益生元在家禽生产中的应用研究

摘要：益生元替代抗生素具有改善家禽生长性能、促进畜牧业养殖发展、保障食品安全的作用。目前，已经证明益生元可以正向调节家禽肠道微生物群。益生元可以抑制动物肠道病原体，其发酵和代谢增强，可以刺激有益菌的活性，从而影响短链脂肪酸的合成。文章综述了益生元概念、效果、机制及其在家禽生产中的应用，为益生元类饲料添加剂在家禽生产中的开发提供参考。

关键词：益生元；家禽；肠道菌群；免疫

集约化生产条件下，家禽肠道健康、免疫调节功能成为研究人员和生产者的关注和研究重点。家禽肠道结构功能完整、消化吸收营养物质的能力完善、菌群平衡和免疫系统稳定是肠道健康的重要标志[1]。大肠杆菌、沙门氏菌、葡萄球菌、空肠弯曲菌、产气荚膜梭菌等病原菌会影响家禽肠道健康，引发的疫病造成动物急性死亡或隐性感染，危害家禽健康，从而降低导致生产性能。抗生素的耐药性对食品安全和公共健康造成影响[2]。益生菌在家禽生产中已经广泛使用，大部分益生菌产品作为改善家禽肠道健康、提升饲料转化率、防治疾病的辅助手段，可以调控动物机体肠道菌群，间接发挥免疫调节作用[3]。益生菌、益生元等饲料添加剂能够调节肠道菌群和宿主免疫系统，有效改善肠道菌群多样性[4]。有益菌能够利用低聚糖，而病原菌（如沙门氏杆菌、大肠杆菌等）不能有效利用低聚糖[5]。益生元可以改变肠道微生物群落的数量和组成，改变肠道渗透压，在肠道内被利用后可以产生短链脂肪酸和气体，进而加强消化道蠕动。益生菌和益生元在维持肠道生态方面具有相似的作用机制，二者组合补充会对家禽整体肠道健康产生协同作用[6-7]。益生菌对家禽肠道菌群的调控作用更为直接，主要通过维持菌群平衡、提高机体对养分的消化能力、防止或抑制肠道病原体定植或增殖、降低肠道pH值和调节免疫功能来实现[8-9]。益生元可以刺激肠道有益菌定植或增殖，通过代谢产物间接对免疫细胞作用；某些益生元类物质（如短链脂肪酸）也可以直接调节机体免疫机能[7,10]。本文综述了益生元在家禽生产中的应用研究进展以及益生元在家禽肠道菌群调控、病原菌控制、免疫机能调节方面的作用效果及潜在机制，为益生元调控家禽肠道健康的理论研究、益生元类饲料添加剂的开发提供参考。

1益生元概念的演变

1995年，益生元被定义为通过选择性刺激有限数量的肠道细菌的生长及活性，对宿主产生有利影响的不易消化的食物成分。益生元的定义未能在学术界统一，但有研究学者基本认为，益生元主要通过促进动物生长和增强宿主肠道中某些原籍肠道细菌的组成和代谢，有效抑制病原体保障动物机体健康[11]。益生元研究开始阶段，候选物仅限于碳水化合物，主要为非淀粉多糖和不易消化的寡糖。随着益生元研究的发展，益生元概念已扩展为“一种被宿主微生物选择性利用的底物，对宿主健康产生益处”[12]，这一广泛而包容的概念允许益生元包含其他物质，包括不同结构的低聚糖和多不饱和脂肪酸，均可以转化为共轭脂肪酸[11]。益生元已经过检查、表征和纯化，具有已知的化学结构、组成和合适的给药剂量，一般公认安全[12]。在家禽业中通常选择不易消化的低聚糖，如甘露寡糖、低聚果糖、菊粉、低聚半乳糖、低聚木糖、低聚异麦芽糖和非淀粉多糖等作为益生元。益生元化合物基本来源于植物（包括藻类）或由微生物合成。菊芋和雪莲果（富含低聚果糖的化合物）、大丽花、牛蒡和菊苣（富含菊粉）、山药（富含薯蓣皂苷元）、麦麸（富含低聚木糖）、龙舌兰（富含果聚糖）均可作为家禽养殖业中的益生元。酿酒酵母细胞壁中的甘露寡糖、羽扇豆籽纤维、糖基化花青素和蓝莓纤维、印度桑葚（富含菊粉型果聚糖）、β-葡聚糖燕麦、棕榈仁饼甘露聚糖、火龙果寡糖、琼脂和海藻多糖、绿茶酚类化合物是当前国外用于家禽生产领域重要的几种益生元[13]。

2家禽肠道菌群特征与功能

家禽消化道由食道、嗉囊、胃、砂囊、十二指肠、空肠、回肠、盲肠、结肠和泄殖腔组成，总长度相对较短。因此，家禽肠道菌群必须具有独特的适应性，并在较短时间内发挥益生作用，包括黏附在肠黏膜壁并有效增殖。不同种类的肠道微生物相互影响进而改善养分利用、肠道功能和家禽的整体健康[14-15]。家禽的肠道菌群组成和密度取决于孵化时接触物、肠上皮和最初采食日粮中的微生物组成。家禽肠道含有超过1000亿个细菌，是宿主其他部位细菌数量的数倍。健康平衡的肠道菌群主要为有益的革兰氏阳性菌，占肠道总细菌85%以上。剩余的肠道微生物主要由梭状芽孢杆菌、大肠杆菌、弯曲杆菌和沙门氏菌组成[16]。拟杆菌属、双歧杆菌属、梭菌属、大肠杆菌、真杆菌属、梭杆菌属、乳杆菌属、巨球菌属、链球菌属、普氏菌属和硒单胞菌属是家禽肠道中常见的微生物。肠道菌群以发酵终产物和其他分泌产物的形式为宿主提供营养化合物，例如氨基酸、B族维生素和维生素K、多种酶类、短链脂肪酸等[17]。在家禽肠道内分泌的短链脂肪酸有助于产生能量，减少盲肠中有害菌种类，刺激肠道细胞上皮增殖，通过绒毛高度分化增加吸收表面积。肠道菌群主要通过竞争性排斥抵抗病原体和其他外源性微生物在肠道中定植。肠道菌群通过分泌有机酸、细菌素、免疫刺激、营养物质和附着位点竞争等作用方式，抑制病原体的生长。研究表明，家禽肠道免疫系统的发育与肠道菌群的发展同步进行，肠道菌群通过预防炎症维持动物机体免疫平衡[18-20]。

3益生元对家禽的作用机制

益生元参与家禽肠道菌群相关的多种机制[15]。目前，已经出现了独立于肠道菌群的益生元相互作用的证据，增加了益生元在家禽中发挥功能机制的更多解释和见解[21]。虽然无具体的机制可以充分解释益生元如何在家禽生长过程中发挥各项效用，但益生元对动物生产性能和健康的改善作用是通过抑制肠道病原体、刺激免疫系统、提高营养物质的消化率和其他有益于代谢过程的改善作用实现[12,22]。

3.1益生元与肠道菌群平衡

肠道菌群通常决定整体肠道功能、完整性、健康等，有助于排除病原体、促进营养物质消化和吸收以及增强免疫功能。宿主体内微生物在决定家禽生产性能、生产力和健康方面发挥重要作用[13]。益生元正向调节家禽肠道菌群的作用已得到充分证明，相互作用机制很大程度上取决于益生元化合物的性质、类型以及家禽种类。禽类摄食0.25%~0.50%的低聚果糖和0.025%~0.050%的甘露寡糖可以选择性地刺激28日龄肉鸡肠道内乳酸菌（尤其是乳酸杆菌属、双歧杆菌属）和产丁酸盐的细菌菌株生长[12,23]。研究表明，益生元可以抑制肠道病原体，包括大肠杆菌、产气荚膜梭菌、沙门氏菌属、链球菌属、葡萄球菌属、弯曲杆菌属[24]。与对照组相比，在雄性肉鸡日粮中添加4.0g/kg低聚果糖可以显著增加肉鸡肠道乳酸杆菌和双歧杆菌数量，显著降低了大肠杆菌数量[25]。肉鸡日粮中添加甘露寡糖可以增加盲肠乳酸杆菌和双歧杆菌数量。在肉鸡日粮中添加0.05%、0.25%的甘露寡糖和低聚果糖显著增加了乳酸杆菌数量和多样性，减少了回肠产气荚膜梭菌和大肠杆菌数[26]。禽类饲喂含益生元的日粮，肠道有益菌丰度增加。益生元的发酵和代谢增强，可以刺激有益菌整体活性，从而影响短链脂肪酸合成，进而导致肠道pH值降低，促进维生素的产生，增强代谢活动和酶促活性，降低胆固醇、甘油三酯含量以及增强免疫刺激，从而有助于动物对抗病原体[27]。

3.2抑制病原体定植

目前，益生元抑制肠道黏膜中病原体定植的确切机制尚未十分清楚。但研究发现，乳酸杆菌和双歧杆菌等有益菌数量、活性的增加使发酵过程中远端肠道（盲肠）中的短链脂肪酸（尤其是丁酸盐、乳酸、乙酸盐和丙酸盐）含量增加，进而有效降低肠道pH值，进一步抑制病原体的定植与生长[21,28]。研究发现，肠杆菌科微生物的数量与乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐等短链脂肪酸含量呈负相关，表明短链脂肪酸合成的增加是导致这些肠道病原体数量显著减少的众多机制之一，不会影响肉鸡盲肠中有益菌如乳酸杆菌数量[29]。丁酸盐会改变沙门氏菌入侵毒力基因的表达。短链脂肪酸抑制肠道病原体合成和活性的作用主要取决于家禽的种类和补充的益生元的性质[30]。此外，有益菌可以通过竞争受体位点和营养物质分泌广谱抗菌素（如乳杆菌素、乳酸链球菌肽、双歧杆菌细菌素）抑制弯曲杆菌、大肠杆菌、沙门氏菌等[31]。益生元通过竞争性排斥增强病原体的拮抗作用，选择性增强有益菌增殖。小鼠饮水中添加0.5%菊芋糖浆可降低产气荚膜梭菌的数量和细菌内毒素的水平[32]。从酵母细胞壁获得的甘露寡糖可以显著减少家禽中表达Ⅰ型菌毛的肠道病原体数量[33]。在受鼠伤寒沙门氏菌攻毒的肉鸡饮用水中补充2.5%的甘露糖，3个不同的体内试验中鼠伤寒沙门氏菌定植率分别从93%、82%、78%降至43%、21%和28%[34]。日粮中添加甘露寡糖，蛋鸡回肠中大肠杆菌和总细菌数量显著降低[35]。

4益生元在家禽生产中的应用效果

4.1益生元对家禽生产性能的影响

家禽日粮中添加包括益生元在内的功能性饲料添加剂主要是为了提高家禽生产性能、提升饲料的有效利用和产品盈利能力。使用益生元或其他新兴饲料添加剂替代抗生素的一个重要原因是为了改善家禽生长性能、促进产业可持续性、保证食品安全性。益生元改善家禽生产性能的机制之一是增加短链脂肪酸（主要是乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐）的含量。短链脂肪酸在胃肠道内被吸收，作为机体的主要能量来源。短链脂肪酸合成作用增强可以刺激并促进家禽肠道中的其他代谢活动，有益于提高家禽生长性能。在肉鸡日粮中添加甘露寡糖和低聚果糖可显著提高日增重、饲料转化率和胴体重。研究表明，在应激条件下，肉鸡日粮中添加1mg/kg甘露寡糖28d，与对照组相比，肉鸡平均日增重、采食量显著增加，提高了饲料转化率；当使用2、0.5g/kg甘露寡糖时，肉鸡平均日增重和采食量增加[36]。研究表明，蛋鸡日粮中添加1~1.5g/kg甘露寡糖，可显著提高试验全期蛋鸡产蛋率[35]。罗曼褐蛋鸡日粮中添加菊粉（0.4%）可以有效改善70w蛋壳质量，蛋壳密度由82.3mg/cm2提高至86.4mg/cm2，蛋壳强度由29.7N提高至33.1N[37]。研究表明，菊苣多糖能显著提高海兰褐蛋鸡的生产性能，1%~2%菊苣多糖可提高蛋鸡平均蛋重，降低料蛋比，1.5%菊苣多糖可显著提高鸡蛋品质，蛋壳厚度由1.27mm增加至1.30mm，鸡蛋胆固醇含量由3.25mmol/L显著降低至2.08mmol/L[38]。益生元改善家禽生产性能的研究结论并不一致。多项研究表明，日粮中添加甘露寡糖，肉鸡体重、日增重和采食量无显著改善。日粮中添加1g/kg菊粉，不会影响肉鸡的体重。在肉鸡玉米-豆粕型基础日粮中添加5~20g/kg的菊粉对肉鸡的生长性能无影响[17]。罗曼褐壳蛋鸡日粮中添加0.8%的菊粉和低聚糖，蛋鸡产蛋率、采食量、饲料转化率均无显著影响[37]。日粮中添加0.005%~0.020%低聚木糖对樱桃谷肉鸭（42d）平均日增重和饲料转化效率无明显影响[39]。益生元作用效果的差异与益生元类型、家禽种类、饲料成分、饲养系统和喂养时间、农场卫生和管理等因素相关。另外，缺乏对特定家禽物种使用的益生元剂量和类型常规标准化也导致了试验结果的差异。家禽日粮中添加益生元后，脂肪、干物质、粗蛋白、能量和矿物质的消化率得到改善。益生元使有益肠道微生物数量增加，改善了肠道健康和形态，从而提高了养分吸收率。当肉鸡饲喂由玉米-豆粕型基础日粮时，菊粉可提高肉鸡的脂肪和蛋白质消化率。研究发现，与对照组相比，日粮中补充益生元的肉鸡干物质消化率显著提高。日粮中添加低聚糖、壳寡糖复合制剂（125mg/kg）饲喂8w后，肉鸡的肠道健康得到改善，营养物质的消化率得到提高，其中粗蛋白消化率由72.50%显著提高至81.43%，粗纤维消化率由60.14%显著提高至69.30%[17]。研究表明，菊苣多糖可以改善蛋鸡养分代谢，日粮中添加1.0%~1.5%菊苣多糖可以显著提高蛋鸡对磷的吸收率，从而改善蛋壳品质[38]。研究表明，日粮中添加2g/kg甘露聚糖可以改善淀粉的回肠消化率，对小麦型日粮的影响比玉米型日粮影响大，原因可能是日粮组成决定了家禽的营养消化率水平[12]。

4.2益生元对家禽免疫功能的影响

研究表明，益生元在家禽中发挥的免疫调节作用通过多种机制及相互作用实现，这些机制和相互作用会激活一些潜在的免疫刺激的基因和免疫通路[3]。家禽的免疫功能通过有益肠道菌群的选择性增殖而得到增强，这一过程同时会增强多种物质的合成，包括短链脂肪酸和细菌素，其能够对抗潜在病原体，并进一步刺激免疫系统。益生元能够增加肠黏膜蛋白和紧密连接蛋白分泌，催化雷帕霉素靶蛋白表达，降低促炎因子合成释放，进而调控肠道免疫功能[40-41]。一些肠道基因的表达、免疫系统成熟和T细胞介导的免疫通路受家禽肠道菌群（特别是乳酸杆菌和双歧杆菌）的调节。肠道上皮细胞通过这些肠道有益菌群的影响，合成抗菌肽和某些肠道细胞因子，包括白细胞介素-12（IL-12）、白细胞介素-1β（IL-1β）、白细胞介素-10（IL-10）、干扰素（IFN-γ）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）；可以促进免疫球蛋白G（IgG）、免疫球蛋白M（IgM）和免疫球蛋白A（IgA）的合成，提高疫细胞（主要是巨噬细胞和单核细胞）增殖和自然杀伤细胞、CD8、CD4和CD3T细胞数量[42-43]。动物先天性免疫系统受体可识别甘露聚糖[44]。肉鸡日粮中添加甘露聚糖、低聚果糖和菊粉可以改善肉鸡盲肠扁桃体等肠道相关淋巴组织的免疫反应，增加了盲肠IgA、血浆IgG和IgM的抗体滴度、mRNA的表达，增强了肠道免疫功能[45-46]。日粮中添加5~10g/kg菊粉，试验0~21d，肠道IgA、白细胞介素-6（IL-6）、CD4、CD8和淋巴细胞水平逐渐升高，但是对试验全期（42d）结果无影响[46-47]。日粮中添加1~2g/kg甘露寡糖可以显著提高蛋鸡（68~79w）抗新城疫和传染性支气管疾病病毒抗体滴度[35]。

4.3益生元对家禽肠道形态的影响

益生元可以改变家禽肠道长度、密度、深度和微结构。益生元对禽类肠道形态的影响与肠细胞内增加的吸收表面积有关，这有助于改善饲料利用率，增强肠道刷状缘酶的活性[48]。家禽长期补充低聚果糖会对肠道形态产生显著影响，包括肠隐窝深度和绒毛高度等。肠绒毛高度的增加可能是由于表面积扩大增加了肠道对营养物质的吸收，从而增加了更多营养物质的运输。甘露寡糖能够有效改善肠道物理和免疫屏障功能，原因是甘露寡糖可与潜在致病菌（带有Ⅰ型菌毛）特异性结合，抑制病原体在肠道黏膜上的定植，增强黏蛋白的表达，降低肠细胞周转率[10,23]。甘露寡糖可以增加家禽小肠的绒毛高度，降低隐窝深度，增加绒毛高度和隐窝深度比，增加空肠和回肠杯状细胞数量。甘露聚糖能够有效加强肠道微屏障完整性、氧化状态和免疫功能[49]。除了短链脂肪酸合成增加和肠道pH值降低外，益生元能够有效改善肠道绒毛、隐窝形态[15]。在日粮中添加木质素和甘露聚糖后，肉鸡42d肠道绒毛高度由2299.66μm分别增加至2338.29、2465.86μm，具有显著的改善效果[43]。在火鸡日粮中添加β-葡聚糖和甘露聚糖复合物（453.6g/t），回肠表面积由104519μm2增加至209742μm2，绒毛高度由1072.9μm增加至1860.7μm，固有层厚度由121.1μm增加至135.6μm，表明β-葡聚糖和甘露聚糖可以有效促进火鸡肠道结构的成熟[50]。

5结论

益生元作为家禽肠道微生物的底物，可以影响肠道菌群的活性和数量，竞争性地抑制病原菌的定植，调节机体免疫力，提高家禽生长速度，改善养殖效益。但家禽肠道微生物组成复杂，很难评估在特定益生元存在下可能发生的微生物组成变化和代谢反应。目前，关于益生元的研究集中在其对双歧杆菌和乳酸杆菌的促进作用方面。益生元作用效果的差异与益生元类型、家禽种类、饲料成分、饲养管理、养殖环境卫生等因素相关。在选择应用益生元制剂前，必须经过严格评估，否则可能会对家禽健康和养殖效益产生不利影响。关于肠道菌群对益生元的反应的研究在广度和深度上仍然十分有限，考虑肠道菌群的高度变异性，未来研究中，需要分析不同种群、不同肠道位置和不同养殖区域的大量样本，应用高通量测序技术，在补充益生元后对不同系统发育分类水平的肠道微生物进行全菌落分析。

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作者:顾卫华 邓风雷 单位:中牧农业连锁发展有限公司 北京都润科技有限公司