顧衛(wèi)華 鄧風(fēng)雷
(1.中牧農(nóng)業(yè)連鎖發(fā)展有限公司,北京 100070;2.北京都潤(rùn)科技有限公司,北京 100081)
集約化生產(chǎn)條件下,家禽腸道健康、免疫調(diào)節(jié)功能成為研究人員和生產(chǎn)者的關(guān)注和研究重點(diǎn)。家禽腸道結(jié)構(gòu)功能完整、消化吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力完善、菌群平衡和免疫系統(tǒng)穩(wěn)定是腸道健康的重要標(biāo)志[1]。大腸桿菌、沙門氏菌、葡萄球菌、空腸彎曲菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌等病原菌會(huì)影響家禽腸道健康,引發(fā)的疫病可造成動(dòng)物急性死亡或隱性感染,危害家禽健康,從而降低導(dǎo)致生產(chǎn)性能??股氐哪退幮詫?duì)食品安全和公共健康造成影響[2]。益生菌在家禽生產(chǎn)中已經(jīng)廣泛使用。大部分益生菌產(chǎn)品作為改善家禽腸道健康、提升飼料轉(zhuǎn)化率、防治疾病的輔助手段,可以調(diào)控動(dòng)物機(jī)體腸道菌群,間接發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用[3]。益生菌、益生元等飼料添加劑能夠調(diào)節(jié)腸道菌群和宿主免疫系統(tǒng),有效改善腸道菌群多樣性[4]。有益菌能夠利用低聚糖,而病原菌(如沙門氏桿菌、大腸桿菌等)不能有效利用低聚糖[5]。益生元可以改變腸道微生物群落的數(shù)量和組成,改變腸道滲透壓,在腸道內(nèi)被利用后可以產(chǎn)生短鏈脂肪酸和氣體,進(jìn)而加強(qiáng)消化道蠕動(dòng)。益生菌和益生元在維持腸道生態(tài)方面具有相似的作用機(jī)制,二者組合補(bǔ)充會(huì)對(duì)家禽整體腸道健康產(chǎn)生協(xié)同作用[6-7]。益生菌對(duì)家禽腸道菌群的調(diào)控作用更為直接,主要通過(guò)維持菌群平衡、提高機(jī)體對(duì)養(yǎng)分的消化能力、防止或抑制腸道病原體定植或增殖、降低腸道pH值和調(diào)節(jié)免疫功能來(lái)實(shí)現(xiàn)[8-9]。益生元可以刺激腸道有益菌定植或增殖,通過(guò)代謝產(chǎn)物間接對(duì)免疫細(xì)胞作用;某些益生元類物質(zhì)(如短鏈脂肪酸)也可以直接調(diào)節(jié)機(jī)體免疫機(jī)能[7,10]。本文綜述了益生元在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進(jìn)展以及益生元在家禽腸道菌群調(diào)控、病原菌控制、免疫機(jī)能調(diào)節(jié)方面的作用效果及潛在機(jī)制,為益生元調(diào)控家禽腸道健康的理論研究、益生元類飼料添加劑的開發(fā)提供參考。
1995 年,益生元被定義為通過(guò)選擇性刺激有限數(shù)量的腸道細(xì)菌的生長(zhǎng)及活性,對(duì)宿主產(chǎn)生有利影響的不易消化的食物成分。益生元的定義未能在學(xué)術(shù)界統(tǒng)一,但有研究學(xué)者基本認(rèn)為,益生元主要通過(guò)促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)和增強(qiáng)宿主腸道中某些原籍腸道細(xì)菌的組成和代謝,有效抑制病原體保障動(dòng)物機(jī)體健康[11]。益生元研究開始階段,候選物僅限于碳水化合物,主要為非淀粉多糖和不易消化的寡糖。隨著益生元研究的發(fā)展,益生元概念已擴(kuò)展為“一種被宿主微生物選擇性利用的底物,對(duì)宿主健康產(chǎn)生益處”[12],這一廣泛而包容的概念允許益生元包含其他物質(zhì),包括不同結(jié)構(gòu)的低聚糖和多不飽和脂肪酸,均可以轉(zhuǎn)化為共軛脂肪酸[11]。
益生元已經(jīng)過(guò)檢查、表征和純化,具有已知的化學(xué)結(jié)構(gòu)、組成和合適的給藥劑量,一般公認(rèn)安全[12]。在家禽業(yè)中通常選擇不易消化的低聚糖,如甘露寡糖、低聚果糖、菊粉、低聚半乳糖、低聚木糖、低聚異麥芽糖和非淀粉多糖等作為益生元。益生元化合物基本來(lái)源于植物(包括藻類)或由微生物合成。菊芋和雪蓮果(富含低聚果糖的化合物)、大麗花、牛蒡和菊苣(富含菊粉)、山藥(富含薯蕷皂苷元)、麥麩(富含低聚木糖)、龍舌蘭(富含果聚糖)均可作為家禽養(yǎng)殖業(yè)中的益生元。釀酒酵母細(xì)胞壁中的甘露寡糖、羽扇豆籽纖維、糖基化花青素和藍(lán)莓纖維、印度桑葚(富含菊粉型果聚糖)、β-葡聚糖燕麥、棕櫚仁餅甘露聚糖、火龍果寡糖、瓊脂和海藻多糖、綠茶酚類化合物是當(dāng)前國(guó)外用于家禽生產(chǎn)領(lǐng)域重要的幾種益生元[13]。
家禽消化道由食道、嗉囊、胃、砂囊、十二指腸、空腸、回腸、盲腸、結(jié)腸和泄殖腔組成,總長(zhǎng)度相對(duì)較短。因此,家禽腸道菌群必須具有獨(dú)特的適應(yīng)性,并在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)揮益生作用,包括黏附在腸黏膜壁并有效增殖。不同種類的腸道微生物相互影響進(jìn)而改善養(yǎng)分利用、腸道功能和家禽的整體健康[14-15]。家禽的腸道菌群組成和密度取決于孵化時(shí)接觸物、腸上皮和最初采食日糧中的微生物組成。家禽腸道含有超過(guò)1 000 億個(gè)細(xì)菌,是宿主其他部位細(xì)菌數(shù)量的數(shù)倍。健康平衡的腸道菌群主要為有益的革蘭氏陽(yáng)性菌,占腸道總細(xì)菌85%以上。剩余的腸道微生物主要由梭狀芽孢桿菌、大腸桿菌、彎曲桿菌和沙門氏菌組成[16]。
擬桿菌屬、雙歧桿菌屬、梭菌屬、大腸桿菌、真桿菌屬、梭桿菌屬、乳桿菌屬、巨球菌屬、鏈球菌屬、普氏菌屬和硒單胞菌屬是家禽腸道中常見的微生物。腸道菌群以發(fā)酵終產(chǎn)物和其他分泌產(chǎn)物的形式為宿主提供營(yíng)養(yǎng)化合物,例如氨基酸、B族維生素和維生素K、多種酶類、短鏈脂肪酸等[17]。在家禽腸道內(nèi)分泌的短鏈脂肪酸有助于產(chǎn)生能量,減少盲腸中有害菌種類,刺激腸道細(xì)胞上皮增殖,通過(guò)絨毛高度分化增加吸收表面積。腸道菌群主要通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性排斥抵抗病原體和其他外源性微生物在腸道中定植。腸道菌群通過(guò)分泌有機(jī)酸、細(xì)菌素、免疫刺激、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和附著位點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)等作用方式,抑制病原體的生長(zhǎng)。研究表明,家禽腸道免疫系統(tǒng)的發(fā)育與腸道菌群的發(fā)展同步進(jìn)行,腸道菌群通過(guò)預(yù)防炎癥維持動(dòng)物機(jī)體免疫平衡[18-20]。
益生元參與家禽腸道菌群相關(guān)的多種機(jī)制[15]。目前,已經(jīng)出現(xiàn)了獨(dú)立于腸道菌群的益生元相互作用的證據(jù),增加了益生元在家禽中發(fā)揮功能機(jī)制的更多解釋和見解[21]。雖然無(wú)具體的機(jī)制可以充分解釋益生元如何在家禽生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)揮各項(xiàng)效用,但益生元對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)性能和健康的改善作用是通過(guò)抑制腸道病原體、刺激免疫系統(tǒng)、提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化率和其他有益于代謝過(guò)程的改善作用實(shí)現(xiàn)[12,22]。
腸道菌群通常決定整體腸道功能、完整性、健康等,有助于排除病原體、促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化和吸收以及增強(qiáng)免疫功能。宿主體內(nèi)微生物在決定家禽生產(chǎn)性能、生產(chǎn)力和健康方面發(fā)揮重要作用[13]。益生元正向調(diào)節(jié)家禽腸道菌群的作用已得到充分證明,相互作用機(jī)制很大程度上取決于益生元化合物的性質(zhì)、類型以及家禽種類。禽類攝食0.25%~0.50%的低聚果糖和0.025%~0.050%的甘露寡糖可以選擇性地刺激28日齡肉雞腸道內(nèi)乳酸菌(尤其是乳酸桿菌屬、雙歧桿菌屬)和產(chǎn)丁酸鹽的細(xì)菌菌株生長(zhǎng)[12,23]。研究表明,益生元可以抑制腸道病原體,包括大腸桿菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌、沙門氏菌屬、鏈球菌屬、葡萄球菌屬、彎曲桿菌屬[24]。與對(duì)照組相比,在雄性肉雞日糧中添加4.0 g/kg低聚果糖可以顯著增加肉雞腸道乳酸桿菌和雙歧桿菌數(shù)量,顯著降低了大腸桿菌數(shù)量[25]。肉雞日糧中添加甘露寡糖可以增加盲腸乳酸桿菌和雙歧桿菌數(shù)量。在肉雞日糧中添加0.05%、0.25%的甘露寡糖和低聚果糖顯著增加了乳酸桿菌數(shù)量和多樣性,減少了回腸產(chǎn)氣莢膜梭菌和大腸桿菌數(shù)[26]。禽類飼喂含益生元的日糧,腸道有益菌豐度增加。益生元的發(fā)酵和代謝增強(qiáng),可以刺激有益菌整體活性,從而影響短鏈脂肪酸合成,進(jìn)而導(dǎo)致腸道pH值降低,促進(jìn)維生素的產(chǎn)生,增強(qiáng)代謝活動(dòng)和酶促活性,降低膽固醇、甘油三酯含量以及增強(qiáng)免疫刺激,從而有助于動(dòng)物對(duì)抗病原體[27]。
目前,益生元抑制腸道黏膜中病原體定植的確切機(jī)制尚未十分清楚。但研究發(fā)現(xiàn),乳酸桿菌和雙歧桿菌等有益菌數(shù)量、活性的增加使發(fā)酵過(guò)程中遠(yuǎn)端腸道(盲腸)中的短鏈脂肪酸(尤其是丁酸鹽、乳酸、乙酸鹽和丙酸鹽)含量增加,進(jìn)而有效降低腸道pH值,進(jìn)一步抑制病原體的定植與生長(zhǎng)[21,28]。
研究發(fā)現(xiàn),腸桿菌科微生物的數(shù)量與乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽等短鏈脂肪酸含量呈負(fù)相關(guān),表明短鏈脂肪酸合成的增加是導(dǎo)致這些腸道病原體數(shù)量顯著減少的眾多機(jī)制之一,不會(huì)影響肉雞盲腸中有益菌如乳酸桿菌數(shù)量[29]。丁酸鹽會(huì)改變沙門氏菌入侵毒力基因的表達(dá)。短鏈脂肪酸抑制腸道病原體合成和活性的作用主要取決于家禽的種類和補(bǔ)充的益生元的性質(zhì)[30]。此外,有益菌可以通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)受體位點(diǎn)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分泌廣譜抗菌素(如乳桿菌素、乳酸鏈球菌肽、雙歧桿菌細(xì)菌素)抑制彎曲桿菌、大腸桿菌、沙門氏菌等[31]。益生元通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性排斥增強(qiáng)病原體的拮抗作用,選擇性增強(qiáng)有益菌增殖。小鼠飲水中添加0.5%菊芋糖漿可降低產(chǎn)氣莢膜梭菌的數(shù)量和細(xì)菌內(nèi)毒素的水平[32]。從酵母細(xì)胞壁獲得的甘露寡糖可以顯著減少家禽中表達(dá)Ⅰ型菌毛的腸道病原體數(shù)量[33]。在受鼠傷寒沙門氏菌攻毒的肉雞飲用水中補(bǔ)充2.5%的甘露糖,3個(gè)不同的體內(nèi)試驗(yàn)中鼠傷寒沙門氏菌定植率分別從93%、82%、78%降至43%、21%和28%[34]。日糧中添加甘露寡糖,蛋雞回腸中大腸桿菌和總細(xì)菌數(shù)量顯著降低[35]。
家禽日糧中添加包括益生元在內(nèi)的功能性飼料添加劑主要是為了提高家禽生產(chǎn)性能、提升飼料的有效利用和產(chǎn)品盈利能力。使用益生元或其他新興飼料添加劑替代抗生素的一個(gè)重要原因是為了改善家禽生長(zhǎng)性能、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)性、保證食品安全性。
益生元改善家禽生產(chǎn)性能的機(jī)制之一是增加短鏈脂肪酸(主要是乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽)的含量。短鏈脂肪酸在胃腸道內(nèi)被吸收,作為機(jī)體的主要能量來(lái)源。短鏈脂肪酸合成作用增強(qiáng)可以刺激并促進(jìn)家禽腸道中的其他代謝活動(dòng),有益于提高家禽生長(zhǎng)性能。在肉雞日糧中添加甘露寡糖和低聚果糖可顯著提高日增重、飼料轉(zhuǎn)化率和胴體重。研究表明,在應(yīng)激條件下,肉雞日糧中添加1 mg/kg甘露寡糖28 d,與對(duì)照組相比,肉雞平均日增重、采食量顯著增加,提高了飼料轉(zhuǎn)化率;當(dāng)使用2、0.5 g/kg 甘露寡糖時(shí),肉雞平均日增重和采食量增加[36]。研究表明,蛋雞日糧中添加1~1.5 g/kg甘露寡糖,可顯著提高試驗(yàn)全期蛋雞產(chǎn)蛋率[35]。羅曼褐蛋雞日糧中添加菊粉(0.4%)可以有效改善70 w 蛋殼質(zhì)量,蛋殼密度由82.3 mg/cm2提高至86.4 mg/cm2,蛋殼強(qiáng)度由29.7 N 提高至33.1 N[37]。研究表明,菊苣多糖能夠顯著提高海蘭褐蛋雞的生產(chǎn)性能,1%~2%菊苣多糖可提高蛋雞平均蛋重,降低料蛋比,1.5%菊苣多糖可顯著提高雞蛋品質(zhì),蛋殼厚度由1.27 mm增加至1.30 mm,雞蛋膽固醇含量由3.25 mmol/L顯著降低至2.08 mmol/L[38]。
益生元改善家禽生產(chǎn)性能的研究結(jié)論并不一致。多項(xiàng)研究表明,日糧中添加甘露寡糖,肉雞體重、日增重和采食量無(wú)顯著改善。日糧中添加1 g/kg 菊粉,不會(huì)影響肉雞的體重。在肉雞玉米-豆粕型基礎(chǔ)日糧中添加5~20 g/kg 的菊粉對(duì)肉雞的生長(zhǎng)性能無(wú)影響[17]。羅曼褐殼蛋雞日糧中添加0.8%的菊粉和低聚糖,蛋雞產(chǎn)蛋率、采食量、飼料轉(zhuǎn)化率均無(wú)顯著影響[37]。日糧中添加0.005%~0.020%低聚木糖對(duì)櫻桃谷肉鴨(42 d)平均日增重和飼料轉(zhuǎn)化效率無(wú)明顯影響[39]。益生元作用效果的差異與益生元類型、家禽種類、飼料成分、飼養(yǎng)系統(tǒng)和喂養(yǎng)時(shí)間、農(nóng)場(chǎng)衛(wèi)生和管理等因素相關(guān)。另外,缺乏對(duì)特定家禽物種使用的益生元?jiǎng)┝亢皖愋统R?guī)標(biāo)準(zhǔn)化也導(dǎo)致了試驗(yàn)結(jié)果的差異。
家禽日糧中添加益生元后,脂肪、干物質(zhì)、粗蛋白、能量和礦物質(zhì)的消化率得到改善。益生元使有益腸道微生物數(shù)量增加,改善了腸道健康和形態(tài),從而提高了養(yǎng)分吸收率。當(dāng)肉雞飼喂由玉米-豆粕型基礎(chǔ)日糧時(shí),菊粉可提高肉雞的脂肪和蛋白質(zhì)消化率。研究發(fā)現(xiàn),與對(duì)照組相比,日糧中補(bǔ)充益生元的肉雞干物質(zhì)消化率顯著提高。日糧中添加低聚糖、殼寡糖復(fù)合制劑(125 mg/kg)飼喂8 w后,肉雞的腸道健康得到改善,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化率得到提高,其中粗蛋白消化率由72.50%顯著提高至81.43%,粗纖維消化率由60.14%顯著提高至69.30%[17]。研究表明,菊苣多糖可以改善蛋雞養(yǎng)分代謝,日糧中添加1.0%~1.5%菊苣多糖可以顯著提高蛋雞對(duì)磷的吸收率,從而改善蛋殼品質(zhì)[38]。研究表明,日糧中添加2 g/kg甘露聚糖可以改善淀粉的回腸消化率,對(duì)小麥型日糧的影響比玉米型日糧影響大,原因可能是日糧組成決定了家禽的營(yíng)養(yǎng)消化率水平[12]。
研究表明,益生元在家禽中發(fā)揮的免疫調(diào)節(jié)作用通過(guò)多種機(jī)制及相互作用實(shí)現(xiàn),這些機(jī)制和相互作用會(huì)激活一些潛在的免疫刺激的基因和免疫通路[3]。家禽的免疫功能通過(guò)有益腸道菌群的選擇性增殖而得到增強(qiáng),這一過(guò)程同時(shí)會(huì)增強(qiáng)多種物質(zhì)的合成,包括短鏈脂肪酸和細(xì)菌素,其能夠?qū)節(jié)撛诓≡w,并進(jìn)一步刺激免疫系統(tǒng)。益生元能夠增加腸黏膜蛋白和緊密連接蛋白分泌,催化雷帕霉素靶蛋白表達(dá),降低促炎因子合成釋放,進(jìn)而調(diào)控腸道免疫功能[40-41]。
一些腸道基因的表達(dá)、免疫系統(tǒng)成熟和T 細(xì)胞介導(dǎo)的免疫通路受家禽腸道菌群(特別是乳酸桿菌和雙歧桿菌)的調(diào)節(jié)。腸道上皮細(xì)胞通過(guò)這些腸道有益菌群的影響,合成抗菌肽和某些腸道細(xì)胞因子,包括白細(xì)胞介素-12(IL-12)、白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)、白細(xì)胞介素-10(IL-10)、干擾素(IFN-γ)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α);可以促進(jìn)免疫球蛋白G(IgG)、免疫球蛋白M(IgM)和免疫球蛋白A(IgA)的合成,提高疫細(xì)胞(主要是巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞)增殖和自然殺傷細(xì)胞、CD8、CD4 和CD3 T細(xì)胞數(shù)量[42-43]。
動(dòng)物先天性免疫系統(tǒng)受體可識(shí)別甘露聚糖[44]。肉雞日糧中添加甘露聚糖、低聚果糖和菊粉可以改善肉雞盲腸扁桃體等腸道相關(guān)淋巴組織的免疫反應(yīng),增加了盲腸IgA、血漿IgG和IgM的抗體滴度、mRNA 的表達(dá),增強(qiáng)了腸道免疫功能[45-46]。日糧中添加5~10 g/kg 菊粉,試驗(yàn)0~21 d,腸道IgA、白細(xì)胞介素-6(IL-6)、CD4、CD8和淋巴細(xì)胞水平逐漸升高,但是對(duì)試驗(yàn)全期(42 d)結(jié)果無(wú)影響[46-47]。日糧中添加1~2 g/kg甘露寡糖可以顯著提高蛋雞(68~79 w)抗新城疫和傳染性支氣管疾病病毒抗體滴度[35]。
益生元可以改變家禽腸道長(zhǎng)度、密度、深度和微結(jié)構(gòu)。益生元對(duì)禽類腸道形態(tài)的影響與腸細(xì)胞內(nèi)增加的吸收表面積有關(guān),這有助于改善飼料利用率,增強(qiáng)腸道刷狀緣酶的活性[48]。
家禽長(zhǎng)期補(bǔ)充低聚果糖會(huì)對(duì)腸道形態(tài)產(chǎn)生顯著影響,包括腸隱窩深度和絨毛高度等。腸絨毛高度的增加可能是由于表面積擴(kuò)大增加了腸道對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收,從而增加了更多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸。甘露寡糖能夠有效改善腸道物理和免疫屏障功能,原因是甘露寡糖可與潛在致病菌(帶有Ⅰ型菌毛)特異性結(jié)合,抑制病原體在腸道黏膜上的定植,增強(qiáng)黏蛋白的表達(dá),降低腸細(xì)胞周轉(zhuǎn)率[10,23]。甘露寡糖可以增加家禽小腸的絨毛高度,降低隱窩深度,增加絨毛高度和隱窩深度比,增加空腸和回腸杯狀細(xì)胞數(shù)量。甘露聚糖能夠有效加強(qiáng)腸道微屏障完整性、氧化狀態(tài)和免疫功能[49]。除了短鏈脂肪酸合成增加和腸道pH值降低外,益生元能夠有效改善腸道絨毛、隱窩形態(tài)[15]。在日糧中添加木質(zhì)素和甘露聚糖后,肉雞42 d 腸道絨毛高度由2 299.66 μm 分別增加至2 338.29、2 465.86 μm,具有顯著的改善效果[43]。在火雞日糧中添加β-葡聚糖和甘露聚糖復(fù)合物(453.6 g/t),回腸表面積由104 519 μm2增加至209 742 μm2,絨毛高度由1 072.9 μm增加至1 860.7 μm,固有層厚度由121.1 μm增加至135.6 μm,表明β-葡聚糖和甘露聚糖可以有效促進(jìn)火雞腸道結(jié)構(gòu)的成熟[50]。
益生元作為家禽腸道微生物的底物,可以影響腸道菌群的活性和數(shù)量,競(jìng)爭(zhēng)性地抑制病原菌的定植,調(diào)節(jié)機(jī)體免疫力,提高家禽生長(zhǎng)速度,改善養(yǎng)殖效益。但家禽腸道微生物組成復(fù)雜,很難評(píng)估在特定益生元存在下可能發(fā)生的微生物組成變化和代謝反應(yīng)。目前,關(guān)于益生元的研究集中在其對(duì)雙歧桿菌和乳酸桿菌的促進(jìn)作用方面。益生元作用效果的差異與益生元類型、家禽種類、飼料成分、飼養(yǎng)管理、養(yǎng)殖環(huán)境衛(wèi)生等因素相關(guān)。在選擇應(yīng)用益生元制劑前,必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格評(píng)估,否則可能會(huì)對(duì)家禽健康和養(yǎng)殖效益產(chǎn)生不利影響。關(guān)于腸道菌群對(duì)益生元的反應(yīng)的研究在廣度和深度上仍然十分有限。考慮腸道菌群的高度變異性,未來(lái)研究中,需要分析不同種群、不同腸道位置和不同養(yǎng)殖區(qū)域的大量樣本,應(yīng)用高通量測(cè)序技術(shù),在補(bǔ)充益生元后對(duì)不同系統(tǒng)發(fā)育分類水平的腸道微生物進(jìn)行全菌落分析。