源自植物乳杆菌的后生元与副生元的比较评价：功能特性与细胞毒性

《Food Production, Processing and Nutrition》：Comparative evaluation of postbiotics and parabiotics derived from Lactiplantibacillus plantarum: functional properties and cytotoxicity

　　

在本研究中，研究人员制备了植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）的后生元（postbiotics）和副生元（parabiotics），并比较评估了它们的功能组成、抗菌活性、抗氧化能力和细胞毒性。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析显示，后生元主要富含可溶性生物活性代谢物，包括有机酸和肽类，而副生元则保留了结构性的细胞组分。后生元表现出显著更优的抗菌活性，对大肠杆菌（Escherichia coli）和单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）的抑菌圈大1.5至1.7倍，并在3小时内实现显著的细菌减少，而副生元需要9–12小时。两种生物制剂在储存八周后均保持稳定的抗菌活性。后生元和副生元的抗氧化评估显示，两者具有相当的DPPH自由基清除能力（IC₅₀：0.54 vs. 0.62 mg/mL），而后生元表现出显著更高的铁还原力（FRAP：59.9 vs. 32.1 μmol Fe²⁺/L）。此外，后生元对结直肠癌（HT-29）细胞施加了更高的剂量依赖性细胞毒性（活力<50%），但在正常成纤维细胞中保持了相对较高的细胞活力（>70%）。荧光染色进一步证实了选择性凋亡诱导。这些发现突出了后生元作为多功能生物活性制剂，具有优越的抗菌、抗氧化和选择性抗癌特性，支持其在食品和营养保健品系统中作为天然生物防腐剂和功能成分的潜在应用。

**论文解读：源自植物乳杆菌的后生元与副生元的比较评估**

**研究背景与问题**
益生菌（probiotics）的保健功效已广泛认可，但其在加工、储存中的活菌稳定性及对敏感人群的安全性存在局限。为克服这些不足，后生元（postbiotics）和副生元（parabiotics）作为替代性生物制剂（biotics）受到关注。后生元通常指发酵过程中产生的可溶性代谢产物（如有机酸、肽类），而副生元则指灭活的全细胞及其结构组分（如肽聚糖、磷壁酸）。尽管已有研究分别探讨了源自植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）的后生元或副生元的功能，但这些研究采用不同菌株、制备方法和检测条件，难以直接比较。由于两种生物制剂的化学组成本质不同，亟需在相同条件下进行系统对比。因此，本研究旨在直接比较同一株植物乳杆菌（ATCC 14917）来源的后生元和副生元的功能特性，包括组成、抗菌活性、抗氧化能力及细胞毒性，以阐明其差异并评估应用潜力。论文发表于《Food Production, Processing and Nutrition》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析功能基团组成；通过琼脂扩散法、时间杀菌曲线和扫描电镜（SEM）评估抗菌活性及机制；利用DPPH自由基清除实验和铁还原抗氧化能力（FRAP）实验测定抗氧化能力；采用MTT比色法和吖啶橙/溴化乙锭（AO/EB）双荧光染色评估对人结肠腺癌细胞（HT-29）和正常人包皮成纤维细胞（HFF）的细胞毒性及凋亡诱导。菌株来源为伊朗研究组织（IROST），后生元制备自培养9小时（晚对数期）的上清液，副生元通过121°C高压灭活全细胞获得。

**研究结果**
**FTIR分析**
FTIR光谱显示，后生元在3426 cm^-1（O–H和N–H伸缩）、2922/2856 cm^-1（C–H）、1607 cm^-1（酰胺I）及1068–1042 cm^-1（C–O–C/PO₂^-）处呈现强吸收，表明富含可溶性代谢物（有机酸、肽类、多糖）。副生元则在1645 cm^-1（酰胺I）、1571 cm^-1（酰胺II）及脂质相关峰（约2921/2857 cm^-1）更突出，反映保留完整细胞结构组分。

**抗菌活性**
琼脂扩散实验表明，后生元对大肠杆菌和单核细胞增生李斯特菌的抑菌圈比副生元大1.5–1.7倍，且呈剂量依赖性。两种制剂在4°C和25°C储存8周后抗菌活性稳定。时间杀菌曲线显示，后生元在50和100 mg/mL浓度下3小时内使两种病原菌降至检测限以下（<2 log₁₀ CFU/mL），而副生元需9–12小时才达到同样效果。扫描电镜观察证实，后生元处理导致细菌严重膜皱缩、表面凹陷和细胞质泄漏；副生元则引起细菌聚集和表面粗糙化，提示其通过结构组分附着作用。

**抗氧化能力**
DPPH实验中，后生元和副生元的IC₅₀分别为0.54和0.62 mg/mL，两者自由基清除能力相近。但在FRAP实验中，后生元的总抗氧化能力（TAC）显著高于副生元（59.9 vs. 32.1 μmol Fe²⁺/L），归因于后生元中可溶性还原性代谢物（如有机酸）的电子供体作用。

**细胞毒性**
MTT实验显示，后生元对HT-29癌细胞呈剂量依赖性细胞毒性，在5–10 mg/mL浓度下细胞活力降至50%以下，而正常HFF细胞在同样浓度下仍保持>70%活力。副生元对癌细胞的毒性较弱，在5 mg/mL时HT-29活力降至约40%，但HFF活力约75–80%。AO/EB双荧光染色进一步证实，后生元处理后的HT-29细胞出现典型凋亡特征（橙色/红色荧光），而HFF细胞以绿色荧光为主，表明选择性凋亡诱导。

**讨论与结论**
讨论部分指出，后生元优越的抗菌性能源于其可溶性代谢物（有机酸、细菌素等）的协同作用，快速破坏细胞膜并降低胞内pH；副生元则通过细胞壁成分（肽聚糖、磷壁酸）缓慢干扰细菌表面。抗氧化差异与检测原理相关：DPPH依赖自由基清除，FRAP依赖还原力，后生元中高浓度有机酸作为有效电子供体使其FRAP值更高。细胞毒性方面，后生元中的低分子量代谢物（如有机酸、肽）可诱导癌细胞凋亡，而对正常细胞毒性较低，体现了选择性。研究结论翻译如下：本研究首次提供直接比较证据，证明植物乳杆菌后生元和副生元具有不同的组成特征，进而表现出根本不同的功能表现。FTIR光谱显示后生元富含可溶性活性代谢物（有机酸、肽、多糖），而副生元以结构性细胞成分为特征。后生元表现出优于副生元的抗菌效能，后者作用较慢且较弱。两者均具有显著抗氧化能力，后生元在FRAP实验中还原力更强。DPPH与FRAP结果差异凸显了检测机制的重要性。MTT和AO/EB实验表明，后生元（及较低程度的副生元）显著降低结直肠癌细胞活力并诱导凋亡，而同等浓度下对正常成纤维细胞毒性较低。后生元优越的抗菌和抗氧化特性支持其作为天然生物防腐剂应用于即食肉、乳制品和轻度加工食品，而副生元可能更适用于需要热稳定性及免疫调节活性的配方。未来需进一步比较研究以阐明作用机制并确保其在食品和饲料中的安全应用。