根據研究推估,地球上微生物的種類高達上兆種,但其中99.999%以上的微生物無法經由人工培養來分類。微生物在生態平衡中扮演極其重要的角色,諸如碳循環、氮循環、硫循環等。對生物而言,微生物之中有些對生物是有益的,但有些卻是致病的,大部分對生物的健康狀態影響尚待更多的研究解析。
細菌為微生物的成員之一,細菌的形態可以分為球狀、桿狀、螺旋狀等多種形態,甚至還有一些特殊形態的細菌,如分枝桿菌和球桿菌等,這些不同形態的細菌在生活環境和生態角色上有著各自的特點。人類早在幾千年前,就懂得利用細菌進行發酵,製作多種食物和飲料,如麵包、啤酒、葡萄酒、酸奶及醬菜。
隨著生物技術的進步,細菌廣泛被應用於大規模的工業發酵,如生產酒精、味精及其他有機酸。隨著基因工程技術的興起與進展,使得細菌成為生產重組蛋白質(如胰島素和生長激素)的理想宿主。部分細菌亦被用於處理環境污染,以及開發為益生菌和益生元產品,以提高經濟動物的生產效能,並優化養殖環境。
芽孢桿菌的篩選與應用芽孢桿菌(Bacillus)是一類廣泛存在於自然環境中的革蘭氏陽性芽孢形成細菌,它們具有耐受極端環境條件的能力,例如高溫、高壓、低水活性及輻射等,這使得它們在各種應用領域中具有重要的潛力。特定的芽孢桿菌在農業生產方面可當作微生物肥料與微生物農藥,在畜牧生產方面則可當作飼料添加用的益生菌。
(一)菌株篩選與鑑定
在畜牧生產方面,益生菌株篩選的考量重點,常為重要分解酵素的活性,另外在飼料打粒製作過程中也會產生高溫情形,因此,菌株的耐高溫特性亦屬必要。在篩選條件方面,常以選擇性培養基與高溫培養狀態下,挑選特定酵素活性高的分離株。後續加以分離純化, 並進行菌株身份之鑑定,方法如革蘭氏染色、生化反應及分子生物分類法等,然隨著生物技術的創新,有更多先進的鑑定方法被開發與應用,也正因如此,以往被鑑定為同一種的菌株,後以先進技術鑑定為新種的結果層出不窮。
政府訂有「可供給家畜、家禽、水產動物之飼料添加物參考物質表」,其中正面表列的微生物含16個菌屬,而芽孢桿菌屬有7種,如液化澱粉芽孢桿菌、栗揭芽孢桿菌、仙人掌桿菌/蠟樣芽孢桿菌、凝結芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、短小芽孢桿菌及枯草芽孢桿菌等。
(二)特性分析
胞外酵素活性、耐酸與耐膽鹽性、細胞毒性、細胞黏附性為益生菌重要的評估指標,其中胞外酵素分析項目包括蛋白酶、澱粉酶、聚葡萄糖酶、聚木糖酶、植酸酶及脂解酶。例如廖等(2021)的研究,所篩得之2株潛力益生菌分離株,經分子鑑定為芽孢桿菌, 屬「可供給家畜、家禽、水產動物之飼料添加物」正面表列菌株,在酵素活性、耐酸、耐膽鹽測試有好的表現及缺少尿素酶活性,且不具細胞毒性。
(三)動物試驗
菌株應用的考量點,除安全性之外,便為有效性。動物確效試驗結果為未來應用的重要判斷依據,一般著重的面向含動物生長性能的提升,以及動物健康狀態的維護。例如分離株TLRI 211-1添加於白肉雞飼料中,試驗顯示處理組白肉雞增重與飼料效率顯著優於對照組(李等,2021),且在飼養中後期墊料的氨氣濃度顯著低於對照組,減少率達40%以上;山羊仔羊飼糧添加分離株TLRI 211-1對蛋白質消化率、採食量及日增重有正面效益,亦可降低仔羊糞便氨氣濃度(廖等,2020);蛋雞飼糧添加分離株TLRI 211-1,可顯著改善飼料轉蛋率,也能在貯存期間保持蛋的最佳品質。此外,母雞排泄物中的硫化氫濃度亦顯著較低(表1)(Tsai et al .,2023)。
(四)技術移轉
目前通過農業部智審會的成熟技術包括「高酵潛力益生菌生產與應用技術」與「改善畜禽生長性能與降低糞尿氨氣濃度之益生菌生產與應用技術」,各完成了5次與2次的技術移轉,其中第2項技術的承接廠商之一,已經完成產品上市申請與販售,以供畜牧生產業者選擇應用,其餘的承接業者則自行應用於本身的生產體系。