶系，如分解亚硝胺的酶、降低胆固醇的酶、控制内毒素的酶、分解α-酪蛋白的酶、合成各种维生素的酶等。微生态制剂还在肠道内代谢产生几种B族维生素。因此，微生态制剂对动物机体的营养消化起到非常重要的作用。
3微生态制剂的生产工艺及产品质量
3.1生产工艺
目前，微生态制剂的生产工艺包括两种：固体发酵法和液体发酵法。固体发酵法操作简单，成本低，但劳动强度大，易污染，产品质量控制难度大。所以，工业生产一般使用液体发酵法，其主要工艺流程为：菌种培养→种子罐培养→生产罐培养→菌液达一定浓度后
收获菌液→质检→菌悬液微生态制剂
→排放菌液前加载体→干燥→粉碎→过筛→质检→粉剂、片剂微生态制剂
3.2产品质量
由于在应用上对微生态制剂的产品质量要求比较严格，所以优质的微生态制剂必须具备以下标准：（1）制剂应含一定数量的活微生物，活菌量至少应达 107～1010个/g(m1)；（2）菌株应稳定、安全、可靠；（3）菌株能在肠道中存活、繁殖，且具有抗低pH和适应环境变异的能力；（4）制剂应具提高生产率和抗病的有益作用；（5）制剂应能长期储存，在此期限内不应低于原初一半的活菌数。
4微生态制剂的应用
微生态制剂具有抑制有害菌的生长、营养作用、刺激机体免疫系统，提高免疫力等作用，所以其常被应用在以下几个方面：
4.1在水产养殖中的应用
微生态制剂在水产养殖中的应用大致可分为三类：第一类是用于改良水质的，即水质微生态调控剂；第二类是改良动物体内微生物群落的组成，防治疾病，保证健康和促进生长的，即饲料微生态添加剂；第三类是提高鱼类抵抗力、增进健康的，即微生态饵料添加剂。
调节水质的微生态制剂有枯草芽孢杆菌、硝化细菌等，能发挥氧化、氨化、硝化、反硝化、解硫、硫化、固氮等作用，将动物的排泄物、残存饵料、浮游生物残体、化学药物等迅速分解为二氧化碳、硝酸盐、磷酸盐、硫酸盐等，为单胞藻类生长繁殖提供营养，而单胞藻类的光合作用又为有机物的氧化分解及养殖生物的呼吸提供了溶解氧，构成一个良性的生态循环，维持和营造了优良水域环境。
微生态制剂作为饲料添加剂，会随食物进入机体消化道，在消化道内生长繁衍，由此产生的有益菌具有活性较强的淀粉酶、脂肪酸、蛋白酶等，协助动物消化饵料，能极大地提高饲料的利用率，营造动物生长发育所必需的良好的消化道环境，减少肠道感染，利于消化吸收，促进动物生长发育；且有些有益菌本身能产生氨基酸、维生素、胆碱等多种有益物质。
荚膜红假单胞菌等作为饵料添加剂可以提高鱼类的免疫力。荚膜红假单胞菌的细胞壁中含有的多糖类物质是非特异性免疫增强剂，能使鱼虾类的免疫球蛋白提高10倍以上。另外，类胡萝卜素、维生素对提高免疫力效果明显。
4.2在兽禽养殖中的应用
微生态制剂在猪生产中的应用研究比较多。潘康成等将枯草芽孢杆菌复合微生态制剂添加到断奶仔猪的饲料中，结果表明枯草芽孢杆菌复合微生态制剂对仔猪具有一定的促生长作用；提高了饲料转化率，能很好地预防仔猪腹泻，从而提高经济效益。
微生态制剂在禽类的研究中应用也极为广泛。李相前等用添加微生态制剂 HGB的饲料喂养400只健康的80日龄商品代罗曼褐蛋鸡。结果显示使用微生态制剂 HGB有助于增加蛋鸡体重、提高蛋鸡对饲料的利用率，并能改善蛋鸡的生产性能，也可改善试验蛋鸡的饲养环境。张勇等使用微生态制剂EM液拌料饲养种鸵鸟，结果降低了种鸵鸟的死亡率，提高了种蛋合格率，同时也节省了饲养成本。
蒋小艺等选取2种乳酸菌作为奶牛饲料添加剂，主要研究了2种乳酸菌对奶牛产奶量及乳品质的影响，结果表明，乳酸菌对奶牛的生产性能有一定的影响，并且不同型号的乳酸菌制剂对奶牛的产奶量及乳成分影响不同。
4.3在食品中的应用
微生态制剂因其特有的保健功能作为功能食品的研究已越发受到关注。目前，微生态制剂在食品中的应用主要有：功能性食品添加剂、功能性酸奶及其他功能性产品。
功能性食品添加剂主要是产味益生菌，它们通过产乙醛、乙二酰、乳酸、乙酸及丁二酮等风味物质赋予食品芳香，提高产品风味，减少香精、香料在产品中的添加，从而使产品更趋于天然、绿色，更易于被消费者接受。
功能性酸奶则是利用微生态制剂可帮助消化，防止便秘，防止细胞老化，降低胆固醇的吸收，抗肿瘤和调节人体机能等保健和医疗作用来生产的。
其他功能性产品，如各种功能性发酵果蔬饮料、糖果制品、冰淇淋甜点等都因其特有的保健功能作为功能食品的研究亦越发受到关注。以红茶菌饮料为例，由于红茶菌饮料中富含维生素 C、维生素B 等营养素，并含有三种以上对人体有益的微生物菌群，因此能调节人体生理机能，促进新陈代谢，帮助消化，防止动脉硬化，抗癌，养生强身，正在成为一种盛行全世界的养生保健饮料。
4.4在临床医学中的应用
许多学者研究发现微生态制剂在各种临床疾病中起到治疗和辅助调节作用，尤其是消化系统疾病，如肠易激综合征(IBS)、炎症性肠病 (IBD)、抗生素相关性腹泻(AAD)、根除幽门螺旋杆菌的辅助治疗等。临床常用的益生菌是乳酸菌、双歧杆菌、肠球菌和芽孢杆菌。
5影响微生态制剂应用的因素
经大量研究表明，影响微生态制剂应用的主要因素有：水分、酸度、温度及抗生素。
5.1水分
活菌在干燥状态下存活时间长，水分升高则存活率降低。如饲料原料玉米、豆饼含水量多在14％左右，一但与微生态制剂混合，对活菌影响很大。水分对菌群活力影响最小的是芽孢杆菌，其次是粪链球菌。水分对乳酸菌影响甚大，有人认为受水分影响大的有益微生物不适宜作微生态添加剂使用。
5.2酸度
除耐酸性的芽胞杆菌和乳酸菌外，一般的活菌制剂在胃酸作用下大量被杀死，残存的少量活菌进入肠道后很难形成菌群优势，因此，不耐酸的活菌制剂其含菌量必须达到相当高的浓度才能发挥益生作用。
5.3温度
微生态制剂对温度的要求比较严格。来源不同种类微生物对温度耐受力不同，芽孢杆菌能耐受较高温度，在52-102℃范围内影响不大。乳酸菌类在温度66℃或更高时几乎完全失去活性。链球菌在72℃条件下活菌损失96%以上。酵母菌在82-86℃条件下完全失去活性。因此，益生菌产品一般都要求冷藏。
5.4抗生素
经研究表明，各种抗生素对各类微生态制剂的抑制作用不同。若是有强烈抑制作用的抗生素与微生态制剂同时使用，可能会影响微生态制剂的作用效果。因此，在使用前需了解各种抗生素与所用微生态制剂之间的关系，有时二者同时使用也会产生协同作用。
6微生态制剂当前存在的问题及发展趋势
微生态制剂在水产养殖、畜禽养殖、医药卫生、食品上受到广泛重视和使用，其生产、应用技术和作用机制有待深入研究。
目前，微生态制剂存在的问题有：（1）饲用微生态制剂品种种类太少，常常出现多种畜禽通用一个型号产品的情况；（2）活菌制剂不耐高温、在加工颗粒饲料时受到限制；（3）不耐酸的活菌制剂用量较大，饲用成本相对较高；（4）医用微生态制剂的作用机制还有待进一步研究。
基于以上问题，微生态制剂当前的发展趋势主要有以下几个方面：（1）菌种选择：选择适合人畜的优良菌种，特别是适合各种日粮，直接促进动物生长的益生菌，应用生物工程技术能培育出分泌更多氨基酸和消化酶的益生菌等；（2）耐酸耐热选育：益生菌不能抵抗盐酸、胆酸等的作用，就无法到达肠道，或能到达肠道但定植时间不长。益生菌在生产和运输中受压受热失活，就会降低应用效果。必须应用基因工程技术进行定向耐酸耐热选育；（3）作用机理：研制最理想的抗生素替代品，以及应用基因工程技术筛选半永久性肠道定居菌株的机理研究。其他如益生菌存活机理、粘附定植机理、益生作用的微生态学和分子生物学机理等均成为一定的研究热点；（4）应用技术：益生素复合制剂及与抗生素、肽、酶等的联合应用技术，益生菌与光和菌联合应用技术等，也是微生态制剂研究热点之一。