后生元研究進展及應用現狀

劉紅霞，李雪利，吳秀英，馮旭東，郭艷榮，姜云蕓，賴孟瑄，馬海然,

（1.內蒙古蒙牛乳業（集團）股份有限公司，內蒙古 呼和浩特 011500；2.蒙牛高科乳制品（北京）有限責任公司，北京 100107）

益生菌在治療腹瀉、調節腸道菌群、增強免疫力、緩解肥胖、降低膽固醇、降低血壓等方面發揮重要作用[1]，但是益生菌對生存環境要求比較苛刻，而且益生菌攜帶的耐藥基因具有轉移的風險[2-3]，這些問題阻礙了它在食品領域的應用。然而，目前許多研究表明滅活的益生菌及其代謝產物也具有為宿主健康提供益處的能力[4]。因此，目前研究重點逐漸從活的益生菌轉向滅活的益生菌及其代謝產物，也就是后生元。2021年5月，國際益生菌和益生元科學協會將后生元定義為對宿主健康有益的無生命微生物和/或其成分制劑[5]。與益生菌相比，后生元優勢主要體現在：安全性和穩定性高、易于儲存和生產、保質期長、化學結構明確、避免了活菌轉移耐藥基因的潛在風險[6]。

后生元包括滅活的菌體細胞、菌體成分及菌體代謝產物，其中菌體成分包括脂磷壁酸、肽聚糖、細胞表面蛋白等，菌體代謝產物包括胞外多糖、短鏈脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFAs），蛋白質/多肽等[7]。近年來大量研究表明后生元對人體健康發揮有益作用，其作用機制主要包括調節腸道菌群、增強上皮屏障功能、調節局部和全身免疫反應、調節全身代謝反應以及通過神經系統的信號[5]（圖1）。目前后生元已被廣泛應用于食品、臨床疾病治療和動物生產領域，在食品方面，后生元具有改善營養品質、抑制致病菌生長、改善風味等作用；在臨床疾病治療方面，后生元具有增強免疫、調節腸道菌群、抗過敏、降血糖等益生功能；在動物生產方面，后生元具有促進動物生長、治療動物腸道感染等益生功能[8]。

圖1 后生元對人體發揮有益作用的機制Fig.1 Action mechanisms of beneficial effects of postbiotics on the human body

本文基于國內外后生元研究動態和應用現狀，對后生元的主要活性成分及益生功能進行了闡述，總結了國內外后生元的產業化現狀，并對后生元的發展前景做了進一步展望，旨在為后生元的理論研究和商業化應用提供參考。

1 后生元主要活性成分

1.1 滅活菌及菌體成分

1.1.1 滅活菌

大量研究表明滅活后的菌體也可以發揮多種益生功能，例如熱滅活乳酸菌具有免疫調節功能[9]，熱滅活糞腸球菌KH2具有減輕結腸炎功能[10]，熱滅活動物雙歧桿菌乳亞種CECT8145具有緩解肥胖功能[11]，熱滅活唾液乳桿菌AP-32和副干酪乳桿菌ET-66具有抑制口腔致病菌功能[12]，熱滅活副干酪乳桿菌GMNL-653具有抗骨質疏松功能[13]，熱滅活加氏乳桿菌CP2305具有改善慢性壓力功能[14]。由于食品工業中的熱處理歷史悠久，因此目前研究中多選擇熱處理滅活微生物制備后生元[5]。同樣的，電離輻射、高壓、超聲處理、紫外線、歐姆和脈沖電場等技術也可以用于滅活微生物[15]。

1.1.2 脂磷壁酸

脂磷壁酸是革蘭氏陽性細菌細胞壁的重要成分，目前已有研究證明脂磷壁酸具有多種益生功能。植物乳桿菌K8的脂磷壁酸通過抑制腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）和白細胞介素（interleukin，IL）-6的產生緩解過度炎癥[16]，植物乳桿菌KCTC 10887BP的脂磷壁酸可以高效減弱腸上皮細胞中由致病菌誘導的炎癥反應[17]，鼠李糖GG的脂磷壁酸經體內和體外實驗證明其具有通過激活樹突狀細胞和T細胞提高機體免疫力的作用[18]，動物雙歧桿菌乳亞種CECT 8145的脂磷壁酸能夠通過胰島素樣生長因子-1途徑顯著減少模式生物秀麗隱桿線蟲的脂肪含量[19]。此外，脂磷壁酸可以加速骨愈合并增強動態骨的形成[20]。

1.1.3 肽聚糖

肽聚糖作為細菌細胞壁的主要成分，被認為是免疫調節中的關鍵成分[21]。肽聚糖作為先天免疫受體的直接靶標，可以直接激活肽聚糖識別蛋白和胞質核苷酸結合寡聚化結構域樣受體，對于維護免疫系統功能以及建立腸道微生物和腸上皮細胞之間的平衡至關重要[22]。Jing Yang等[23]證明肽聚糖能通過抑制巨噬細胞的吞噬活性治療克羅恩病，Li Xiuliang等[24]發現服用植物乳桿菌肽聚糖小鼠腸道中的乳酸桿菌和雙歧桿菌數量顯著增加，而且小鼠血清中IL-4、干擾素-γ（interferon-γ，IFN-γ）、TNF-α含量顯著升高，證明該植物乳桿菌肽聚糖可以調節腸道菌群失衡，提高全身免疫力。

1.2 代謝產物

1.2.1 胞外多糖

胞外多糖是由植物乳桿菌、乳酸桿菌、鼠李糖乳桿菌、干酪乳桿菌等乳酸菌分泌到細胞外的大分子，根據單糖組成不同可分為同型多糖和異形多糖[25]。作為益生菌的重要代謝產物之一，許多研究發現胞外多糖具有抗氧化、抗腫瘤、免疫調節、抗炎等作用[26]。鼠李糖乳桿菌的胞外多糖具有調節機體免疫功能、抗氧化、抑制動物脂肪生成等益生功能，其中關于調節機體免疫功能的研究最多[27]。瑞士乳桿菌MB2-1的胞外多糖在體外表現出較高的抗氧化能力[28]，也可作為良好碳源調節人體腸道健康[29]。嗜熱鏈球菌ST10的胞外多糖能顯著改善受試者的腸道屏障功能[30]。副干酪乳桿菌IJH-SONE68的胞外多糖可以預防和改善皮炎模型小鼠的過敏反應[31]。

1.2.2 SCFAs

微生物發酵膳食纖維等不易消化的碳水化合物能夠產生SCFAs，包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等，其中乙酸是腸道中最豐富的SCFAs，丁酸是迄今為止研究最多的SCFAs[32]。SCFAs能夠對宿主健康產生積極影響，包括調節免疫、維護腸屏障功能、治療炎癥性腸病及結腸癌等[25]。黏質阿克曼菌產生的SCFAs能促進調節性T細胞的分化，減輕腸道內的炎癥反應，其中SCFAs中的丙酸通過調節腸道微生物群的組成從而維護腸道內環境穩定，丁酸通過上調緊密連接蛋白和腸黏膜上皮黏液的表達維護腸黏膜屏障的完整性[33]。Lucas等[34]證明SCFAs中的丙酸鹽和丁酸鹽可以防止骨質流失并減輕關節炎，在骨代謝和免疫反應中起著至關重要的作用。

1.2.3 蛋白質/多肽

益生菌分泌并釋放到環境的p40或p75蛋白能參與共生細菌與宿主之間的相互作用，分泌的聚集促進因子可促進腸道益生菌定植并阻止病原菌黏附[35]。已有研究證明鼠李糖乳桿菌GG分泌的可溶性蛋白質p40可減少腸上皮細胞的凋亡，減輕結腸上皮屏障功能的損壞，具有預防和治療腸損傷和急性結腸炎的作用[36]。干酪乳桿菌BL23分泌的p40和p75蛋白與鼠李糖乳桿菌GG分泌的p40蛋白類似，對人腸上皮細胞也具有抗凋亡和細胞保護作用[37]。植物乳桿菌NCIMB 8826分泌的聚集促進因子蛋白能夠增強益生菌與黏蛋白的結合能力，有助于益生菌適應腸道環境并限制病原體在腸道黏膜黏附[38]。

2 后生元益生功能

2.1 增強免疫力

機體的免疫系統能夠對抗胃腸道和呼吸系統中的細菌，破壞黏膜屏障，阻止其進入血液和其他組織，因此增強免疫力是預防和治療各種疾病的手段之一[39]。目前許多研究發現后生元能調節樹突狀細胞、淋巴細胞等免疫細胞的免疫反應，表現出明顯的增強機體免疫力的益生作用[40]。康宇鴻等[41]發現灌胃小鼠后生元乳飲料可明顯改善其NK細胞活性，增強非特異性免疫。TNF-α和IL-10對于機體的免疫穩態和健康狀態至關重要，任亞雪等[42]通過體外實驗證實滅活的屎腸球菌能夠誘導TNF-α和IL-10的分泌，從而減輕脂多糖引起的TNF-α/IL-10失衡。熱滅活的短乳桿菌KCTC 12777BP能夠促進巨噬細胞和脾細胞中TNF-α和IL-6的產生，并增強巨噬細胞對大腸桿菌的吞噬作用[43]。此外，熱殺滅干酪乳桿菌[44-46]、植物乳桿菌[47-48]以及鼠李糖乳桿菌[49]增強免疫力的益生功能均已被報道。因此，根據目前已有研究文獻結果表明，具有調節NK細胞活性以及促進IL-6、IL-10分泌特性的后生元能夠增強機體免疫力。

2.2 改善胃腸道健康

2.2.1 維護腸道屏障功能

腸道屏障是一種主要的防御機制，由黏膜層、抗菌肽和分泌性免疫球蛋白等物質組成，能夠維持腸上皮完整性并保護微生物免受環境的影響[50]。腸道屏障功能障礙被認為是導致腸道炎癥和許多胃腸道疾病（食物過敏、炎癥性腸病和乳糜瀉）的主要因素[51]。目前研究發現，后生元能夠調節腸道微生物群組成，增加雙歧桿菌豐度，維護腸道屏障功能。Montalto等[52]證明熱滅活嗜酸乳桿菌及其培養液可以保護HT-29細胞的緊密連接，預防阿司匹林誘導的腸黏膜通透性改變。Sakai等[53]實驗證明熱滅活的戊糖乳桿菌S-PT84通過增加緊密連接蛋白的表達維持腸道屏障和腸道通透性，從而減輕高脂飲食誘導的胰島素抵抗和非酒精性脂肪性肝炎。Zeng Yuhan等[54]證實熱滅活的戊糖乳桿菌S-PT84能夠維持腸道屏障的完整性。由此可見，具有誘導緊密連接蛋白表達特性的后生元能降低腸黏膜通透性，有效維持腸屏障的正常功能。

2.2.2 改善便秘

便秘作為最常見的胃腸道疾病之一，全球成人便秘的平均患病率約為16%，其中33.5%的患者為60～110 歲的成年人[55]。亞洲便秘的發病率為9.6%，我國便秘的發病率為5%～16%[56]。另外，美國每年因便秘產生的直接醫療費用估計超過2.3億 美元，便秘患者的費用支出比非便秘患者多約8700 美元[57]。便秘已經給患者帶來了沉重的經濟負擔并嚴重影響了患者的生活質量，因此提出有效的治療或改善便秘的手段十分重要。陳建國等[56]發現熱滅活的副干酪乳桿菌Lc19具有良好的潤腸通便功能。熱滅活干酪乳桿菌327能夠增強結腸上皮中血清素的表達，縮短結腸轉運時間從而促進排便[58]。Sugawara等[59]證明，含有非活性加氏乳桿菌CP2305的飲料能夠明顯改善志愿者的排便次數、糞便氣味和排便不完全感，并且腸道菌群中的雙歧桿菌含量顯著增加，梭狀芽孢桿菌含量顯著減少。研究表明，具有抑制腸道有害菌繁殖、促進有益菌增殖特性的后生元可有效調節腸道蠕動，改善排便習慣，改善便秘。

2.2.3 預防結腸癌

結直腸癌已經變成常見的惡性腫瘤之一，其發病率一直迅速上升，預計到2035年，全世界結直腸癌的新發病例將達到240萬[60]。我國每年結腸癌的新發病例為37.63萬，其中發病率和死亡率分別高達9.88%和8%[61]。目前研究發現，后生元在緩解和預防結腸癌方面具有重要意義，它可能成為治療結腸癌的新方案。熱滅活的干酪乳桿菌Lbs2能夠顯著抑制炎癥性腸病小鼠中促炎細胞因子TNF-α、IL-6的分泌，并減輕結腸炎的組織病理學特征[62]。熱滅活的糞腸桿菌KH2可以改善腸道炎癥的嚴重程度，并預防葡聚糖硫酸鈉誘導的結腸炎小鼠體內結直腸癌的形成[10]。熱滅活的雙歧桿菌MG731和羅伊氏乳桿菌MG5346經體外實驗證明，能夠通過脂磷壁酸、肽聚糖和多糖等物質誘導人結直腸癌細胞（RKO細胞）的凋亡[63]。以上研究表明，具有抑制促炎細胞因子分泌、誘導RKO細胞凋亡特性的后生元，表現出了優異的預防和緩解結腸癌的功能。

2.3 緩解肥胖

久坐不動的生活方式以及過高的熱量攝入導致全球肥胖患病率不斷上升，而肥胖是心臟病、糖尿病和中風等多種慢性疾病的危險因素[64]。另外，治療肥胖的藥物會引起肝衰竭、胰腺炎和頭痛等多種副作用[65]，因此，迫切需要一種安全有效的天然產品治療肥胖癥。目前已有數據顯示，后生元在一定程度上具有預防或緩解肥胖的益生作用。鄧思思等[66]證實巴氏滅活的嗜黏蛋白阿克曼菌可以緩解高脂飲食大鼠的代謝紊亂，顯著降低與肥胖相關的厚壁菌門/擬桿菌門的比例，防止體質量增加，從而有效預防肥胖。人群實驗證明，熱滅活的動物雙歧桿菌乳亞種CECT 8145能夠顯著增加腹部肥胖人體腸道中嗜黏蛋白阿克曼菌含量，降低體質量指數并減少肥胖相關生物標志物，而且熱滅活形式比活菌更有效[67]。熱滅活羅伊氏乳桿菌GMNL-263能夠顯著減輕肥胖引起的胰島素抵抗和肝脂肪變性等代謝異常[68]。由此可知，具有降低厚壁菌門/擬桿菌門組成比例、增加嗜黏蛋白阿克曼菌含量特性的后生元可以顯著降低體質量指數并緩解肥胖引起的代謝紊亂。

2.4 維護口腔健康

牙周炎是一種最常見的口腔疾病，其發病機理是口腔中革蘭氏陰性厭氧菌大量的繁殖，對牙周支持組織造成不同程度的破壞。根據我國第三次口腔健康流行病學調查結果顯示，我國的牙周炎患病率高達85%[69]。現有數據顯示，后生元能夠減輕牙周炎的氧化損傷和炎癥負擔，可以被作為治療牙周炎的輔助手段[70]。Lin等[71]證明，服用后生元（巴氏滅活的唾液乳桿菌AP-32、副干酪乳桿菌ET-66和植物乳桿菌LPL28及其發酵液）4 周可以有效抑制志愿者口腔中變形鏈球菌等病原體的生長，并顯著增加口腔中唾液乳桿菌、雙歧桿菌和乳酸桿菌等有益微生物的數量。丁琴鳳等[72]通過體外共培養實驗證明滅活的嗜酸乳桿菌ATCC4356可黏附于牙齦角化上皮細胞，并且對口腔致病菌（具核梭桿菌和牙齦卟啉單胞菌）具有較強的黏附拮抗作用，為后生元防治口腔疾病提供了實驗數據支撐。研究表明，具有抑制口腔致病菌黏附、促進雙歧桿菌等有益菌增殖特性的后生元，能夠發揮維護口腔健康的益生功能。

2.5 緩解骨質疏松

隨著世界人口老齡化程度進一步加深，骨質疏松患病率已經緊隨心血管、糖尿病躍居慢性疾病第3位，成為10 種影響人類健康的重要慢性疾病之一，而且關節和骨骼健康已成為消費者最關注的十大健康問題之一[73]。目前相關研究表明后生元可以通過腸道-免疫-骨軸途徑緩解骨質疏松，其作用機制是免疫細胞（Treg、Breg）通過分泌IF-10抑制破骨的形成，同時分泌TNF-α促進成骨細胞的分化[74]。另外，后生元成分如菌體代謝產物SCFAs或次級膽汁酸均可促進成骨細胞和免疫細胞Treg的分化，同時能夠通過抑制破骨細胞的形成緩解骨質疏松[32]。國外相關研究結果顯示，滅活的副干酪乳桿菌[13]、丙酸桿菌[75]、彎曲乳桿菌[76]、復合菌的裂解物及上清液[77]、鼠李糖乳桿菌[78]能夠增加卵巢切除鼠模型的骨密度，促進成骨細胞的分化并抑制破骨細胞的生成，從而有效緩解骨質疏松癥（表1）。因此，具有促進成骨細胞分化、抑制破骨細胞形成特性的后生元，具有緩解骨質疏松的益生功能。

表1 后生元對骨質疏松癥的緩解作用Table 1 Relieving effect of postbiotics on osteoporosis

2.6 其他功能

除上述益生作用外，后生元還被證明具有緩解壓力、維護皮膚健康、抗氧化等益生功能。動物實驗[79]及人群實驗[14,80]結果均已證明滅活的加氏乳桿菌CP2305能夠改善宿主的精神狀態，提高睡眠質量并顯著減少焦慮和睡眠障礙。熱滅活的乳酸乳球菌經驗證能夠影響角質的形成以及皮炎關鍵基因的表達，從而維持皮膚微生物組的穩定性[81]。分離自泡菜的熱殺滅植物乳桿菌Ln1經驗證具有抗氧化活性，表現出很高的1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基和2,2’-聯氮-雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)陽離子自由基清除活性以及還原能力[82]。

3 國內外后生元產品的發展現狀

3.1 日本后生元產品的發展現狀

日本光岡知足博士于1964年證明加熱后的酸牛奶能夠延長老鼠壽命，宣告了日本在后生元領域研究的開始，之后日本高校和企業的積極參與奠定了其領先地位[83]。目前日本在后生元方面的研究和應用已取得較大進展，多家知名企業爭相推出商業化的后生元（表2）以及添加后生元的飲料、點心、糖果等食品，后生元食品已經形成了較大的產業規模。Combi株式會社作為日本最早研究滅活糞腸球菌的公司，已經在日本銷售滅活乳酸菌產品近20 年，占日本同類產品市場的40%，目前該公司的后生元BR-108和EC-12已經添加到乳酸菌飲料、口香糖和果凍等食品[84]。除此之外，House公司的后生元L-137和森永乳業的后生元LAC-Shield已經應用在味增湯、牛奶、面包等日常食品中。KITII株氏會社的后生元KT-11已經應用在口腔護理產品中，例如燕教授漱口水、牙膏。另外，朝日公司具有減少身體脂肪功效的后生元CP1563、麒麟公司具有增強免疫力功效的后生元PLASMA乳酸乳球菌以及Snowden公司具有抗幽門螺桿菌功效的后生元LJ88也在相關產品中應用。

表2 后生元商業化產品Table 2 Commercial postbiotic products

3.2 美國和德國后生元產品的發展現狀

除日本外，美國和德國等國家也很重視滅活菌的基礎研究與應用，主要圍繞后生元改善腸道環境、提升免疫力、減少體脂肪以及抗幽門螺桿菌等功能進行研究。嘉吉的后生元EpiCor由滅活的釀酒酵母及其代謝產物組成，目前已經應用在功能性食品、低溫酸奶、膳食補充劑中[85]。ADM公司的后生元BPL-1獲得了2021年度體重管理類原料大獎，該后生元已經應用在具有減少體脂肪功效的口香糖中[86]，另外2022年元氣森林和伊利分別推出的對策乳酸菌和茶與茶尋同樣添加了后生元BPL-1。諾維信的后生元Pylopass具有保護腸胃健康、控制幽門螺桿菌感染的益生功能[87]，目前已經應用在抗幽門螺桿菌相關產品中。

3.3 國內后生元產品的發展現狀

我國從20世紀50年代開始研究益生菌以及與微生態相關的基礎理論及應用，市場上也不斷出現微生態制品[88]，但在后生元方面的研究及應用仍處于萌芽階段，其中錦旗生物、均瑤健康、科拓恒通以及華潤江中等企業一直在進行后生元市場的開拓。錦旗生物推出的后生元益萃質在沖泡型以及休閑食品中均有應用，均瑤健康的后生元CCFM1118和RS8-5（味動力乳酸菌飲品），科拓恒通的后生元Pbio-99（護膚品、牙膏）和Probio-Eco（面包），華潤江中的后生元乳酸菌素片，景岳生物公司的后生元ADP-1（牙膏）、GMNL-263（咖啡）和GM0857（早餐粥）也已經應用在各類產品中。另外，錦旗生物還單獨提供滅活的副干酪乳桿菌ET-66粉劑和滅活的唾液乳桿菌AP-32粉劑，分別具有維護口腔健康、抗菌的功效，但目前尚未查到相關的應用案例。

4 結語

近年來已有大量科研院校和企業研究后生元成分對宿主的益生功能，包括滅活菌體、脂磷壁酸、肽聚糖等菌體成分以及胞外多糖、SCFAs等菌體代謝產物，而且越來越多的體內和體外實驗證明，后生元在增強免疫力、調節胃腸道功能和緩解肥胖等方面具有顯著功效。目前國外后生元的研究和應用已取得較大進展，例如日本、美國和德國等國家已經建立起了后生元市場，特別是日本的后生元食品已經形成了較大的產業規模，在后生元研究和應用領域均處于領先地位，國內后生元的理論研究和產業化仍處于起步階段，但越來越受到學術界、產業界和消費者的關注。

后生元具有更高的安全性和穩定性、更易于儲存和生產的優勢逐漸得到認可，但仍面臨著一些挑戰。在法規層面，目前我國還沒有相關標準用于后生元的生產和管理，導致缺乏明確的監管框架和應用依據，特別是對于后生元應用端來說，在產品配料表中不知如何標識、如何宣稱健康功能等；在消費者認知層面，消費者對后生元的概念還比較模糊，而且絕大多數消費者會認為“活性益生菌才有效果”“活著到腸道才是最佳”。因此，后生元就顯得與主流觀念格格不入，未來需要不斷科普后生元相關知識，引導和建立消費者對后生元及其益生功能的正確認知；在科學循證方面，后生元發揮益生功能的有效劑量以及作用機制還有待深入探索，需逐步建立后生元的健康作用與量效關系的循證方法，以此產出圍繞后生元產品的前沿科研成果，提高后生元及后生元產品的綜合競爭力。

益生菌的活菌數是其發揮生物功效的必要條件，低溫酸奶是益生菌健康功能宣稱的重要載體。常溫酸奶作為大眾喜愛的乳制品，因其比較溫和、對腸胃刺激小，符合中國消費者的飲食習慣和健康需求，在我國呈現出爆發式增長。近幾年，常溫酸奶增速逐步放緩，需要從健康功能角度突破，后生元應用優勢與常溫酸奶特點契合，開發后生元功能酸奶具有重大意義和經濟價值，市場潛力巨大。