彭立強(qiáng) 謝 云 任濤濤 陳五嶺
飼料添加劑是添加在飼料中的一種可食性物質(zhì),以提高動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)水平及補(bǔ)充足夠的營(yíng)養(yǎng)。最初,飼料添加劑使用最普遍的主要是抗生素。但抗生素進(jìn)入動(dòng)物腸道后,除了殺死致病菌,還會(huì)破壞腸道正常菌群,致使動(dòng)物免疫力下降,而且抗生素還存在殘留和抗藥性等問(wèn)題。為此,抗生素在飼料中的使用受到了嚴(yán)格的限制。微生態(tài)制劑是一種新型飼料添加劑,又叫微生物飼料添加劑,它能很好地克服抗生素的不足。微生物飼料添加劑是以微生態(tài)調(diào)控理論為指導(dǎo),利用動(dòng)物體內(nèi)正常微生物及其代謝產(chǎn)物或生長(zhǎng)促進(jìn)物,經(jīng)培養(yǎng)、發(fā)酵、干燥、加工等特殊加工工藝制成的可直接飼喂動(dòng)物的活菌制劑。微生物飼料添加劑具有增強(qiáng)動(dòng)物免疫功能、防治疾病、提高生產(chǎn)性能的作用,既能確保食品安全,改善畜禽產(chǎn)品品質(zhì),又能減少畜禽排泄物的臭氣,改善養(yǎng)殖場(chǎng)生態(tài)環(huán)境。
作為微生物飼料添加劑的核心組成成分,微生物菌種的優(yōu)劣是決定后期發(fā)酵生產(chǎn)和產(chǎn)品最終應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素。在菌種篩選過(guò)程中,應(yīng)著重考察其耐酸、耐膽鹽的能力,以及對(duì)胃腸道環(huán)境的抵抗能力。而此過(guò)程中活菌計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性,決定著我們對(duì)試驗(yàn)菌耐受能力的判斷,關(guān)系到該微生物飼料添加劑的應(yīng)用價(jià)值。通常,活菌計(jì)數(shù)的方法主要是平板稀釋法、比濁法、菌體干重法等,但這些方法都不夠理想,存在諸如工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)、誤差大、不能區(qū)分死活細(xì)胞等缺點(diǎn)。本試驗(yàn)采用MTT比色法進(jìn)行活菌計(jì)數(shù)。該方法是利用活細(xì)胞線粒體中的琥珀酸脫氫酶將外源性的MTT還原為難溶性的紫藍(lán)色結(jié)晶物甲瓚(Formazan),用二甲基亞礬將其溶解釋放,再用酶聯(lián)免疫檢測(cè)儀測(cè)定OD值,OD值的高低可間接反映活細(xì)胞的數(shù)量。MTT法簡(jiǎn)單快速、重復(fù)性好、能夠較準(zhǔn)確地區(qū)分死活菌體細(xì)胞。
目前公認(rèn)能作為微生態(tài)制劑的菌種包括:乳酸菌類、芽孢桿菌類、酵母類、霉菌類及光合細(xì)菌等。本文的目的是根據(jù)微生態(tài)理論,選用嗜酸乳桿菌、納豆芽孢桿菌、釀酒酵母作為試驗(yàn)菌株,研制能應(yīng)用于養(yǎng)豬生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)高效的復(fù)合微生物飼料添加劑。
實(shí)驗(yàn)菌:嗜酸乳桿菌(Lactobacillus acidophilus)、釀酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae)、納豆芽孢桿菌(Bacillus natto),均為本實(shí)驗(yàn)室保藏菌株。
指示菌:大腸桿菌(Escherichia coli)、鼠傷寒沙門氏菌(Salmonella typhimurium),為本實(shí)驗(yàn)室自天津?qū)毜暇┴S養(yǎng)殖場(chǎng)發(fā)病豬體內(nèi)分離鑒定的菌株。
1.2.1 培養(yǎng)基
①嗜酸乳桿菌培養(yǎng)基:MRS培養(yǎng)基;②納豆芽孢桿菌培養(yǎng)基:LB培養(yǎng)基;③釀酒酵母培養(yǎng)基:豆芽汁蔗糖培養(yǎng)基;④指示菌培養(yǎng)基:牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基。
1.2.2 主要試劑和儀器
豬膽鹽(上海源聚生物科技有限公司生產(chǎn));胃蛋白酶、胰蛋白酶(上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司提供);MTT(噻唑藍(lán))(北京伯樂(lè)泰克生物有限公司生產(chǎn));DMSO(二甲基亞礬)(上海菲達(dá)工貿(mào)有限公司和橋分公司生產(chǎn));超凈工作臺(tái)(SXK-103);DHP-9272電熱恒溫培養(yǎng)箱(上海-恒科技有限公司生產(chǎn));多孔板分光光度計(jì)(酶標(biāo)儀,BIO-RAD-550,美國(guó)生產(chǎn))。
1.3.1 菌株的篩選活化及菌懸液的制備
①取出冷凍保藏的8株嗜酸乳桿菌經(jīng)MRS固體培養(yǎng)基連續(xù)活化3~4次后,分別測(cè)量pH值和活菌數(shù),初篩出產(chǎn)酸和生長(zhǎng)較快的菌株,37℃厭氧培養(yǎng)24 h,用無(wú)菌生理鹽水稀釋成菌數(shù)為107CFU/ml的菌懸液作為試驗(yàn)菌液A。
②納豆芽孢桿菌接種于LB固體培養(yǎng)基中,活化3~4次,鏡檢后挑選生長(zhǎng)旺盛、芽孢產(chǎn)生正常的菌株,擴(kuò)大培養(yǎng)后用無(wú)菌生理鹽水稀釋為菌數(shù)107CFU/ml的實(shí)驗(yàn)菌液B。
③釀酒酵母先在豆芽汁蔗糖固體培養(yǎng)基活化3~4次,再接種到以淀粉為唯一碳源的平板上,根據(jù)透明圈大小,從中挑選淀粉酶活性最強(qiáng)的菌株,擴(kuò)大培養(yǎng)后制成的實(shí)驗(yàn)菌液C,菌數(shù)為107CFU/ml。
④大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌分別接種于牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基中,活化3~4次后,制成菌數(shù)為107CFU/ml的指示菌液D、指示菌液E。
1.3.2 抑菌實(shí)驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)采用牛津杯法,以大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌作指示菌,對(duì)試驗(yàn)菌株嗜酸乳桿菌、納豆芽孢桿菌的抑菌效果進(jìn)行檢測(cè)(釀酒酵母對(duì)腸道病原菌的抑制效果不明顯,在抑菌實(shí)驗(yàn)部分不予討論)。自指示菌液D、指示菌液E中分別取0.4 ml加入培養(yǎng)基中,加入15 ml放冷至50℃的牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基,混勻,作為菌層,置于37℃干燥冷卻30 min,待其充分凝固。在無(wú)菌條件下,將3個(gè)無(wú)菌不銹鋼牛津杯等距放置于培養(yǎng)基表面,分別吸取0.25 ml實(shí)驗(yàn)菌液A、實(shí)驗(yàn)菌液B和AB混合液(每個(gè)試驗(yàn)菌3個(gè)重復(fù))37℃恒溫培養(yǎng)24 h,用游標(biāo)卡尺準(zhǔn)確測(cè)量抑菌圈的直徑,計(jì)算其平均值。
1.3.3 耐酸實(shí)驗(yàn)
將上述實(shí)驗(yàn)篩選出的菌株活化后,分別以2%的接種量,依次接種于pH值為2.0、3.0、4.0、5.0的3種實(shí)驗(yàn)菌的液體培養(yǎng)基(MRS液體培養(yǎng)基、豆芽汁蔗糖液體培養(yǎng)基、LB液體培養(yǎng)基)中,37℃培養(yǎng)16 h,用MTT比色法測(cè)其活菌濃度。
1.3.4 耐膽鹽實(shí)驗(yàn)
初篩:將上述實(shí)驗(yàn)篩選出的3種菌株按點(diǎn)種法分別接入到對(duì)應(yīng)的3種固體培養(yǎng)基(加豬膽鹽0.3%)中,37℃恒溫培養(yǎng)3~4 d后觀察(重復(fù)3次)。挑選生長(zhǎng)良好的菌株進(jìn)入下一步實(shí)驗(yàn)。
復(fù)篩:在3種液體培養(yǎng)基中分別依次加入0.1、0.2、0.3、0.4 的豬膽鹽(w/v,%),121 ℃滅菌 15 min。將初篩獲得的3種菌株接入上述已處理好的液體培養(yǎng)基中,同時(shí)接種不含豬膽鹽的培養(yǎng)基中作為對(duì)照。37℃,140 r/min搖床培養(yǎng)18 h,用MTT比色法測(cè)其活菌濃度。
1.3.5 人工模擬豬體胃腸道耐受性實(shí)驗(yàn)
1.3.5.1 人工胃液的耐受性實(shí)驗(yàn)
人工胃液的配制:NaCl 0.2%、胃蛋白酶0.35%,用1 N HCl調(diào)整pH值為3.0后,用細(xì)菌過(guò)濾器過(guò)濾后備用。
將試驗(yàn)菌液A、B、C以10%的接種量接入到人工胃液中,37℃、140 r/min搖床培養(yǎng),以0 min時(shí)為對(duì)照,分別于 60、90、120 min取樣,MTT法測(cè)其活菌數(shù),并計(jì)算存活率,重復(fù)3次取平均值。
1.3.5.2 人工腸液的耐受性試驗(yàn)
人工腸液的配制:將下述a液和b液以2:1混合即為人工腸液。
a胰腺液:NaHCO31.1%、NaCl 0.2%、胰蛋白酶1%,調(diào)整pH值為3.0后,過(guò)濾除菌后備用。
b膽液:豬膽鹽1.2% ,調(diào)整pH值為8.0后,過(guò)濾除菌備用。
將試驗(yàn)菌液A、B、C以10%的接種量接入到模擬腸液中,37 ℃,140 r/min搖床培養(yǎng),分別于 0、60、120、240 min取樣,MTT法測(cè)其活菌數(shù),并計(jì)算存活率(重復(fù)3次,取平均值)。
1.4.1 MTT法測(cè)活菌數(shù)
此法是通過(guò)檢測(cè)光密度值變化來(lái)間接反映菌體活細(xì)胞數(shù)量的變化,只有在一定細(xì)胞濃度范圍內(nèi),甲瓚生成量才與活細(xì)胞數(shù)目呈正相關(guān)。因此,比色前必須對(duì)培養(yǎng)液中菌體濃度進(jìn)行處理:菌液濃度過(guò)低時(shí),濃縮后再測(cè)定;若過(guò)高時(shí),先稀釋,使其OD值在0.2~1.0的范圍后,再測(cè)定。魏鴻剛等認(rèn)為:當(dāng)樣品中活菌濃度在1×107~1.4×108CFU/ml范圍內(nèi)時(shí),光吸收值與待測(cè)樣品的活菌濃度之間的線性關(guān)系較好。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:
①PBS溶液配制:8 g NaCl、1.15 g磷酸氫二鉀,0.2 g磷酸二氫鉀去離子水定容至1 000 ml,用pH計(jì)調(diào)節(jié)pH值7.2,溶液濃度為0.01 mol/l。121℃滅菌15 min,室溫保存。
②MTT溶液配制:稱取100mgMTT于小燒杯中,加 20 ml PBS(0.01 mo/l,pH 值 7.2),使其充分溶解,用0.22 μm微孔過(guò)濾器除菌,分裝于1.5 ml的EP管中,4℃棕色瓶中避光保存。兩周內(nèi)使用有效。
③標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制:取3種實(shí)驗(yàn)菌的菌液,用無(wú)菌生理鹽水進(jìn)行倍比稀釋,選擇10個(gè)合適的濃度,分別對(duì)其做MTT比色實(shí)驗(yàn)和平板菌落計(jì)數(shù)。根據(jù)OD值和活菌數(shù)作出3種實(shí)驗(yàn)菌各自的標(biāo)準(zhǔn)曲線,并求出回歸方程。
④MTT比色實(shí)驗(yàn):A:將培養(yǎng)液進(jìn)行濃縮或稀釋,使其活菌濃度滿足比色要求;B:吸取處理好的培養(yǎng)液100 μl,加入96孔酶標(biāo)板中,每個(gè)樣液做5個(gè)復(fù)孔,同時(shí)設(shè)陰性對(duì)照;C:用微量吸樣器在96孔酶標(biāo)板中含有樣品的各孔分別加入20 μl的MTT溶液,37℃恒溫培養(yǎng)1.5 h后取出,向各孔分別加入100 μl的DMSO,用全自動(dòng)酶標(biāo)儀于570 nm處測(cè)定OD值,測(cè)量前振動(dòng)60 s。所得OD值代入回歸方程計(jì)算出活菌數(shù)。
1.4.2 pH值的測(cè)定
用ORION RESEARCH model 221型酸度計(jì)測(cè)pH值。
1.4.3 統(tǒng)計(jì)方法
為了便于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,將活菌數(shù)CFU/ml換算成對(duì)數(shù)值。
所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果至少重復(fù)3次,所得數(shù)據(jù)用Excel2007和SPSS17.0進(jìn)行計(jì)算和分析,結(jié)果用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±sd)的形式給出。
表1 抑菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果(mm)
從表1可以看出,嗜酸乳桿菌、納豆芽孢桿菌這兩種實(shí)驗(yàn)菌對(duì)指示菌均具有一定的抑制活性。其中,對(duì)大腸桿菌抑菌活性最好的是納豆芽孢桿菌,其抑菌圈直徑為15.67 mm;對(duì)鼠傷寒沙門氏菌抑菌能力最好的也是納豆芽孢桿菌,其次是嗜酸乳桿菌,兩種菌抑菌圈大小分別為14.95和13.67 mm;混合菌液對(duì)大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌也均具有抑菌作用,其抑菌圈直徑分別為14.91和13.33 mm。說(shuō)明各實(shí)驗(yàn)菌株對(duì)指示菌均有一定的抑菌效果,且兩菌種混合后對(duì)病原菌仍表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑菌作用。
因飲食結(jié)構(gòu)等的狀況的不同,動(dòng)物胃液pH值的波動(dòng)較大,如豬胃中的pH值常在2.0~7.0之間,但一般在3.0左右,因此,以此pH值作為菌株篩選的標(biāo)準(zhǔn)。
由圖1可知,隨著培養(yǎng)基pH值的逐漸降低活菌含量也隨之下降。在pH值5.0時(shí),各試驗(yàn)菌均表現(xiàn)出較好的增殖現(xiàn)象,嗜酸乳桿菌的活菌數(shù)對(duì)數(shù)值達(dá)到了7.35。pH值4.0時(shí),3種菌的活菌數(shù)有所下降,活菌數(shù)均小于107;當(dāng)pH值下降至3.0時(shí),3種試驗(yàn)菌仍然表現(xiàn)一定的耐受能力,活菌數(shù)均在106左右。其中,嗜酸乳桿菌、納豆芽孢桿菌的存活能力比釀酒酵母要好。在pH值為2的強(qiáng)酸性條件下,納豆芽孢桿菌的存活能力較其余兩菌要好,活菌數(shù)在105以上。由此,說(shuō)明篩選出的3種試驗(yàn)菌(尤其是納豆芽孢桿菌)均具有較好的抗酸能力,能順利通過(guò)高酸性胃液環(huán)境進(jìn)入腸道。
圖1 不同pH值對(duì)菌數(shù)含量的影響
微生物飼料添加劑對(duì)膽鹽的耐受性是決定其進(jìn)入豬體內(nèi)能否發(fā)揮生理功能的又一關(guān)鍵因素。膽鹽是由肝臟合成的膽汁酸與甘氨酸或?;撬峤Y(jié)合形成的鈉鹽或鉀鹽,經(jīng)膽道分泌進(jìn)入小腸,動(dòng)物腸道中的膽汁鹽含量是不斷變化的,一般在0.3~3.0 g/kg,通常情況下其平均含量為0.3 g/kg,所以通常將0.3 g/kg作為篩選耐膽汁鹽菌體的標(biāo)準(zhǔn)。
圖2 不同膽鹽濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)菌活菌數(shù)的影響
由圖2可知,嗜酸乳桿菌、納豆芽孢桿菌、釀酒酵母在膽鹽濃度為0.1%、0.2%時(shí)均能很好的生長(zhǎng)繁殖,其中納豆芽孢桿菌的耐膽鹽能力較強(qiáng),活菌數(shù)均大于107CFU/ml;當(dāng)豬膽鹽濃度增加為0.3%時(shí),3種試驗(yàn)菌都表現(xiàn)出較好的增殖現(xiàn)象,其中納豆芽孢桿菌和嗜酸乳桿菌的增殖較明顯,活菌數(shù)都在106以上;當(dāng)膽鹽濃度為0.4%時(shí),納豆芽孢桿菌生長(zhǎng)狀況一般,而嗜酸乳桿菌和釀酒酵母的生長(zhǎng)受到較明顯抑制,但活菌數(shù)仍大于104。說(shuō)明嗜酸乳桿菌、納豆芽孢桿菌、釀酒酵母對(duì)膽鹽均具有一定的耐受力。
2.4.1 人工胃液的耐受性實(shí)驗(yàn)結(jié)果
動(dòng)物胃液的成分主要有:鹽酸、胃蛋白酶原、粘蛋白等。胃蛋白酶原在HCl激活下轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘奈傅鞍酌福澄?。流體食物在胃內(nèi)經(jīng)階段性運(yùn)動(dòng)消化一般需要1~2 h。菌株對(duì)胃酸及胃蛋白酶的耐受性越強(qiáng),能夠到達(dá)腸道的活菌數(shù)越多,則越能最大限度地發(fā)揮效應(yīng)。人工模擬豬體胃液實(shí)驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表2。
由表2所示,在人工豬體胃液中,3種實(shí)驗(yàn)菌在人工胃液中的活菌數(shù)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低,作用2 h活菌存活率均在70%以上,即大部分試驗(yàn)菌耐受人工胃液環(huán)境的時(shí)間超過(guò)2 h。說(shuō)明篩選出來(lái)的3種實(shí)驗(yàn)菌通過(guò)豬體胃液環(huán)境進(jìn)入腸道的可能性較大。
2.4.2 人工模擬腸液的耐受性實(shí)驗(yàn)結(jié)果
豬體消化道腸液中含有胰蛋白酶和膽汁鹽,對(duì)菌株的存活有很大的影響。小腸液是一種弱堿性液體,pH值約為7.6。食物在小腸內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng),約3~5 h。另外,膽汁鹽具抗菌性,可溶解細(xì)菌細(xì)胞,活菌進(jìn)入腸道后,要對(duì)環(huán)境具有一定的持續(xù)耐受能力,才能保證其正常發(fā)揮作用。人工模擬豬體腸液實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。
由表3可知,實(shí)驗(yàn)菌對(duì)人工豬體腸液具有較強(qiáng)的耐受能力,3種實(shí)驗(yàn)菌的存活率都在80%以上,耐受時(shí)間可超過(guò)5 h。其中,納豆芽孢桿菌經(jīng)人工胃液處理5 h后的存活率仍大于85%。由此說(shuō)明3種實(shí)驗(yàn)菌通過(guò)豬體腸液環(huán)境存活的可能性較大。
多數(shù)報(bào)道表明,甲瓚在570 nm下的光吸收值與細(xì)胞活性正比關(guān)系最佳,本文選取570 nm測(cè)定OD值。此外,不同益生菌的琥珀酸脫氫酶的活性各不相同,為了更精確的反映培養(yǎng)液中的活菌數(shù),本文準(zhǔn)確地繪制了3種實(shí)驗(yàn)菌各自的標(biāo)準(zhǔn)曲線。
以MTT比色法所得OD值為X軸,以平板稀釋法所得活菌數(shù)為Y軸作標(biāo)準(zhǔn)曲線。3種菌的標(biāo)準(zhǔn)曲線見(jiàn)圖3、圖4、圖5,3種菌的線性回歸方程為:
①嗜酸乳桿菌:線性回歸方程:y=1.497 3x+0.001 7,R2=0.984 7;
②納豆芽孢桿菌:線性回歸方程:y=1.380 5x+0.017 4,R2=0.986 7;
③釀酒酵母:線性回歸方程:y=1.484 2x+0.009 3,R2=0.985 5。
表2 實(shí)驗(yàn)菌的人工胃液實(shí)驗(yàn)(pH值為3.0)
表3 實(shí)驗(yàn)菌的人工腸液實(shí)驗(yàn)
圖3 嗜酸乳桿菌的活菌數(shù)與OD570 nm的關(guān)系
圖4 納豆芽孢桿菌的活菌數(shù)與OD570 nm的關(guān)系
圖5 釀酒酵母的活菌數(shù)與OD570 nm的關(guān)系
由于豬體胃腸消化道不斷分泌胃液、膽汁、胰液等消化液,對(duì)微生物構(gòu)成一道酶和低pH值的屏障。復(fù)合益生菌需對(duì)胃腸道較強(qiáng)的酸性環(huán)境、較高濃度的膽鹽和各種消化酶具有一定的耐受能力,這樣才能保證其進(jìn)入消化道,并定植于腸道內(nèi),發(fā)揮調(diào)節(jié)腸道菌群平衡的作用。
所選3種試驗(yàn)菌:嗜酸乳桿菌、納豆芽孢桿菌及其混合菌液對(duì)大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌均具有明顯的抑制作用,在pH值3.0時(shí),3種實(shí)驗(yàn)菌的活菌數(shù)均在106左右,其中,嗜酸乳桿菌、納豆芽孢桿菌的酸性環(huán)境存活能力比釀酒酵母要好。在0.3%豬膽鹽的環(huán)境中,3種實(shí)驗(yàn)菌都表現(xiàn)出較好的增殖現(xiàn)象,其中納豆芽孢桿菌和嗜酸乳桿菌的增殖較明顯,活菌數(shù)都在106以上。另外,人工胃腸道實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:3種實(shí)驗(yàn)菌通過(guò)豬體胃液環(huán)境存活的可能性較大,3種實(shí)驗(yàn)菌在人工胃液中作用2 h活菌存活率均在70%以上;3種實(shí)驗(yàn)菌對(duì)人工豬體腸液具有較強(qiáng)的耐受能力,存活率都在80%以上,耐受時(shí)間可超過(guò)5 h。其中,納豆芽孢桿菌經(jīng)人工胃液處理5 h后的存活率仍大于85%。
由本實(shí)驗(yàn)所篩選的3種實(shí)驗(yàn)菌(嗜酸乳桿菌、納豆芽孢桿菌、釀酒酵母)均可以通過(guò)胃液到達(dá)小腸發(fā)揮作用。所選菌株對(duì)病原菌、尤其是豬體高致病菌有較強(qiáng)的抑制作用,具備了優(yōu)良益生菌的條件,我們將進(jìn)一步摸索發(fā)酵實(shí)驗(yàn)條件、研究生產(chǎn)制備工藝,制成固體微生物飼料添加劑,并將其應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中,進(jìn)行豬的飼喂實(shí)驗(yàn),以檢驗(yàn)其應(yīng)用效果。
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