后生元的益生机制及其在动物生产中的应用前景

王 岩，杨彩梅，胡爱心，吴艳萍*

（1.浙江农林大学动物科技学院•动物医学院，浙江杭州 311300；2.博源润生医药（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）

益生菌制剂作为主要的抗生素替代品已被广泛应用于动物生产中，其具有促进营养物质的消化吸收、改善胃肠道菌群平衡和增强肠道免疫等众多功能，能显著提高畜禽生长性能和防治疾病等。然而，益生菌活菌也存在一定问题，例如抗逆性较差、不耐贮存、胃肠道存活率低、难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药性，甚至可能引起感染。研究发现益生菌的无生命菌体和（或）其代谢产物也具有明显益生作用，并且不同组分的益生功能不尽相同。有关益生菌成分的新词汇不断涌现，如 Paraprobiotics、Metabiotics、Ghost Probiotic 和Inactived Probiotics 等。2013 年，西班牙人Tsilingiri 正式提出“Postbiotics”的概念，中文名暂译为“后生元”，不过此后一直未获得官方正式命名和定义。2021 年5 月，国际益生菌和益生元科学协会（ISAPP）在Nature 杂志上对后生元的定义和范围发表了一个共识声明，即后生元为“对宿主有益的无生命微生物和/或其成分的制剂”，后生元的主要成分包括磷壁酸（Teichoic acid，TA）、肽聚糖（Peptidoglycan，PGN）、有机酸、细菌素、胞外多糖（Exopolysaccharide，EPS）和神经递质类物质等，能发挥益生菌活菌类似甚至更优的作用，并且由于其化学结构明确、保质期长、安全性更高和稳定性更强等，可避免活菌的诸多缺点。目前研究最多的为乳酸杆菌和双歧杆菌后生元。研究发现，即使经高温作用或肠胃消化液处理，后生元仍保有高度生理活性，因而逐渐被应用于医学和食品等领域，其也成为未来益生菌领域研究的新方向和热点。本文综述了后生元主要活性成分益生作用及其在畜禽养殖中的应用，以期为后生元的合理利用提供参考。

1 后生元主要活性成分及作用机制

1.1 菌体成分

1.1.1 TA TA 是益生菌细胞壁的主要组分，根据与细胞的连接方式不同分为两类：在细胞壁上通过与肽聚糖共价键连接成的壁磷壁酸（Wall Teichoic Acid，WTA）以及通过糖脂锚定到细胞质膜上的脂磷壁酸（Lipoteichoic Acid，LTA）。WTA 具有维持细胞形态、参与调控细菌定植与黏附以及影响抗菌肽耐药性等功能，而LTA在维持细菌细胞壁阴阳离子平衡、抗炎和识别宿主细胞受体中起关键作用。研究表明，LTA 可与宿主细胞Toll 样受体，如TLR2 和TLR6 相互作用，从而激活宿主免疫反应；巨噬细胞可通过TLR2 识别粪肠球菌LTA 并产生一氧化氮（NO），从而诱导细胞因子产生。副干酪乳杆菌LTA 可通过调节TLR-2/p38-MAPK/NFkB 途径增强黏蛋白表达从而减少炎症，此外，植物乳杆菌LTA 通过降低Pam2CSK 诱导的IL-8 的表达从而抑制肠上皮细胞炎症发应。

1.1.2 PGN PGN 是细菌细胞壁中独特的多层交联的聚糖链，由无数PGN 单体所组成的网目状大分子构成，而PGN 单体由N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸通过-1，4 糖苷键连接成的聚糖链骨架和四肽链通过1 个酰键与-乙酰胞壁酸相连组成。PGN 对免疫调节功能具有重要作用。据报道，来源于唾液乳杆菌的PGN Ls33 可通过刺激树突状细胞和T 细胞的调节功能从而缓解沙门氏菌诱导的小鼠炎症；在骨髓中PGN 可增强中性粒细胞活性，降低肠道通透性和调节造血过程。此外，PGN 对肠-脑轴也有一定调控作用，如PGN 作为微生物释放免疫激动剂可通过血脑屏障，刺激神经元表达感知PGN 的NOD1 受体；PGN 识别蛋白2 敲低将降低雄性和雌性小鼠的社交能力，改变动物行为。

1.2 代谢产物

1.2.1 有机酸 益生菌可发酵碳水化合物产生乳酸、短链脂肪酸和琥珀酸等有机酸，使肠道环境呈酸性，可抑制病原体生长繁殖、促进肠道发育、调节肠道菌群等。乳酸菌、双歧杆菌和凝结芽孢杆菌等在厌氧环境下糖元经过一系列的酶促反应可得到-乳酸（主要为-乳酸和少部分-乳酸）。据报道，乳酸可对粪肠球菌细胞膜造成损伤，导致其核酸流出，从而降低致病菌生长繁殖速率；乳酸的未解离形式可使细胞膜电势能去极化，改变细胞膜通透性和解离产生H；乳酸也可抑制病原菌毒力因子表达从而抑制其致病性。短链脂肪酸（Short Chain Fatty Acids，SCFAs）是指碳原子数少于6 的脂肪酸，包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等，其由肠内厌氧菌发酵和分解未消化的碳水化合物产生。SCFAs可以为宿主结肠黏膜细胞提供生长代谢所需大部分能量、改善肠道微生态环境、提高肠屏障功能和增强黏膜免疫等益生作用。其中，丁酸功能众多，有关其作用机制的研究也已成为热点，产丁酸的细菌主要包括梭菌属、真杆菌属以及梭杆菌属等。据报道，丁酸梭菌在厌氧发酵过程中利用脂质和葡萄糖的合成丁酸，给肠黏膜上皮细胞供能，增强肠黏膜屏障功能；丁酸通过与GPCRs-41 和GPCRs-43 结合刺激（+）外排和超极化，促进炎症小体活化，从而促进肠上皮完整性和增强免疫功能；丁酸能诱导肠上皮细胞中TGF-表达间接促进B 细胞产生IgA。

1.2.2 细菌素 细菌素是部分微生物通过核糖体代谢产生的一类具有生物活性的蛋白质、多肽或前体多肽，具有显著杀菌或抑菌功能。目前已发现的细菌素有羊毛硫胺类、非羊毛硫胺类、热稳定性较差的以及由磷脂、脂肪酸链等特定基团与蛋白基团共同构成的细菌素。产生细菌素的益生菌主要有乳杆菌属和芽孢杆菌属。乳杆菌属可产生乳链球菌素、乳酸链球菌肽、粪肠球菌素、肠球菌素和植物乳杆菌素等。芽孢杆菌可产生枯草杆菌素、杆菌肽、伊枯草菌素、丰原素和地衣溶素等。据报道，乳链球菌素侵入细胞膜内形成孔道，可抑制细菌细胞壁中肽聚糖、DNA、RNA 和蛋白质合成，引起细胞膜内外能量差消失，导致细菌自溶而衰亡；枯草杆菌素对多种格兰氏阳性菌菌具有抑制作用。

1.2.3 EPS EPS 是一类由微生物在生长代谢过程中分泌的醛糖或酮糖通过糖苷键连接而成的长链聚合物，根据其与菌体的依附关系可分为粘液层EPS、疏松附着EPS和紧凑附着EPS。产生EPS 的菌属主要有乳酸杆菌、双歧杆菌、乳酸乳球菌和链球菌等。EPS 可改善肠道微生物平衡，如LAB-EPS 可通过抑制细菌细胞表面的黏附因子来阻隔有害菌对肠上皮细胞的黏附，选择性促进有益菌增殖，进而抑制有害菌增殖和有害物质产生，从而改善肠道微生物的多样性和平衡；动物双歧菌及瑞士乳杆菌的EPS 具有抗氧化功能，能够清除自由基、超氧阴离子自由基和提高机体内相关抗氧化酶活性。此外，EPS 在生物修复中发挥的作用日益显现，如微生物混合菌群分泌的EPS 能差异性地去除水溶液中Zn和Cu，并且研究发现不同益生菌来源的EPS 组分含量不同，对重金属的吸附能力存在明显差异性。

1.2.4 神经递质类物质 近年来研究发现，乳酸菌和双歧杆菌等可分泌多种神经递质类物质，如-氨基丁酸（-aminobutyric acid，GABA）、5-羟色胺（5-hydrox ytryptamine，5-HT）、多巴胺（Dopamine，DA）、去甲肾上腺素（Norepinephrine，NE）、脑源性神经营养因子（Brain-Derived Neurotrophic Factor，BDNF）和乙酰胆碱等。肠道菌群可直接合成GABA、刺激肠壁嗜铬细胞和（或）肠神经分泌5-HT，以及释放BDNF、DA 来影响中枢神经系统导致行为和认知变化。此外，微生物酶还可代谢宿主神经递质合成的色氨酸和酪氨酸，从而降低其生物利用度。这些神经递质类物质在调节肠道分泌、调节肠道运动和调节脑肠轴等中发挥重要功能。据报道，5-HT 可以根据胃肠道内容物将外分泌酶的需求传达给胰腺并调节胰腺酶的分泌；GABA对肠神经系统有重要破坏功能，如肠运动、胃排空、痛觉和酸分泌。

2 后生元主要益生功能

2.1 维持肠道菌群平衡 肠道菌群发生紊乱时，黏附在肠道上皮细胞的条件性致病菌增加，细菌位移进而引起各种疾病以及器官病变。尽管后生元在肠道内暂时停驻，但对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，如植物乳杆菌b240 灭活菌可保护宿主免受肠炎沙门氏菌的感染；灭活乳酸菌G50 可改善小鼠的肠道菌群并抑制有害肠道细菌的生长。后生元维持肠道菌群平衡的机制还包括乳酸和/或细菌素的产生而使病原体直接失活。例如，鼠李糖乳杆菌GG 产生的乳酸对鼠伤寒沙门氏菌具有很强的抑制作用；从嗜酸乳杆菌KS40 中提取的细菌素能够抑制泌尿生殖道中的阴道加德纳菌、无乳链球菌和铜绿假单胞菌。后生元还可间接调节微生物群，如饲粮中添加SCFAs 在断奶仔猪肠道内的离子化过程中可增加回肠中芽孢杆菌和乳酸杆菌的数量，降低大肠杆菌数量；此外，双歧杆菌EPS 可与肠球菌和肠杆菌竞争黏附附位点。

2.2 增强肠黏膜屏障和免疫功能 肠黏膜屏障包括肠上皮细胞和覆盖其表面的黏液层。当肠黏膜屏障被破坏时，上皮层的通透性增加，黏液层中杯状细胞分泌的黏液素减少等。研究发现，布拉酵母菌热灭活菌通过维持肠道通透性并减少细菌易位来增强肠道屏障功能；双歧杆菌EPS 可诱导人树突状细胞分泌的IL-17 增加，增强T 细胞转入肠道并减轻炎症，从而促进屏障功能。在免疫调节方面研究发现，热灭活肠球菌可诱导TNF-/IL-10 来平衡免疫；SCAFs 通过提高粘蛋白水平、促进claudin 的形成和阻滞来调节肠道免疫。后生元还可通过与细胞模式识别受体结合而调节宿主免疫功能，如植物乳杆菌PGN 或其衍生多肽通过TLR2 降低IL-10，促进Treg 细胞产生并参与调节T 细胞介导的免疫反应。

2.3 调控肠-脑轴功能 肠-脑轴是由肠道菌群、肠神经系统、自主神经系统、中枢神经系统和相关内分泌与免疫系统等构成信号调控通路。肠道微生物可产生多种神经递质并且影响中枢神经系统中神经递质的产生。另外，一些与肠-脑轴相关的病症和微生物介导的下丘脑-垂体-肾上腺轴失调相关，如肠道共生乳酸杆菌产生的组胺和DA 可调节抑郁症、焦虑症相关疾病中的神经元信号；植物乳杆菌和长双歧杆菌组合的部分代谢物质（4-羟苯基丙酸、4-羟苯基乙酸和咖啡酸）会通过免疫系统影响神经系统。微生物代谢产物还可通过与肠内外的系统原件结合来影响宿主的神经生理变化，如SCFAs 经循环系统穿过血脑屏障被大脑吸收后，可激活乙酰辅酶A 羧化酶和改变调节神经肽的表达，进而影响下丘脑神经元GABA、谷氨酸、谷氨酰胺等物质的产生。

3 后生元的应用概况

后生元目前已广泛应用于食品、医学和动物生产领域。后生元作为食品补充剂，具有改善食品风味、防腐、抗氧化、改善营养品质等作用；在医学上，后生元具有抗炎、免疫调节、抗肿瘤和降血脂等益生功能。衍生自发酵乳杆菌和德氏乳杆菌的后生元发酵液经过高温处理达到微生物灭活，喂养小鼠后，与对照组相比，小鼠表现出社交能力增加和基线皮质酮水平（应激激素）降低，并且肠道乳酸菌和肠道杆菌数量均显著提高、腹泻评分和腹泻持续时间均显著下降具有统计学意义的变化粪便。近些年来，后生元也已逐渐应用于动物生产中。据报道，日粮中添加酿酒酵母和植酸酶灭活的共同发酵的麦麸可显著提高肉鸡肠道屏障功能，同时改善肉质、促进生长和提高免疫力等；肉鸡被梭菌感染后服用乳酸菌制剂，其生长性能和脂肪酸含量的负面变化可以有效减轻。同时乳酸菌产生的乳酸对病原菌有强抑制作用。育肥猪灌胃SCFAs 能改善肠道功能、降低猪空肠和结肠凋亡细胞比例、上调促凋亡蛋白水平表达；补充酵母菌后生元可降低霉菌毒素对断奶猪毒害作用、增加绒毛高度和降低肠道中病原细菌比例；猪食用玉米乳杆菌发酵饲料显著降低肠道中沙门氏菌的感染所引发的发热和腹泻；植物乳杆菌产生的有机酸和细菌素可增加羔羊采食量、提高养分吸收和消化率；酵母菌后生元有益于稳定瘤胃pH 和提高奶牛采食量。乳酸菌产生的十二碳六烯酸可显著改善奶牛瘤胃、肠道菌群结构、调节胃肠道环境、在促进食物消化吸收方面发挥着重要作用。综上所述，后生元已逐渐应用于畜禽生产中，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 小结和展望

尽管后生元益生功能众多，但目前对其研究仍然处于起步阶段，有关其改善动物生产性能和健康的作用机制研究尚不深入。例如，代谢产物/菌体成分如何与肠道细胞相互作用以及如何影响下游信号通路，将是一个非常值得研究的方向；代谢产物与菌体成分的构效关系，即通过生化策略调整后生元组分结构组成使其功能最优化，对应用于畜禽也具有重要意义；后生元提取技术仍尚未成熟而无法大规模生产和应用；在菌属选择方面，除了常见的乳杆菌及双歧杆菌外，可增加其他菌属的有益菌。通过系统性地探索后生元益生功能和效果，优化整合合理利用各种益生组分，有可能实现后生元在实际生产中的广泛应用。