替抗思路 | 把枯草芽孢桿菌講清楚

畜牧人小李

大家好～

轉眼已是6月底…無抗倒計時就這樣進入了3、2、1倒數。

離開了促生長抗生素，如今就是各類 “替抗產品” battle 的時候啦。這里打引號，是因為迄今為止還沒有真正能夠一對一替代抗生素的產品；不過作為綜合措施的一部分，各類動物營養產品一定會在無抗時代占有自己的一席之地。這其中，自然少不了益生菌。今天我們就來聊聊益生菌的家族成員之一：枯草芽孢桿菌。

首先，益生菌是什么？

益生菌是什么

「菌」就是微生物 --- 主要為細菌、真菌。菌中有好菌有壞菌，好的這一批，在營養學中就被稱為益生菌 (probiotics)。 Probiotics 這個詞語是從希臘語 “for life“ 的意思里衍生出來的，最早用以表示「由一種微生物所分泌的、對其它微生物具有促進生長作用的物質」(Lilly and Stilwell, 1965)；這就與抗生素 (antibiotics) 的定義恰恰相反。2009年，聯合國糧食與農業組織FAO將probiotics正式定義為「Live microorganisms which when administered in adequate amounts confer a health benefit on the host」（足量攝取后對宿主有益的活菌）。在行業內，它們又被稱為Direct-fed Microbial (DFM)。

話說作為堅定不移地將動物營養理念貫徹到養娃中的媽，我從女兒一出生起，就有給她每天補益生菌。而她從幾個月大開始各處旅行，國內國外隨便怎么吃，也幾乎從未出現過腸胃問題。也許，這里面就有益生菌的功勞呢（當然啦，無法做對比實驗，評估不嚴謹，哈哈）

益生菌(probitiocs）、益生素（prebiotics）、抗生素（antibiotics）的概念要分清

「枯草芽孢桿菌」是誰

益生菌這個大家族有很多成員，在動物營養界，「枯草芽孢桿菌」當屬C位擔當。那么，它是誰呢？

按照生物分類法(taxonomy，界門綱目科屬種)，「枯草芽孢桿菌」屬于細菌界 - 厚壁菌門 (Firmicutes) – 芽孢桿菌綱 (Bacilli) – 芽孢桿菌目 (Bacillales) – 芽孢桿菌科 (Bacillaceae) – 芽孢桿菌屬 (Bacillus) – substilis種。

枯草芽孢桿菌的英文名叫做 Bacillus subtilis（對細菌而言，通常命名是按照“屬 + 種”的雙名法）。“Bacillus” 在拉丁文里是「桿」的意思 --- 這個屬的菌都長得像桿子，所以稱之為「桿菌」。而因為這種菌特別容易在草中繁殖，在英文里它又被稱作Hay Bacillus、Grass Bacillus， 故為 “枯草” 芽孢桿菌。

電鏡下的枯草芽孢桿菌（圖片來自Chen et al., 2016)

神奇的「芽孢」

枯草、桿菌都明白啦，那「芽孢」又是什么意思呢？

話說枯草芽孢桿菌很聰明 --- 當它發現生存環境不理想（通常是營養物質缺乏）的時候，它便會形成一個處于休眠狀態的活細胞形態，我們稱之為「芽孢」(spore)。這時候，芽孢內含著所有遺傳物質（活著呢），外包裹著厚厚三層芽孢壁（內層為孢子壁，中層由肽聚糖構成，外層為蛋白質外殼；絕對不怕外面風吹雨打），自己便可安心地睡啦。當環境適宜生存的時候，嘿，它就又能醒過來！

芽孢形成的過程 （引自YouTube：Study Force)

芽孢的厲害之處在哪里？它抗高溫、抗干旱、抗高酸堿性、高滲、還抗輻射和很多化學藥物，被稱之為「整個生物界中抗逆性最強的生命體」，簡直無敵。

這其中的機理簡單來說主要有幾點：

• 每一層芽孢壁都很厲害，就像穿了層層盔甲，抵抗有害物質進入；
• 含水量少（在芽孢形成過程中通過鈣離子脫水，看上上個動圖），對耐熱有所幫助 ；
• 芽孢內富含的2, 6-吡啶二羧酸（dipicolinic acid, DPA；占細菌干重的10-15%）具有保護和穩定蛋白質 & DNA的作用。
  
  

在動物營養中，枯草芽孢桿菌能夠形成芽孢的這個超能力可以帶來一個大好處 --- 那便是我們可以以「芽孢形態」將之制備成菌劑。只要不給它營養來源，它便特別穩定易儲存，關鍵還能夠耐受住飼料加工過程中的高溫環境、胃里的酸性環境等各種可能遇到的“困難”。而當它順利進入動物腸道后，仿佛到了溫暖又舒適的食堂，又能夠迅速復蘇和繁殖（吃貨菌...）。

這，便是為什么枯草芽孢桿菌得以廣泛用于動物營養行業的原因。

枯草芽孢桿菌如何“益生”

回到定義，我們知道，只有對宿主有益的，才能被稱之為益生菌。那么，在動物腸道里復蘇之后，枯草芽孢桿菌是怎么做到“益生”的呢？這個要展開來講感覺還可以寫三天三夜 ，今天就從原理上來講，它主要機理有三點。

1). 它是好氧菌，生存需要氧氣，于是在腸道中使勁吸氧，這就為不怎么喜歡氧氣的乳酸菌、雙歧桿菌等其它益生菌創造了適宜的生存環境。嚴格來講，乳酸菌屬于兼性厭氧菌，有沒有氧氣都能活，但在無氧環境下，它能夠產生乳酸，乳酸呢又能夠抑制有害菌的生長，比如大腸桿菌、沙門氏菌等。雙歧桿菌則是嚴格厭氧的，就更開心啦，它的隊伍壯大之后，也能發揮一系列對宿主有益作用，大家對乳酸菌和雙歧桿菌應該比較熟悉，這里就不展開講啦。（除了耗氧外，枯草芽孢桿菌也可通過降低腸道pH和它的代謝產物進一步為其它益生菌改善環境）

為什么乳酸菌和雙歧桿菌它倆廣泛用于食品中，但很少用于飼料中呢？就是因為它倆不具備產生芽孢的能力，扛不住飼料加工的環節。所以，枯草芽孢桿菌扮演了一個「助攻」的角色，間接地調節了腸道微生態系統，減少致病菌，從而減少腸道疾病的發生。

2). 第二點和第一點緊密相關 --- 如果從一開始，枯草芽孢桿菌、乳酸菌等“好菌”就占據腸道優勢菌群的地位，那么它們自身也能夠通過competitive exclusion（競爭性排斥）來直接減少致病菌在動物腸道的定植 （“我先來的，沒位置啦～”)。同時，也保護了腸道屏障的健全。

Competitive exclusion（引自Kemin CLOSTAT視頻）

這點在無抗養殖中很重要。以家禽為例，我們知道，無抗之后，壞死性腸炎是最主要的挑戰，而產氣莢膜梭菌(Clostridium perfringens)是其中的主要始作俑者。已有的不少研究已經發現，枯草芽孢桿菌具備減少產氣莢膜梭菌的能力，那么自然，壞死性腸炎的風險就降低了。

(引自Melegy et al., 2011)

3). 它的自身代謝過程中可以分泌出很多營養物質（維生素、氨基酸、有機酸等）、酶（如蛋白酶subtilisin等）、和其它活性物質（如表面活性素surfactin等）。這些代謝產物在一定程度上，可以促進營養物質吸收、改善腸道健康，還有抗菌作用 --- 以surfactin為例，它就可以通過直接破壞致病菌的細胞膜，從而殺菌。

枯草芽孢桿菌的代謝產物的抗菌作用（引自Kemin CLOSTAT視頻）

所有枯草芽孢桿菌都一樣嗎？

回到生物分類法，“種”是最基本的分類單元，但種以下又可分為亞種、變種（特殊形體、特殊致病性等）、菌株等。常常我們看到不同益生菌產品的名字后面跟著一串字母或數字，這便是菌株 (strain)。

從定義上來講，任何從自然界分離得到的、或者通過試驗方法誘變的一種微生物的純培養物都可以成為一個菌株。但從技術層面，要成功分離一個菌株、經過重重評估，到可以商業化可不是一件易事。不同的菌株在功能性（腸道黏附能力、抗菌能力、產酶能力等）、安全性（是否會產生毒素、是否會產生抗藥性等）、技術性（比如在生產和儲存中的穩定性）上都存在著差異；就連產生的代謝產物都不一定相同。

所以啊，不是所有枯草芽孢桿菌都一樣，必須要經受得住層層考驗的菌株，才能成為好的益生菌。到了生產上，還要考慮活菌數量、性價比、具體的生產需求等眾多因素。選擇產品時還需多參考實地評估效果。

一個菌株要成為成功的益生菌產品，需要經過的重重考驗 （圖片引自Mingmongkolchai and Panbangred, 2017)

來源：曦曦博士