■童雨翠 張 靜 陳霈瑤 郭賀楠 華正昌 張日俊

（中國農(nóng)業(yè)大學飼料生物技術實驗室，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京 100193）

后生素（Postbiotics）是對宿主健康有益的無生命微生物及微生物成分[1]，包括發(fā)酵過程中產(chǎn)生的代謝物、分解發(fā)酵底物釋放的活性小分子、死亡的細胞及裂解后的細胞組分[2]。已有研究表明，滅活的菌體細胞（inanimate microorganisms，IM）和無細胞上清（cell free supernatant，CFS）對動物機體健康有促進作用[3-4]，但目前關于后生素生物活性的介紹及其在動物生產(chǎn)上的應用研究較少，因此文章主要介紹了后生素的概念和生物學功能及其在動物生產(chǎn)中的應用，旨在為后生素作為新型飼料添加劑提供參考。

1 后生素的概念

后生素的發(fā)現(xiàn)與概念的建立是基于對益生菌的研究，隨著益生菌在應用過程中出現(xiàn)的易失活[5]、感染風險[6]及菌株耐藥基因轉(zhuǎn)移[7]等問題，研究者開始關注非活性微生物和微生物代謝產(chǎn)物帶來的益生活性[3-4，8]。

國際益生菌和益生元科學協(xié)會（International Sci?entific Association of Probiotics and Prebiotics, ISAPP）在2021 年發(fā)布共識聲明[1]，詳細闡明后生素的概念，后生素是無生命微生物和微生物成分，能夠促進機體健康。后生素包括無生命的菌體、菌代謝產(chǎn)物（micro?bial metabolites, MM）以及菌裂解后釋放的可溶性因子[2，9-10]，其中代謝產(chǎn)物主要有胞外多糖（exopolysac?charides, EPS）、短鏈脂肪酸（short chain fatty acids,SCFA）、細菌素和有機酸等；菌的組成成分主要有脂磷壁酸、磷壁酸、肽聚糖、衍生多肽、細胞表面蛋白和菌毛型結(jié)構(gòu)等[10-12]。

2 后生素的生物學功能

后生素在體內(nèi)、體外的研究中依菌株的特異性呈現(xiàn)出多種生物活性，如抗氧化、抗炎、免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、抗菌功能等，但這些功能是否能呈現(xiàn)取決于菌株的特異性和生產(chǎn)工藝。后生素的抗病能力[13]和促生長作用[14]是其應用于畜禽生產(chǎn)的有利條件。

2.1 抗氧化功能

活性氧（reactive oxygen species, ROS）是活細胞在代謝過程中產(chǎn)生的氧自由基的統(tǒng)稱，在環(huán)境應激（如飼養(yǎng)密度不合理）、異源性化合物（如外源藥物）以及畜舍內(nèi)有害氣體的刺激下會增加ROS的產(chǎn)生，ROS的積累會造成機體抗氧化防御系統(tǒng)間的不平衡，導致氧化應激引起細胞和組織損傷，從而導致畜禽采食量下降，生產(chǎn)性能降低。谷胱甘肽過氧化物酶（glutathi?one peroxidase, GSH-Px）、過 氧 化 氫 酶（catalase,CAT）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）是動物體內(nèi)常見的抗氧化酶，谷胱甘肽（glutathione,GSH）是體內(nèi)的抗氧化物質(zhì)，能夠減輕機體的氧化損傷。后生素被報道具有一定的抗氧化能力，能提高機體抗氧化酶水平，減輕氧化損傷。在羔羊日糧中添加后生素可提高血清和瘤胃液中GSH-Px活性，降低血清脂質(zhì)過氧化水平[15]。在肉雞飼糧中添加后生素制劑也表現(xiàn)出血漿總抗氧化能力的提高，CAT與GSH活性升高[16]。多株乳酸菌CFS[17-18]在體內(nèi)、體外試驗中均呈現(xiàn)較高的抗氧化活性，可提高動物機體中GSH-Px、CAT和GSH的活性，降低體內(nèi)氧化應激反應。

后生素抗氧化活性可能與菌體代謝物中的EPS以及一些未知成分有關。例如雙歧桿菌（Bifidobacte?riumsp.）[19]、地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）[20]及多株乳桿菌（Lactobacillussp.）[20-22]產(chǎn)生的EPS 被報道具有較強的抗氧化活性，能夠抑制體內(nèi)脂質(zhì)過氧化過程。后生素中一些未知成分可促進機體產(chǎn)生GSH-Px和SOD，從而發(fā)揮抗氧化作用[23]。在一項由黃曲霉毒素誘導的大鼠氧化應激模型研究中，干酪乳桿菌（Lactobacillus casei）的細胞內(nèi)容物能透過腸道屏障進入血液減輕肝臟線粒體功能障礙來調(diào)節(jié)機體抗氧化狀態(tài)，并能增強大鼠肝臟中GSH-Px 和CAT 活性[24]。凝結(jié)芽孢桿菌（Bacillus coagulans）和干酪乳桿菌的細胞內(nèi)容物及細胞壁成分在體外試驗中可提高結(jié)腸癌細胞的抗氧化活性[25]，但起到抗氧化作用的具體物質(zhì)尚不清晰。這些研究表明后生素具有作為抗氧化劑的潛力，但具體作用機制需要進一步深入研究。

2.2 免疫調(diào)節(jié)功能

功能紊亂及炎癥的發(fā)生會導致畜禽生長性能下降甚至死亡，后生素可調(diào)節(jié)機體免疫狀態(tài)，并能發(fā)揮抗炎作用。從凝結(jié)芽孢桿菌培養(yǎng)物中分離得到的上清和細胞壁碎片能調(diào)節(jié)Th2（Thelper2 cell）依賴的免疫反應，促進細胞因子的產(chǎn)生，具有較強的免疫調(diào)節(jié)作用[26]。雙歧桿菌發(fā)酵上清（Bifidobacteriumsuperna?tant，BS）與樹突狀細胞（dendritic cell, DC）共培養(yǎng)可促進DC 成熟并延長其在體外的存活時間，緩解脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）對DC的刺激[27]，BS可能與細胞內(nèi)絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated pro?tein kinase, MAPK）、糖原合成激酶3（glucogen syn?thase kinase 3, GSK3）和磷脂酰肌醇3-激酶（phospha?tidylinositol 3-kinase, PI3K）信號通路激活有關[28]，能調(diào)節(jié)DC成熟、激活和存活，發(fā)揮對免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。除了菌懸液、發(fā)酵上清及菌體成分能夠發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)功能外，菌產(chǎn)生的多糖[29]和短鏈脂肪酸[30-31]可通過影響調(diào)節(jié)T 細胞（Tregs）的生成、分化和功能，發(fā)揮抗炎活性，有可能成為治療結(jié)腸炎的潛在藥物。

后生素的免疫調(diào)節(jié)功能還體現(xiàn)在免疫抑制方面，后生素中的某些成分具有一定的免疫抑制作用。在豬腸道上皮細胞系的研究中，植物乳桿菌（Lactobacil?lus plantarum）的細胞壁成分脂磷壁酸（lipoteichoic ac?id, LTA）呈現(xiàn)出免疫抑制功能，可減弱炎癥相關信號通路的激活，降低促炎因子IL-8的表達水平，降低病毒、病原體誘導的炎癥反應[32]。在LPS 誘導的巨噬細胞模型中，來自嗜酸乳桿菌（Lactobacillus acidophi?lus）、鼠李糖乳桿菌（Lactobacillus rhamnosus）和干酪乳桿菌3 種不同乳酸菌菌株的肽聚糖均具有抑制炎性細胞因子釋放的能力[33]。細菌代謝產(chǎn)物丁酸也表現(xiàn)出免疫抑制作用，在小鼠結(jié)腸炎模型中抑制巨噬細胞促炎因子的釋放，降低炎癥水平[34]。

2.3 抗腫瘤功能

腫瘤的發(fā)生與機體細胞增殖異常關系密切，后生素具有抑制癌細胞增殖的活性，很可能是通過激活免疫反應過程中的促凋亡途徑[10]。后生素如滅活細胞、細胞壁成分、肽聚糖、細胞質(zhì)提取物和CFS 可以抑制細胞增殖，提高細胞凋亡基因的表達水平來誘導腫瘤細胞凋亡從而抑制癌細胞的發(fā)展[35]。乳酸菌屬的細胞質(zhì)提取物和細胞壁成分對兩株癌細胞株增殖具有抑制作用，主要是抑制細胞周期進入S期從而引起細胞凋亡[36]。植物乳桿菌的代謝產(chǎn)物具有選擇性細胞毒性，可通過抑制細胞增殖和誘導凋亡阻礙腫瘤細胞的生長，而對正常細胞無影響[37]。雙歧桿菌CFS 對人結(jié)腸癌細胞的增殖具有一定的抑制作用[38]。發(fā)酵乳桿菌（Lactobacillus fermenti）CSF通過誘導細胞凋亡抑制結(jié)直腸癌細胞的生長，并通過抑制NF-κB 信號通路發(fā)揮抗增殖活性[39]。雖然在畜禽中少有腫瘤的發(fā)生，但是對后生素的抗腫瘤功能研究有助于我們進一步理解其在體內(nèi)的作用機制，更好地發(fā)揮后生素的應用潛力。

2.4 抗菌功能

抗生素的使用在一定程度上降低了畜禽傳染病的發(fā)生，但是耐藥性致病菌的產(chǎn)生成為不可避免的問題，因此迫切需要一種具有抗病原菌且無耐藥性的抗生素替代品。某些后生素具有殺菌抗菌能力，細菌素、IM、CFS 及代謝產(chǎn)物在研究中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌特性。乳酸菌發(fā)酵乳CFS 被報道能夠保護小鼠免受沙門氏菌的感染[40]，乳桿菌IM可用于治療細菌感染引起的急性腹瀉和呼吸道感染[41]。植物乳桿菌CFS 對多株病原菌及萬古霉素耐藥性腸球菌具有抑制作用[42]。雙歧桿菌分泌的生物活性小分子能降低沙門氏菌在巨噬細胞內(nèi)的生存和繁殖力[43]；乳酸菌屬和雙歧桿菌屬的CFS 可抑制入侵性大腸桿菌對結(jié)腸腺癌細胞系的侵襲[44]；乳酸菌CFS[45-46]還可以降低細菌的定植水平和抑制生物膜的形成；植物乳桿菌產(chǎn)生的EPS對銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、大腸桿菌（Escherichia coli）、鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella ty?phimurium）和金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）等致病菌的生物膜形成具有較強的抑制作用[47]；嗜熱鏈球菌（Streptococcus thermophilus）的EPS 能夠減少細菌的黏附，減輕胃腺癌上皮細胞的炎癥反應[48]，從蠟樣芽孢桿菌（Bacillus cereus）、海綿狀芽孢桿菌（Bacil?lus licheniformis）和 施 氏 假 單 胞 菌（Pseudomona stutzeri）中提取的EPS 都表現(xiàn)出對大腸桿菌和銅綠假單胞菌的抗菌活性[49-51]。由上可知，后生素在降低細菌黏附和定植水平、抑制細菌生物膜的形成和保護動物免受病原菌的感染等方面具有重要意義。

此外，其他研究顯示，除某些CFS、IM和EPS具有抑菌活性，代謝產(chǎn)物中還有一類細菌素，能對其他多種細菌（如病原菌）產(chǎn)生抑制或殺滅作用，而對自身菌屬的細菌具有保護作用。細菌素主要是肽類物質(zhì)，可以在其他細菌細胞膜上形成小孔殺菌或抑制其他菌體的生物合成過程，具有廣泛的抑菌殺菌活性[52]。研究中發(fā)現(xiàn)唾液乳桿菌（Lactobacillus salivarius）細菌素的產(chǎn)生是其菌株具有抗菌作用的主要原因[53]。從腸球菌（Enterococcussp.）純化得到分子量為22.53 ku 的細菌素對銅綠假單胞菌具有頡頏作用[54]。發(fā)酵乳桿菌產(chǎn)生的僅由10個疏水氨基酸組成的細菌素對金黃色葡萄球菌、單增李斯特菌（Listeria monocytogenes）、鼠傷寒沙門氏菌和霍亂沙門氏菌（Salmonella cholera）具有抑制作用[55]。植物乳桿菌的細菌素plantaricin A 被認為是一種群體感應分子，能在腸道中對其他乳酸菌發(fā)揮保護作用，從而增強腸道的屏障功能[56]。乳酸菌產(chǎn)生的Nisin在食品防腐劑和飼料抗菌劑方面具有很好的應用前景[57]。

后生素的抗病原菌方式不只是直接殺菌機制，也可間接增強機體的腸道屏障功能和糾正腸道菌群紊亂從而抵御病原菌的定植和侵襲[58-60]。后生素直接或間接的抗菌活性是其作為抗生素替代品的基礎。目前尚未發(fā)現(xiàn)后生素具有耐藥性的相關報道。

3 后生素在動物養(yǎng)殖中的應用潛力

后生素可減少由畜禽集約化養(yǎng)殖帶來的機體應激、炎癥和傳染病的發(fā)生，改善動物整體健康狀況和提高動物生產(chǎn)性能，具有替代抗生素的潛力。目前研究多集中在MM和CFS對動物生產(chǎn)性能的影響，在家禽上的研究較多，而在家畜和水產(chǎn)動物中的研究相對較少。

在家禽生產(chǎn)中，飲水或飼糧中添加后生素可緩解環(huán)境應激如病原菌感染和熱應激，提高生產(chǎn)性能。研究發(fā)現(xiàn)在肉雞飲水中添加MM，主要是益生菌代謝產(chǎn)生的有機酸，可改善產(chǎn)氣莢膜梭菌（Clostridium per?fringens）引起的腸道損傷，降低壞死性腸炎導致的死亡率[13]。后生素制劑在減輕家禽熱應激方面也有一定的作用，在肉雞日糧中添加植物乳桿菌CFS后降低了肉雞體內(nèi)熱休克蛋白基因表達水平，表明后生素可緩解熱應激在細胞水平的刺激[17]。在肉雞日糧中添加一定量的植物乳桿菌CFS也可提高生產(chǎn)性能，增加日增重和終末體重，提高肉雞飼料轉(zhuǎn)化效率[61]，并能改善肉品質(zhì)，提高雞肉的pH和剪切力，降低滴水損失和黃度[16]。Choe 等[62]通過探究三種植物乳桿菌復合MM 對蛋雞生產(chǎn)性能的影響，結(jié)果表明添加MM 能提高產(chǎn)蛋量，降低血漿和蛋黃中膽固醇濃度，同時會增加糞便中乳酸菌的數(shù)量，降低腸桿菌數(shù)量，對蛋雞的健康具有重要作用。這表明后生素在改善壞死性腸炎、緩解熱應激、改善家禽健康和提高生產(chǎn)性能等方面具有重要意義。

在家畜方面，植物乳桿菌CFS可促進斷奶羔羊瘤胃乳頭生長、改善免疫狀態(tài)和胃腸道健康，調(diào)節(jié)腸道緊密連接蛋白的表達，改善腸道屏障的完整性[63]。后生素可調(diào)節(jié)腸道菌群的組成并形成保護屏障，植物乳桿菌MM能增加腸道內(nèi)乳酸菌、雙歧桿菌等益生菌的數(shù)量從而降低仔豬腹瀉率，也可提高仔豬對飼料蛋白的消化率[64]。

在水產(chǎn)動物方面，后生素也具有改善生產(chǎn)性能和抵抗應激的作用。飼糧中添加植物乳桿菌熱滅活細胞或CFS均能提高南美白對蝦的生長性能、存活率和在環(huán)境脅迫下的耐受性，維持對蝦在急性低鹽脅迫下免疫系統(tǒng)的正常功能[65]。用熱滅活的解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）飼喂印度鯉魚后，印度鯉魚的抗氧化應激能力和免疫能力也得到增強[66]。

后生素制劑在調(diào)節(jié)動物免疫機能、緩解動物熱應激、提高飼料消化率、促進動物生長和改善動物產(chǎn)品質(zhì)量等方面具有重要作用，在動物生產(chǎn)方面具有很大的應用潛力。

4 展望

益生菌作為飼料添加劑時，生產(chǎn)、運輸和儲存的過程中的各種因素（壓強、溫度、pH、含氧量、水分、包裝材料等）可能會造成益生菌生存能力和功能的下降[5，67-69]。而后生素被認為是一種比益生菌更穩(wěn)定的活性物質(zhì)，例如芽孢桿菌產(chǎn)生的水溶性多肽物質(zhì)在很寬的pH范圍內(nèi)都具有抗菌活性[70]。益生菌的一些菌株存在毒力因子可導致類似沙門氏菌感染的局部炎癥反應，因此免疫系統(tǒng)不健全或腸道屏障受損的機體不能承受益生菌帶來的風險[71]。然而使用后生素可避免機體攝入億數(shù)量級的活菌細胞帶來的威脅，減少機體的免疫反應，是一種安全的治療方法。此外，益生菌株中抗生素耐藥基因可能會通過水平基因在腸道菌株中轉(zhuǎn)移傳播，增加感染風險[72]。相比之下，后生素作為飼料添加劑比活的細菌更穩(wěn)定、更安全。

后生素的研究也存在一些尚未解決的問題，例如滅活細胞和無細胞上清成分復雜，分離和分析難度大，功能性物質(zhì)尚不清楚；后生素在動物體內(nèi)作用機制尚不明確，與機體內(nèi)相關信號通路的聯(lián)系尚未建立；目前后生素研究的相關菌株主要是乳酸菌，涉及其他菌株的研究較少；動物相關試驗方面數(shù)據(jù)缺乏，目前市面上也沒有出現(xiàn)商業(yè)化的產(chǎn)品。這些問題都需要科研工作者的持續(xù)探索和研究，為后生素在飼料添加劑領域的應用提供理論支撐和技術參考。