后生元在畜牧生产中应用的研究进展

摘 要：随着人类对益生菌研究的不断深入，人们发现除了益生菌，某些灭活菌体、菌体成分及其代谢产物也具有许多益生功能，并将它们统称为“后生元”。后生元主要来源于益生菌中可以发挥益生作用的非活性成分，具有安全性高、稳定性好和适用性广等优点，而且具有改善胃肠道功能、抗炎抑菌、免疫调节和缓解肥胖等多种益生作用。因此在食品、医学和畜牧生产等领域有着巨大的发展潜力和广阔的市场前景。目前，后生元已逐渐应用于动物生产中，并表现出改善畜禽生产性能、提高畜产品品质和防治疾病等多种功能。但由于处于起始阶段，所以其应用尚未普及。本文综述了后生元在畜禽生产中应用的研究进展，以期为后生元在畜牧领域的进一步广泛应用提供参考。

关键词：后生元；益生功能；畜牧生产

“后生元”(postbiotics)于2013年被首次提出，指益生菌产生的对宿主健康有益的代谢产物。此后，国内外学者相继提出了后生元的定义。2022年，中国食品科学技术学会益生菌分会把“对宿主健康有益的遗传背景明确的灭活微生物和/或菌体成分，包括或不包括其代谢产物”定义为后生元。虽然后生元发挥作用的机制目前尚不明确，但许多研究表明，后生元具有和益生菌相似甚至更优良的作用。与益生菌相比，后生元具有清晰明确的化学结构、较高的安全性、较好的稳定性、较长的保存期限、较广的适用性以及较强的代谢能等特点，减少了益生菌的许多缺陷。在动物生产中，后生元可以通过促进肠道发育和改善肠道微生态环境促进畜禽对营养物质的消化吸收，从而改善生长性能，此外，后生元还具有提高动物免疫机能、增强抗氧化能力、缓解应激反应和提高畜产品品质等作用。后生元的诸多益生功能，将在畜牧生产中发挥关键作用。本文主要从后生元的功能及在动物养殖中的应用展开综述，旨在为后生元在畜牧生产实践中的合理应用提供理论依据。

1 后生元的来源及类型

1.1 后生元的来源

后生元的来源复杂多样，主要源于益生菌中可以发挥益生作用的非活性成分。肠道菌群中的益生菌、可用于食品的益生菌以及一些经过安全评价的益生菌均可作为产生后生元的菌株来源，这些菌株可分为细菌和真菌两大类。细菌类主要有：乳杆菌属，包括干酪乳杆菌、副干酪乳杆菌、植物乳杆菌、瑞士乳杆菌、鼠李糖乳杆菌和德氏乳杆菌等；芽孢杆菌属，常用的菌株有枯草芽孢杆菌、凝固芽孢杆菌、短小芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌等；双歧杆菌属，目前广泛使用的菌株包括动物双歧杆菌、婴儿双歧杆菌、青春双歧杆菌、短双歧杆菌和长双歧杆菌等。除此之外，还有片球菌属的乳酸片球菌，肠球菌属的屎肠球菌和粪肠球菌，链球菌属的嗜热链球菌和乳酸链球菌，梭菌属的丁酸梭菌以及拟杆菌属的双孢拟杆菌和产酸拟杆菌等。真菌类主要是酵母菌属和曲霉菌属，酵母菌属包括酿酒酵母和布拉迪酵母等，曲霉菌属包括米曲霉和黑曲霉等。

1.2 后生元的类型

根据后生元非活性成分来源的不同，可以将后生元分为灭活菌体、菌体结构成分和菌体代谢物三类。研究发现，后生元发挥益生作用的类别可能是一种，也可能是几种；后生元的一种成分可能发挥多种功能，多种成分也可能具有同种功能。

1.2.1 灭活菌体

灭活菌体是通过各种特殊的灭活方式将益生菌灭活后的完整菌体细胞。目前制备后生元最常用的方法是热处理，此外还有酶处理、高压处理和超声波等。不同的灭活菌体具有不同的功能，如热灭活唾液乳杆菌AP-32可以抑制口腔中致病菌的生长繁殖，热灭活动物双歧杆菌CECT8145具有改善肥胖的作用等。

1.2.2 菌体结构成分

菌体结构成分主要包括肽聚糖(PGN)、磷壁酸(TA)和细胞表面蛋白等。PGN是细菌细胞壁的重要组成成分，由多层肽交联形成线性聚糖链，N-乙酰胞壁酸和N-乙酰葡萄糖通过β-1，4糖苷键交替连接，并且N-乙酰胞壁酸还连接一个短肽，相邻短肽之间也形成交联，从而使PGN最终表现为网状结构。TA是革兰氏阳性菌的细胞壁聚合物，根据其与细胞的不同连接方式可分为脂磷壁酸(LTA)和壁磷壁酸(WTA)，LTA通过糖脂锚定在细胞质膜上，WTA则通过与肽聚糖形成共价键连接在细胞壁上。益生菌中提取的细胞表面蛋白主要包括S层蛋白和甘露糖结合蛋白等，其中S层蛋白是目前研究最多的细胞表面蛋白。研究证实，菌体结构成分在抗炎抗菌、提高免疫机能和调节大脑发育等方面有重要作用。

1.2.3 菌体代谢物

菌体代谢物包括细菌素、有机酸、胞外多糖(EPS)和酵素等。某些细菌通过核糖体合成机制，生成一类具有生物活性的蛋白质、多肽或前体多肽，这类蛋白质或肽类即为细菌素。由于细菌素在作为治疗性抗生素和天然食品防腐剂方面具有很大潜力，因此十多年来，人们对于细菌素的研究显著增加。其中应用最多的是乳酸菌细菌素，由于其宽范围的pH值耐受和高热应力，在抑制有害菌和调节免疫机能等方面具有关键作用。有机酸是益生菌的另一种重要的代谢产物，具有降低肠道pH值和阻碍肠道致病微生物的生长繁殖等功能。益生菌可以通过降解碳水化合物产生短链脂肪酸(SCFAs)、乳酸、苹果酸和丁二酸等多种有机酸。其中SCFAs是含1～6个碳原子的有机羧酸，包括乙酸、丙酸和丁酸等，丁酸由于其改善畜禽生长性能、提高肠粘膜屏障功能和调节免疫稳态等作用显著，因此备受人们关注。EPS是微生物以紧密结合的包膜或松散附着的黏液层形式分泌的细胞外大分子，主要在抗炎抑菌、抗氧化、抗肿瘤和免疫调节等方面发挥作用。此外，益生菌发酵产生的包含酶、有机酸、氨基酸和微量元素等活性物质的发酵产物称为酵素，具有增强免疫力和缓解肥胖等功能。

2 后生元的益生功能

虽然对于后生元发挥作用的机制尚不完全清楚，但通过体外实验、体内实验和临床实验已证实后生元具有多种生物学功能：抗炎作用、抗氧化和调节肠道菌群等。

2.1 抗炎作用

体内外多种因素都可以引起畜禽的炎症反应，炎症反应会破坏畜禽的肠道菌群平衡并导致机体组织炎症损伤，对畜禽的健康产生不良影响。后生元可以通过免疫调节起到缓解机体炎症的作用，减轻炎症给畜禽带来的危害。食源性致病菌沙门氏菌可以导致人和动物发生炎症疾病。Sherwin 等研究发现，唾液乳杆菌的PGNLs33能够诱导小鼠的T细胞和树突状细胞发挥调节作用以缓解沙门氏菌引起的炎症。白细胞介素-8(IL-8)可以吸引和激活中性粒细胞，使机体出现局部炎症反应。植物乳杆菌中的LTA能够抑制Pam2CSK引起的IL-8的表达，减轻肠上皮细胞的炎症反应。炎症细胞因子可以与靶细胞上的受体结合从而引起炎症的发生。Kolling等发现鼠李糖乳杆菌CRL1505的PGN具有平衡机体调节性细胞因子和炎症细胞因子的作用，清除肺炎球菌并改善炎症组织损伤，提高机体的健康状况。除此之外，病毒感染也会对机体造成严重损害，后生元不仅可以抵抗细菌引起的炎症，而且也可以通过增强免疫功能预防病毒对机体的感染。热灭活干酪乳杆菌DK128通过增加肺和气管中的肺泡巨噬细胞和减少促炎症细胞因子等机制，可以保护小鼠免受不同亚型流感病毒的感染。

2.2 抗氧化作用

自由基会损害机体的组织和细胞，当自由基的稳态失衡时，将导致氧化应激反应，机体可以通过抗氧化酶和清除自由基等方式缓解氧化应激，因此自由基稳态对畜禽机体健康有着重要影响。后生元通过代谢合成的过氧化氢酶(CAT)、过氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)等具有对抗活性氧的关键作用。此外，后生元的种类和浓度是影响自由基清除能力的重要因素。在提取的11株植物乳杆菌的胞内提取物中，当浓度在108～10l0 CFU/mL范围内时，均表现出抗氧化活性，且具有一定的菌株特异性和剂量依赖性，其中植物乳杆菌C88的胞内提取物在1010CFU/mL浓度下，对羟基自由基和DPPH自由基的清除能力最强，清除率分别为44.31%和53.05%。也有研究发现，浓度为107CFU/mL的灭活植物乳杆菌Ln1对DPPH自由基和ABTS自由基有清除作用，其清除率分别为17.60%和70.18%，而灭活嗜酸乳杆菌606在108CFU/mL浓度时具有更强的抗氧化活性，对DPPH自由基的清除率为52.06%。

2.3 调节肠道菌群

研究发现，后生元发挥作用的场所主要位于肠道。胃肠道是动物体和人体最大最复杂的微生态系统，由有害菌、中性菌以及有益菌构成。体内外多种因素都可以破坏胃肠道微生态系统的平衡，若肠道微生态系统发生紊乱，将会影响肠道功能并造成损伤。而后生元就具有调节肠道菌群，促进肠道有益菌生长，润肠通便，改善粪便状态等重要作用。据报道，灭活的乳酸菌G50可以抑制肠道有害细菌的生长，改善小鼠的肠道菌群。在连续14d添加200mg热灭活的粪肠杆菌EC-12后，粪便中双歧杆菌数量增加了130%，且粪便中腐烂产物氨、硫化物和吲哚含量降低，粪便的臭味也降低。此外，后生元还可以保护肠道粘膜，增强肠道的屏障功能，治疗疾病并促进机体健康。研究发现，副干酪乳杆菌B21060的上清液可以保护肠粘膜免受侵袭性沙门氏菌的感染。肠梗阻小鼠模型口服热灭活的布拉氏酵母菌菌体后，小鼠肠道通透性减弱，肠道粘膜损伤减少，肠道屏障功能增强。

2.4 其他作用

后生元除了具有上述益生作用外，还被证实可以调节神经发育、缓解肥胖、保护肝脏以及抗癌抗肿瘤等。正常的PGN水平是大脑发育所必需的，PGN过高或不足都可能使精神疾病和神经发育障碍的风险提高。Brown 等研究发现，将丁酸盐注射在大鼠大脑中，可以起到增强神经营养因子如BDNF和GDNF等的mRNA水平的作用，从而改善记忆形成和情绪等。开菲尔乳酸菌的S层蛋白SDH5和SLCM8可以改善由高脂饮食引起的肥胖以及肥胖造成的全身炎症。嗜酸乳杆菌MTCC447和乳肠球菌IITRHR1的细胞内含物能够拮抗对醋氨酚诱导的大鼠肝细胞毒性。高加索酸奶乳杆菌MSR101和短乳杆菌MSR104产生的EPS，对HT-29癌细胞具有良好的抗肿瘤作用。格氏乳杆菌和卷曲乳杆菌的细胞壁和细胞质提取物以及灭活菌体对宫颈癌细胞具有选择性抗增殖作用。

3 后生元在畜禽生产中的应用

3.1 后生元在猪生产中的应用

仔猪的断奶期对于猪的生长发育和后期的生产性能来说，都是一个至关重要的阶段。因此，目前后生元对猪的研究多见于断奶仔猪时期。后生元可以影响断奶仔猪的生产性能。研究发现，断奶仔猪连续饲喂28d添加有5g/kg酵母水解物的日粮，能够使平均日增重显著增加 36%；也有研究发现，饲料中添加嗜酸乳杆菌后生元对断奶仔猪的生产性能有促进作用但无显著影响，这可能与后生元的种类、剂量和饲养管理有关。肠道微生物菌群为机体创造良好的微生态环境，与机体相互依赖，相互制约。后生元在猪生产中的应用也主要体现在调节肠道功能方面。断奶仔猪日粮中连续46d添加热灭活的粪肠球菌IHARA 2×1010CFU/kg，使回肠绒毛高度增加了13%，进一步起到促进营养物质吸收的作用。殷成港等研究发现，在断奶仔猪饲粮中添加多级发酵后的嗜酸乳杆菌后生元(第1～14d添加4g/kg，第15～42d添加2g/kg)，使肠道和粪便中微生物的多样性显著增加了18%，粪便中有益菌的相对丰度提高了5%。SCFAs可以降低育肥猪空肠和结肠凋亡细胞的比例，调节其胃肠道功能。除此之外，后生元还可以改善母猪的繁殖性能。给妊娠后期第85d至产后35 d的母猪每天饲喂含有酵母培养物10g/kg和1 mg/kg有机硒(纯度98%)的饲粮后，泌乳25d的母猪乳汁中乳脂含量增加了23%。

3.2 后生元在家禽生产中的应用

在家禽生产中，家禽极易受到外界环境的影响而出现应激，这会使家禽养殖成本大大提升，也会带来利益损失。多项研究发现，后生元在改善家禽生产性能和鸡肉风味，抵抗病菌的侵染以及提高鸡蛋品质等方面发挥着关键作用(见表1)。

表1后生元在家禽生产中的应用

3.3 后生元在反刍动物中的应用

后生元对反刍动物生长性能的影响，可能与动物和后生元种类等有关。给肉牛饲喂含灭活酿酒酵母饲料后，肉牛的干物质采食量和平均日增重无显著变化，但饲粮中添加植物乳杆菌 RG14的无细胞上清液可以显著增加羔羊日增重11%。瘤胃的状态与反刍动物的健康关系密切，许多研究表明，后生元在促进瘤胃健康方面发挥着重要作用。灭活的酿酒酵母可以促进瘤胃微生物的生长并提高其活性，其中黄色瘤胃球菌的相对丰度极显著提高了26%。乳酸菌产生的十二碳六烯酸能够显著改善奶牛瘤胃微生态环境，有助于促进其养分的消化吸收。Izuddin等发现植物乳杆菌RG14的无细胞上清液使羔羊瘤胃中丙酸浓度显著升高18%，且两种主要纤维降解菌琥珀酸梭菌和黄化梭菌的数量分别显著增加27%和13%，这使得羔羊对干物质、蛋白质和中性洗涤纤维的消化率分别显著提高了13%、9%和12%。此外，后生元还可以调节反刍动物的免疫机能并缓解应激反应。热应激的奶牛饲用含有灭活酵母细胞的饲粮后，呼吸频率每分钟减少8次，但体温基本不变，说明后生元有助于奶牛散热。将2%灭活的酵母培养物灌注给绵羊瘤胃后，灌注第21d，绵羊血清中IgA含量提高12%，IgG水平提高15%，绵羊的体液免疫机能增强。羔羊饲粮中添加植物乳杆菌RG14 的无细胞上清液使羔羊血液中总蛋白、尿素氮和葡萄糖浓度分别显著升高56%、67%和35%，可以缓解羔羊由于断奶产生的应激反应。乳腺炎可以使奶牛的产奶性能下降，并威胁奶牛的健康，给奶牛养殖带来极大困扰。研究报道，1mM的丙酸钠可以使金黄色葡萄糖球菌内化到牛乳腺上皮细胞减少55%，降低奶牛乳腺炎的发病率。当使用含有乳酸乳球菌DPC3147且可以产生细菌素乳霉素3147的活性生物制剂治疗患有乳腺炎的奶牛时，发现该活性生物制剂与抗生素的治愈率相近。而且，活性生物制剂治疗难度小，成本低。因此，后生元可以在治疗奶牛乳腺炎方面发挥优越作用。

3.4 后生元在水产动物中的应用

后生元可以起到维持水产动物肠道稳态的功能，同时在疾病抵抗以及调节免疫机能等方面也有着关键作用。肠道微生物群在消化和免疫调节过程中具有辅助作用，如肠道微生群可以保护肠道粘膜内壁的完整性，竞争性抑制病原体的作用位点，保护机体免受传染病的侵害。在鱼类养殖中，Wu等发现，灭活的索氏鲸杆菌和小红酵母能够改善杂交鲟鱼的肠道菌群结构，其中肠道优势菌群厚壁菌门的相对丰度增加了42%。添加乳酸菌发酵产物使虹鳟鱼的肠道微生物菌群多样性提高了24%，并使感染乳酸乳球菌的虹鳟鱼的存活率提高了43%。许多异养细菌也可以产生如萜类分子等后生元。据报道，萜类化合物具有有效的抗菌活性，对水产养殖病原体具有抑菌和杀菌作用。给罗非鱼连续饲喂槲寄生饲粮80d后，其溶菌酶和吞噬活性均有所提高，使其在嗜水芽孢杆菌侵染下的存活率提高了42%。此外，在虾类养殖中，在饲粮中添加丁酸钠，可以调节凡纳滨对虾肠道菌群结构，使弧菌数量减少13%，同时，血液中总血细胞数显著增加46%，起到调节免疫系统的作用，从而使存活率显著提高 7%。

4 展望

后生元具有改善畜禽生长性能、调节免疫机能以及抗氧化等多种功能，同时在安全性、稳定性和适用性等方面都要优于益生菌，这使得后生元得到了人们的广泛关注和深入研究。然而，目前后生元的制备与开发技术尚不成熟，发挥作用的机制还不明确，且后生元的益生效果受菌株、组分和剂量等因素的影响，这极大限制了后生元在畜牧生产中的大规模应用。在今后研究中，如果可以进一步揭示后生元的作用机理，完善生产工艺，统一使用和评价标准，相信将会推动后生元更为广泛的应用。

参考文献：略。

作者：常铄，张根瑞等发表于《饲料研究》