丁酸梭菌的特性和功效.doc

丁酸梭菌的特性和功效赵长昆1，齐树亭2（ 河北工业大学化工学院，天津，300130 ）（河北工业大学海水利用中心，天津，300130）摘 要：本文叙述了丁酸酸菌的特性、功能。首先，介绍了丁酸梭菌的发现及形态，并且对其生理特性进行了描述。然后，讲述丁酸梭菌的功效，重点陈述了它在肠道中的作用。最后是丁酸梭菌应用的理论意义和实践需求，以及它诱人的产业化前景和市场竞争力。关键词：丁酸梭菌；芽孢；益生菌；微生态学The characteristics and effectiveness of clostridium butyricumZHAO changkun，QI shuting（Institute Of Chemical HeBei University Of Technology，TianJin，300130）（Seawater Utilization Center Of HeBei University Of Technology，TianJin，300130）Abstract： In this paper，the characteristics and effectiveness are reviewed First，the discovery and morphology of clostridium butyricum is introducted，and also its physiological characteristics is described Then，the effectiveness of clostridium butyricum is telled，and the function when it is in intestinal is importantly stated The last part includes the theoretical significance and the practice requirements of clostridium butyricum，application，and the tempting industrial prospect and market competitiveness of it Keywords：Clostridium butyricum；bacillus；probiotics；Micro-ecology1丁酸梭菌的发现和特性11发现丁酸梭菌（Clostridium butyricum）又名丁酸梭菌，是梭状芽孢菌属中的一个种。1933年，日本千叶医科大学宫入近治博士首先发现并报告的，因此又叫宫入菌，它是存在于人和畜禽肠道中一种厌氧益生菌。1935年，Kingi miyairi博士从人的粪便和土壤中分离出丁酸梭菌。12形态和生理特性丁酸梭菌是一种革兰氏阳性芽孢杆菌，细胞为直或弯曲，其直径为05-17*24-76um，为圆形或者椭圆，中间部分膨胀略显椭圆，单个或成对、短链，偶见长丝状菌体，周生鞭毛， 能运动。孢子圆形或椭圆形，为内生芽孢，偏心或次端生。革兰氏染色初培养的菌为阳性，培养时间稍长可变为阴性。丁酸梭菌细胞壁含DL-二氨基庚二酸， 葡萄糖是唯一的细胞壁糖。在琼脂平板上可生长为白色或浅灰色的圆至不规则的菌落，直径1-3mm，表面有光泽到无光泽。不水解明胶，不消化血清蛋白。能够发酵葡萄糖、蔗糖、果糖、乳糖等碳水化合物产酸，能使牛奶变酸、凝固、产期，但不消化。一个显著的特征是产生淀粉酶，水解淀粉但不水解纤维素。水解淀粉和糖类的最终代谢产物为丁酸、醋酸和乳酸，还发现有少量的丙酸、_作者简介：赵长昆（1986- ），男（汉），在读硕士，研究方向微生物培养。E-mail zhaochangkun126com通讯作者：E-mail Qishutingyahoocomcn甲酸，硝酸盐还原实验均为阴性。丁酸梭菌DNA的G+C含量的摩尔分数为27%-28%。丁酸梭菌对外界环境有较强的抵抗力，据报道，经80、30 min 和90、10 min 热处理后全部存活；加热90、20 min后，95%存活；加热100、5 min 后30%存活。耐热、耐酸，pH值为1050 时仍能存活；pH 值为4098 能适合其生长。13应用现状1940年，丁酸梭菌在日本实现了商业化生产并被应用于临床。动物微生态制剂被认为是取代抗生素最具潜力的发展方向，由于耐药性问题，抗生素在饲料中应用受到严格的限制。丁酸梭菌可以作为微生态制剂，最初它被用作整肠剂，能大幅度降低伪膜性肠炎的发病率，广泛用于肠道菌群失调，急慢性腹泻，肠易激综合症，抗生素相关性肠炎、便秘等疾病的治疗，取得了显著疗效且，无任何毒副作用。现也将其用于畜禽饲料添加剂替代抗生素，发挥防病促长的作用。作为饲料添加剂和兽药，与非芽孢类活菌制剂相比，更具优势。丁酸梭菌产生内生芽孢，具有耐高温、耐酸、耐胆盐、耐部分抗生素等特性，在生产加工和储藏过程中优势明显，在饲料工业中的应用前景非常诱人1(孔青 浙江大学博士学位论文2006)。丁酸梭菌能够抵抗饲料制粒过程中的高温、高热，并能有效在胃酸及胆汁中存活，为饲用益生菌的理想菌株，与目前广泛应用的非芽孢类活菌制剂相比，更具广阔的市场前景。国内很多企业及科研院校近年来对其进行了研究开发。2丁酸梭菌的功效 21强大的整肠作用丁酸梭菌调整肠道菌落平衡，促进肠道有益菌群增殖。国内的很多报道已证实，丁酸梭菌能促进有益的双歧杆菌、乳酸菌、拟杆菌的生长并且有效抑制有害菌葡萄球菌、念珠菌、克雷伯菌、弯曲杆菌、绿脓杆菌、大肠杆菌、痢疾杆菌和伤寒沙菌以及腐败菌的繁殖，从而减少了胺类和硫化氢等有害物质的产生，防止了肠道菌群失衡，进而避免了其所导致各种疾病的发生。陆俭2把丁酸梭菌LCL166与婴儿双歧杆菌及霍乱弧菌混合培养24h时，发现霍乱弧菌菌数与单独培养相比减少6个数量级，丁酸梭菌对霍乱弧菌是有拮抗作用的。张达荣等证实， 患有肠易激综合症的人，肠道中菌群失调，本应占主要比例的双歧杆菌、乳酸杆菌的量减少， 而本应较少的具有潜在致病性梭菌却显著增多，经丁酸梭菌治疗后，占肠道比例多的双歧杆菌、乳酸杆菌显著上升，而具有潜在致病性的梭菌明显下降，并且临床症状相应明显改善。赵熙3等通过动物实验和人体受试实验，发现受试对象口服丁酸梭菌活菌制剂后，肠道内双歧杆菌、乳酸菌数量都有显著增加。张雪平4等把丁酸梭菌LCL166与大肠杆菌、痢疾杆菌、伤寒杆菌体外共同培养24h后，发现致病菌菌数被降低1-2个数量级。吕存女5等实验证明，丁酸梭菌和双歧杆菌都能抑制梭菌的生长，并且两菌共同培养时显示出更强的生物拮抗作用。朱晓慧6等分别在双歧杆菌、嗜酸乳杆菌和粪链球菌的培养基中加入1/3比例的丁酸梭菌发酵提取物，液体培养24小时，结果发现双歧杆菌、乳酸菌、粪杆菌活菌含量分别比对照组增加2400%、4257%、676%。张树波7等分别把丁酸梭菌对肠出血性大肠杆菌、痢疾志贺菌、霍乱沙门菌、霍乱弧菌进行混合培养，与单独培养相比，致病菌菌数减少4个数量级以上，这说明丁酸梭菌对上述有害菌有显著的抑制作用。唐宝英8等研究发现丁酸梭菌RHZ与猪大肠杆菌C83902、鸡大肠杆菌C83851和鸡白痢沙门氏菌599以菌数比1：1共培养48h时，致病菌菌数与对照相比减少6个数量级，且从共培养的第6h开始菌数差异就逐渐扩大。VEN KATRAMAN 9等人试验后发现在葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导结肠炎的早期，黏膜通透性就开始增加，并伴随着细胞存活率的下降，同时也可以检测到组织学的变化。而丁酸能够逆转通透性的增加，可能就是它在治疗结肠炎中发挥的作用。MOREAU10 等发现，DSS 处理后的急性结肠炎小鼠，其结肠内的丁酸吸收减少。因此，结肠细胞所需要的能量来源减少。这又使得结肠细胞受到多种影响，例如，细胞成熟受阻、黏液合成减少、脂肪形成减缓、细胞膜组装变慢等等。由于这些影响，结肠内丁酸吸收减少的总体效果就是黏膜的完整性受到了破坏。这一系列实验研究说明，丁酸梭菌制剂对调整肠道微生态具有重要意义。丁酸梭菌具备上述功能，可能有以下原因：其一，是定植粘附作用。丁酸梭菌可以通过与致病菌竞争肠上皮微绒毛上的脂质和蛋白质上的相同复合糖(glycoconjugate)受体来达到阻止致病菌的定植。研究结果表明，益生菌可以粘附于微绒毛的刷状缘和粘膜层而不被肠蠕动冲走，并且参与其与致病菌之间生存与繁殖的时空竞争、定居部位竞争以及营养竞争，限制致病菌群的生存繁殖；其二，产生抑制病原菌的代谢产物。丁酸梭菌生长速度快，在代谢过程中产生大量丁酸、醋酸和乳酸等有机酸，加速降低了培养基的pH值，不利于致病菌生长，抑菌率高达80% 以上11。 22免疫增强与抗肿瘤活力丁酸梭菌还有激活免疫系统，促进免疫功能的效果。口服丁酸梭菌能增加人和动物体内血清中免疫球蛋白和的含量，有人发现，当机体摄食热灭活的丁酸梭菌菌体后，测定血清中免疫球蛋白IgA 含量，试验组明显高于未摄食丁酸梭菌菌体的对照组。傅思武12用丁酸梭菌-婴儿双歧杆菌二联活菌制剂对小鼠进行实验，结果30d后测定发现小鼠抗体生成细胞数增加，说明该制剂具有一定的免疫调节功能。还有人发现丁酸梭菌细胞具抗肿瘤活力，早在1975 年，FISCHER13等人就证实了丁酸梭菌M55对于实体瘤的溶癌作用。李佳荃14等(2003)对被移植肝癌小鼠进行丁酸梭菌灌胃做抑瘤实验，结果表明丁酸梭菌对小鼠肝癌的抑制作用很强，并且丁酸梭菌与环磷酞胺联合治疗时，抑癌作用更强。还有人发现，丁酸梭菌细胞壁对肉瘤的抑制率也很高，而抑制活力主要来自肽糖而不是多聚糖层。新鲜细胞的酸、碱萃取物呈现强烈抑制肿瘤活性现象。23肠道产生有益物质丁酸梭菌在发酵过程中能产生葡萄糖、麦芽糖等6种糖及维生素E。这些物质直接为动物提供营养元素，维生素E能强化血管，增强抗病性，激活细胞，对机体非常重要15(冉雪松等，2007)。其中对维生素缺乏具有高度敏感性的家禽进行实验证明酪酸菌能在肠道内产生必需的维生素。丁酸梭菌在肠道中还能产生淀粉酶、蛋白酶、糖苷酶、纤维素酶。特别要指出的是，日本学者Nakajima16发现肠道中丁酸梭菌组中的菌产生内切和外切果胶的裂解酶和果胶甲基化酶， 能把肠道内的果胶降解为中间产物，最终产生乙酸和少量丁酸及甲酸。这些酶系显然有重要的生理功能。我们知道，人和动物每天要摄入体内大量的纤维和果胶物质，由于这些酶系的作用，其中间产物可被双歧杆菌等乳酸菌利用，从而促进了这些菌的生长繁殖，其最终产物又可被机体吸收利用17（何国庆，孔青等）。丁酸是一种短链饱和脂肪酸，在反刍动物的乳汁中约占重量的25 %，人乳中仅约0 4 %。普通食物中一般不含丁酸。HOVERSTAD18 研究组发现，人们对结肠中生成的短链脂肪酸的吸收和代谢能力很强。其中尤以丁酸为快。SAKATA 等人的连续研究发现，丁酸、乙酸等短链脂肪酸既促进小鼠空肠的上皮细胞繁殖，也刺激其回肠的上皮细胞繁殖；2002 年，他们用短链脂肪酸滴注法，发现丁酸确实促进大肠和小肠上皮细胞繁殖，因此进一步表明丁酸具有修复肠道黏膜的功能。在体外研究或人体研究中，丁酸都能抑制多种癌症细胞的增殖；丁酸影响基因表达；因为影响细胞周期蛋白的基因表达而影响细胞周期；丁酸还诱导细胞凋亡；虽然丁酸是正常的结肠上皮细胞的重要能源之一，但是它也是结肠黏膜的生长诱导剂、免疫反应和炎症调节剂；由于它抑制生长和促进分化及细胞凋亡，它又是一种抗癌剂。用丁酸治疗实体瘤的临床研究几年前就已开始进行，它在防治结肠癌方面则取得了较大进展。目前，丁酸治疗癌症的研究日益引起医学和制药业的重视19(李雄彪，马庆英等)。24促生长功能丁酸梭菌具备此功能取决于两点：一是，它体内存在的蛋白酶1和蛋白酶2及脂肪酶，能促进动物对脂肪和蛋白质的消化吸收。二是，丁酸梭菌具有氨基酸载体的作用，它能转运所有的氨基酸，但不分解氨基酸。所以它有利于促进动物生长。有人指出，用蛋白酶、脂肪酶及糖化菌、乳酸菌、丁酸梭菌为有效成分，制成特效的鱼用饲料添加剂，促进鱼对蛋白质、脂肪的消化吸收，养殖率上升。添加的三种菌能在肠道内共生，使各种脏器机能更好地发挥，肠内微环境得到改善。当将05 %和2 %添加剂加入到饲料中作为实验组，饲喂8 周后，饲料效率比无添加剂的对照组高80 % 和70 % ， 增重率高120 % 和115 % ，并且摄食早，体表粘液分泌多，体色新鲜，肉质有适量脂肪，味感改善，疾病率和死亡率下降，粪臭减少且呈粒状固体易清除。对肉用仔鸡的试验也证明了丁酸梭菌的这种功能。李恕20等将丁酸梭菌制剂用于水产类，结果鱼及特种水产类日增重率提高大约30%一40%，杂食性鱼类可提高22%以上(李恕和丛宁，1998)。25促进VE 的吸收VE 能强化血管，增强抗病性，激活细胞，对机体非常重要。以丁酸梭菌 为主要成分制成VE吸收促进剂。对仔牛进行试验，采集血清测VE含量变化。发现试验组VE含量呈上升趋势，与对照组差异显著。用幼鸡试验也得出相似结果。成年男子摄入丁酸梭菌+ VE比单独摄食VE ，血清VE 含量上升18 %-28 %。抗氧化活力有人对丁酸梭菌 及需氧菌进行抗坏血酸盐和去甲肾上腺素氧化抑制试验，发现丁酸梭菌 在活菌及热处理状态下都有一定的抗氧化活力，分别为40 %和20 % ，比需氧菌弱很多，且随着稀释度的增加而显著下降。对胆酸的转化以胆酸为基质培养丁酸梭菌 ，某些菌株可将胆酸转化为72酮基胆酸和脱氧胆酸，鹅脱氧胆酸转化为熊脱氧胆酸，后者转化率大于70 %。26稳定性好丁酸梭菌是厌氧芽孢杆菌，产生内生芽孢，稳定性好。能耐热、耐酸、耐胆汁，通过消化道不失活，在体外室温下可以保存三年以上1(孔青，2006)。同时对部分抗生素有较强的抗性，可以与之合用，提高疗效。大量实验表明它没有任何毒副作用，被广泛应用于医药、功能性保健品和动物饲料添加剂等。肠道疾病、癌症的防治以及免疫增强人的健康密切相关，丁酸梭菌具有强大的整肠作用、抗癌功能，能促进有益物质吸收并且有极强的稳定性，这不仅具有十分重要的理论意义，而且对于提高民众健康水平有很大的实际意义，同时还具有十分诱人的产业化前景。除此之外，丁酸梭菌营养要求简单，其发酵工艺和设备也相对简单，所以，它的产品成本低廉，在市场上很有竞争力。参考文献1孔青丁酸梭菌培养与发酵动力学以及调节腹泻小鼠肠道菌群平衡的研究浙江大学博士学位论文， 2006，21( 10)：9-122 陆俭，张雪平，孟筱琦等酪酸菌和婴儿型双歧杆菌对霍乱弧菌的拮抗试验J微生物学通报，2000，27(5)：338-3413赵熙，冉陆，杨宝兰等丁酸菌活菌制剂对肠道菌群影响的研究J中国微生态学杂志，1999，11(6)：332-3384 张雪平，陆俭，傅思武等酪酸梭菌与双歧杆菌对肠道致病菌的体外拮抗作用中国微生态学杂志 2001，12( 10)：5-105吕存女，邝欣，张雪平等 酪酸梭菌与婴儿双歧杆菌对艰难梭菌体外生物拮抗作用的研究中国微生态学杂志，2001，22( 7)：4-96朱晓慧，唐英宝，刘佳酪酸菌制剂活菌检测方法的研究中国微生态学杂志，2000，26 (2) ： 96-1007张树波，崔云龙，吴顺娥等 酪酸梭菌的抑菌作用研究中国新药杂志，2002，12( 12)：6-128杨桂平丁酸菌的生物功能研究中国微生态学杂志，1991，22( 11)：7-119VEN KATRAMAN A，RAMA KRISHNA BS，PULIMOOD AB，etalIncreased permeability in dextransulphate colitis in rats：time course of development and effect of butyrate J Scand JGastroenterol ， 2000，35 (10)：1053-105910赵建新，张壕，田丰伟丁酸菌的分离、鉴定及筛选 无锡轻工大学学报， 2002-11-3011王涣，河北农业大学鸡源益生菌BL-Y-1菌株分离鉴定、发酵条件及其耐受性研究，200912傅思武，周殿元，苏露等酪酸梭菌-双歧杆菌二联活菌制剂对慢性腹泻患者肠道菌群的影响中国微生态学杂志，2009-10-3013FISCHER G，BRANTNER H，Platzer P The kininase activity of Ehrlichs ascites solid tumor after treatment with oncolytic clostridiaJ Z Krebsforsch Klin Onkol Cancer Res Clin Oncol，1975，84 (2)：203-614李佳荃，汤展宏，凌鸿英丁酸梭菌对小鼠移植瘤的抑制作用 广西医科大学学报，2003，22（13）：77-8215冉雪松，王振华，潘康成丁酸梭状芽孢杆菌的研究进展安徽农学通报，2007，13(4)：37-3916 Izumi Shimbo，Taketo Yamaguch，Takeo Odaka，Kenichi Nakajima，Akinori Koide，Hidehiko Koyama，Hiromitsu Saisho Effect of Clostridium butyricum on fecal flora in Helicobacter pylori eradication therapy World Journal of Gastroenterology，200517何国庆，孔青，陈启和等 Batch and fed-batch production of butyric acid by Clostridium butyricum ZJUCB Journal of Zhejiang University Science，200518HOVERSTAD T，BOHMER T，FAUSA OAbsorption of short - chain fatty acids from the human colon measured by the 14CO2 breath test J Scand J Gastroenterol，1982，17(3)：373-819李雄彪，马庆英，崔云龙酪酸梭菌-肠道健康的卫士上海：复旦大学出版社，2008，304-33420李恕，丛宁微生物饲料添加剂酪酸菌复合酶J渔业致富指南，1998，21：23-2421SAKATA T Stimulatory effect of short-chain fatty acids on epithelial cell proliferation in the rat intestine：a possible explanation for trophic effects of fermentable fibre ， gut microbes and luminal trophic factorsJ Br J Nutr，1987，58(1)：95-10322ICHIKAWA H，SHINEHA R，SATOMI S，etalGastric or rectal instillation of short - chain fatty acids stimulates epithelial cell proliferation of small and large intestine in rat s JDig Dis Sci，2002，47(5)：1141-114623JBRUCE German，CORA J DILLARDSaturated fats ： what dietary intake JAm J Clin Nut r，2004，80(3)，550-55924AMITA PATNAIKA Phase I study of pivaloyloxymethyl butyrate，a prodrug of the differentiating agent butyric acid ， in patients with advanced solid malignancies clinical J Canr Res，2002，8：2142-214525DOUILLARD J YPhase I trial of interleukin-2 and high-dose arginine butyrate in metastatic colorectal cancer Cancer Immunol Immunother J2000，49(1)：56-6126SAKATA TStimulatory effect of short-chain fatty acids on epithelial cell proliferation of isolated and denervated jejunal segment of the rat JScand J G