后生元（postbiotics）生态学、生物合成与食品应用：面向下一代食品体系的天然生物保护剂

《Food Production, Processing and Nutrition》：Ecology, biosynthesis, and food applications of postbiotics

　　

后生元（postbiotics）被定义为对宿主（host）具有健康益处的无生命微生物（inanimate microorganisms）和/或其代谢产物（metabolites）的制剂，近年来已成为在食品工业中具有广泛应用前景的生物活性化合物（bioactive compounds）。与益生菌（probiotics）相比，后生元具有更高的稳定性、更长的货架期（shelf life）、更易标准化以及更少的安全性顾虑，使其成为工业应用的有吸引力的候选者。尽管对后生元的兴趣日益增长，但有关其生态起源（ecological origins）、生物合成途径（biosynthetic pathways）、作用机制（mechanisms of action）以及实际食品应用的信息仍较为分散。本综述全面总结了当前关于后生元的生态学（ecology）、分类（classification）、生物合成（biosynthesis）、表征（characterization）和生物活性（biological activities）的知识。特别关注影响后生元生产的微生物来源（microbial sources）和环境因素（environmental factors），以及主要生物活性化合物类别，包括有机酸（organic acids）、细菌素（bacteriocins）、酶（enzymes）、肽（peptides）、胞外多糖（exopolysaccharides, EPS）和细胞壁组分（cell wall components）。研究人员还讨论了其抗菌（antimicrobial）、抗氧化（antioxidant）、免疫调节（immunomodulatory）和抗炎（anti-inflammatory）作用的分子机制（molecular mechanisms）。此外，本综述批判性地回顾了后生元作为天然防腐剂（natural preservatives）和功能成分（functional ingredients）在肉类、乳制品、海产品及其他食品中的最新应用进展。近期研究证据表明，后生元能够有效抑制食源性病原体（foodborne pathogens），改善产品质量与安全性，延长货架期，并促进清洁标签（clean-label）食品的开发。然而，与生产优化（production optimization）、标准化（standardization）、法规批准（regulatory approval）和大规模商业化（large-scale commercialization）相关的挑战仍然是其广泛采用的重大障碍。本综述强调了后生元作为下一代食品系统（next-generation food systems）可持续且多功能成分的日益增长的潜力，并指出了其未来工业实施的关键研究重点。

引言（Introduction）：食品腐败与病原微生物污染是全球食品工业重大挑战，微生物劣变降低货架期和品质并造成食源性疾病和经济损失。消费者对最低加工和清洁标签（clean-label）食品需求上升，推动天然、可持续替代合成防腐剂。研究人员关注天然生物活性化合物和纳米技术，包括植物提取物、精油、酚类、抗菌肽和细菌素，以及纳米乳液、纳米包封、抗菌纳米颗粒和活性包装；但天然化合物不稳定、感官不良、成本、纳米材料毒性和法规限制仍限制应用。益生菌益处可能由代谢物和结构组分介导而非活性，推动后生元（postbiotics）研究。国际益生菌与益生元科学协会（ISAPP）将后生元定义为无生命微生物和/或其组分制剂，对宿主健康有益，包括有机酸、短链脂肪酸（SCFAs）、细菌素、胞外多糖（EPS）、酶、肽和细胞壁片段。与益生菌相比，后生元稳定性、安全性、标准化和法规可接受性更好，且不含活细胞。本综述概述其生态、活性测定、分类、遗传、生物合成、调控、作用方式、生产和食品应用。

自然与纳米食品保鲜技术新兴趋势（Emerging trends in natural and nano-enabled food preservation technologies）：食品保鲜转向可持续、生物来源和环境友好策略。绿色技术控制腐败真菌和霉菌毒素日益重要，超声、脉冲光、欧姆加热等非热技术可减少果蔬真菌生长和毒素积累。纳米技术中，多功能纳米复合材料整合抗菌和保湿特性，含生物活性化合物和聚多巴胺纳米粒的保鲜纸增强机械和阻隔功能并抑制真菌腐败；绿色合成金属和金属氧化物纳米颗粒有强抗菌活性，但毒性和环境累积限制。植物源化合物如香芹酚（carvacrol）通过活性氧（ROS）介导氧化应激和膜破坏发挥抗菌。后生元因兼具抗菌保鲜益处与稳定性、标准化、安全性和工业兼容性而受关注。

后生元生态学（Ecology of postbiotics）：按进化原则，合成后生元是有利性状，可抑制或竞争胜过生态位中其他微生物，获得生存增殖机会。后生元塑造微生物种群动态，但生物膜等混合群落中生态与进化相互作用复杂且未完全理解。自然生态系统研究如植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）在绿橄榄发酵、大肠杆菌（Escherichia coli）在豚鼠结膜、变形链球菌（Streptococcus mutans）在口腔，显示产生后生元的种群有竞争优势。在西班牙式绿橄榄发酵中，产后生元植物乳杆菌在12周保持优势，不产变体7周后检测不到。数学模型多基于大肠杆菌，某些菌株在营养耗竭或拥挤时释放抑制性后生元，破坏膜、降解核酸或干扰代谢。约30%天然大肠杆菌产生抑制性后生元，已鉴定超过25种系统；约70%细胞对至少一种耐药，约30%对全部耐药。产生比例受代谢和能量成本影响。

后生元活性测定（Determination of postbiotics activity）：后生元活性多样，包括抗氧化、抗炎、免疫调节、代谢和抗菌，评估需不同分析和生物学方法，抗菌活性研究最多。细菌产生有机酸、细菌素、酶、过氧化氢（H₂O₂）等抗菌物；后生元是特定组，但有机酸等可能干扰，研究乳酸菌（LAB）时需区分或消除有机酸效应。常用琼脂平板“点种-草坪”法及直接和延迟方法；延迟法分离产生菌和指示菌时间条件，通常更敏感。Kekessy-Piguet软琼脂覆盖法可减少酸和噬菌体影响，但培养基胶凝剂和缓冲剂如β-甘油磷酸可干扰扩散和抑菌圈。质谱如基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）可快速检测pediocin样代谢物、nisin衍生肽等，但食品污染物去除需改进。PCR和菌落杂交可检测生产和调控基因。钾离子（K⁺）泄漏法通过膜损伤评估活性，与琼脂孔扩散法相关性好。

后生元分类（Classification of postbiotics）：可按起源细胞结构分类，包括灭活细胞、细胞碎片、肽聚糖、磷壁酸、表面层蛋白和细胞壁多糖；这些结构后生元经热、压力、超声或酶处理产生，虽非活但可互作宿主受体、调节免疫和肠屏障。也可按发酵分泌小分子代谢物分类，包括有机酸、SCFAs、细菌素样肽、酶、维生素、氨基酸衍生物和EPS；有机酸抗菌、EPS增强肠屏障、SCFAs调节炎症和宿主代谢。按功能活性分类包括免疫调节、抗菌、抗氧化、抗炎和代谢调节后生元。按生产工艺分类包括热灭活、高压处理、酶水解、发酵驱动生产和超声/微流化等机械破碎；方法影响组成、活性和安全性，对工业化、标准化和法规评估有价值。

后生元的组成、健康促进效应和生产方法（Composition, Health promoting effects, and production methods of postbiotics）：后生元包含有机酸、SCFAs、细菌素、酶、维生素、氨基酸衍生物、EPS及细胞壁组分等。其健康促进效应涉及抗菌、抗氧化、免疫调节、抗炎和代谢调节；生产方法包括热灭活、高压处理、酶水解、发酵驱动生产及超声或微流化等机械破碎，这些方法显著影响最终制剂的组成、生物活性和安全性。

遗传学、生物合成与作用方式（Genetics, biosynthesis and mode of action）
基因簇组织：遗传学与生物合成（Organization of gene clusters: genetics and biosynthesis）：后生元由核糖体或代谢合成，相关基因常成簇或成操纵子。线性未修饰后生元肽如plantaricins、carnobacteriocins和sacacins可受诱导肽或肽信息素刺激，基因簇可位于染色体、质粒或转座子。羊毛硫抗生素系统操作子通常含前肽、修饰酶、加工蛋白酶、ABC超家族转运蛋白、调控元件和自保护基因。lactococcins A/B/M、pediocin PA-1/AcH和plantaricin A等也呈结构基因、免疫基因、ABC转运蛋白和辅助蛋白的组织模式，表达受环境刺激严密调控。

生物合成途径（Biosynthetic pathway）：后生元来自多种代谢、结构和应激诱导过程，是多个代谢网络汇聚。生产常发生于发酵、营养限制、稳定期自溶或热/压力/酶等控制灭活。代谢后生元如SCFAs、有机酸和氨基酸衍生物经糖酵解、磷酸酮醇酶途径、氨基酸脱羧和氧化还原循环；乳酸、乙酸由中央碳代谢控制，γ-氨基丁酸（GABA）由谷氨酸脱羧酶（GAD）系统合成。结构后生元如EPS、磷壁酸、表面蛋白和肽聚糖片段由大型基因簇介导，EPS由eps或cps簇编码糖基转移酶、聚合酶、链长调节因子和输出蛋白。非代谢后生元由自溶素、酰胺酶、内肽酶和蛋白酶在应激下释放，受双组分系统、热休克调节子和LuxS/AI-2等群体感应调控。

后生元翻译后修饰、激活与转运（Post-translational modification, activation, and transport of postbiotics）：许多后生元需翻译后或合成后修饰、自发化学转化或应激诱导结构改变。有机酸、SCFAs和氨基酸衍生代谢物经脱羧、还原、磷酸化或氧化还原循环形成，如GAD经磷酸吡哆醛依赖反应生成GABA。多糖后生元如EPS需乙酰化、磷酸化或侧基修饰，由膜相关聚合和输出系统分泌。细胞壁来源后生元由酰胺酶、胞壁质酶和内肽酶切割肽聚糖产生，表面蛋白经控制蛋白水解激活，并可有D-丙氨酰化、糖基化或酯化。转运通过Sec或Tat依赖途径、膜囊泡、被动扩散或细胞裂解释放，灭活细胞释放胞内蛋白、代谢物和结构片段，塑造最终后生元组成。

生物合成调控（Regulation of biosynthesis）：后生元合成受全局转录调节、群体感应和多层信号通路控制。双组分系统（TCSs）由组氨酸激酶和反应调节因子组成，感知pH、代谢物、氧化应激或营养限制后调节代谢、分泌和应激反应基因。群体感应随细胞密度积累自诱导肽、内酯或有机酸，触发代谢终产物、EPS、自溶酶和保护化合物的协调表达。营养和能量传感器响应碳源、氧化还原、氨基酸和NADH、ATP、金属离子，上调有机酸、SCFAs、抗氧化分子和应激蛋白。温度、氧气（O₂）、pH和发酵时长以及热、高压或超声等控制灭活方法也影响后生元释放和组成。

生产与建模（Production and modeling）：商业生产需优化pH、碳氮源、矿物质、通气及菌株营养补充，以保障高产、一致和功能稳定。最佳pH尤为关键，影响代谢通量、酶活和细胞壁周转。食品级吸附剂、膜过滤和选择性沉淀可提高纯度并保留目标后生元。高密度发酵、控制细胞灭活和优化提取提高产量、降低成本。数学和预测模型通过pH、离子强度、微生物负荷、基质组成和扩散特性等预测后生元在食品和生物系统中的行为、最佳用量和稳定性；逻辑回归、生长响应和动态模拟用于预测微生物抑制和宿主反应。报告产率因菌株、发酵和纯化差异大，膜过滤和浓缩回收效率约60%–90%，高密度发酵可使代谢物产率提高两倍以上，但缺乏标准化生产率指标。

食品应用（Food applications）：消费者对合成添加剂担忧推动天然、最低加工和无化学防腐剂食品需求。后生元可直接影响微生物稳定性、氧化过程和功能特性，是天然生物保鲜工具。应用方式包括直接掺入后生元制剂，使其在不含活菌时发挥抗菌、抗氧化或稳定作用，适用于不支持发酵的产品；使用后生元富集发酵提取物，提供广谱活性且便于储运；使用富含后生元的发酵成分如肉汤、粉末、浓缩物或糊状物，作为功能组分增强稳定性、质地和风味，支持清洁标签配方。

肉制品生物保鲜（Bio-preservation of meat products）：产乳酸微生物后生元可减少肉制品储存中病原菌，机制包括有机酸降低pH、破坏膜和代谢。后生元还可延缓脂质氧化、保持颜色和风味。与温和加热、氯化钠、气调包装（MAP）或降pH结合，可用于栅栏技术。干发酵肉中，纯化或浓缩后生元可降低成熟早中期病原体并持续抑制。具体研究中，植物乳杆菌、鼠李糖乳杆菌和副干酪乳酪杆菌后生元抑制碎牛肉、生鸡胸肉和即食肉片中的病原或腐败菌；发酵乳杆菌代谢提取物延迟碎肉脂质氧化。后生元与CO₂富集包装或轻度酸化协同增强抑制。EPS可改善碎肉持水和质构，某些发酵化合物增强颜色稳定、减少滴水损失。

乳制品生物保鲜（Bio-preservation of dairy products）：后生元可减少牛奶和奶酪中腐败与病原菌。植物乳杆菌后生元使巴氏杀菌奶冷藏中单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）在10天内降低约2–3个对数周期；干酪乳酪杆菌无细胞上清提高新鲜奶酪7天冷藏安全性。副干酪乳酪杆菌后生元提取物抑制酸奶表面酵母和霉菌，鼠李糖乳杆菌代谢提取物改善益生菌酸奶稳定性；富含EPS后生元提高酸奶持水并减少21天脱水收缩。后生元与温和酸化或冷藏结合可增强乳制品栅栏保鲜效果。

海产品生物保鲜（Bio-preservation of seafood products）：植物乳杆菌无细胞上清可抑制4°C储存21天冷熏三文鱼腐败菌，改善感官稳定性；鼠李糖乳杆菌后生元提取物应用于真空包装烟熏三文鱼，可显著减少四周冷藏中嗜冷细菌生长。后生元还对海产品安全相关病原体显示有效性。

结论（Conclusions）：后生元因稳定性、安全性和多功能性成为有前景生物保鲜剂，现有证据支持用于肉、乳和海产品以提高微生物安全和品质。未来需关注生产标准化、法规和大规模工业实施；整合入栅栏技术可增强保鲜并允许更温和加工。标准化、生产优化、法规清晰度和成本效益仍是挑战，菌株选择、代谢物表征和作用方式研究对开发潜力至关重要。总体，后生元是清洁标签、安全有效的生物保鲜剂，可提升现代食品质量与安全。