雙歧桿菌對(duì)糖類的利用和代謝

陳智慧，高錦洪，孫紀(jì)錄*

（1.云南省曲靖農(nóng)業(yè)學(xué)校 食品技術(shù)學(xué)部，云南 曲靖 655000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科技學(xué)院，河北 保定 071001）

雙歧桿菌（Bifidobacterium）是人體腸道中重要的生理性細(xì)菌，對(duì)人體有多種生理調(diào)節(jié)作用[1-3]，諸如維持腸道菌群平衡、抗腫瘤、提高人體免疫機(jī)能、營(yíng)養(yǎng)、控制內(nèi)毒素產(chǎn)生、降低自氧化、降低血清中膽固醇含量以及提高對(duì)放射線的耐受性等[4]。我國(guó)已把滿足不同人群需要的特殊營(yíng)養(yǎng)品作為21世紀(jì)食品工業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)，而雙歧桿菌豐富的功能性恰好適應(yīng)這一趨勢(shì)。

隨著雙歧桿菌基礎(chǔ)研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用的迅速發(fā)展，雙歧桿菌的培養(yǎng)增殖方法和益生功能機(jī)理的研究越發(fā)顯得重要，而雙歧桿菌對(duì)糖類尤其是功能性糖類的利用能力和代謝機(jī)制，恰恰與雙歧桿菌增殖培養(yǎng)基的研制和糖類雙歧因子的益生機(jī)理探索密切相關(guān)。因此，本文結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室已有的相關(guān)研究成果，就雙歧桿菌對(duì)糖類的利用和代謝的最新研究動(dòng)態(tài)進(jìn)行綜述，旨在為雙歧桿菌及其相關(guān)制品的開(kāi)發(fā)提供借鑒。

1 雙歧桿菌對(duì)糖類的一般利用特點(diǎn)

雙歧桿菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)要求苛刻，在大多數(shù)基質(zhì)中生長(zhǎng)緩慢。雙歧桿菌以有機(jī)碳源作為碳源和能源。通常雙歧桿菌不能利用大分子的糖類，可利用的糖類主要是葡萄糖等單糖和一些低聚糖。

雙歧桿菌通過(guò)分泌到細(xì)胞外的各種酶來(lái)分解利用不同的糖類，促進(jìn)其生長(zhǎng)繁殖。已經(jīng)證實(shí)的雙歧桿菌糖苷酶有α-D-半乳糖苷酶、β-D-半乳糖苷酶、β-呋喃果糖苷酶、D-木糖苷酶等[5]。

雙歧桿菌對(duì)糖類的利用和代謝與菌種和糖的類別密切相關(guān)。

2 雙歧桿菌對(duì)低聚糖的利用和代謝

2.1 屬于雙歧因子的低聚糖

在雙歧因子（bifidusfactor）中，低聚糖占主要部分，也是目前研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。多數(shù)低聚糖不被消化道吸收，而是直到大腸才被雙歧桿菌利用。目前主要有大豆低聚糖、甘露低聚糖、低聚木糖、低聚果糖、低聚半乳糖、菊糖低聚糖、低聚異麥芽糖、低聚龍膽糖、低聚葡萄糖（β型）、魔芋低聚糖、瓊脂低聚糖、乳果糖、甲殼質(zhì)低聚糖、帕拉金糖、棉籽糖、母乳低聚糖、纖維糊精等[4]。

低聚糖類的雙歧因子與雙歧桿菌的空間作用機(jī)理與雙歧桿菌優(yōu)先利用低聚糖促進(jìn)其生長(zhǎng)的內(nèi)在機(jī)制密切相關(guān)。通過(guò)核磁共振技術(shù)，確定糖苷鍵的性質(zhì)及位置，進(jìn)而可獲得低聚糖的分子空間結(jié)構(gòu)[5]。

（1）大豆低聚糖

水蘇糖和蜜二糖是大豆低聚糖的主要成分[4]，大豆低聚糖中還包括少量棉籽糖。雙歧桿菌在豆乳中生長(zhǎng)時(shí)，水蘇糖和蜜二糖優(yōu)于蔗糖被消化吸收。SCALABRINIP等[6]分析了27個(gè)雙歧桿菌菌株在豆乳中的α-半乳糖苷酶活力和乳酸、乙酸產(chǎn)量，以確定其用于生產(chǎn)發(fā)酵豆乳的潛力。結(jié)果顯示，受試的菌株都能消耗豆乳中的水蘇糖和棉籽糖。

（2）甘露低聚糖

細(xì)菌表面有外源凝集素，腸道病原菌表面多為對(duì)甘露糖特異的外源凝集素。一旦對(duì)甘露糖特異的細(xì)菌吸附到腸道內(nèi)含有甘露糖的上皮細(xì)胞上，就會(huì)在腸道定植并引起疾病。外源甘露低聚糖可以為病原菌提供豐富的附著點(diǎn)，使其不致吸附到腸壁的上皮細(xì)胞上。從而，甘露低聚糖攜帶附著的病原菌通過(guò)腸道，防止病菌在腸道集群引起疾病，同時(shí)也起到選擇性促進(jìn)雙歧桿菌生長(zhǎng)的作用[4]。

（3）低聚木糖

低聚木糖（xylo-oligosaccharides，XOS）是一種新興的益生素（prebiotics），能夠選擇性地促進(jìn)雙歧桿菌的生長(zhǎng)，尤其是動(dòng)物雙歧桿菌乳酸亞種（B.animalissubsp.lactis）菌株。為了闡明已被廣泛使用的益生菌（probiotics）菌株動(dòng)物雙歧桿菌乳酸亞種BB-12對(duì)XOS的代謝，GILAD O等[7]使用了一種聯(lián)合的蛋白質(zhì)組和轉(zhuǎn)錄物組的方法，包含獲自生長(zhǎng)于XOS或者葡萄糖上的培養(yǎng)物的樣品的DNA微陣列、實(shí)時(shí)定量PCR（quantitative PCR，qPCR）和雙相差異凝膠電泳（2D-DIG）分析。結(jié)果表明，編碼預(yù)計(jì)可以在XOS代謝（即降解和代謝XOS的酶、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)和一個(gè)調(diào)控蛋白質(zhì)）中起作用的蛋白質(zhì)的10個(gè)基因中9個(gè)，在轉(zhuǎn)錄水平上被XOS誘導(dǎo)；被這些基因中的3個(gè)編碼的蛋白質(zhì)（β-D-木糖苷酶、糖-結(jié)合的蛋白質(zhì)和木糖異構(gòu)酶）顯示了在XOS中的高豐度。根據(jù)獲得的結(jié)果，建立了一個(gè)在BB-12中XOS的分解代謝的模型：該菌株利用一個(gè)ABC（ATP-結(jié)合基因盒）轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)把XOS附于細(xì)胞表面，并且把其運(yùn)進(jìn)細(xì)胞。然后，XOS通過(guò)木聚糖酶和木糖苷酶的作用被細(xì)胞內(nèi)降解至D-木糖。隨后，被D-果糖-6-P支路代謝。

（4）低聚半乳糖

AMARETTIA等[8]研究了生長(zhǎng)于低聚半乳糖（galactooligosaccharides，GOS）、乳糖、半乳糖和葡萄糖的青春雙歧桿菌（B.adolescentis）MB 239的動(dòng)力學(xué)和代謝。結(jié)果顯示，該菌在以半乳糖為碳源時(shí)，生長(zhǎng)速率和細(xì)胞產(chǎn)量最高，其次是乳糖和低聚半乳糖，在葡萄糖中最低。乳酸、乙酸和乙醇是主要發(fā)酵產(chǎn)物。對(duì)于4種受試的糖類，二碳產(chǎn)物和三碳產(chǎn)物的分配是相似的，分別為55%和45%；乙醇產(chǎn)量是不同的，按葡萄糖、低聚半乳糖、乳糖和半乳糖的順序下降；ATP產(chǎn)量也是不同的，在半乳糖中最高，而在乳糖、低聚半乳糖和葡萄糖中，產(chǎn)量分別降低5%、8%和25%。這些結(jié)果證實(shí)，青春雙歧桿菌對(duì)不同的糖類存在偏愛(ài)。此外，在該菌生長(zhǎng)于一種低聚半乳糖混合物期間，也展示了基于聚合度的糖類選擇性，乳糖和三糖首先被消耗，之后才是較長(zhǎng)的低聚糖。在生長(zhǎng)于乳糖和低聚半乳糖期間，半乳糖在培養(yǎng)液中始終積累，暗示β（1-4）半乳糖苷在被利用之前能夠被水解。

（5）母乳低聚糖

WARD RE等[9]研究了嬰兒雙歧桿菌（B.infantis）和干酪乳桿菌（Lactobacillusgasseri）對(duì)母乳低聚糖（human milk oligosaccharides，HMO）的體外發(fā)酵。結(jié)果顯示，嬰兒雙歧桿菌能夠發(fā)酵作為唯一碳源的HMO，而另一種腸道共生菌干酪乳桿菌不能HMO。該結(jié)果證實(shí)，HMO選擇性增殖嬰兒腸道中的細(xì)菌種群。

（6）纖維糊精

纖維糊精來(lái)自不溶的纖維素的不完全水解產(chǎn)物，可以作為某些人體腸道微生物群落的碳源。POKUSAEVA K等[10]研究證實(shí)，短雙歧桿菌（B.breve）UCC2003的cldEFGC基因簇用于這些糖類的代謝。此外，cld基因簇的轉(zhuǎn)錄被一個(gè)由cldR編碼的LacI-型操縱子控制，后者緊緊位于cldE的上游。cldEFGC啟動(dòng)子傾向于被CldRHis負(fù)調(diào)控，后者結(jié)合于兩個(gè)反向重復(fù)。短雙歧桿菌UCC2003能夠利用纖維二糖、纖維三糖、纖維四糖和纖維戊糖，而纖維三糖是明顯的偏愛(ài)的底物。

（7）乳果糖

熊德鑫等[11]的研究顯示，乳果糖對(duì)嬰兒雙歧桿菌有促生長(zhǎng)作用，對(duì)兩歧雙歧桿菌（B.bifidum）、青春雙歧桿菌、長(zhǎng)雙歧桿菌（B.longum）、角雙歧桿菌（B.angulatum）和短雙歧桿菌無(wú)作用。

（8）低聚異麥芽糖

熊德鑫等[11]的研究顯示，低聚異麥芽糖對(duì)兩歧雙歧桿菌、青春雙歧桿菌、長(zhǎng)雙歧桿菌、角雙歧桿菌和短雙歧桿菌有促生長(zhǎng)作用，但是對(duì)嬰兒雙歧桿菌幾乎無(wú)作用。

（9）棉籽糖

DINOTO A等[12]通過(guò)熒光原位雜交（fluorescence in situ hybridization，F(xiàn)ISH）和流式細(xì)胞儀（flow cytometry，F(xiàn)CM），研究了在攝食棉籽糖期間，人體糞便中雙歧桿菌的群體動(dòng)力學(xué)（population dynamics）。結(jié)果顯示，雙歧桿菌在服用前占總細(xì)菌數(shù)的大約12.5%，服用2周后增加為大約28.7%，服用4周后增加為37.2%。在服用棉籽糖期間，青春雙歧桿菌、鏈狀雙歧桿菌（B.catenulatum）和長(zhǎng)雙歧桿菌作為糞便中的主要雙歧桿菌菌種，幾乎平行增加；土著的雙歧桿菌種群變得更加多樣化，成人體內(nèi)原本較少的菌種諸如短雙歧桿菌、兩歧雙歧桿菌、齒雙歧桿菌（B.dentium）和角雙歧桿菌也被增殖。

2.2 其他低聚糖

（1）纖維二糖

分離自成年人糞便的短雙歧桿菌203的β-D-葡萄糖苷酶I（EC 3.2.1.21）的活力非常低，但是，當(dāng)短雙歧桿菌203以纖維二糖馴化時(shí)，該酶的活力提高。NUNOURA N等[13]為闡明酶活力提高的機(jī)制，分別使用抗β-D-葡萄糖苷酶I的抗體和該基因的特異性探針，研究了β-D-葡萄糖苷酶I基因的翻譯和轉(zhuǎn)錄。Western雜交和Northern雜交顯示，在短雙歧桿菌203和短雙歧桿菌203clb（纖維二糖馴化菌株）之間，該酶的表達(dá)及其mRNA水平存在顯著差異。但是，基因的Southern雜交揭示，在2個(gè)菌株中，只有開(kāi)放閱讀框的拷貝數(shù)的無(wú)關(guān)緊要的差異。

（2）乳糖

乳糖結(jié)腸發(fā)酵可能在乳糖不耐癥的病理生理學(xué)上是一個(gè)主要因素。乳糖酶是一種小腸內(nèi)的酶，水解來(lái)自乳制品的乳糖。在新生兒期，該酶在人體營(yíng)養(yǎng)方面是必要的。在成人后，乳糖酶活力下降。在許多成年人中，大量的來(lái)自乳的乳糖不再能忍受。然而，目前已經(jīng)確定，乳糖不耐癥患者可以有效地消化來(lái)自發(fā)酵乳的乳糖。PASSERATL B等[14]體外測(cè)定了兩歧雙歧桿菌的乳糖酶活力，來(lái)自乳糖水解的葡萄糖和半乳糖被細(xì)菌細(xì)胞有差別地使用，乳糖酶的最適pH值為6.5。HET等[15]探索了用于研究細(xì)菌乳糖代謝的蛋白質(zhì)組學(xué)方法，該方法能被用于檢測(cè)和鑒定與不耐癥發(fā)作有關(guān)的蛋白質(zhì)。使用表面增強(qiáng)激光解吸離子化-飛行時(shí)間質(zhì)譜（SELDI-TOF-MS）和十二烷基磺酸鈉聚丙烯酰胺凝膠電泳（SDS-PAGE），分析了生長(zhǎng)于不同糖類（乳糖、葡萄糖、半乳糖）的細(xì)胞質(zhì)蛋白質(zhì)的差異表達(dá)。生長(zhǎng)于相同糖類的3個(gè)菌株或生長(zhǎng)于葡萄糖或乳糖的同一菌株在SELDI-TOF-MS蛋白質(zhì)輪廓中顯示出差異。當(dāng)使用SDS-PAGE分析時(shí)，對(duì)于生長(zhǎng)于葡萄糖、半乳糖或乳糖的短雙歧桿菌，觀察到蛋白質(zhì)表達(dá)的差異。在研究乳糖和其他底物在一種復(fù)雜的細(xì)菌生態(tài)系統(tǒng)諸如結(jié)腸微生物區(qū)系中的代謝中，這些技術(shù)是有前途的。

3 雙歧桿菌對(duì)多糖的利用和代謝

3.1 屬于雙歧因子的多糖

雙歧因子中的多糖類物質(zhì)有菊糖（inulin）、云芝多糖、褐藻硫酸多糖、胡蘿卜中的含氮多糖等。其中對(duì)菊糖的研究較為廣泛和徹底。

孫紀(jì)錄等[16]的研究表明，菊芋汁在體外對(duì)長(zhǎng)雙歧桿菌和兩歧雙歧桿菌具有促進(jìn)生長(zhǎng)作用，表現(xiàn)為生長(zhǎng)速率提高，最大生長(zhǎng)量增加，并且對(duì)不同菌種的促進(jìn)生長(zhǎng)作用存在差異。孫紀(jì)錄等[2]的研究表明，菊芋在體內(nèi)可以選擇性地促進(jìn)雙歧桿菌的生長(zhǎng)，而對(duì)大腸桿菌的生長(zhǎng)和定植則產(chǎn)生不利作用；而且，菊芋還有明顯的整腸作用。FALONY G等[17]的研究表明，在大腸中的雙歧桿菌種群的不同亞群，被不同的菊糖型果聚糖促進(jìn)生長(zhǎng)，該變化也反映了其的健康促進(jìn)作用的差異。在該研究中，短雙歧桿菌不能降解低聚果糖或菊糖；青春雙歧桿菌能降解低聚果糖，但不能降解菊糖；角雙歧桿菌能降解低聚果糖，并且能夠部分降解菊糖；長(zhǎng)雙歧桿菌具有高的果糖消耗速度和低聚果糖降解速度，并且能夠進(jìn)行菊粉的部分降解。FALONY G等[18]對(duì)生長(zhǎng)于果糖、低聚果糖或菊糖的18個(gè)雙歧桿菌菌株的生長(zhǎng)、糖類消耗和代謝物產(chǎn)生進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。結(jié)果顯示，對(duì)于所有的菌株，在生長(zhǎng)于較不容易發(fā)酵的糖類期間，代謝轉(zhuǎn)變朝向更多的乙酸、甲酸和乙醇產(chǎn)生，以代替乳酸產(chǎn)生。在降解模式和β-呋喃果糖苷酶基因存在之間未能檢測(cè)到關(guān)聯(lián)。上述研究結(jié)果表明了雙歧桿菌的生境特異性適應(yīng)，暗示了菊糖型果聚糖在體內(nèi)對(duì)于雙歧桿菌的刺激作用的菌株特異性。

3.2 其他多糖

TURRONIF等[19]為了探索雙歧桿菌用于利用來(lái)自宿主的聚糖的代謝途徑，對(duì)兩歧雙歧桿菌PRL2010的2bp、214bp、650bp的基因組進(jìn)行了分析，揭示了雙歧桿菌的一個(gè)以來(lái)自宿主的聚糖（如存在于粘蛋白中的糖類）為目標(biāo)的營(yíng)養(yǎng)-獲得策略。蛋白質(zhì)組和轉(zhuǎn)錄物組的特征描述揭示了一套負(fù)責(zé)粘蛋白代謝的染色體位點(diǎn)，該位點(diǎn)在通常的轉(zhuǎn)錄調(diào)控下，并且負(fù)責(zé)降解粘蛋白中的各種各樣的O-連接的聚糖。這一結(jié)果暗示，來(lái)自宿主的聚糖的分解代謝是雙歧桿菌的一個(gè)重要的定植因素。

4 雙歧桿菌其他糖類的利用和代謝

CROCIANIA F等[20]研究了分離自人和動(dòng)物的29個(gè)雙歧桿菌菌種的290個(gè)菌株的發(fā)酵復(fù)雜糖類（complex carbohydrates）的能力。結(jié)果顯示，在受試的糖類中，被最大數(shù)量的菌種發(fā)酵的底物是d-半乳糖胺、d-葡糖胺、直鏈淀粉和支鏈淀粉；齒雙歧桿菌發(fā)酵瓜爾豆膠和槐豆膠；豬胃粘蛋白只被兩歧雙歧桿菌發(fā)酵；d-葡萄糖醛酸只被嬰兒雙歧桿菌發(fā)酵；長(zhǎng)雙歧桿菌發(fā)酵阿拉伯半乳聚糖和阿拉伯膠、印度樹(shù)膠和黃芪膠；α-l-巖藻糖被短雙歧桿菌、嬰兒雙歧桿菌和假鏈狀雙歧桿菌（B.pseudocatenulatum）發(fā)酵。

綜上所述，糖類尤其是屬于雙歧因子的功能性糖類，日益受到重視，有關(guān)的研究成果也越來(lái)越多。但要使其更好地發(fā)揮作用，尚有許多工作要做，如促生長(zhǎng)機(jī)理的進(jìn)一步探索、更為物美價(jià)廉的雙歧因子的尋找、體內(nèi)功能性驗(yàn)證等。

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