“后生元”(postbiotics)于2013年被首次提出，指益生菌產(chǎn)生的對(duì)宿主健康有益的代謝產(chǎn)物。此后，國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了后生元的定義。2022年，中國食品科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)益生菌分會(huì)把“對(duì)宿主健康有益的遺傳背景明確的滅活微生物和/或菌體成分，包括或不包括其代謝產(chǎn)物”定義為后生元。雖然后生元發(fā)揮作用的機(jī)制目前尚不明確，但許多研究表明，后生元具有和益生菌相似甚至更優(yōu)良的作用。與益生菌相比，后生元具有清晰明確的化學(xué)結(jié)構(gòu)、較高的安全性、較好的穩(wěn)定性、較長的保存期限、較廣的適用性以及較強(qiáng)的代謝能等特點(diǎn)，減少了益生菌的許多缺陷。在動(dòng)物生產(chǎn)中，后生元可以通過促進(jìn)腸道發(fā)育和改善腸道微生態(tài)環(huán)境促進(jìn)畜禽對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，從而改善生長性能，此外，后生元還具有提高動(dòng)物免疫機(jī)能、增強(qiáng)抗氧化能力、緩解應(yīng)激反應(yīng)和提高畜產(chǎn)品品質(zhì)等作用。后生元的諸多益生功能，將在畜牧生產(chǎn)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。本文主要從后生元的功能及在動(dòng)物養(yǎng)殖中的應(yīng)用展開綜述，旨在為后生元在畜牧生產(chǎn)實(shí)踐中的合理應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 后生元的來源及類型

1.1 后生元的來源

后生元的來源復(fù)雜多樣，主要源于益生菌中可以發(fā)揮益生作用的非活性成分。腸道菌群中的益生菌、可用于食品的益生菌以及一些經(jīng)過安全評(píng)價(jià)的益生菌均可作為產(chǎn)生后生元的菌株來源，這些菌株可分為細(xì)菌和真菌兩大類。細(xì)菌類主要有：乳桿菌屬，包括干酪乳桿菌、副干酪乳桿菌、植物乳桿菌、瑞士乳桿菌、鼠李糖乳桿菌和德氏乳桿菌等；芽孢桿菌屬，常用的菌株有枯草芽孢桿菌、凝固芽孢桿菌、短小芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌等；雙歧桿菌屬，目前廣泛使用的菌株包括動(dòng)物雙歧桿菌、嬰兒雙歧桿菌、青春雙歧桿菌、短雙歧桿菌和長雙歧桿菌等。除此之外，還有片球菌屬的乳酸片球菌，腸球菌屬的屎腸球菌和糞腸球菌，鏈球菌屬的嗜熱鏈球菌和乳酸鏈球菌，梭菌屬的丁酸梭菌以及擬桿菌屬的雙孢擬桿菌和產(chǎn)酸擬桿菌等。真菌類主要是酵母菌屬和曲霉菌屬，酵母菌屬包括釀酒酵母和布拉迪酵母等，曲霉菌屬包括米曲霉和黑曲霉等。

1.2 后生元的類型

根據(jù)后生元非活性成分來源的不同，可以將后生元分為滅活菌體、菌體結(jié)構(gòu)成分和菌體代謝物三類。研究發(fā)現(xiàn)，后生元發(fā)揮益生作用的類別可能是一種，也可能是幾種；后生元的一種成分可能發(fā)揮多種功能，多種成分也可能具有同種功能。

1.2.1 滅活菌體

滅活菌體是通過各種特殊的滅活方式將益生菌滅活后的完整菌體細(xì)胞。目前制備后生元最常用的方法是熱處理，此外還有酶處理、高壓處理和超聲波等。不同的滅活菌體具有不同的功能，如熱滅活唾液乳桿菌AP-32可以抑制口腔中致病菌的生長繁殖，熱滅活動(dòng)物雙歧桿菌CECT8145具有改善肥胖的作用等。

1.2.2 菌體結(jié)構(gòu)成分

菌體結(jié)構(gòu)成分主要包括肽聚糖(PGN)、磷壁酸(TA)和細(xì)胞表面蛋白等。PGN是細(xì)菌細(xì)胞壁的重要組成成分，由多層肽交聯(lián)形成線性聚糖鏈，N-乙酰胞壁酸和N-乙酰葡萄糖通過β-1，4糖苷鍵交替連接，并且N-乙酰胞壁酸還連接一個(gè)短肽，相鄰短肽之間也形成交聯(lián)，從而使PGN最終表現(xiàn)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。TA是革蘭氏陽性菌的細(xì)胞壁聚合物，根據(jù)其與細(xì)胞的不同連接方式可分為脂磷壁酸(LTA)和壁磷壁酸(WTA)，LTA通過糖脂錨定在細(xì)胞質(zhì)膜上，WTA則通過與肽聚糖形成共價(jià)鍵連接在細(xì)胞壁上。益生菌中提取的細(xì)胞表面蛋白主要包括S層蛋白和甘露糖結(jié)合蛋白等，其中S層蛋白是目前研究最多的細(xì)胞表面蛋白。研究證實(shí)，菌體結(jié)構(gòu)成分在抗炎抗菌、提高免疫機(jī)能和調(diào)節(jié)大腦發(fā)育等方面有重要作用。

1.2.3 菌體代謝物

菌體代謝物包括細(xì)菌素、有機(jī)酸、胞外多糖(EPS)和酵素等。某些細(xì)菌通過核糖體合成機(jī)制，生成一類具有生物活性的蛋白質(zhì)、多肽或前體多肽，這類蛋白質(zhì)或肽類即為細(xì)菌素。由于細(xì)菌素在作為治療性抗生素和天然食品防腐劑方面具有很大潛力，因此十多年來，人們對(duì)于細(xì)菌素的研究顯著增加。其中應(yīng)用最多的是乳酸菌細(xì)菌素，由于其寬范圍的pH值耐受和高熱應(yīng)力，在抑制有害菌和調(diào)節(jié)免疫機(jī)能等方面具有關(guān)鍵作用。有機(jī)酸是益生菌的另一種重要的代謝產(chǎn)物，具有降低腸道pH值和阻礙腸道致病微生物的生長繁殖等功能。益生菌可以通過降解碳水化合物產(chǎn)生短鏈脂肪酸(SCFAs)、乳酸、蘋果酸和丁二酸等多種有機(jī)酸。其中SCFAs是含1～6個(gè)碳原子的有機(jī)羧酸，包括乙酸、丙酸和丁酸等，丁酸由于其改善畜禽生長性能、提高腸粘膜屏障功能和調(diào)節(jié)免疫穩(wěn)態(tài)等作用顯著，因此備受人們關(guān)注。EPS是微生物以緊密結(jié)合的包膜或松散附著的黏液層形式分泌的細(xì)胞外大分子，主要在抗炎抑菌、抗氧化、抗腫瘤和免疫調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮作用。此外，益生菌發(fā)酵產(chǎn)生的包含酶、有機(jī)酸、氨基酸和微量元素等活性物質(zhì)的發(fā)酵產(chǎn)物稱為酵素，具有增強(qiáng)免疫力和緩解肥胖等功能。

2 后生元的益生功能

雖然對(duì)于后生元發(fā)揮作用的機(jī)制尚不完全清楚，但通過體外實(shí)驗(yàn)、體內(nèi)實(shí)驗(yàn)和臨床實(shí)驗(yàn)已證實(shí)后生元具有多種生物學(xué)功能：抗炎作用、抗氧化和調(diào)節(jié)腸道菌群等。

2.1 抗炎作用

體內(nèi)外多種因素都可以引起畜禽的炎癥反應(yīng)，炎癥反應(yīng)會(huì)破壞畜禽的腸道菌群平衡并導(dǎo)致機(jī)體組織炎癥損傷，對(duì)畜禽的健康產(chǎn)生不良影響。后生元可以通過免疫調(diào)節(jié)起到緩解機(jī)體炎癥的作用，減輕炎癥給畜禽帶來的危害。食源性致病菌沙門氏菌可以導(dǎo)致人和動(dòng)物發(fā)生炎癥疾病。Sherwin 等研究發(fā)現(xiàn)，唾液乳桿菌的PGNLs33能夠誘導(dǎo)小鼠的T細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞發(fā)揮調(diào)節(jié)作用以緩解沙門氏菌引起的炎癥。白細(xì)胞介素-8(IL-8)可以吸引和激活中性粒細(xì)胞，使機(jī)體出現(xiàn)局部炎癥反應(yīng)。植物乳桿菌中的LTA能夠抑制Pam2CSK引起的IL-8的表達(dá)，減輕腸上皮細(xì)胞的炎癥反應(yīng)。炎癥細(xì)胞因子可以與靶細(xì)胞上的受體結(jié)合從而引起炎癥的發(fā)生。Kolling等發(fā)現(xiàn)鼠李糖乳桿菌CRL1505的PGN具有平衡機(jī)體調(diào)節(jié)性細(xì)胞因子和炎癥細(xì)胞因子的作用，清除肺炎球菌并改善炎癥組織損傷，提高機(jī)體的健康狀況。除此之外，病毒感染也會(huì)對(duì)機(jī)體造成嚴(yán)重?fù)p害，后生元不僅可以抵抗細(xì)菌引起的炎癥，而且也可以通過增強(qiáng)免疫功能預(yù)防病毒對(duì)機(jī)體的感染。熱滅活干酪乳桿菌DK128通過增加肺和氣管中的肺泡巨噬細(xì)胞和減少促炎癥細(xì)胞因子等機(jī)制，可以保護(hù)小鼠免受不同亞型流感病毒的感染。

2.2 抗氧化作用

自由基會(huì)損害機(jī)體的組織和細(xì)胞，當(dāng)自由基的穩(wěn)態(tài)失衡時(shí)，將導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng)，機(jī)體可以通過抗氧化酶和清除自由基等方式緩解氧化應(yīng)激，因此自由基穩(wěn)態(tài)對(duì)畜禽機(jī)體健康有著重要影響。后生元通過代謝合成的過氧化氫酶(CAT)、過氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)等具有對(duì)抗活性氧的關(guān)鍵作用。此外，后生元的種類和濃度是影響自由基清除能力的重要因素。在提取的11株植物乳桿菌的胞內(nèi)提取物中，當(dāng)濃度在108～10l0 CFU/mL范圍內(nèi)時(shí)，均表現(xiàn)出抗氧化活性，且具有一定的菌株特異性和劑量依賴性，其中植物乳桿菌C88的胞內(nèi)提取物在1010CFU/mL濃度下，對(duì)羥基自由基和DPPH自由基的清除能力最強(qiáng)，清除率分別為44.31%和53.05%。也有研究發(fā)現(xiàn)，濃度為107CFU/mL的滅活植物乳桿菌Ln1對(duì)DPPH自由基和ABTS自由基有清除作用，其清除率分別為17.60%和70.18%，而滅活嗜酸乳桿菌606在108CFU/mL濃度時(shí)具有更強(qiáng)的抗氧化活性，對(duì)DPPH自由基的清除率為52.06%。

2.3 調(diào)節(jié)腸道菌群

研究發(fā)現(xiàn)，后生元發(fā)揮作用的場(chǎng)所主要位于腸道。胃腸道是動(dòng)物體和人體最大最復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)，由有害菌、中性菌以及有益菌構(gòu)成。體內(nèi)外多種因素都可以破壞胃腸道微生態(tài)系統(tǒng)的平衡，若腸道微生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生紊亂，將會(huì)影響腸道功能并造成損傷。而后生元就具有調(diào)節(jié)腸道菌群，促進(jìn)腸道有益菌生長，潤腸通便，改善糞便狀態(tài)等重要作用。據(jù)報(bào)道，滅活的乳酸菌G50可以抑制腸道有害細(xì)菌的生長，改善小鼠的腸道菌群。在連續(xù)14d添加200mg熱滅活的糞腸桿菌EC-12后，糞便中雙歧桿菌數(shù)量增加了130%，且糞便中腐爛產(chǎn)物氨、硫化物和吲哚含量降低，糞便的臭味也降低。此外，后生元還可以保護(hù)腸道粘膜，增強(qiáng)腸道的屏障功能，治療疾病并促進(jìn)機(jī)體健康。研究發(fā)現(xiàn)，副干酪乳桿菌B21060的上清液可以保護(hù)腸粘膜免受侵襲性沙門氏菌的感染。腸梗阻小鼠模型口服熱滅活的布拉氏酵母菌菌體后，小鼠腸道通透性減弱，腸道粘膜損傷減少，腸道屏障功能增強(qiáng)。

2.4 其他作用

后生元除了具有上述益生作用外，還被證實(shí)可以調(diào)節(jié)神經(jīng)發(fā)育、緩解肥胖、保護(hù)肝臟以及抗癌抗腫瘤等。正常的PGN水平是大腦發(fā)育所必需的，PGN過高或不足都可能使精神疾病和神經(jīng)發(fā)育障礙的風(fēng)險(xiǎn)提高。Brown 等研究發(fā)現(xiàn)，將丁酸鹽注射在大鼠大腦中，可以起到增強(qiáng)神經(jīng)營養(yǎng)因子如BDNF和GDNF等的mRNA水平的作用，從而改善記憶形成和情緒等。開菲爾乳酸菌的S層蛋白SDH5和SLCM8可以改善由高脂飲食引起的肥胖以及肥胖造成的全身炎癥。嗜酸乳桿菌MTCC447和乳腸球菌IITRHR1的細(xì)胞內(nèi)含物能夠拮抗對(duì)醋氨酚誘導(dǎo)的大鼠肝細(xì)胞毒性。高加索酸奶乳桿菌MSR101和短乳桿菌MSR104產(chǎn)生的EPS，對(duì)HT-29癌細(xì)胞具有良好的抗腫瘤作用。格氏乳桿菌和卷曲乳桿菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)提取物以及滅活菌體對(duì)宮頸癌細(xì)胞具有選擇性抗增殖作用。

3 后生元在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 后生元在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用

仔豬的斷奶期對(duì)于豬的生長發(fā)育和后期的生產(chǎn)性能來說，都是一個(gè)至關(guān)重要的階段。因此，目前后生元對(duì)豬的研究多見于斷奶仔豬時(shí)期。后生元可以影響斷奶仔豬的生產(chǎn)性能。研究發(fā)現(xiàn)，斷奶仔豬連續(xù)飼喂28d添加有5g/kg酵母水解物的日糧，能夠使平均日增重顯著增加 36%；也有研究發(fā)現(xiàn)，飼料中添加嗜酸乳桿菌后生元對(duì)斷奶仔豬的生產(chǎn)性能有促進(jìn)作用但無顯著影響，這可能與后生元的種類、劑量和飼養(yǎng)管理有關(guān)。腸道微生物菌群為機(jī)體創(chuàng)造良好的微生態(tài)環(huán)境，與機(jī)體相互依賴，相互制約。后生元在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用也主要體現(xiàn)在調(diào)節(jié)腸道功能方面。斷奶仔豬日糧中連續(xù)46d添加熱滅活的糞腸球菌IHARA 2×1010CFU/kg，使回腸絨毛高度增加了13%，進(jìn)一步起到促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)吸收的作用。殷成港等研究發(fā)現(xiàn)，在斷奶仔豬飼糧中添加多級(jí)發(fā)酵后的嗜酸乳桿菌后生元(第1～14d添加4g/kg，第15～42d添加2g/kg)，使腸道和糞便中微生物的多樣性顯著增加了18%，糞便中有益菌的相對(duì)豐度提高了5%。SCFAs可以降低育肥豬空腸和結(jié)腸凋亡細(xì)胞的比例，調(diào)節(jié)其胃腸道功能。除此之外，后生元還可以改善母豬的繁殖性能。給妊娠后期第85d至產(chǎn)后35 d的母豬每天飼喂含有酵母培養(yǎng)物10g/kg和1 mg/kg有機(jī)硒(純度98%)的飼糧后，泌乳25d的母豬乳汁中乳脂含量增加了23%。

3.2 后生元在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

在家禽生產(chǎn)中，家禽極易受到外界環(huán)境的影響而出現(xiàn)應(yīng)激，這會(huì)使家禽養(yǎng)殖成本大大提升，也會(huì)帶來利益損失。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，后生元在改善家禽生產(chǎn)性能和雞肉風(fēng)味，抵抗病菌的侵染以及提高雞蛋品質(zhì)等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用(見表1)。

表1后生元在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.3 后生元在反芻動(dòng)物中的應(yīng)用

后生元對(duì)反芻動(dòng)物生長性能的影響，可能與動(dòng)物和后生元種類等有關(guān)。給肉牛飼喂含滅活釀酒酵母飼料后，肉牛的干物質(zhì)采食量和平均日增重?zé)o顯著變化，但飼糧中添加植物乳桿菌 RG14的無細(xì)胞上清液可以顯著增加羔羊日增重11%。瘤胃的狀態(tài)與反芻動(dòng)物的健康關(guān)系密切，許多研究表明，后生元在促進(jìn)瘤胃健康方面發(fā)揮著重要作用。滅活的釀酒酵母可以促進(jìn)瘤胃微生物的生長并提高其活性，其中黃色瘤胃球菌的相對(duì)豐度極顯著提高了26%。乳酸菌產(chǎn)生的十二碳六烯酸能夠顯著改善奶牛瘤胃微生態(tài)環(huán)境，有助于促進(jìn)其養(yǎng)分的消化吸收。Izuddin等發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌RG14的無細(xì)胞上清液使羔羊瘤胃中丙酸濃度顯著升高18%，且兩種主要纖維降解菌琥珀酸梭菌和黃化梭菌的數(shù)量分別顯著增加27%和13%，這使得羔羊?qū)Ω晌镔|(zhì)、蛋白質(zhì)和中性洗滌纖維的消化率分別顯著提高了13%、9%和12%。此外，后生元還可以調(diào)節(jié)反芻動(dòng)物的免疫機(jī)能并緩解應(yīng)激反應(yīng)。熱應(yīng)激的奶牛飼用含有滅活酵母細(xì)胞的飼糧后，呼吸頻率每分鐘減少8次，但體溫基本不變，說明后生元有助于奶牛散熱。將2%滅活的酵母培養(yǎng)物灌注給綿羊瘤胃后，灌注第21d，綿羊血清中IgA含量提高12%，IgG水平提高15%，綿羊的體液免疫機(jī)能增強(qiáng)。羔羊飼糧中添加植物乳桿菌RG14 的無細(xì)胞上清液使羔羊血液中總蛋白、尿素氮和葡萄糖濃度分別顯著升高56%、67%和35%，可以緩解羔羊由于斷奶產(chǎn)生的應(yīng)激反應(yīng)。乳腺炎可以使奶牛的產(chǎn)奶性能下降，并威脅奶牛的健康，給奶牛養(yǎng)殖帶來極大困擾。研究報(bào)道，1mM的丙酸鈉可以使金黃色葡萄糖球菌內(nèi)化到牛乳腺上皮細(xì)胞減少55%，降低奶牛乳腺炎的發(fā)病率。當(dāng)使用含有乳酸乳球菌DPC3147且可以產(chǎn)生細(xì)菌素乳霉素3147的活性生物制劑治療患有乳腺炎的奶牛時(shí)，發(fā)現(xiàn)該活性生物制劑與抗生素的治愈率相近。而且，活性生物制劑治療難度小，成本低。因此，后生元可以在治療奶牛乳腺炎方面發(fā)揮優(yōu)越作用。

3.4 后生元在水產(chǎn)動(dòng)物中的應(yīng)用

后生元可以起到維持水產(chǎn)動(dòng)物腸道穩(wěn)態(tài)的功能，同時(shí)在疾病抵抗以及調(diào)節(jié)免疫機(jī)能等方面也有著關(guān)鍵作用。腸道微生物群在消化和免疫調(diào)節(jié)過程中具有輔助作用，如腸道微生群可以保護(hù)腸道粘膜內(nèi)壁的完整性，競(jìng)爭性抑制病原體的作用位點(diǎn)，保護(hù)機(jī)體免受傳染病的侵害。在魚類養(yǎng)殖中，Wu等發(fā)現(xiàn)，滅活的索氏鯨桿菌和小紅酵母能夠改善雜交鱘魚的腸道菌群結(jié)構(gòu)，其中腸道優(yōu)勢(shì)菌群厚壁菌門的相對(duì)豐度增加了42%。添加乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)物使虹鱒魚的腸道微生物菌群多樣性提高了24%，并使感染乳酸乳球菌的虹鱒魚的存活率提高了43%。許多異養(yǎng)細(xì)菌也可以產(chǎn)生如萜類分子等后生元。據(jù)報(bào)道，萜類化合物具有有效的抗菌活性，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖病原體具有抑菌和殺菌作用。給羅非魚連續(xù)飼喂槲寄生飼糧80d后，其溶菌酶和吞噬活性均有所提高，使其在嗜水芽孢桿菌侵染下的存活率提高了42%。此外，在蝦類養(yǎng)殖中，在飼糧中添加丁酸鈉，可以調(diào)節(jié)凡納濱對(duì)蝦腸道菌群結(jié)構(gòu)，使弧菌數(shù)量減少13%，同時(shí)，血液中總血細(xì)胞數(shù)顯著增加46%，起到調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的作用，從而使存活率顯著提高 7%。

4 展望

后生元具有改善畜禽生長性能、調(diào)節(jié)免疫機(jī)能以及抗氧化等多種功能，同時(shí)在安全性、穩(wěn)定性和適用性等方面都要優(yōu)于益生菌，這使得后生元得到了人們的廣泛關(guān)注和深入研究。然而，目前后生元的制備與開發(fā)技術(shù)尚不成熟，發(fā)揮作用的機(jī)制還不明確，且后生元的益生效果受菌株、組分和劑量等因素的影響，這極大限制了后生元在畜牧生產(chǎn)中的大規(guī)模應(yīng)用。在今后研究中，如果可以進(jìn)一步揭示后生元的作用機(jī)理，完善生產(chǎn)工藝，統(tǒng)一使用和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，相信將會(huì)推動(dòng)后生元更為廣泛的應(yīng)用。