随着抗生素时代的即将过去，寻找对动物与人类有益无害的抗生素替代品已成为养殖业向前发展的根本所在。其中，益生素乃最先被提出的抗生素替代品，益生素是可直接饲喂动物的在动物消化道内起有益作用的微生物制剂，它以活的形式在动物消化道中与病原菌通过竞争性抑制，增强动物机体的免疫力，并直接参与胃肠道微生物的平衡，达到胃肠道功能正常化的日的（Fuller，1989）。抗生素是种将菌丝筛选和繁殖培养，取其代谢产物制成的抗菌物质，其作用是抑制和杀灭病原菌以达到防治疾病的目的，在此同时，也抑杀了动物机体内正常共生的菌群，破坏了微生态平衡。相反，益生素的作用在于扶植正常微生物菌群，提高它们在肠道中的定居繁殖能力以站抗致病微生物，把生态失衡调节为生态平衡，从而达到促进生长、防治疾病的目的。
1 益生素的作用机理
益生素的作用机理在理论上的进展还很小，现阶段对其作用机理的研究主要是基于“微生态平衡理论”，主要包括以下几方面。
1．1 优势种群学说
正常微牛物群对整个肠道菌群起决定作用，使用微生物的目的就在于恢复优势菌群，保持微牛态平衡。正常情况下，动物肠道内存在大量的微生物菌群，其中能有效促进动物生长和饲料消化的有益菌群主要由杆菌、真菌、消化球菌、厌氧弯曲杆菌等令性厌氧菌群、乳杆菌和双歧杆菌构成。田允波等（1999）指出，一般情况下，猪鸡肠道内优势种群为厌氧菌（占99％以上，而需氧菌和兼性厌氧菌只占1％），其中主要是拟杆菌、双歧杆菌及乳酸杆菌等，各种菌群间既具有正向关系（偏利共生、相生和互惠现象），又有负向关系（竞争、偏害现象人正向效应促使种群发展，而负向效应则限制或阻止种群的过度膨胀，这两者达到平衡时，我们称之为“微生态平衡”。当某些条件如外界环境中的物理、化学或生物性状改变，动物受到饲料转换、断乳、运输或疾病等应激作用，机体处于病理状态，免疫力下降或使用抗生素药物后，均会导致肠道内菌落比例失调，此时腐败菌和致病菌大量繁殖，有益菌减少，造成微生态失调，动物体容易产生疾病。摄入益生素后，消化道内有益菌群得到了有效补充，使有益菌在数量和作用强度上均占绝对优势，该菌群的繁殖和代谢，大大的抑制致病菌群的生长繁殖，从而保持菌群的正平衡，有效地防止菌群失调（Han等，1984）。
1．2 生物夺氧学说
需氧芽胞杆菌能在指主肠道内迅速地定值并生长繁殖，消耗氧气，又称生物夺氧。以益生素形式添加好氧菌特别是芽孢杆菌或添加寡糖特异性地增殖芽胞杆菌，它们在繁殖过程中均对消耗肠道内的氧气，造成局部厌氧环境，降低氧化－还原电势，扶植和促进正常菌群——厌氧菌的生长繁殖（吕道俊等，2000），同时也抑制了需氧病原菌和兼性厌氧病原菌的生长，从而把失调菌群恢复到正常状态淇中，酵母则可以分泌一些消耗肠道氧气的生长因子，进而在肠”道中促进有益菌的生长，维护菌系平衡（吴额群等，2000），从而达到防病。治病、促生长的目的。
1．3 菌群屏障学说
化学益生素和益生素的添加可使动物肠道内有益菌增加，而有益菌抑或通过改变有害菌附着的受体结构，抑或因其与病原菌结构相似，竞争性抑制病原微生物粘附到肠鼓膜上皮细胞上，同病原微生物争夺有限的营养物质和生态位点，并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。同时有益菌在消化道内形成致密的膜菌群，形成微生物屏障，抑制消化道粘附病原菌，中和毒性产物，防止毒素和废物的吸收（Barrow，1980），从而有助于动物消化道内建立正常的有益微生物区系，排除或控制潜在的病原体。
1．4 微生物的代谢途径
微生物代谢方面的作用可归纳为“三流运转学说”，即微生物与宿主动物之间或正常微生物种群之间存在新陈代谢和物质交换。其主要途径如下：
1．4．1降低肠道pH值
添加化学益生素如寡糖类物质或益生素，动物肠道内的乳酸菌和链球菌含量会增多，其代谢产生乳酸。丙酸等有机酸，使消化道内pH值降低，不仅能抑制包括很多革兰氏阳性菌在内的病原菌的存活与繁殖，如乳酸菌分解糖类产生乳酸。乙酸，酵母产生乙醇等抑制对酸敏感病原菌的生长，从而使肠道内有益菌重新占据优势地位，建立起良好的微生物群系；而且在酸性环境中，胃蛋白酶航能被激活成有消化能力的胃蛋白酶，有助于蛋白质的消化吸收。此外，有机酸可加强肠的蠕动和分泌，促进饲料消化，提高营养物质的吸收。
1．4．2 抑制有害物质的产生
肠道内的腐败菌。大肠杆菌等增多，会产生如氨、生物胺、蚓哚和酚等一些有害物质，这些物质具有潜在抑制生长和致癌作用，但添加寡糖或益生素后，生成这些物质的酶活性会受到抑制，因而控制有害产物的生成。保加利亚乳酸杆菌的代谢产物能中和大肠杆菌外毒素，许多好氧菌产生的SOD可帮助动物消除氧自由基。饲喂啤酒酵母后，肠道内有益菌群大量增殖，它们在抑制潜在病原菌的同时，也能阻止肠内腔和氨的产生、促进肠蠕动、维持完整的肠粘膜结构。双歧杆菌可以通过其代谢产物抑制致病菌和肠内固有腐败菌，减少肠道内毒素反腐败产物的含量，减轻肝脏的解毒负担，增强肝脏的营养代谢功能。
1．4．3 合成与分泌更多营养物质及消化酶
研究表明，动物饲喂寡糖或益生素可使肠道内有益菌如乳酸菌、双歧杆菌等增多，它们可在肠内合成B族和K族维生素及蛋白质，增加血液中钙、镁的数量，改善动物对矿物质的吸收，甚至产生某些未知生长因子，加强动物体营养代谢，促进动物生长，产生蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等酶类，提高3大有机物质的消化率，同时产生如嗜酸菌素、乳糖菌素等抗菌物质，抑制病原菌在肠道内繁殖，合成氨基酸、维生素等营养物质。许多微生物还具有很强的利用纤维素、半纤维素、果胶、几了质和植酸磷等动物本身不能直接利用的物质的能力，并释放出细胞内原生质物质供动物利用，从而促进动物生长发育和增重。Hotten（1988）报道，枯草芽孢杆菌和地农芽杆菌具有较强的蛋白孢酶、淀粉酶和脂肪酶活性，同时还具有降解植物饲料中非淀粉多糖酶如果胶酶、葡聚糖酶、纤维素酶；酵母菌和霉菌均能产生蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、纤维素酶等多种酶类，可提高蛋白质和能量利用率。益生菌的蛋白酶和肽酶组成的蛋白酶系统能分解蛋白质和多肽，一方面使饲料养分更易利用，另一方面，益生菌自身蛋白质分解后也可以为畜禽提供更多的营养素。
1．4．4 产生过氧化氢
嗜酸乳杆菌。乳酸乳杆菌等在动物体内可产生过氧化氢（ B．Wren等，1982），激活动物大肠内的过氧化物酶-硫氰酸盐反应系统，使乳酸过氧化物酶与过氧化氢结合，然后将硫氰酸盐氧化成氧化性中间产物，抑制葡萄球菌等致病菌的生长繁殖（闵晓梅等，2001）。顾宏伟（1994）指出，蜡样芽抱杆菌孢子加到鸡饲料中，肉鸡后期（28－49日龄）血液中超氧化物歧化酶活性明显高于对照组，盲肠沙门氏菌阳性率显著降低。
1．4．5 产生细菌素
细菌素是一类选择性作用于细菌靶细胞的抗菌物质，几乎每一乳酸菌株都能产生细菌素。乳酸乳球菌产生的Nisin细菌素可抑制链球菌、葡萄球菌及校状芽孢杆菌生长（杨洁彬等， 1996）。嗜酸乳杆菌产生的细菌素能抑制大肠杆菌DNA合成。自枯草芽孢杆菌中提取的枯草菌素（subticin），能抑制真菌。双歧杆菌还能产生Bifidin菌素，其主要由苯甲基丙氨酸和谷氨酸组成，对肠道腐生菌起抑制作用。此外，还有牛肝菌素、嗜酸乳菌素、嗜酸菌素和无蛋白菌质（Reuterin），能有效地抑制广谱性革兰氏阳性、革兰氏阴性细菌、酵母和真菌产生的毒性氧化代谢物则emcora R，（1997）。
1．4．6 产生诱导酶
双歧杆菌和某些乳杆菌能产生胞外糖苷酶，降解肠粘膜上皮细胞上致病菌和细菌毒素的潜在受体??复杂多糖，通过酶作用，阻止毒素对上皮细胞的粘附和侵入。添加双歧杆菌，小鼠腹腔巨噬细胞内重要的溶酶体酶??酸性磷酸酶的含量大大提高（郑仁恕等，1994）。
1．5 调节免疫系统
益生菌活菌的粘附特性乃诱导免疫的一个重要因素。病原菌与上皮细胞结合，诱导组织、巨噬细胞程序性死亡，引起炎症反应（Lu L et al，2001）。益生菌（Ewing et al，1994）可保护肠壁，与病原菌竞争附着并进入肠上皮细胞，增大细胞间隙，刺激巨噬细胞产生 sIgA、 sIgM，有效地抑制感染（Perdigon et al，1995）。乳酸菌的两种不同的粘附机理分别为，一种是需要Ca2＋的非特异系统，Ca2＋信号活化途径可促进乳酸菌与肠细胞的特异受体结合，所有的乳酸杆菌可借助此系统进行粘附；另一种是Ca2＋独立系统，该系统中有两种乳酸成分参与乳酸菌的粘附，一种是抗蛋白酶（与菌体表面吸附有关），另一种是热稳定县对蛋白酶敏感的胞外蛋白，部分乳酸杆菌借助此系统进行粘附（Chauviere G et al，1992）。也有人认为乳酸菌的细胞脂磷酸壁质是重要的粘附因子，尤其是对啮齿类组织的粘附，其粘附于粘膜上的功能与粘膜多糖有关（Granato G et al，1999）。双歧杆菌的粘附则是借助细菌表面或双歧杆菌培养物上清液中类蛋白促粘附因子，通过细丝状的成分特异性粘附于肠道粘膜表面上，诱导抗体产生（Ryhanen EL，1996）。用灭活的酵母喂生长猪3周，可提高十二指肠近端甘露糖从粘膜到浆膜的流速，提高回肠林状细胞数量，增加结肠粘膜厚度（Breres G et al，2001）。肠道上皮细胞含有甘露寡糖，肠道病原体凝集素易与甘露寡糖相结合，而酵母细胞壁的甘露寡糖也能吸附有毒物质和病原菌，使细菌不能与肠壁上含甘露寡糖的细胞结合，从而保护动物肠道（Kent L，2000），提高动物抗病力。细菌脂多糖（LP）和细菌肽聚糖（PG）可通过信号传导通路刺激巨噬细胞、内皮细胞、嗜中性粒细胞产生介质，如肿瘤坏死因于、IL－1、IL－6、IL－8、IL－12等，对介导非特异性免疫起重要作用（Kopp et al，1999）。LPS也可单独或联合IFN－r诱导巨噬细胞的NO合酶的mRNA表达，促进能活化巨噬细胞杀灭肿瘤细胞及病原微生物的 NO的合成（Sidney M et al，1994）。Liene （1995）则发现LPS可通过活化巨噬细胞的蛋白激酶C，促进NO合酶mRNA的表达与翻译。Kitazawa H等（2001）从乳酸杆菌提取的 DNA能够诱导脾淋巴细胞扩增，其DNA中的2个核着酸序列（SOL－LG7和SOL－LG10）与促有丝分裂剂的序列具有高度同源性，可诱导B淋巴细胞分裂。
1．6 减少胆固醇的机制
胆汁酸、去氧胆汁酸经常结合甘氨酸或牛横形成甘氨胆酸或牛磺胆酸，被乳酸杆菌中的细菌酶。胆盐水解酶所解离（Cilliland SE，1990）。解离的胆酸有杀菌作用，粘附到细菌纤丝上形成沉淀而排出体外，导致肠肝循环减少，胆固醇转化率升高，产生更多胆酸，从而降低胆固醇（Gilliland，1990）。Fletcher（1995）发现喂较高胆盐水解酶活性的乳酸菌，兔和仓鼠的血清胆固醇水平下降，粪便胆酸升高。Fukushima等（1996）研究了单一菌种、混合菌种对血胆固醇浓度的影响，结果表明混合菌种仓鼠血胆固醇浓度比单一菌种下降更明显，并观察到粪中胆固醇浓度增加，肝脂肪酸合成减少，肝脏内源性胆固醇生物合成的限速酶--β-羟-β-甲基戊二酸辅酶A还原酶活性显著降低（Mtal，1995）。
益生细菌也可直接同化吸收胆固醇，在胆汁存在条件下，胆固醇降解显著。此外，益生细菌抑制肠内分子团的形成，促进胆固醇与胆酸及短链脂肪酸的发酵作用，对胆固醇代谢也起重要作用（Mohan，1996）。Bouhnik（1996）发现胆固醇降解与细菌浓度高度相关。博晓丽等（1992）研究表明粪肠球菌、屎链球菌及其提取物也具有降低血清胆固醇和甘油三酯的作用。
1．7 延缓不耐乳糖症
一般说来，人与高等动物因肠道中缺乏β-半乳糖苷酶而易出现乳糖不耐受，不能完全吸收乳糖，而乳糖会改变结肠胜渗透平衡而引起水样腹泻，大量乳糖可导致肠内菌群失调。当然小肠细胞中也含有少量内源乳糖酶，加之肠内菌群亦能消化少许乳糖，因此宿主能耐受少量乳糖（S.salminen AC et al，1998）。然而一旦肠道菌群失调，粘膜杯状细胞形态数量均发生变化，则动物乳糖耐受程度降低，若加入以乳酸菌为主的益生素可以改善肠道生理状态，增强乳糖耐受。此外，一些乳酸杆菌中尚含有乳糖磷酸转化酶系统（PTS）及乳糖分解途径，将乳糖转化为乳酸（Prouault S，2001）或通过水解将饲料中乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，对动物不造成影响（Drouault S et al， 2001）。Beyer EC等（1982）发现在成年鸡的小肠中有2种结合乳糖的凝集素，鸡乳糖凝集素-1、乳糖凝集素-2，是由小肠粘膜杯状细胞分泌的，且伴随着粘蛋白的分泌而分泌，所以鸡对乳糖的耐受比其它动物强。
1．8 净化环境的机制
枯草芽抱杆菌可在大肠中产生氨基氧化酶、氨基转移酶及分解硫化物的酶，将臭源吲哚化合物完全氧化，将硫化物氧化成无臭无毒物质，从而降低血液及粪便中有害气体浓度，减少其向外界排放的量，改善饲养环境（赵芙蓉等，1998）。嗜胺菌能消化肠道游离的氨（胺）及吲哚等有害物质，抑制大肠杆菌的活动；而排出的粪中所含有的活菌体，可消化剩余的氨(孙黎等， 2001)。苏云金将杆菌添加到禽舍内，可抑制蛆的孵化，减少苍蝇；小鸡口服后，产生的粪便对蛆有杀毒作用（Lahi IM et al，2001）。用放线菌微生物作除粪臭剂，除臭率达66％，而禽类经处理后成分基本不受影响（林敏等，1995）。G Pleluigi等（2001）认为，乳酸杆菌中含有精AA脱亚氨阳性酶，可明显降低多胺水平。
1．9 提高液体饲料质量的机制
在生物技术的角度上讲，乳酸菌不仅可以改善肠道菌群，而且有益于液体饲料中的菌群；从动物营养而言，则可减少微生物对饲料的降解。饲料卫生差的不良影响多源于微生物的代谢产物。由于微生物利用了饲料中的养分，从而降低了饲料营养价值。许多大型矿物质饲料和预混料生产商，旨以解决许多地方因饲养卫生差所引发的问题，提出了在生态系统（液体饲料冲使用益生素建立良性生态平衡的净化措施。
作为益生素，乳酸菌和酿酒酵母的试验结果提供了正面依据，乳酸菌的快速繁殖产生了大量的乳酸，降低了液体饲料的pH值，而饲料的酸化对饲喂系统和动物肠道中微生物的分配有利，因为病原微生物生长适宜pH一般都在7左右。此外，乳酸菌与有害微生物的竞争抑制其繁殖。
2 在动物生产中的应用
2．1 促进动物生长发育，提高饲料的利用率，改善动物产品质量
益生素通过产生大量消化酶类，如丝状真菌中的木酶、曲酶能产生蛋白酶、淀粉酶、半纤维素酶等各种消化酶（Jin LZ et al， 2000）；或经肠内发酵直接产生丙氨酸、缬氨酸、天冬氨酸和苏氨酸等，还可产生维生素等（刘林如等，1991），提供动物机体所需营养物质；在动物胃肠道形成微酸性环境，激活内源酶活性，维持肠道内pH值，有利于维生素D、Ca２＋、Fe２＋等的消化吸收。
董传发（1986）报道，牛育肥过程中添加活性酵母益生素可使生长速度提高3％－8％；在育肥期可显著增加胭体净肉率3．35％，降低脂肪率2．28％；Dawson（1993）报道，酵母培养物可增加肉牛采食量，提高增重速度和饲料报酬；Wallace等（1993）综合 16个研究结果报道，饲喂酵母培养物可使肉牛增重速度提高7．5％。添加真菌益生素可以减缓采食后瘤胃内pH值的降低，24h内可使瘤胃内环境稳定。苑文珠等（2001）报道，通过添加曲霉菌或酵母菌制剂提高乳酸的利用，使瘤胃pH值升高，减少反刍动物因饲喂高精料日粮引起的瘤胃pH值降低所造成瘤胃机能障碍。
益生素可以维持和加强犊牛小肠上皮细胞胞质中细胞器的结构和功能，从而在亚细胞水平上发挥作用（那日苏等，2002）。酵母可以通过改变微生物的作用增强对瘤胃内氨的利用和蛋白质合成，增加进入后段消化道的微生物蛋白质的数量和小肠中非氨态氮的吸收率，在消化道内促进植酸酶产生，提高非反刍动物对磷的吸收利用（Pagen，1980）。大量试验研究结果表明：真菌益生素能够提高厌氧菌尤其是纤维分解菌数量。
Gunther（1989）报道，在奶牛日粮中添加10g活性酵母培养物，其标准奶产量从28．4kg／d提高到34.3kg/d Huber(1989)报道，给奶牛饲喂酵母培养物，可使产奶量和标准奶产量分别提高1.2L和0．8L；Dawson（1993）报道，酵母培养物用于奶牛可增加采食量，提高产奶量，改善乳成分；Walace等（1993）综合18个研究结果报道，饲喂酵母培养物产奶量平均提高7．8％；在能量、蛋白质＼酸性纤维和中性纤维均超过NRC标准的混合日粮中添加酵母，也表现出产奶量增加 3.1％，4％校正乳提高9.3％，乳脂率提高0.29％的效果（Diva等，1993）。
Metyes CC（2000）研究发现，猪、鸡血浆中赖氨酸、尿中赖氨酸和机体中赖氨酸的20％来源于肠道中有益微生物的合成。光合细菌菌体营养丰富，蛋白质含量达60％－65％，还含有维生素B、泛酸、叶酸等，能提高饲料效率、动物抗病能力及产蛋率。
从血清总蛋白和血清尿素含量考虑，添加益生素可使仔猪血清的总蛋白含量明显升高，由对照组的平均 50.3g／l升高到55.1g／l；而血清尿素的含量则由对照组的平均3.63mmol／l下降到2.80mmol／l，提高仔猪对蛋白质和氨基酸的利用（梁明振等，2002）。
王梦亮（1999）研究发现，使用光合细菌添加剂，能提高鲤鱼肠道蛋白酶和淀粉酶活力，提高水产品产量。
2．2 增强动物免疫力，防止育龄动物腹泻
益生素是良好的免疫激活剂，能有效地提高干扰素和巨嗜细胞的活性，促进B细胞产生抗体和提高嗜菌细胞活性，其细胞壁上存在的肽聚糖，能刺激肠道免疫细胞而增加局部免疫抗体，从而提高动物抗病力。益生素中的双歧杆菌等菌株具有清除动物体内氧自由基的作用(Ten，1987)。1973年Bloksma用酸奶喂无菌动物，发现其体内免疫球蛋白G1、G2a、G2b的含量大为提高。潘康成等（1999）综述认为，动物口服益生菌后，可调整肠道菌群，使肠道微生态系统处于最佳平衡状态，活化肠粘膜内相关淋巴组织，使SIgA抗体分泌增强，提高免疫细胞再循环而活化全身免疫系统，从而增强机体免疫功能。Inooka（1983）研究发现，纳豆芽孢杆菌能够增强雏鸡抗绵羊红细胞抗体的产生，并显著提高仔鸡脾脏T、B淋巴细胞比例，增强鸡的细胞免疫功能。刘克琳等（1994）报道，凝结芽孢杆菌试验组鸡的免疫器官生长发育较对照组迅速，血中T细胞值较对照组高。潘康成等（1997，1998）还发现地衣芽孢杆菌对兔体液免疫功能有促进作用。
当细菌性毒素与肠细胞结合，将导致肠细胞分泌功能亢进，大量液体从细胞刷状缘溢出，肠绒毛顶端细胞吸收功能降低，从而造成水分和电解质被大量积蓄在肠管内，引起临床上的水样腹泻和迅速脱水症状。法国研究发现，使用益生素可以使犊牛腹泻率由82％降至35％，死亡率由10.2％降至2.8％。Marcheter和Rossery分别做了益生素预防鸡白痢试验，表明益生菌对预防鸡白痢有显著效果。其中酿酒酵母能够破坏大肠杆菌(E．colt)的致病机制。S．B．酵母用来预防和治疗与艰难梭菌有关的腹泻和结肠炎，艰难梭菌分泌毒素A，结合到细胞刷状缘受体上，S.B．酵母一方面减少毒素A受体及刷状缘蛋白，降低由毒素A引起的液体分泌和甘露糖醇的通透性；另一方面分泌一种。一蛋白酶，抑制毒素A与受体结合。嗜酸乳杆菌不仅可以减少大肠内含氨量，并且还可以分解病原菌产生的毒素，使其失活（Mitchell，1976），从而减轻腹泻症状。也有人认为，干酪乳杆菌产生一些表面活性剂抑制病原菌的粘附与繁殖，从而减少了有毒胺类或肠毒素的产生（Reid G，1999）。
2．3 抑制肠道内氨及胺等毒性物质的产生，改善环境卫生
当动物肠内大肠杆菌等有害菌数量增多时会导致蛋白质转化为氨、胶和其它有害气体和物质，而益生素制剂中某些菌属如嗜胺菌可利用消化道内游离的氨、胺和其他有害气体和物质，同时优势菌群可抑制大肠杆菌的活动，扭转蛋白质向胺及氨的转化，从而降低肠内容物、血液和粪便中有害物质含量。此外，芽孢杆菌在大肠中产生的氨基氧化酶和分解硫化物的酶类，可将臭源吲哚化合物完全氧化成无臭、无毒害、无污染的物质；芽孢杆菌还有利于氨代谢的酶类，可降低血氨浓度。因此，益生素制剂的添加，可极大地降低粪便臭味，改善舍内空气质量，降低对环境的污染。
2.4 其它作用
益生素在动物肠道内产生的物质能提高动物体的抗应激能力。 Andlid等 （1999）试验表明娃鱼肠道中的酿酒酵母能产生高浓度的热应激蛋白。将益生素应用到水产上，还能够起到净化水质的作用，这有利于动物的健康生长。