后生元的益生機制及其在動物生產中的應用前景

王 巖，楊彩梅，胡愛心，吳艷萍*

（1.浙江農林大學動物科技學院?動物醫(yī)學院，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用于動物生產中，其具有促進營養(yǎng)物質的消化吸收、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、細菌素、胞外多糖（Exopolysaccharide，EPS）和神經遞質類物質等，能發(fā)揮益生菌活菌類似甚至更優(yōu)的作用，并且由于其化學結構明確、保質期長、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，因而逐漸被應用于醫(yī)學和食品等領域，其也成為未來益生菌領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 是益生菌細胞壁的主要組分，根據(jù)與細胞的連接方式不同分為兩類：在細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胞質膜上的脂磷壁酸（Lipoteichoic Acid，LTA）。WTA 具有維持細胞形態(tài)、參與調控細菌定植與黏附以及影響抗菌肽耐藥性等功能，而LTA在維持細菌細胞壁陰陽離子平衡、抗炎和識別宿主細胞受體中起關鍵作用。研究表明，LTA 可與宿主細胞Toll 樣受體，如TLR2 和TLR6 相互作用，從而激活宿主免疫反應；巨噬細胞可通過TLR2 識別糞腸球菌LTA 并產生一氧化氮（NO），從而誘導細胞因子產生。副干酪乳桿菌LTA 可通過調節(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 誘導的IL-8 的表達從而抑制腸上皮細胞炎癥發(fā)應。

1.1.2 PGN PGN 是細菌細胞壁中獨特的多層交聯(lián)的聚糖鏈，由無數(shù)PGN 單體所組成的網目狀大分子構成，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胞和T 細胞的調節(jié)功能從而緩解沙門氏菌誘導的小鼠炎癥；在骨髓中PGN 可增強中性粒細胞活性，降低腸道通透性和調節(jié)造血過程。此外，PGN 對腸-腦軸也有一定調控作用，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 代謝產物

1.2.1 有機酸 益生菌可發(fā)酵碳水化合物產生乳酸、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、調節(jié)腸道菌群等。乳酸菌、雙歧桿菌和凝結芽孢桿菌等在厭氧環(huán)境下糖元經過一系列的酶促反應可得到-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胞膜造成損傷，導致其核酸流出，從而降低致病菌生長繁殖速率；乳酸的未解離形式可使細胞膜電勢能去極化，改變細胞膜通透性和解離產生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，其由腸內厭氧菌發(fā)酵和分解未消化的碳水化合物產生。SCFAs可以為宿主結腸黏膜細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，有關其作用機制的研究也已成為熱點，產丁酸的細菌主要包括梭菌屬、真桿菌屬以及梭桿菌屬等。據(jù)報道，丁酸梭菌在厭氧發(fā)酵過程中利用脂質和葡萄糖的合成丁酸，給腸黏膜上皮細胞供能，增強腸黏膜屏障功能；丁酸通過與GPCRs-41 和GPCRs-43 結合刺激（+）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；丁酸能誘導腸上皮細胞中TGF-表達間接促進B 細胞產生IgA。

1.2.2 細菌素 細菌素是部分微生物通過核糖體代謝產生的一類具有生物活性的蛋白質、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成的細菌素。產生細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，乳鏈球菌素侵入細胞膜內形成孔道，可抑制細菌細胞壁中肽聚糖、DNA、RNA 和蛋白質合成，引起細胞膜內外能量差消失，導致細菌自溶而衰亡；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)其與菌體的依附關系可分為粘液層EPS、疏松附著EPS和緊湊附著EPS。產生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 可通過抑制細菌細胞表面的黏附因子來阻隔有害菌對腸上皮細胞的黏附，選擇性促進有益菌增殖，進而抑制有害菌增殖和有害物質產生，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相關抗氧化酶活性。此外，EPS 在生物修復中發(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 神經遞質類物質 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遞質類物質，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、刺激腸壁嗜鉻細胞和（或）腸神經分泌5-HT，以及釋放BDNF、DA 來影響中樞神經系統(tǒng)導致行為和認知變化。此外，微生物酶還可代謝宿主神經遞質合成的色氨酸和酪氨酸，從而降低其生物利用度。這些神經遞質類物質在調節(jié)腸道分泌、調節(jié)腸道運動和調節(jié)腦腸軸等中發(fā)揮重要功能。據(jù)報道，5-HT 可以根據(jù)胃腸道內容物將外分泌酶的需求傳達給胰腺并調節(jié)胰腺酶的分泌；GABA對腸神經系統(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，黏附在腸道上皮細胞的條件性致病菌增加，細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/或細菌素的產生而使病原體直接失活。例如，鼠李糖乳桿菌GG 產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。后生元還可間接調節(jié)微生物群，如飼糧中添加SCFAs 在斷奶仔豬腸道內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胞和覆蓋其表面的黏液層。當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菌易位來增強腸道屏障功能；雙歧桿菌EPS 可誘導人樹突狀細胞分泌的IL-17 增加，增強T 細胞轉入腸道并減輕炎癥，從而促進屏障功能。在免疫調節(jié)方面研究發(fā)現(xiàn)，熱滅活腸球菌可誘導TNF-/IL-10 來平衡免疫；SCAFs 通過提高粘蛋白水平、促進claudin 的形成和阻滯來調節(jié)腸道免疫。后生元還可通過與細胞模式識別受體結合而調節(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 細胞產生并參與調節(jié)T 細胞介導的免疫反應。

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

3 后生元的應用概況

后生元目前已廣泛應用于食品、醫(yī)學和動物生產領域。后生元作為食品補充劑，具有改善食品風味、防腐、抗氧化、改善營養(yǎng)品質等作用；在醫(yī)學上，后生元具有抗炎、免疫調節(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酮水平（應激激素）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)計學意義的變化糞便。近些年來，后生元也已逐漸應用于動物生產中。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、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面變化可以有效減輕。同時乳酸菌產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、降低豬空腸和結腸凋亡細胞比例、上調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；植物乳桿菌產生的有機酸和細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。乳酸菌產生的十二碳六烯酸可顯著改善奶牛瘤胃、腸道菌群結構、調節(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，后生元已逐漸應用于畜禽生產中，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，有關其改善動物生產性能和健康的作用機制研究尚不深入。例如，代謝產物/菌體成分如何與腸道細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；代謝產物與菌體成分的構效關系，即通過生化策略調整后生元組分結構組成使其功能最優(yōu)化，對應用于畜禽也具有重要意義；后生元提取技術仍尚未成熟而無法大規(guī)模生產和應用；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)后生元在實際生產中的廣泛應用。