后生元对畜禽肠道健康的影响机制研究进展

摘 要：肠道健康与动物的生长发育和免疫功能密切相关。随着畜禽养殖产业逐渐向集约化、规模化的模式发展，维持肠道健康和免疫系统的稳定逐渐引起了养殖从业者的重视。区别于传统益生菌(probiotics)，后生元(postbiotics)作为一种不含活菌的营养补充剂与饲料添加剂，受到了广泛关注。近年来，后生元逐渐应用于饲料添加剂和动物保健领域，展现出调节免疫系统、改善肠道微生态、促进采食与饲料效率等多种功能，可以有效提高养殖动物的肠道健康与生产性能。文章主要介绍了近年来报道的后生元的分子类型、促进肠道健康的潜在机制，及作为饲料添加剂对畜禽生长性能和肠道健康的促进作用，以期为后生元制剂在畜禽养殖领域的研究和应用创新提供参考。

关键词：后生元；畜禽；饲料添加；肠道健康；机制研究

畜禽养殖作为我国重要的农业产业，在保障食品供应、促进经济发展和维护社会稳定方面扮演着关键的角色。然而，随着养殖规模的不断扩大以及环境、营养等因素的变化，养殖业面临着日益严峻的挑战，如疾病暴发、生产效益下降以及抗生素滥用等，这些问题不仅对养殖业的可持续发展构成威胁，还可能引发食品安全问题。

近年来，随着微生物技术的不断发展，益生菌作为饲料添加剂在畜禽养殖领域受到了越来越多的关注。根据《饲料添加剂品种目录》规定，目前获得饲料添加许可的菌种类别共有34种。然而，由于饲料生产工艺、使用环境和方法的差异，活菌制剂在特定环境下的稳定性不足可能是导致益生菌在养殖端效果差异化的重要因素。与此同时，人们也逐渐发现一些死亡或受损的菌体同样具有改善动物健康的有益功效，这类益生菌衍生物被称为“后生元”，并引起了学者们广泛的研究兴趣。尽管对后生元改善动物机体健康的现象发现较早，但其作用机理与应用范围仍有待进一步揭示。文章主要总结了近几年在畜禽养殖中关于后生元类型、保护肠道健康的作用机制以及应用效果的研究，旨在为拓展后生元在畜禽养殖中的应用提供参考依据，并为拓展后生元应用范围和稳定性的研究方向进行展望。

1 后生元的定义

国际益生菌和益生元科学会(International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics， ISAPP)发布了后生元共识声明，明确了后生元的定义和范围，即“对宿主健康有益的无生命微生物和/或其他成分的制剂”。后生元制剂是将益生菌经过热处理、高压处理、超声波振荡、冷冻干燥等加工方式处理后，仍保有与活菌相同活性成分的菌体成分的统称。目前较为典型的后生元分子包括胞外多糖、磷壁酸、酶、活性多肽和小分子代谢物等。由于后生元的功效不依赖活细胞的存在，在饲料加工和应用过程中具有良好的稳定性和安全性，从而大大拓宽了益生菌在养殖行业的应用范围。

2 后生元的成分组成及其作用机制

根据定义，后生元含有灭活的细胞结构组分，或包含了微生物代谢产物。根据化学结构、功能、是否为细胞结构分子以及存在于胞内或胞外等方式对后生元进行分类，对最近报道的后生元类型及其作用机理进行了系统总结，见图1。

2.1 短链脂肪酸

短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)是指碳原子数不超过6的有机酸。SCFAs是肠道菌群对纤维类营养组分进行发酵所产生的主要代谢产物，其中乙酸、丙酸和丁酸是含量最为丰富的三种SCFAs，对宿主动物的健康至关重要。近年来的大量研究证实，SCFAs具备多种生理功能。例如，乳酸与短链脂肪酸可通过降低肠道内pH、抑制病原菌过度生长， 减少脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)带来的炎症反应。据报道，乙酸和丁酸能够通过G蛋白偶联受体(Gprotein-coupled receptors，GPRs)和Toll样受体(toll-like receptors，TLRs)调节宿主免疫、激素表达以及肠道屏障的完整性。另外，作为一种重要的短链脂肪酸，丁酸能够作为肠道上皮细胞的营养成分之一，有助于辅助肠上皮细胞的再生，维持肠道屏障完整性。Gaudier等的研究显示，当丁酸作为唯一碳源时，结肠上皮细胞可通过GPR109A信号传递途径刺激杯状细胞持续促进黏蛋白表达。最近的研究还显示，以丁酸为代表的SCFAs可通过调节紧密连接蛋白降低肠道屏障的通透性，其机制尚不明确。但另一项研究表明，链激酶(chain kinase)可能在紧密连接的调节中起重要作用。此外，当肠道炎症发生时，SCFAs可募集并诱导免疫细胞的分化，促进下游抗炎因子的表达，抑制炎症反应。上述研究结果表明，SCFAs可作为能量来源和信号分子保护肠道屏障。虽然SCFAs表现出了多方面的益处，但在养殖动物体内的SCFAs水平受到未消化的营养组分和肠道菌群的影响，导致健康动物体内肠道SCFAs含量可能在一定范围内波动。因此有必要通过营养或饲喂策略的调整，控制肠道内SCFAs保持在适当的水平。

2.2 胞外多糖

胞外多糖(exopolysaccharides，EPS)是一类由微生物产生和分泌的具有高分子质量的胞外碳水化合物聚合物。EPS广泛存在于乳酸菌、双歧杆菌、链球菌、芽孢杆菌等菌株中，能够促进细菌细胞表面的生物膜形成，并对动物肠道健康具有多方面的促进作用，包括增强益生菌黏附能力、抑制病原菌、调节宿主免疫和发挥抗炎活性等。Rajoka等的体外研究表明，从母乳中分离的鼠李糖乳杆菌产生的EPS对病原体鼠伤寒沙门氏菌和大肠杆菌具有显著的抗菌活性。EPS的抗菌作用可能通过以下几种潜在机制发挥功效：(1)与阻断这些病原体表面生物膜形成信号分子；(2)破坏病原菌细胞膜完整性，释放可溶性蛋白；(3)EPS通过促进具有抗菌作用的次级代谢产物合成，如SCFAs，从而间接表现出抗菌活性。另一项研究发现，从鼠李糖乳杆菌GG(LGG)中分离的EPS可以减弱LPS诱导IPEC-J2细胞的MAPK和NF-κB信号传导，并在mRNA水平上减轻炎性细胞因子和TLR基因的表达。此外Fanning等的研究指出，短双歧杆菌UCC2003的EPS可以防止柠檬酸杆菌黏附到肠上皮组织，有助于维持肠道屏障的完整性。目前EPS对肠道健康的益处已经被证实，但由于不同微生物来源的EPS表现出明显的个体差异，其功能受到单糖组成、分子质量、带电荷性和高级结构等因素的影响，因此未来对EPS机制的描述还应结合化学结构解析，以揭示不同性质EPS的功能差异与构效关系。

2.3 磷壁酸

磷壁酸是革兰氏阳性菌细胞结构的主要成分之一，根据其锚定位置分为脂磷壁酸(lipoteichoic acid，LTA)和壁磷壁酸(wall teichoic acid， WTA)。LTA的脂质部分与上皮细胞的纤维连接蛋白受体相互作用，起到黏附分子的功能。另外，一些细菌来源的磷壁酸具有免疫原性，能够刺激宿主免疫反应。研究发现，不同血清型菌株来源的LTA，其结构中的D-丙氨酸(D-alanine，D-Ala)支链的数量与其致炎作用呈正相关。Jung等从植物乳杆菌K8、K88、K5-5和K55-5菌株中分别提取LTA，发现这4株植物乳杆菌中LTA的结构差异会导致免疫细胞产生不同程度的免疫反应。Hirose等从日本发酵食品中分离出一株高产LTA的植物乳杆菌L-137，其LTA含量为其他乳酸菌的2～6倍，诱导免疫启动因子IL-12的能力为其他乳酸菌的2～10倍。进一步的研究证明，L-137的磷壁酸中丙氨酸含量是其他乳酸菌的1.7倍，这可能是导致L-137磷壁酸结构稳定、不容易变性、氧化和降解的主要原因。研究证实，乳酸菌来源的LTA可被C57BL/6J小鼠的TLR2-p38受体识别，激活MAPK信号通路，促进黏蛋白表达，并抑制促炎因子的形成，而这种效应在TLR2 敲除的小鼠中未被观察到，表明LTA与TLR2具有紧密的相互作用。然而，尽管磷壁酸在促进肠道健康和提升免疫力方面已有一些初步的应用，但不同菌株LTA之间存在显著差异。是否存在其他LTA受体的信号传导机制以及如何评价其构效关系还有待进一步研究。

2.4 益生菌水解物

益生菌水解物是通过破坏细胞结构获得的胞内成分和细胞结构组分的混合物，通常可以采用酶解、改变渗透压等方法获得。益生菌裂解物具有一定的免疫原性，能够刺激黏膜组织中的免疫调节反应，产生抗体来消灭病原体。研究表明，乳酸菌水解物中的酸性化合物，如乳酸、乙酸等，具有抗菌活性。另一方面，作为细胞结构组分，酵母细胞壁富含甘露聚糖。经过水解的酵母细胞裂解物含有丰富的β-葡聚糖和甘露寡糖，能够进一步被动物肠道中的细菌利用，发酵产生SCFAs，从而对宿主健康产生有益影响。然而，益生菌裂解物仍然是一个复杂的混合物，其中关键活性成分仍有待进一步揭示。同时，需要根据功能成分特征匹配标准化的制备方案，以保持细胞裂解物的活性。

2.5 其他微生物代谢产物

益生菌代谢产物种类广泛，除了前面提到的几类代谢产物，益生菌还能合成维生素、酶、活性多肽等成分，对宿主健康产生影响。例如，肠道菌群中的乳酸菌(lactic acid bacteria)和一些芽孢杆菌(Bacillus spp.)能够自主合成VB12、VB2、VB6、VB9和VK。此外，部分芽孢杆菌还能够合成高效的蛋白水解酶，这些酶在温度、pH、有机溶剂、氧化剂和洗涤剂等不利条件下表现出优异的稳定性，因而具备作为后生元酶制剂的潜力。细菌素作为一种重要的抗菌活性多肽，也被认为是后生元的关键组分之一。Wang等从植物来源的乳酸菌中纯化出一种名为植物乳杆菌素W3-2的成分，并通过琼脂扩散法评估其抑菌活性，结果发现，W3-2对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在内的10余种病原菌具有广谱的抑菌活性。然而，在实际应用中，由于细胞裂解物的制备成本较高，大多数应用形式主要采用热灭活或直接使用发酵液拌料进行饲喂。因此，在制备后生元之前还应充分考虑其有效成分的理化特性，以适配不同的应用方案。

3 后生元对肠道健康的影响

在最近的研究中，后生元制剂作为抗生素的潜在替代品在提升养殖动物生产性能领域彰显出了较高的应用潜力。后生元类型在不同养殖动物中的功效表现出差异性，后生元在畜禽中保护肠道屏障、增强免疫功能、调节肠道微生物方面的研究进展见表1。

表1 不同后生元添加物对畜禽健康的影响

3.1 后生元促进生产性能

后生元制剂已作为抗生素的潜在替代品表现出对畜禽生产性能的促进作用。Zhang等在仔猪日粮中添加了0.5%库德毕赤酵母(Pichia kudriavzevii)培养物，与饲喂常规基础日粮的对照组相比，日增重提高约24%，饲料效率提高约17%；同时，酵母培养物的添加显著改善了肠道绒毛形态，提高了乳酸菌丰度，促进了肠道健康。另一项研究中，Xu等利用F18+大肠杆菌攻毒21日龄仔猪诱导腹泻，并在基础日粮中添加0.2%热灭活发酵乳杆菌(Lactobacillus fermentate)。结果显示，添加后生元使仔猪体重(14%)和采食量(20%)显著提高，有益菌群的多样性增加，F18+大肠杆菌引起的空肠上皮损伤得到改善。Chang等将植物乳杆菌的无细胞培养液以0.1%含量添加至肉鸡基础日粮中，发现RS5菌株的无细胞上清液使肉鸡终末体重显著提高，料重比相比于对照组降低了0.14，同时黏蛋白表达与免疫力增强，表明RS5菌株的无细胞上清液具有在饲料中减抗的潜力。上述研究表明，后生元制剂可通过直接或间接的方式改善肠道功能和免疫功能，提高养殖动物对饲料营养的吸收利用效率和抗病力。但并非所有后生元对养殖动物生长性能均有良好的促进效果，Danladi等的研究表明，添加植物乳杆菌上清液和菌体可提高肉鸡采食量，但体重、日增重、饲料转化率和死亡率与对照组相比没有显著差异，这些生长性能的差异可能与后生元制品中有效成分含量以及动物饲养管理方式有关。

3.2 保护肠道屏障

肠道组织形态的稳定对于维持肠道屏障功能具有重要的意义，肠上皮细胞可以调节营养物质、电解质和水分从肠腔进入循环的吸收，避免毒力因子和病原体入侵宿主。体外研究发现，紧密连接蛋白-1( zona occludiens-1，ZO-1)可与闭合蛋白(occludin)相互作用，形成介导细胞间紧密连接(tight junction，TJ)和信号传递的复合物，维持肠道屏障完整性。从一株嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)中提取的表层蛋白(surface-layer protein，SLP)通过提高紧密连接和闭合蛋白的表达，改善了Caco-2细胞的完整性和通透性。同时，SLP还能够通过抑制NF-κB的激活来减弱细胞凋亡并抑制促炎因子TNF-α的表达。另一项研究中，Wang等发现，假小链双歧杆菌(Bifidobacterium pseudocatenulatum)的胞外多糖通过上调MUC2和TJ的表达，改善DSS诱导的小鼠结肠炎症状，维持肠屏障的完整性。除了SLP、胞外多糖等大分子外，SCFAs等小分子代谢产物也有助于改善肠道屏障功能。例如，益生菌胞外多糖可以通过丁酸刺激杯状细胞黏蛋白MUC2的表达和分泌，从而防止病原体入侵。从形态学上，肠道屏障的功能可通过绒毛高度和隐窝深度判断。在生猪养殖中，仔猪过早断奶可能会导致小肠绒毛萎缩，进而影响采食量和生长性能。Alagbe等对断奶仔猪进行了酵母水解物的饲喂试验，以0.4%比例加入基础日粮中，观察到拌喂酵母水解物的仔猪小肠绒毛形态和长度较对照组有一定改善趋势(P=0.07)。在另一项研究中，Pupa等将两株植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)和一株乳酸片球菌(Pediococcus acidilactici)分别进行喷雾干燥后口服饲喂新生仔猪，发现空肠绒毛长度和隐窝深度较对照组显著提高。益生菌代谢产物也可以作为后生元的载体，Humam等将植物乳杆菌RI11的培养液通过喷雾干燥制备成后生元粉剂，并与肉鸡日粮进行拌料饲喂后，使肉鸡十二指肠、空肠和回肠的绒毛长度显著提高。以上研究均显示，后生元制剂能够通过调节肠上皮细胞紧密连接、改善肠绒毛形态和隐窝深度提高肠道屏障稳定性。然而，目前通过后生元促进紧密连接和黏蛋白表达的分子信号传递机制研究仍相对较少，主要原因是后生元类型多样，纯化难度较大，同时缺少相应的动物或细胞模型，使得进展相对缓慢。未来类器官技术的兴起和纯化技术的发展，将助力于对后生元分子作用机理的揭示。

3.3 增强免疫功能

后生元中的关键成分可以通过核苷酸寡聚化结构域样受体(nucleotide oligomerization domain-like receptors，NLR)、Toll样受体(toll-like receptor， TLR)、C型凝集素样受体(C-type lectin receptor，CTLR)、G蛋白偶联受体(Gprotein-couple receptors，GPCRs)等模式识别受体调节宿主动物的先天性免疫反应。Kang等的研究表明，在基础日粮中添加0.1%～0.4%热灭活鼠李糖乳杆菌，能够通过降低血清中TNF-α、转化生长因子-β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)、皮质醇水平，调节断奶仔猪的免疫应答水平，腹泻率降低40%。一项针对猪肠道上皮细胞系IPEC-J2的体外研究中，Kim等将来自植物乳杆菌的磷壁酸用于干预病毒双链RNA的类似物polyI∶C诱导的炎性细胞，发现这种磷壁酸可以通过减弱细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)、p38激酶的磷酸化及抑制NF-κB途径的激活，降低白细胞介素-8(IL-8)的产生，从而表现出显著的抗炎活性。家禽养殖中，Humam等在肉鸡饲粮中添加0.2%～0.6%植物乳杆菌RI11发酵液上清液，使血浆中谷胱甘肽过氧化物酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽水平显著提高，白细胞介素-10(IL-10)、黏蛋白和紧密连接蛋白-1(ZO-1)的表达水平增加，血浆IL-8、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、α-1-酸性糖蛋白和热休克蛋白-70mRNA的表达降低，热应激症状得到缓解。目前的研究已经证实，后生元对宿主免疫功能的调节机制在不同菌株和代谢物类型中存在差异。已有体外细胞试验结果显示，益生菌及其代谢产物能够直接作用于肠道上皮细胞或巨噬细胞，发挥对炎性反应的抑制作用。因此，后生元在预防和缓解畜禽肠道炎症方面提供了一种新型防治策略。

3.4 调节肠道菌群

肠道菌群与机体健康息息相关。肠道菌群的紊乱，如外源病原体的定植和内源病原体的过度生长，可能会导致肠道屏障与免疫功能的损伤，影响宿主动物健康。后生元可以通过分泌具有抗菌功能的代谢产物、竞争肠道上皮黏膜的生态位来抑制病原体。细菌素是一种对病原体具有抑制活性的抗菌肽或小分子化合物，能够通过抑制病原菌生物大分子合成途径阻止其增殖过程。Chaney等以酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)发酵代谢产物作为后生元加入肉鸡日粮中，试验组沙门氏菌感染率(3.4%)显著低于对照组(12.2%)。另一项研究中，Danladi等将植物乳杆菌发酵液的无细胞上清液和菌体分别添加至肉鸡日粮饲喂35 d，发现厚壁菌门(Firmicutes)丰度均显著上调，同时包含潜在致病菌的变形菌门(Proteobacteria)丰度下调，揭示了植物乳杆菌后生元具有改善肠黏膜菌群组成、保护肠道健康的潜力。后生元不仅可以直接影响宿主的肠道菌群平衡，还可能通过母体将这种有益效应进行传递。Hasan等在妊娠期母猪饲粮中添加了0.2%酿酒酵母水解物，并对母猪及服用初乳的仔猪进行了肠道微生物多样性分析。结果显示，后生元的添加没有改变母猪肠道菌群多样性，但增加了Roseburia、Paraprevotella、Eubacterium的丰度，而一些条件致病菌包括变形菌门中的脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、埃希氏菌/志贺菌属(Escherichia/Shigella)和螺杆菌属(Helicobacter)丰度受到抑制；另外，后生元组母猪饲喂初乳的仔猪菌群多样性明显较高，条件致病菌较少。经过进一步的相关性分析发现，仔猪肠道菌群多样性的提升与母体初乳利用率和初乳能量提升有关。除上述机制外，群体感应(quorum sensing， QS)也是后生元抑制病原菌和调节肠道菌群的潜在途径之一，但由于微生物互作关系复杂，其内在机制与应用仍有待进一步探究。

4 展望

在养殖端“减抗、限抗”的行业趋势下，后生元的应用表现出了巨大的潜力。与传统益生菌相比，后生元的无活性菌体特性使其比益生菌具有更好的稳定性、安全性。然而，后生元不同菌株间的效应可能表现出巨大的差异性，需要依据其功能成分选择适合的灭活方式，最大限度地保留其生物学活性。同时，对后生元有效成分的准确评估及其质量标准的建立，将使应用更安全。此外，目前研究仅探讨了单一因素对后生元应用效果的影响，但在多变的养殖场景下饲养环境、饲料、水源等与宿主之间可能存在更加复杂的相互作用。因此，探究不同养殖环境中后生元功效表达的影响机制，对提高养殖动物健康和生长性能具有至关重要的作用。

参考文献：略

作者：肖睿铭，连英丽等发表于《饲料工业》2025年第2期。