后生素：一类具有潜力的新型饲料添加剂

■童雨翠 张 静 陈霈瑶 郭贺楠 华正昌 张日俊

（中国农业大学饲料生物技术实验室，动物营养学国家重点实验室，北京 100193）

后生素（Postbiotics）是对宿主健康有益的无生命微生物及微生物成分[1]，包括发酵过程中产生的代谢物、分解发酵底物释放的活性小分子、死亡的细胞及裂解后的细胞组分[2]。已有研究表明，灭活的菌体细胞（inanimate microorganisms，IM）和无细胞上清（cell free supernatant，CFS）对动物机体健康有促进作用[3-4]，但目前关于后生素生物活性的介绍及其在动物生产上的应用研究较少，因此文章主要介绍了后生素的概念和生物学功能及其在动物生产中的应用，旨在为后生素作为新型饲料添加剂提供参考。

1 后生素的概念

后生素的发现与概念的建立是基于对益生菌的研究，随着益生菌在应用过程中出现的易失活[5]、感染风险[6]及菌株耐药基因转移[7]等问题，研究者开始关注非活性微生物和微生物代谢产物带来的益生活性[3-4，8]。

国际益生菌和益生元科学协会（International Sci⁃entific Association of Probiotics and Prebiotics, ISAPP）在2021 年发布共识声明[1]，详细阐明后生素的概念，后生素是无生命微生物和微生物成分，能够促进机体健康。后生素包括无生命的菌体、菌代谢产物（micro⁃bial metabolites, MM）以及菌裂解后释放的可溶性因子[2，9-10]，其中代谢产物主要有胞外多糖（exopolysac⁃charides, EPS）、短链脂肪酸（short chain fatty acids,SCFA）、细菌素和有机酸等；菌的组成成分主要有脂磷壁酸、磷壁酸、肽聚糖、衍生多肽、细胞表面蛋白和菌毛型结构等[10-12]。

2 后生素的生物学功能

后生素在体内、体外的研究中依菌株的特异性呈现出多种生物活性，如抗氧化、抗炎、免疫调节、抗肿瘤、抗菌功能等，但这些功能是否能呈现取决于菌株的特异性和生产工艺。后生素的抗病能力[13]和促生长作用[14]是其应用于畜禽生产的有利条件。

2.1 抗氧化功能

活性氧（reactive oxygen species, ROS）是活细胞在代谢过程中产生的氧自由基的统称，在环境应激（如饲养密度不合理）、异源性化合物（如外源药物）以及畜舍内有害气体的刺激下会增加ROS的产生，ROS的积累会造成机体抗氧化防御系统间的不平衡，导致氧化应激引起细胞和组织损伤，从而导致畜禽采食量下降，生产性能降低。谷胱甘肽过氧化物酶（glutathi⁃one peroxidase, GSH-Px）、过 氧 化 氢 酶（catalase,CAT）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）是动物体内常见的抗氧化酶，谷胱甘肽（glutathione,GSH）是体内的抗氧化物质，能够减轻机体的氧化损伤。后生素被报道具有一定的抗氧化能力，能提高机体抗氧化酶水平，减轻氧化损伤。在羔羊日粮中添加后生素可提高血清和瘤胃液中GSH-Px活性，降低血清脂质过氧化水平[15]。在肉鸡饲粮中添加后生素制剂也表现出血浆总抗氧化能力的提高，CAT与GSH活性升高[16]。多株乳酸菌CFS[17-18]在体内、体外试验中均呈现较高的抗氧化活性，可提高动物机体中GSH-Px、CAT和GSH的活性，降低体内氧化应激反应。

后生素抗氧化活性可能与菌体代谢物中的EPS以及一些未知成分有关。例如双歧杆菌（Bifidobacte⁃riumsp.）[19]、地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）[20]及多株乳杆菌（Lactobacillussp.）[20-22]产生的EPS 被报道具有较强的抗氧化活性，能够抑制体内脂质过氧化过程。后生素中一些未知成分可促进机体产生GSH-Px和SOD，从而发挥抗氧化作用[23]。在一项由黄曲霉毒素诱导的大鼠氧化应激模型研究中，干酪乳杆菌（Lactobacillus casei）的细胞内容物能透过肠道屏障进入血液减轻肝脏线粒体功能障碍来调节机体抗氧化状态，并能增强大鼠肝脏中GSH-Px 和CAT 活性[24]。凝结芽孢杆菌（Bacillus coagulans）和干酪乳杆菌的细胞内容物及细胞壁成分在体外试验中可提高结肠癌细胞的抗氧化活性[25]，但起到抗氧化作用的具体物质尚不清晰。这些研究表明后生素具有作为抗氧化剂的潜力，但具体作用机制需要进一步深入研究。

2.2 免疫调节功能

功能紊乱及炎症的发生会导致畜禽生长性能下降甚至死亡，后生素可调节机体免疫状态，并能发挥抗炎作用。从凝结芽孢杆菌培养物中分离得到的上清和细胞壁碎片能调节Th2（Thelper2 cell）依赖的免疫反应，促进细胞因子的产生，具有较强的免疫调节作用[26]。双歧杆菌发酵上清（Bifidobacteriumsuperna⁃tant，BS）与树突状细胞（dendritic cell, DC）共培养可促进DC 成熟并延长其在体外的存活时间，缓解脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）对DC的刺激[27]，BS可能与细胞内丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated pro⁃tein kinase, MAPK）、糖原合成激酶3（glucogen syn⁃thase kinase 3, GSK3）和磷脂酰肌醇3-激酶（phospha⁃tidylinositol 3-kinase, PI3K）信号通路激活有关[28]，能调节DC成熟、激活和存活，发挥对免疫系统的调节作用。除了菌悬液、发酵上清及菌体成分能够发挥免疫调节功能外，菌产生的多糖[29]和短链脂肪酸[30-31]可通过影响调节T 细胞（Tregs）的生成、分化和功能，发挥抗炎活性，有可能成为治疗结肠炎的潜在药物。

后生素的免疫调节功能还体现在免疫抑制方面，后生素中的某些成分具有一定的免疫抑制作用。在猪肠道上皮细胞系的研究中，植物乳杆菌（Lactobacil⁃lus plantarum）的细胞壁成分脂磷壁酸（lipoteichoic ac⁃id, LTA）呈现出免疫抑制功能，可减弱炎症相关信号通路的激活，降低促炎因子IL-8的表达水平，降低病毒、病原体诱导的炎症反应[32]。在LPS 诱导的巨噬细胞模型中，来自嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophi⁃lus）、鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus）和干酪乳杆菌3 种不同乳酸菌菌株的肽聚糖均具有抑制炎性细胞因子释放的能力[33]。细菌代谢产物丁酸也表现出免疫抑制作用，在小鼠结肠炎模型中抑制巨噬细胞促炎因子的释放，降低炎症水平[34]。

2.3 抗肿瘤功能

肿瘤的发生与机体细胞增殖异常关系密切，后生素具有抑制癌细胞增殖的活性，很可能是通过激活免疫反应过程中的促凋亡途径[10]。后生素如灭活细胞、细胞壁成分、肽聚糖、细胞质提取物和CFS 可以抑制细胞增殖，提高细胞凋亡基因的表达水平来诱导肿瘤细胞凋亡从而抑制癌细胞的发展[35]。乳酸菌属的细胞质提取物和细胞壁成分对两株癌细胞株增殖具有抑制作用，主要是抑制细胞周期进入S期从而引起细胞凋亡[36]。植物乳杆菌的代谢产物具有选择性细胞毒性，可通过抑制细胞增殖和诱导凋亡阻碍肿瘤细胞的生长，而对正常细胞无影响[37]。双歧杆菌CFS 对人结肠癌细胞的增殖具有一定的抑制作用[38]。发酵乳杆菌（Lactobacillus fermenti）CSF通过诱导细胞凋亡抑制结直肠癌细胞的生长，并通过抑制NF-κB 信号通路发挥抗增殖活性[39]。虽然在畜禽中少有肿瘤的发生，但是对后生素的抗肿瘤功能研究有助于我们进一步理解其在体内的作用机制，更好地发挥后生素的应用潜力。

2.4 抗菌功能

抗生素的使用在一定程度上降低了畜禽传染病的发生，但是耐药性致病菌的产生成为不可避免的问题，因此迫切需要一种具有抗病原菌且无耐药性的抗生素替代品。某些后生素具有杀菌抗菌能力，细菌素、IM、CFS 及代谢产物在研究中表现出优异的抗菌特性。乳酸菌发酵乳CFS 被报道能够保护小鼠免受沙门氏菌的感染[40]，乳杆菌IM可用于治疗细菌感染引起的急性腹泻和呼吸道感染[41]。植物乳杆菌CFS 对多株病原菌及万古霉素耐药性肠球菌具有抑制作用[42]。双歧杆菌分泌的生物活性小分子能降低沙门氏菌在巨噬细胞内的生存和繁殖力[43]；乳酸菌属和双歧杆菌属的CFS 可抑制入侵性大肠杆菌对结肠腺癌细胞系的侵袭[44]；乳酸菌CFS[45-46]还可以降低细菌的定植水平和抑制生物膜的形成；植物乳杆菌产生的EPS对铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、大肠杆菌（Escherichia coli）、鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella ty⁃phimurium）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）等致病菌的生物膜形成具有较强的抑制作用[47]；嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）的EPS 能够减少细菌的黏附，减轻胃腺癌上皮细胞的炎症反应[48]，从蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）、海绵状芽孢杆菌（Bacil⁃lus licheniformis）和 施 氏 假 单 胞 菌（Pseudomona stutzeri）中提取的EPS 都表现出对大肠杆菌和铜绿假单胞菌的抗菌活性[49-51]。由上可知，后生素在降低细菌黏附和定植水平、抑制细菌生物膜的形成和保护动物免受病原菌的感染等方面具有重要意义。

此外，其他研究显示，除某些CFS、IM和EPS具有抑菌活性，代谢产物中还有一类细菌素，能对其他多种细菌（如病原菌）产生抑制或杀灭作用，而对自身菌属的细菌具有保护作用。细菌素主要是肽类物质，可以在其他细菌细胞膜上形成小孔杀菌或抑制其他菌体的生物合成过程，具有广泛的抑菌杀菌活性[52]。研究中发现唾液乳杆菌（Lactobacillus salivarius）细菌素的产生是其菌株具有抗菌作用的主要原因[53]。从肠球菌（Enterococcussp.）纯化得到分子量为22.53 ku 的细菌素对铜绿假单胞菌具有颉颃作用[54]。发酵乳杆菌产生的仅由10个疏水氨基酸组成的细菌素对金黄色葡萄球菌、单增李斯特菌（Listeria monocytogenes）、鼠伤寒沙门氏菌和霍乱沙门氏菌（Salmonella cholera）具有抑制作用[55]。植物乳杆菌的细菌素plantaricin A 被认为是一种群体感应分子，能在肠道中对其他乳酸菌发挥保护作用，从而增强肠道的屏障功能[56]。乳酸菌产生的Nisin在食品防腐剂和饲料抗菌剂方面具有很好的应用前景[57]。

后生素的抗病原菌方式不只是直接杀菌机制，也可间接增强机体的肠道屏障功能和纠正肠道菌群紊乱从而抵御病原菌的定植和侵袭[58-60]。后生素直接或间接的抗菌活性是其作为抗生素替代品的基础。目前尚未发现后生素具有耐药性的相关报道。

3 后生素在动物养殖中的应用潜力

后生素可减少由畜禽集约化养殖带来的机体应激、炎症和传染病的发生，改善动物整体健康状况和提高动物生产性能，具有替代抗生素的潜力。目前研究多集中在MM和CFS对动物生产性能的影响，在家禽上的研究较多，而在家畜和水产动物中的研究相对较少。

在家禽生产中，饮水或饲粮中添加后生素可缓解环境应激如病原菌感染和热应激，提高生产性能。研究发现在肉鸡饮水中添加MM，主要是益生菌代谢产生的有机酸，可改善产气荚膜梭菌（Clostridium per⁃fringens）引起的肠道损伤，降低坏死性肠炎导致的死亡率[13]。后生素制剂在减轻家禽热应激方面也有一定的作用，在肉鸡日粮中添加植物乳杆菌CFS后降低了肉鸡体内热休克蛋白基因表达水平，表明后生素可缓解热应激在细胞水平的刺激[17]。在肉鸡日粮中添加一定量的植物乳杆菌CFS也可提高生产性能，增加日增重和终末体重，提高肉鸡饲料转化效率[61]，并能改善肉品质，提高鸡肉的pH和剪切力，降低滴水损失和黄度[16]。Choe 等[62]通过探究三种植物乳杆菌复合MM 对蛋鸡生产性能的影响，结果表明添加MM 能提高产蛋量，降低血浆和蛋黄中胆固醇浓度，同时会增加粪便中乳酸菌的数量，降低肠杆菌数量，对蛋鸡的健康具有重要作用。这表明后生素在改善坏死性肠炎、缓解热应激、改善家禽健康和提高生产性能等方面具有重要意义。

在家畜方面，植物乳杆菌CFS可促进断奶羔羊瘤胃乳头生长、改善免疫状态和胃肠道健康，调节肠道紧密连接蛋白的表达，改善肠道屏障的完整性[63]。后生素可调节肠道菌群的组成并形成保护屏障，植物乳杆菌MM能增加肠道内乳酸菌、双歧杆菌等益生菌的数量从而降低仔猪腹泻率，也可提高仔猪对饲料蛋白的消化率[64]。

在水产动物方面，后生素也具有改善生产性能和抵抗应激的作用。饲粮中添加植物乳杆菌热灭活细胞或CFS均能提高南美白对虾的生长性能、存活率和在环境胁迫下的耐受性，维持对虾在急性低盐胁迫下免疫系统的正常功能[65]。用热灭活的解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）饲喂印度鲤鱼后，印度鲤鱼的抗氧化应激能力和免疫能力也得到增强[66]。

后生素制剂在调节动物免疫机能、缓解动物热应激、提高饲料消化率、促进动物生长和改善动物产品质量等方面具有重要作用，在动物生产方面具有很大的应用潜力。

4 展望

益生菌作为饲料添加剂时，生产、运输和储存的过程中的各种因素（压强、温度、pH、含氧量、水分、包装材料等）可能会造成益生菌生存能力和功能的下降[5，67-69]。而后生素被认为是一种比益生菌更稳定的活性物质，例如芽孢杆菌产生的水溶性多肽物质在很宽的pH范围内都具有抗菌活性[70]。益生菌的一些菌株存在毒力因子可导致类似沙门氏菌感染的局部炎症反应，因此免疫系统不健全或肠道屏障受损的机体不能承受益生菌带来的风险[71]。然而使用后生素可避免机体摄入亿数量级的活菌细胞带来的威胁，减少机体的免疫反应，是一种安全的治疗方法。此外，益生菌株中抗生素耐药基因可能会通过水平基因在肠道菌株中转移传播，增加感染风险[72]。相比之下，后生素作为饲料添加剂比活的细菌更稳定、更安全。

后生素的研究也存在一些尚未解决的问题，例如灭活细胞和无细胞上清成分复杂，分离和分析难度大，功能性物质尚不清楚；后生素在动物体内作用机制尚不明确，与机体内相关信号通路的联系尚未建立；目前后生素研究的相关菌株主要是乳酸菌，涉及其他菌株的研究较少；动物相关试验方面数据缺乏，目前市面上也没有出现商业化的产品。这些问题都需要科研工作者的持续探索和研究，为后生素在饲料添加剂领域的应用提供理论支撑和技术参考。