王 巖，楊彩梅，胡愛心，吳艷萍*

（1.浙江農(nóng)林大學(xué)動物科技學(xué)院?動物醫(yī)學(xué)院，浙江杭州 311300；2.博源潤生醫(yī)藥（杭州）有限公司，浙江杭州 310030；3.浙江惠嘉生物科技股份有限公司，浙江湖州 313300）

益生菌制劑作為主要的抗生素替代品已被廣泛應(yīng)用于動物生產(chǎn)中，其具有促進營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收、改善胃腸道菌群平衡和增強腸道免疫等眾多功能，能顯著提高畜禽生長性能和防治疾病等。然而，益生菌活菌也存在一定問題，例如抗逆性較差、不耐貯存、胃腸道存活率低、難以定植以及增殖耗能等，并且一些益生菌具有毒力因子和一定耐藥性，甚至可能引起感染。研究發(fā)現(xiàn)益生菌的無生命菌體和（或）其代謝產(chǎn)物也具有明顯益生作用，并且不同組分的益生功能不盡相同。有關(guān)益生菌成分的新詞匯不斷涌現(xiàn)，如 Paraprobiotics、Metabiotics、Ghost Probiotic 和Inactived Probiotics 等。2013 年，西班牙人Tsilingiri 正式提出“Postbiotics”的概念，中文名暫譯為“后生元”，不過此后一直未獲得官方正式命名和定義。2021 年5 月，國際益生菌和益生元科學(xué)協(xié)會（ISAPP）在Nature 雜志上對后生元的定義和范圍發(fā)表了一個共識聲明，即后生元為“對宿主有益的無生命微生物和/或其成分的制劑”，后生元的主要成分包括磷壁酸（Teichoic acid，TA）、肽聚糖（Peptidoglycan，PGN）、有機酸、細(xì)菌素、胞外多糖（Exopolysaccharide，EPS）和神經(jīng)遞質(zhì)類物質(zhì)等，能發(fā)揮益生菌活菌類似甚至更優(yōu)的作用，并且由于其化學(xué)結(jié)構(gòu)明確、保質(zhì)期長、安全性更高和穩(wěn)定性更強等，可避免活菌的諸多缺點。目前研究最多的為乳酸桿菌和雙歧桿菌后生元。研究發(fā)現(xiàn)，即使經(jīng)高溫作用或腸胃消化液處理，后生元仍保有高度生理活性，因而逐漸被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和食品等領(lǐng)域，其也成為未來益生菌領(lǐng)域研究的新方向和熱點。本文綜述了后生元主要活性成分益生作用及其在畜禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用，以期為后生元的合理利用提供參考。

1 后生元主要活性成分及作用機制

1.1 菌體成分

1.1.1 TA TA 是益生菌細(xì)胞壁的主要組分，根據(jù)與細(xì)胞的連接方式不同分為兩類：在細(xì)胞壁上通過與肽聚糖共價鍵連接成的壁磷壁酸（Wall Teichoic Acid，WTA）以及通過糖脂錨定到細(xì)胞質(zhì)膜上的脂磷壁酸（Lipoteichoic Acid，LTA）。WTA 具有維持細(xì)胞形態(tài)、參與調(diào)控細(xì)菌定植與黏附以及影響抗菌肽耐藥性等功能，而LTA在維持細(xì)菌細(xì)胞壁陰陽離子平衡、抗炎和識別宿主細(xì)胞受體中起關(guān)鍵作用。研究表明，LTA 可與宿主細(xì)胞Toll 樣受體，如TLR2 和TLR6 相互作用，從而激活宿主免疫反應(yīng)；巨噬細(xì)胞可通過TLR2 識別糞腸球菌LTA 并產(chǎn)生一氧化氮（NO），從而誘導(dǎo)細(xì)胞因子產(chǎn)生。副干酪乳桿菌LTA 可通過調(diào)節(jié)TLR-2/p38-MAPK/NFkB 途徑增強黏蛋白表達從而減少炎癥，此外，植物乳桿菌LTA 通過降低Pam2CSK 誘導(dǎo)的IL-8 的表達從而抑制腸上皮細(xì)胞炎癥發(fā)應(yīng)。

1.1.2 PGN PGN 是細(xì)菌細(xì)胞壁中獨特的多層交聯(lián)的聚糖鏈，由無數(shù)PGN 單體所組成的網(wǎng)目狀大分子構(gòu)成，而PGN 單體由N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸通過-1，4 糖苷鍵連接成的聚糖鏈骨架和四肽鏈通過1 個酰鍵與-乙酰胞壁酸相連組成。PGN 對免疫調(diào)節(jié)功能具有重要作用。據(jù)報道，來源于唾液乳桿菌的PGN Ls33 可通過刺激樹突狀細(xì)胞和T 細(xì)胞的調(diào)節(jié)功能從而緩解沙門氏菌誘導(dǎo)的小鼠炎癥；在骨髓中PGN 可增強中性粒細(xì)胞活性，降低腸道通透性和調(diào)節(jié)造血過程。此外，PGN 對腸-腦軸也有一定調(diào)控作用，如PGN 作為微生物釋放免疫激動劑可通過血腦屏障，刺激神經(jīng)元表達感知PGN 的NOD1 受體；PGN 識別蛋白2 敲低將降低雄性和雌性小鼠的社交能力，改變動物行為。

1.2 代謝產(chǎn)物

1.2.1 有機酸 益生菌可發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生乳酸、短鏈脂肪酸和琥珀酸等有機酸，使腸道環(huán)境呈酸性，可抑制病原體生長繁殖、促進腸道發(fā)育、調(diào)節(jié)腸道菌群等。乳酸菌、雙歧桿菌和凝結(jié)芽孢桿菌等在厭氧環(huán)境下糖元經(jīng)過一系列的酶促反應(yīng)可得到-乳酸（主要為-乳酸和少部分-乳酸）。據(jù)報道，乳酸可對糞腸球菌細(xì)胞膜造成損傷，導(dǎo)致其核酸流出，從而降低致病菌生長繁殖速率；乳酸的未解離形式可使細(xì)胞膜電勢能去極化，改變細(xì)胞膜通透性和解離產(chǎn)生H；乳酸也可抑制病原菌毒力因子表達從而抑制其致病性。短鏈脂肪酸（Short Chain Fatty Acids，SCFAs）是指碳原子數(shù)少于6 的脂肪酸，包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等，其由腸內(nèi)厭氧菌發(fā)酵和分解未消化的碳水化合物產(chǎn)生。SCFAs可以為宿主結(jié)腸黏膜細(xì)胞提供生長代謝所需大部分能量、改善腸道微生態(tài)環(huán)境、提高腸屏障功能和增強黏膜免疫等益生作用。其中，丁酸功能眾多，有關(guān)其作用機制的研究也已成為熱點，產(chǎn)丁酸的細(xì)菌主要包括梭菌屬、真桿菌屬以及梭桿菌屬等。據(jù)報道，丁酸梭菌在厭氧發(fā)酵過程中利用脂質(zhì)和葡萄糖的合成丁酸，給腸黏膜上皮細(xì)胞供能，增強腸黏膜屏障功能；丁酸通過與GPCRs-41 和GPCRs-43 結(jié)合刺激（+）外排和超極化，促進炎癥小體活化，從而促進腸上皮完整性和增強免疫功能；丁酸能誘導(dǎo)腸上皮細(xì)胞中TGF-表達間接促進B 細(xì)胞產(chǎn)生IgA。

1.2.2 細(xì)菌素 細(xì)菌素是部分微生物通過核糖體代謝產(chǎn)生的一類具有生物活性的蛋白質(zhì)、多肽或前體多肽，具有顯著殺菌或抑菌功能。目前已發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌素有羊毛硫胺類、非羊毛硫胺類、熱穩(wěn)定性較差的以及由磷脂、脂肪酸鏈等特定基團與蛋白基團共同構(gòu)成的細(xì)菌素。產(chǎn)生細(xì)菌素的益生菌主要有乳桿菌屬和芽孢桿菌屬。乳桿菌屬可產(chǎn)生乳鏈球菌素、乳酸鏈球菌肽、糞腸球菌素、腸球菌素和植物乳桿菌素等。芽孢桿菌可產(chǎn)生枯草桿菌素、桿菌肽、伊枯草菌素、豐原素和地衣溶素等。據(jù)報道，乳鏈球菌素侵入細(xì)胞膜內(nèi)形成孔道，可抑制細(xì)菌細(xì)胞壁中肽聚糖、DNA、RNA 和蛋白質(zhì)合成，引起細(xì)胞膜內(nèi)外能量差消失，導(dǎo)致細(xì)菌自溶而衰亡；枯草桿菌素對多種格蘭氏陽性菌菌具有抑制作用。

1.2.3 EPS EPS 是一類由微生物在生長代謝過程中分泌的醛糖或酮糖通過糖苷鍵連接而成的長鏈聚合物，根據(jù)其與菌體的依附關(guān)系可分為粘液層EPS、疏松附著EPS和緊湊附著EPS。產(chǎn)生EPS 的菌屬主要有乳酸桿菌、雙歧桿菌、乳酸乳球菌和鏈球菌等。EPS 可改善腸道微生物平衡，如LAB-EPS 可通過抑制細(xì)菌細(xì)胞表面的黏附因子來阻隔有害菌對腸上皮細(xì)胞的黏附，選擇性促進有益菌增殖，進而抑制有害菌增殖和有害物質(zhì)產(chǎn)生，從而改善腸道微生物的多樣性和平衡；動物雙歧菌及瑞士乳桿菌的EPS 具有抗氧化功能，能夠清除自由基、超氧陰離子自由基和提高機體內(nèi)相關(guān)抗氧化酶活性。此外，EPS 在生物修復(fù)中發(fā)揮的作用日益顯現(xiàn)，如微生物混合菌群分泌的EPS 能差異性地去除水溶液中Zn和Cu，并且研究發(fā)現(xiàn)不同益生菌來源的EPS 組分含量不同，對重金屬的吸附能力存在明顯差異性。

1.2.4 神經(jīng)遞質(zhì)類物質(zhì) 近年來研究發(fā)現(xiàn)，乳酸菌和雙歧桿菌等可分泌多種神經(jīng)遞質(zhì)類物質(zhì)，如-氨基丁酸（-aminobutyric acid，GABA）、5-羥色胺（5-hydrox ytryptamine，5-HT）、多巴胺（Dopamine，DA）、去甲腎上腺素（Norepinephrine，NE）、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（Brain-Derived Neurotrophic Factor，BDNF）和乙酰膽堿等。腸道菌群可直接合成GABA、刺激腸壁嗜鉻細(xì)胞和（或）腸神經(jīng)分泌5-HT，以及釋放BDNF、DA 來影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)導(dǎo)致行為和認(rèn)知變化。此外，微生物酶還可代謝宿主神經(jīng)遞質(zhì)合成的色氨酸和酪氨酸，從而降低其生物利用度。這些神經(jīng)遞質(zhì)類物質(zhì)在調(diào)節(jié)腸道分泌、調(diào)節(jié)腸道運動和調(diào)節(jié)腦腸軸等中發(fā)揮重要功能。據(jù)報道，5-HT 可以根據(jù)胃腸道內(nèi)容物將外分泌酶的需求傳達給胰腺并調(diào)節(jié)胰腺酶的分泌；GABA對腸神經(jīng)系統(tǒng)有重要破壞功能，如腸運動、胃排空、痛覺和酸分泌。

2 后生元主要益生功能

2.1 維持腸道菌群平衡 腸道菌群發(fā)生紊亂時，黏附在腸道上皮細(xì)胞的條件性致病菌增加，細(xì)菌位移進而引起各種疾病以及器官病變。盡管后生元在腸道內(nèi)暫時停駐，但對微生物群仍具有重要作用。后生元具有抗御宿主抵御感染的能力，如植物乳桿菌b240 滅活菌可保護宿主免受腸炎沙門氏菌的感染；滅活乳酸菌G50 可改善小鼠的腸道菌群并抑制有害腸道細(xì)菌的生長。后生元維持腸道菌群平衡的機制還包括乳酸和/或細(xì)菌素的產(chǎn)生而使病原體直接失活。例如，鼠李糖乳桿菌GG 產(chǎn)生的乳酸對鼠傷寒沙門氏菌具有很強的抑制作用；從嗜酸乳桿菌KS40 中提取的細(xì)菌素能夠抑制泌尿生殖道中的陰道加德納菌、無乳鏈球菌和銅綠假單胞菌。后生元還可間接調(diào)節(jié)微生物群，如飼糧中添加SCFAs 在斷奶仔豬腸道內(nèi)的離子化過程中可增加回腸中芽孢桿菌和乳酸桿菌的數(shù)量，降低大腸桿菌數(shù)量；此外，雙歧桿菌EPS 可與腸球菌和腸桿菌競爭黏附附位點。

2.2 增強腸黏膜屏障和免疫功能 腸黏膜屏障包括腸上皮細(xì)胞和覆蓋其表面的黏液層。當(dāng)腸黏膜屏障被破壞時，上皮層的通透性增加，黏液層中杯狀細(xì)胞分泌的黏液素減少等。研究發(fā)現(xiàn)，布拉酵母菌熱滅活菌通過維持腸道通透性并減少細(xì)菌易位來增強腸道屏障功能；雙歧桿菌EPS 可誘導(dǎo)人樹突狀細(xì)胞分泌的IL-17 增加，增強T 細(xì)胞轉(zhuǎn)入腸道并減輕炎癥，從而促進屏障功能。在免疫調(diào)節(jié)方面研究發(fā)現(xiàn)，熱滅活腸球菌可誘導(dǎo)TNF-/IL-10 來平衡免疫；SCAFs 通過提高粘蛋白水平、促進claudin 的形成和阻滯來調(diào)節(jié)腸道免疫。后生元還可通過與細(xì)胞模式識別受體結(jié)合而調(diào)節(jié)宿主免疫功能，如植物乳桿菌PGN 或其衍生多肽通過TLR2 降低IL-10，促進Treg 細(xì)胞產(chǎn)生并參與調(diào)節(jié)T 細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)。

2.3 調(diào)控腸-腦軸功能 腸-腦軸是由腸道菌群、腸神經(jīng)系統(tǒng)、自主神經(jīng)系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)和相關(guān)內(nèi)分泌與免疫系統(tǒng)等構(gòu)成信號調(diào)控通路。腸道微生物可產(chǎn)生多種神經(jīng)遞質(zhì)并且影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)中神經(jīng)遞質(zhì)的產(chǎn)生。另外，一些與腸-腦軸相關(guān)的病癥和微生物介導(dǎo)的下丘腦-垂體-腎上腺軸失調(diào)相關(guān)，如腸道共生乳酸桿菌產(chǎn)生的組胺和DA 可調(diào)節(jié)抑郁癥、焦慮癥相關(guān)疾病中的神經(jīng)元信號；植物乳桿菌和長雙歧桿菌組合的部分代謝物質(zhì)（4-羥苯基丙酸、4-羥苯基乙酸和咖啡酸）會通過免疫系統(tǒng)影響神經(jīng)系統(tǒng)。微生物代謝產(chǎn)物還可通過與腸內(nèi)外的系統(tǒng)原件結(jié)合來影響宿主的神經(jīng)生理變化，如SCFAs 經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)穿過血腦屏障被大腦吸收后，可激活乙酰輔酶A 羧化酶和改變調(diào)節(jié)神經(jīng)肽的表達，進而影響下丘腦神經(jīng)元GABA、谷氨酸、谷氨酰胺等物質(zhì)的產(chǎn)生。

3 后生元的應(yīng)用概況

后生元目前已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)學(xué)和動物生產(chǎn)領(lǐng)域。后生元作為食品補充劑，具有改善食品風(fēng)味、防腐、抗氧化、改善營養(yǎng)品質(zhì)等作用；在醫(yī)學(xué)上，后生元具有抗炎、免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤和降血脂等益生功能。衍生自發(fā)酵乳桿菌和德氏乳桿菌的后生元發(fā)酵液經(jīng)過高溫處理達到微生物滅活，喂養(yǎng)小鼠后，與對照組相比，小鼠表現(xiàn)出社交能力增加和基線皮質(zhì)酮水平（應(yīng)激激素）降低，并且腸道乳酸菌和腸道桿菌數(shù)量均顯著提高、腹瀉評分和腹瀉持續(xù)時間均顯著下降具有統(tǒng)計學(xué)意義的變化糞便。近些年來，后生元也已逐漸應(yīng)用于動物生產(chǎn)中。據(jù)報道，日糧中添加釀酒酵母和植酸酶滅活的共同發(fā)酵的麥麩可顯著提高肉雞腸道屏障功能，同時改善肉質(zhì)、促進生長和提高免疫力等；肉雞被梭菌感染后服用乳酸菌制劑，其生長性能和脂肪酸含量的負(fù)面變化可以有效減輕。同時乳酸菌產(chǎn)生的乳酸對病原菌有強抑制作用。育肥豬灌胃SCFAs 能改善腸道功能、降低豬空腸和結(jié)腸凋亡細(xì)胞比例、上調(diào)促凋亡蛋白水平表達；補充酵母菌后生元可降低霉菌毒素對斷奶豬毒害作用、增加絨毛高度和降低腸道中病原細(xì)菌比例；豬食用玉米乳桿菌發(fā)酵飼料顯著降低腸道中沙門氏菌的感染所引發(fā)的發(fā)熱和腹瀉；植物乳桿菌產(chǎn)生的有機酸和細(xì)菌素可增加羔羊采食量、提高養(yǎng)分吸收和消化率；酵母菌后生元有益于穩(wěn)定瘤胃pH 和提高奶牛采食量。乳酸菌產(chǎn)生的十二碳六烯酸可顯著改善奶牛瘤胃、腸道菌群結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)胃腸道環(huán)境、在促進食物消化吸收方面發(fā)揮著重要作用。綜上所述，后生元已逐漸應(yīng)用于畜禽生產(chǎn)中，在提高畜禽日增重、改善泌乳能力、抑制病原菌等方面具有一定效果。

4 小結(jié)和展望

盡管后生元益生功能眾多，但目前對其研究仍然處于起步階段，有關(guān)其改善動物生產(chǎn)性能和健康的作用機制研究尚不深入。例如，代謝產(chǎn)物/菌體成分如何與腸道細(xì)胞相互作用以及如何影響下游信號通路，將是一個非常值得研究的方向；代謝產(chǎn)物與菌體成分的構(gòu)效關(guān)系，即通過生化策略調(diào)整后生元組分結(jié)構(gòu)組成使其功能最優(yōu)化，對應(yīng)用于畜禽也具有重要意義；后生元提取技術(shù)仍尚未成熟而無法大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用；在菌屬選擇方面，除了常見的乳桿菌及雙歧桿菌外，可增加其他菌屬的有益菌。通過系統(tǒng)性地探索后生元益生功能和效果，優(yōu)化整合合理利用各種益生組分，有可能實現(xiàn)后生元在實際生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。