替抗思路 | 把枯草芽孢桿菌講清楚

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大家好～

轉(zhuǎn)眼已是6月底…無抗倒計時就這樣進入了3、2、1倒數(shù)。

離開了促生長抗生素，如今就是各類 “替抗產(chǎn)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(chǎn)品；不過作為綜合措施的一部分，各類動物營養(yǎng)產(chǎn)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(yǎng)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(zhì)」(Lilly and Stilwell, 1965)；這就與抗生素 (antibiotics) 的定義恰恰相反。2009年，聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)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(yè)內(nèi)，它們又被稱為Direct-fed Microbial (DFM)。

話說作為堅定不移地將動物營養(yǎng)理念貫徹到養(yǎng)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(nèi)國外隨便怎么吃，也幾乎從未出現(xiàn)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(yǎng)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）?！?i>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(fā)現(xiàn)生存環(huán)境不理想（通常是營養(yǎng)物質(zhì)缺乏）的時候，它便會形成一個處于休眠狀態(tài)的活細胞形態(tài)，我們稱之為「芽孢」(spore)。這時候，芽孢內(nèi)含著所有遺傳物質(zhì)（活著呢），外包裹著厚厚三層芽孢壁（內(nèi)層為孢子壁，中層由肽聚糖構(gòu)成，外層為蛋白質(zhì)外殼；絕對不怕外面風吹雨打），自己便可安心地睡啦。當環(huán)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(zhì)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(nèi)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(wěn)定蛋白質(zhì) & DNA的作用。
  
  

在動物營養(yǎng)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(tài)」將之制備成菌劑。只要不給它營養(yǎng)來源，它便特別穩(wěn)定易儲存，關(guān)鍵還能夠耐受住飼料加工過程中的高溫環(huán)境、胃里的酸性環(huán)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(yǎng)行業(yè)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(chuàng)造了適宜的生存環(huán)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(huán)境下，它能夠產(chǎn)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(fā)揮一系列對宿主有益作用，大家對乳酸菌和雙歧桿菌應(yīng)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(chǎn)物進一步為其它益生菌改善環(huán)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(chǎn)生芽孢的能力，扛不住飼料加工的環(huán)節(jié)。所以，枯草芽孢桿菌扮演了一個「助攻」的角色，間接地調(diào)節(jié)了腸道微生態(tài)系統(tǒng)，減少致病菌，從而減少腸道疾病的發(fā)生。

2). 第二點和第一點緊密相關(guān) --- 如果從一開始，枯草芽孢桿菌、乳酸菌等“好菌”就占據(jù)腸道優(yōu)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(yǎng)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(zhàn)，而產(chǎn)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(jīng)發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌具備減少產(chǎn)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(yǎng)物質(zhì)（維生素、氨基酸、有機酸等）、酶（如蛋白酶subtilisin等）、和其它活性物質(zhì)（如表面活性素surfactin等）。這些代謝產(chǎn)物在一定程度上，可以促進營養(yǎng)物質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)品的名字后面跟著一串字母或數(shù)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(yǎng)物都可以成為一個菌株。但從技術(shù)層面，要成功分離一個菌株、經(jīng)過重重評估，到可以商業(yè)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(chǎn)酶能力等）、安全性（是否會產(chǎn)生毒素、是否會產(chǎn)生抗藥性等）、技術(shù)性（比如在生產(chǎn)和儲存中的穩(wěn)定性）上都存在著差異；就連產(chǎn)生的代謝產(chǎn)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(jīng)受得住層層考驗的菌株，才能成為好的益生菌。到了生產(chǎn)上，還要考慮活菌數(shù)量、性價比、具體的生產(chǎn)需求等眾多因素。選擇產(chǎn)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(chǎn)品，需要經(jīng)過的重重考驗 （圖片引自Mingmongkolchai and Panbangred, 2017)

來源：曦曦博士