后生元的功能及其應用

李 譽，張競文，鄭亞平，汪玲娥，張惠琳，葉亞明，張 宇，張 微，滿朝新，姜毓君*

（1 東北農業大學食品學院 乳品科學教育部重點實驗室 哈爾濱150030 2 均瑤大健康飲品股份有限公司 湖北宜昌 443199）

本文介紹后生元的制備方法，其對機體所產生的積極作用，以及在食品、醫藥與臨床、動物生產與預防控制及抑菌領域的應用，展望未來發展前景。

1 后生元的制備方法

由于后生元的化學成分、安全性、易用性和儲存性、在廣泛pH 值和溫度范圍內的穩定性以及廣譜抗菌活性[4]，使得后生元具有較強的深入研究意義。同時，由于后生元被定義為細胞代謝產物和細胞壁衍生物質，使其可通過多種破碎細胞途徑獲得，主要分為熱處理與非熱處理方式，熱處理包括巴氏殺菌與殺菌，非熱處理包括紫外線、電離輻射、超聲、高壓、脫水以及pH 值的改變等[5]，而目前針對于確定后生元制備條件，而改變不同參數對后生元制備過程中的成分的研究還有待進行。在考慮制備方法的同時還要考慮到發酵培養基、細菌的繁殖、收獲、濃縮方法、保存及應用條件等因素對最終產品的影響。

目前，對于后生元的對其制備和分析方法較為普遍的是通過離心制取其無細胞上清液。表1列舉了幾種不同菌株在不同條件下制備無細胞上清液制取條件及應用。

表1 后生元的制備方式及產品應用Table 1 Preparation method and product application of postbiotic elements

2 后生元的功能

2.1 調節過敏反應

過敏是機體對外來物質的過度反應所產生的相關癥狀，其根據過敏部位可分為食物過敏、過敏性鼻炎、特應性皮膚過敏和過敏性哮喘等，其癥狀主要指血管水腫、皮膚炎癥、腹瀉、嘔吐、腹痛、鼻塞等[11]，嚴重的過敏反應還會導致休克和死亡。特別是過敏癥狀，由于無法改變的先天性遺傳因素，藥物會暫時緩解機體出現的相關癥狀，恢復正常身體各項機能指標。然而，隨著過敏源的再次出現，機體會出現反復過敏，且隨著所采用的治療藥物使用次數的增加，機體會逐漸產生耐藥性，使得藥物失效無法緩解癥狀，并且藥物的攝入本身就會對機體產生一定的負面效果。近幾年，隨著各種類型過敏反應的發病率持續升高，已嚴重影響患者的健康和生活質量[12]。

預防過敏最有效的方法是有意識地避免接觸過敏原，而人們在食用某種多種原料加工而成的食品時，并不知其已接觸到過敏原，面對這種情況，后生元治療可能是預防及溫和治療過敏的又一個相對安全的候選輔助療法[12]。Arai 等[13]的研究結果顯示，從健康成年人腸道中分離出的副干酪乳桿菌MC1849 通過熱滅活后口服可誘導小腸、血液和肺部的特異性抗原IgA 的產生，并增強了與免疫細胞分化相關的IL-12、IL-10、IL-21 以及P40 信號通路中的基因表達，進而緩解過敏反應。Rad 等[14]認為定期使用后生元成分可調節免疫系統的功能，激活相關信號通路以平衡胃腸道穩態，后生元成分中的短鏈脂肪酸和細菌素在一定程度上可減少致病菌的生長繁殖以及相關毒素的產生，而細菌素還可通過多種機制發揮免疫調節作用從而增強機體的抗炎活性，從而調節過敏癥狀[15-16]。這一結果表明后生元可作為溫和輔助治療機體過敏的有效手段之一，其成分中已認定確含有可緩解機體過敏的作用，可在其成分添加或提取的基礎上針對性開展相關研究及產品開發。

2.2 調節腸道功能

腸道微生物群作為人體內最龐大的微生物系統，其穩態可影響體內多種生理生化功能[17]。腸功能紊亂與多種因素相關，如精神萎靡、飲食不規律、環境刺激、免疫力低下以及腸道動力學出現問題等。其中，人體的免疫系統在維持腸道微生物群落的內環境平衡方面起著重要的作用[18]。因此，腸道內平衡一旦遭受破壞，就可能導致腸道功能及多種身體功能受到損壞，從而導致免疫性疾病。已有研究證實，在患有腹瀉型腸易激綜合征（IBS-D）的患者服用滅活的乳酸桿菌LB+發酵培養基后，患病率從治療前的54%大幅降低到18.5%[18]，并且腹痛、腹脹、腹瀉的癥狀得到顯著緩解。Wegh 等[3]的研究表明可以通過早期后生元的干預來緩解腸道狀態，從而改善嬰兒絞痛及腹瀉等癥狀。在Yang 等[19]的研究中，采用3 種益生元海藻酸鈉、抗性淀粉（RS）和殼聚糖和后生元遞送微膠囊，其通過微流噴霧預防和治療結腸炎，其結果顯示出二者具有較好的協同治療作用。

目前，針對于調節腸道功能的后生元研究較多的在短鏈脂肪酸（SCFAs）中丁酸和丙酸，Maioli等[20]的研究結論表明后生元、益生菌以及益生元可作為管理腸道疾病的養分，其主要是由于丁酸可通過誘導腸道中的調節性T 細胞的分化[21]以及丙酸可增強外周調節性T 細胞的形成[22]來增強免疫反應，從而緩解局部炎癥維持腸道平衡。

女生身高與50m呈低度負相關（r=-0.127，P＜0.01），男生身高與50m的相關性幾乎為零。雖然體測針對普通大學生，目的意義重點在于個體體質健康水平測試，但通過體測數據為校隊選材也逐漸成為各高校運動競賽前選材的首選途徑。運動員的選材會更傾向于身高高的運動員，但是也有研究表明身高并不是影響短跑運動員取得好成績的主要因素[14]，初級階段的選材，身高、體重、四肢長短以及身體形態只是參考指標，更多是要結合個體差異，將科學評價和經驗、先天因素和后天發展相結合綜合考量。

2.3 調節機體免疫

免疫功能（Immunologic function）是指機體局部或整個機體內部環境因多種外界原因出現不適癥狀后，針對不良反應而所起到調節機體內部平衡的一種功能，其屬于人體必需的一種保護機制[23]。免疫功能是機體所必備的一種調節機體穩態平衡機制，免疫功能的強、弱主要與個人的身體情況、先天遺傳、外部環境以及后天身體素質的鍛煉等有關。免疫功能異?？赡軐е露喾N疾病的發生[24]，例如常見的病癥有過敏、腸胃不適、腫瘤等。

研究表明后生元可促進機體在調節免疫系統方面的積極效應[16]，其可通過改善機體的脾淋巴細胞的增殖能力、巨噬細胞的功能和NK 細胞活性來實現免疫功能的調節[25]。目前，已有研究證明環境因素能消極或積極地通過調節腸道微生物組-免疫系統軸來影響兒童免疫系統，并且通過Carucci 等[26]的研究證實，通過外部攝入一定量的益生菌和后生元產品可對微生物組-免疫系統軸產生積極的調解作用，從而改善免疫耐受性，對兒童免疫調節產生促進作用，也為更多兒童疾病提供了創新的治療策略。

2.4 緩解炎癥

炎癥（Inflammation）是指機體內組織受到刺激性創傷后產生的防御反應[27]，主要表現為表面紅腫、發熱等。炎癥的產生原因主要分為：1）由細菌、真菌、病毒等病原體引起的生物性炎癥；2）由高溫、射線及機械損傷引起的物理性炎癥；3）由外源性化學物質和內源性毒性物質引起的化學性損傷。除了以上外界原因外，深層原因是當機體免疫功能失調，可能會發生吞噬細胞或T 淋巴細胞減少[28]，炎癥不能及時恢復，造成炎癥反復，加劇患處感染的可能性。

有研究證實由益生菌制備的后生元在緩解炎癥方面起著重要調控作用。Sokol 等[29]對比研究了普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）及其后生元制劑在體外和體內的抗炎作用，研究分析普拉梭菌在Caco-2 細胞內和TNBS 結腸炎模型中表現出抗炎作用，得出了普拉梭菌的無細胞上清培養液中含有其分泌的代謝產物丁酸阻斷了NF-κB信號通路的激活和IL-8 的產生，從而緩解了炎癥。在Martorell 等[30]的研究中，發現經過熱處理的長雙歧桿菌CECT-7347 非生物活性制劑可通過激活與先天性免疫功能相關的途徑來減少急性炎癥反應，還可以在一定程度上減少腸道屏障損傷。Du 等[31]的研究也表明，使用鼠李糖乳桿菌（LGG）、羅伊氏乳桿菌（Lactobacillus reuteri）以及動物雙歧桿菌BB12 制備的后生元均可以通過減少IL-1β 的分泌，來降低在巨噬細胞中由晶體二氧化硅誘導的細胞毒性和炎癥水平，從而達到保護巨噬細胞免受毒性和炎癥的侵害。

2.5 緩解肥胖與糖尿病

近年來，肥胖已成為國內和國際上嚴重的公共健康問題[32]。造成肥胖的原因主要與飲食習慣、生活方式、遺傳因素等因素息息相關。有研究表明，隨著肥胖程度的增加，患糖尿病、高血壓、非酒精性脂肪肝病的概率也會增加[33]。

同時，隨著世界范圍內糖尿病發病率的增加以及微生物群在疾病進展中的影響，后生元似乎是新的治療靶點[34]。在Huang 等[35]的細胞試驗中，植物乳桿菌H31 所產的胞外多糖H31-2 可通過降低胰島素抵抗HepG2 細胞上清液葡萄糖濃度并且抑制胰腺α-淀粉酶活性以及上調GLUT-4、Akt-2 和AMP 表達來減緩體重和緩解糖尿病癥狀。目前，針對后生元對肥胖及糖尿病的研究很少，還有待持續關注。

2.6 治療癌癥

癌癥作為全世界范圍內導致人類高死亡概率的重大疾病之一[36]，已成為一項持續的公共衛生挑戰。癌癥的形成是一個多因素、多步驟的難以控制的復雜過程，主要是由于癌癥細胞非正常分化、異常增殖、失控增長和轉移性等生物學特性[37]，難以完全治愈，現今仍是醫學界仍待攻克的難題之一。

目前，中國正處于癌癥過渡期，結直腸癌、前列腺癌和乳腺癌的患病概率不斷增加，肺癌和上消化道癌的負擔也越來越重[38]。在治療癌癥方面，手術切除、放療、化療和免疫治療是癌癥的主要治療方法，而同時伴隨患者的痛苦和極大的副作用。已有相關研究表明可采用后生元通過外源性干預治療癌癥，且在不損害臨近細胞的情況下引起癌細胞的凋亡。在Rajoka 等[39]對宮頸癌的體外試驗中，證明了從母乳中分離的3 株鼠李糖乳桿菌SHA111、SHA112 和SHA113 的無細胞上清 液對DPPH 自由基、超氧陰離子自由基和羥自由基表現出優異的抗氧化活性，并通過細胞毒性和誘導細胞凋亡在宮頸癌細胞上具有顯著的抗癌活性。Park 等[40]通過評價植物乳桿菌L-14 無細胞提取物對皮膚癌中的惡性黑色素瘤A375 細胞試驗過程中的細胞活性、遷移能力和凋亡相關基因的分子變化以及細胞色素c 的位置，證明了植物乳桿菌L-14 無細胞提取物抑制了A375 細胞的活力、下調了遷移相關基因的表達，并誘導了A375 細胞內在凋亡，表明L-14 無細胞提取物對A375 細胞具有抗癌活性。

2.7 抗氧化作用

研究表明，人體內大量自由基的產生可能會增加衰老的速度，從而降低身體基礎代謝能力與毒素排出能力，一旦這種情況長期持續下去，就可能會增加機體患病風險，如癌癥、腸道功能疾病等[41]。因此，探尋抗氧化或減緩機體內氧化反應程度的抗氧化劑就顯得尤為重要。已有大量研究表明，使用抗氧化劑可最大程度減緩機體內氧化反應的發生，其原理是抗氧化劑中具有高活躍成分會體內產生的自由基優先發生反應，從而達到抗氧化作用。

目前研究已證實益生菌具有抗氧化能潛力，Roshan 等[41]通過試驗證明了益生菌可作為補充劑可改善體內抗氧化狀態的生物標志物。因此，可通過單獨食用益生菌或補充益生菌的食物來減少氧化損傷，并改變自由基清除率和人體內關鍵抗氧化酶活性[42-43]。

隨著后生元功能的持續研究，Guerrero-Encinas 等[44]采用體外模擬消化流程測定干酪乳桿菌CRL 431 后生元抗氧化能力，通過檢查肝臟線粒體功能、H2O2水平、氧化應激指數等指標，發現干酪乳桿菌CRL 431 后生元具有緩解黃曲霉毒素B-1 誘導的氧化應激狀況，證明其有潛在的抗氧化作用。最近報道顯示，植物乳酸菌制備的后生元是抗氧化劑的天然來源，由此Chang 等[45]采用從馬來西亞食品中分離出的6 株植物乳酸菌分別制備后生元，探究了不同成分的培養基對其能發揮的抗氧化活性的影響，發現配置培養基中的羥基可增強自由基清除活性，從而導致其后生元還原性增強，能更好地表現出較強的抗氧化活性。

3 后生元未來進展

如上述介紹，后生元在調節機體功能方面有著巨大潛能，且隨著未來持續研究，后生元在多領域的應用也逐漸被發現[46]。

3.1 食品領域

在食品領域，可添加益生菌的食品種類已非常普遍，并且后生元可憑借其獨特的穩定優勢參與益生菌的替代添加[5]。Parvarei 等[47]通過使用益生菌嗜酸乳桿菌ATCC SD522 和乳酸雙歧桿菌BB-12 以及滅活形式的副益生菌生產酸奶，并在適宜的冷藏溫度下儲存并測定其生化和物理指標，通過與益生菌酸奶產品比較得出結論，后生元可作為開發功能性酸奶的合適替代品，并且在生產過程中由于后生元的安全性很少涉及技術挑戰。

同時，也因為不同益生菌滅活后得到的后生元的功能性不同，可添加到食品中研發有益于健康的功能性食品，如滅活乳酸菌粉劑，以滿足消費者多種需求。

3.2 醫藥與臨床領域

現今各國已有將后生元作為藥品和膳食補充劑進行了商品化，其功效大多針對于以下3 個方面：1）促進腸道消化、緩解腹瀉、改善便秘；2）平衡免疫反應，緩解特異性皮炎；3）控制幽門螺旋桿菌感染。目前已有通過噴霧干燥制備的羅氏乳桿菌DSMZ 17648 后生元產品具有抵抗幽門螺旋桿菌感染的功效。同時，制備的嗜酸乳桿菌LB 后生元也被證實具有高效治療腹瀉的功能[48]。針對其它功能的研究還有待開展，如抗肥胖、抗氧化和抑制異常細胞的增殖[49]等。

正如文章上述所提到的多種功能特性，目前已發現后生元所具備的免疫調節與抗炎作用可應用于臨床治療中傷口的恢復，通過Golkar 等[50]的研究發現采用發酵乳桿菌、羅伊氏乳桿菌和枯草芽孢桿菌制備的后生元局部冷霜制劑與無添加后生元成分的冷霜制劑相比，所含有3 種后生元的制劑都顯著加速了傷口的愈合過程。

3.3 動物生產與防控領域

肉類作為我國居民不可或缺蛋白質攝入來源，其生產質量是民生關注重點。然而，在動物生產養殖過程中會不可避免地出現疾病的發生，使用抗生素手段進行預防和治療早已不在適用，肉類與抗生素的濫用可能會導致耐藥病菌的產生[51]。安全有效且不會通過牲畜進行有害物質富集，且在一定程度上可改善牲畜生長性能是目前的研究方向。Humam 等[52]的研究發現，在肉雞中飼料中添加由植物乳桿菌制備的后生元，可降低血液膽固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白濃度，并減少組織中和烹飪時水分損失，可作為飼料中抗生素的替代品和熱應激肉雞抗氧化劑的天然來源。在Izuddin等[53]的研究中，新斷奶羔羊在攝入植物乳桿菌RG14 后生元后，提高了斷奶羔羊腸道的丁酸含量、瘤胃氨氮濃度和營養消化率，進一步發現了涉及瘤胃發酵與營養攝入基因的上調，從而達到了提升斷奶羔羊生長性能的效果。

大多數水產動物可為人體提供優質蛋白質和必需的常量和微量營養素，如ω-3 脂肪酸和維生素等[54]，并且具有獨特的鮮美口感，然而在滿足眾多消費者的產量需求下，質量問題也隨之而來。大量且頻繁使用抗生素是導致水產養殖防控問題的主要原因之一，現已有研究發現后生元可起到水產養殖中傳染病防控的作用[55]。Shahid 等[56]發現采用肉桿菌V1 制備的后生元制劑可有效抑制水產養殖病原體腸球菌、肉芽桿菌，采用肉桿菌M35制備的后生元可有效抑制水產養殖病原體李斯特菌，從而控制水產養殖環境與水產動物質量。

3.4 抑菌防腐領域

目前在對后生元的研究中不僅是在其對食品、藥品功能特性中，后生元的出現還間接促進了其它領域的研究進程，在針對食品防腐和包裝方面也已發現后生元有潛在的應用價值[57]。Mitsuwan等[58]通過制備乳酸桿菌分離物的凍干無細胞上清液（LCFS）評估其體外抗菌和抗生物膜能力，采用肉湯微稀釋測定LCFS 的結果表明，所有分離株都能抑制病原體的侵入，并表現出很強的抗生物膜活性，具有抑菌防腐的潛力。Yordshasi 等[59]制備了一種含有植物乳桿菌ATCC 14917 來源的后生物菌的凍干粉體，將其與細菌納米纖維素結合，研制出具有良好抗菌效果納米紙，可應用于需要特殊防護的產品包裝，此研究在滿足包裝需要的同時又兼具了安全特性，且在一定程度上符合當前綠色環保要求，未來可進一步評估其回收及降解效果。

4 結論

本文介紹了后生元以及制備后生元的多種方法，詳細闡述了后生元對機體的各種作用，主要包括：1）通過調節信號通路，緩解機體的過敏反應；2）維持腸道微生物平衡，調節腸道狀態，平衡機體腸道穩態；3）調節非正常免疫狀態，增強機體免疫作用；4）緩解機體炎癥，增強機體抗過敏與修復能力；5）下調相關導致肥胖表達的基因，減緩肥胖以及由肥胖導致的糖尿病的發生；6）通過降低癌癥細胞活性和遷移能力，誘導癌細胞凋亡，從而治療癌癥；7）通過較強還原成分與體內自由基反應，達到抗氧化效果。

后生元與益生菌相比，后生元具有以下獨特優勢：1）具有良好的耐受性，可降低人體出現不良反應的風險，受益群體廣泛；2）根據其制備方式，其有效性獨立于細胞活力，具有穩定性強、保質期長的優點；3）可實現大規模生產。正是后生元具有益生菌無法比擬的優良特性，使得目前其獲得的關注度持續增高，相關研究也在不斷深入。

5 展望

在后續對后生元科學研究中，由于后生物產物的組成以及宿主對后生物產物的反應取決于完整的生產過程，所以針對不同需求的研究開展時，更多的是基于所采用的菌株本身特性來進行開展，也可以單獨研究其中某一發揮獨特作用的成分，探究相似菌株之間是否共性成分作用特性也相似。其次就是考慮所采取的制備方法，或提取需要的物質成分，從而獲得理想的用于研究的后生元樣品，并且針對于制備方法方面，可以探尋同一菌株通過不同制備方法制備出的后生元在其成分及作用方面的不同。同時，針對后生元對機體其它的作用研究也有待開展以及在對后生元進行研究時的定量方法、比例等還不完善，還處于待研究狀態。

后續對后生元應用研究可向以下幾個方向發展：1）在食品研發領域，可考慮將后生元與益生菌、益生元相結合，保證安全且的前提下，研究其對各種食品的協同增進效應機制與合理添加配比。針對特殊人群，加大投入功能性食品的研發，滿足其對特殊食品或成分的需求，從而拓展我國功能性食品市場；2）在醫藥與臨床領域，可在原有的愈合傷口作用的基礎上加深研究，如可開發凝血、消炎、殺菌、抗流感等后生元藥品，豐富藥品的種類的同時加強針對性，可減少抗生素藥類的使用，避免人群出現集體耐藥性。3）在動物生產和防控領域，可針對相應養殖品種、區域條件開發相應治療和抗菌產品，提高牲畜的質量安全和營養價值，完善產業鏈供應。4）在包裝防腐領域，針對產品不同需求的防腐程度，開發相應包裝材料，保障產品在供應及銷售的穩定。未來對于后生元研究及應用產品應實現多樣化。