凝結(jié)芽孢桿菌調(diào)節(jié)腸道健康的研究進(jìn)展

曹 江,翟齊嘯,徐 斐,*

(1.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海 200093;2.江南大學(xué)食品學(xué)院,江蘇無(wú)錫 214122)

凝結(jié)芽孢桿菌(Bacilluscoagulans)是一種極具潛力的芽孢益生菌,早在2012年,美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)就批準(zhǔn)凝結(jié)芽孢桿菌為一種安全可食用菌株。2016年,中國(guó)衛(wèi)生計(jì)生委發(fā)布的《可用于食品的菌種名單》中,凝結(jié)芽孢桿菌也位列其中。目前,凝結(jié)芽孢桿菌已廣泛應(yīng)用于畜牧及水產(chǎn)行業(yè),可顯著提高飼料品質(zhì),降低料重比,促進(jìn)動(dòng)物成長(zhǎng)。然而,在人體益生調(diào)節(jié)方面,凝結(jié)芽孢桿菌在國(guó)內(nèi)仍處于起步階段。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究,簡(jiǎn)述了凝結(jié)芽孢桿菌的微生物特性研究,并分析了該菌對(duì)宿主腸道健康的影響。

1 凝結(jié)芽孢桿菌的微生物特性

凝結(jié)芽孢桿菌在自然界中分布范圍廣泛,在熱帶地區(qū)的河流、污水、土壤、蔬菜中均有所分布,可在酸性食物,像番茄汁罐頭和青貯飼料中繁殖[1]。凝結(jié)芽孢桿菌為革蘭氏陽(yáng)性菌,屬厚壁菌門(mén)芽孢桿菌科芽孢桿菌屬,兼性厭氧菌,菌落為不透明白色圓形,菌體呈桿狀,長(zhǎng)約2.5～5 μm,寬約0.6～1 μm,兩端鈍圓,端生芽孢,無(wú)鞭毛[2]。該菌的生長(zhǎng)條件較為寬松,其最低營(yíng)養(yǎng)條件隨著菌株和培養(yǎng)溫度而變化,最適生長(zhǎng)溫度為37～45 ℃,最適pH接近6,不同菌株中生長(zhǎng)的最低pH為4.0～5.0[1]。在生長(zhǎng)過(guò)程中,凝結(jié)芽孢桿菌可發(fā)酵葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、甘露醇等多種糖類生成L-乳酸,為同型乳酸發(fā)酵。此外,研究發(fā)現(xiàn),生物素和硫胺素是促進(jìn)凝結(jié)芽孢桿菌生長(zhǎng)的主要生長(zhǎng)因子[3]。

相比乳桿菌、雙歧桿菌等益生菌,凝結(jié)芽孢桿菌因其產(chǎn)芽孢的特性,在食品加工和儲(chǔ)存中有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。凝結(jié)芽孢桿菌BC-HY1的芽孢在100 ℃處理30 min后,芽孢存活率達(dá)52.3%[4]。芽孢所特有的耐熱性和穩(wěn)定性極大的豐富了凝結(jié)芽孢桿菌食品加工手段,延長(zhǎng)了產(chǎn)品貨架期。2015年,Clara Fares等[5]嘗試將凝結(jié)芽孢桿菌加入意大利面食,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)面粉加工和烹飪后,芽孢數(shù)量級(jí)高達(dá)109cfu/100 g。Muhammed Majeed等[6]發(fā)現(xiàn)凝結(jié)芽孢桿菌MTCC 5856可應(yīng)用于華夫餅等焙烤食品,并表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性,可延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期。一般來(lái)說(shuō),益生菌受到食品加工手段和保藏工藝的限制,被局限應(yīng)用在酸奶、果蔬汁等產(chǎn)品中。凝結(jié)芽孢桿菌由于優(yōu)良的抗逆性,具備了在糖果、餅干等產(chǎn)品中應(yīng)用的潛力。

凝結(jié)芽孢桿菌高抗逆性也是其能順利通過(guò)人體胃腸道系統(tǒng)的保障。研究表明,凝結(jié)芽孢桿菌CGMCC 9951在pH2.0環(huán)境下處理兩小時(shí),其存活率高達(dá)90%,而在膽鹽濃度0.9%(w/v)環(huán)境中處理4 h,活菌數(shù)僅下降了20%[7]。凝結(jié)芽孢桿菌以芽孢的形式進(jìn)入消化系統(tǒng),在胃部吸水、膨脹,進(jìn)入十二指腸后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闋I(yíng)養(yǎng)體,隨后在小腸中開(kāi)始繁殖,整個(gè)過(guò)程持續(xù)4～6 h[8]。Maathuis等[9]研究顯示,凝結(jié)芽孢桿菌在通過(guò)人工胃腸后,其存活率高達(dá)70%。值得注意的是,有研究證明在停止服用凝結(jié)芽孢補(bǔ)充劑后,小鼠腸道內(nèi)凝結(jié)芽孢桿菌數(shù)量會(huì)逐漸減少,直至最后消失[10]。Abhari等[11]也證實(shí)了凝結(jié)芽孢桿菌屬于過(guò)路菌,很難定植于腸道中。因此,凝結(jié)芽孢桿菌可能需要持續(xù)服用才能發(fā)揮其益生作用。

2 凝結(jié)芽孢桿菌對(duì)腸道健康的調(diào)節(jié)功能

大量研究表明,凝結(jié)芽孢桿菌對(duì)宿主腸道健康具備調(diào)節(jié)功能。最初,V Cavazzoni等[12]將凝結(jié)芽孢桿菌應(yīng)用于禽類養(yǎng)殖,發(fā)現(xiàn)凝結(jié)芽孢桿菌可以提高飼料利用率以及生長(zhǎng)效率。2010年,Zhou等[13]研究中發(fā)現(xiàn)凝結(jié)芽孢桿菌JU0616可提高飼養(yǎng)黃雞的各項(xiàng)理化指標(biāo),并指出腸道內(nèi)凝結(jié)芽孢桿菌達(dá)到一定數(shù)值后,該菌的代謝產(chǎn)物會(huì)調(diào)節(jié)腸道消化功能。無(wú)獨(dú)有偶,2012年,S Lin等[14]研究也發(fā)現(xiàn)凝結(jié)芽孢桿菌可促進(jìn)錦鯉腸道維生素的合成以及消化酶活力,提高錦鯉巨噬細(xì)胞以及溶菌酶的活性,增強(qiáng)錦鯉的免疫力,保證了存活率。后續(xù)研究中,2017年,趙娜等[15]發(fā)現(xiàn)凝結(jié)芽孢桿菌可以減少肉雞腸道中大腸桿菌的數(shù)量,提高免疫器官指數(shù)。隨著對(duì)凝結(jié)芽孢桿菌研究的不斷深入,其調(diào)節(jié)腸道健康功能的機(jī)制也逐漸清晰,通過(guò)總結(jié)與分析,其調(diào)節(jié)功能可能主要涉及以下三方面。

2.1 菌株對(duì)腸道消化功能的調(diào)節(jié)

作為芽孢桿菌的一員,凝結(jié)芽孢桿菌有著豐富的酶系統(tǒng),可分泌產(chǎn)生β-半乳糖苷酶、蛋白酶、淀粉酶、脂酶等有益酶類,改善人們對(duì)高蛋白、碳水化合物的吸收,提高食品的營(yíng)養(yǎng)利用率[8,11-12]。Batra等[16]研究發(fā)現(xiàn),凝結(jié)芽孢桿菌RCS3在生長(zhǎng)過(guò)程中能分泌β-半乳糖苷酶,可將牛乳中的乳糖降解成葡萄糖和半乳糖,提高牛奶的易消化性以及甜度,有效緩解乳糖不耐癥。與曲霉菌、放線菌等產(chǎn)乳糖酶微生物相比,RCS3分泌的β-半乳糖苷酶熱穩(wěn)定高,在pH5～8范圍酶活力穩(wěn)定,并可有效避免工業(yè)生產(chǎn)中的污染,具備乳品工業(yè)開(kāi)發(fā)的潛力。李文婷等[17]對(duì)實(shí)驗(yàn)室保存的產(chǎn)酸乳酸菌株進(jìn)行了乳糖酶篩選,鑒定得到凝結(jié)芽孢桿菌RY237,其所產(chǎn)的乳糖酶活性值可達(dá)4.98 U/mL。與RCS3相似,RY237所分泌的糖苷酶也呈現(xiàn)較高的穩(wěn)定性。Asokan S等[18]從土壤中分離芽孢桿菌時(shí),發(fā)現(xiàn)凝結(jié)芽孢桿菌有產(chǎn)蛋白酶的潛質(zhì)。后續(xù)研究中,凝結(jié)芽孢桿菌中的明星菌GBI-30,6086也被證明可分泌植物蛋白酶,從而促進(jìn)上腸道中植物蛋白的消化,改善結(jié)腸的腸道環(huán)境,減少有毒代謝物質(zhì)。添加該菌株后,豌豆組、大豆組、大米組里的總氮含量(TN)和氨基酸氮含量(AAN)與空白組相比均有提高,而大豆組與大米組TN/AAN值均下降一半,這說(shuō)明該菌株對(duì)三種植物蛋白的吸收均有著顯著提升,并可將大豆以及大米中的植物蛋白降解成更小的肽分子以及游離氨基酸,以促進(jìn)腸道代謝[19]。

另外,凝結(jié)芽孢桿菌還能產(chǎn)生雙乙酰、短鏈脂肪酸、維生素等代謝產(chǎn)物,刺激腸道蠕動(dòng),減少胺類等有害物質(zhì)的產(chǎn)生,改善腸道代謝環(huán)境,從而改善糞便性質(zhì),避免毒素在體內(nèi)堆積。研究表明,相比對(duì)照組,服用凝結(jié)芽孢桿菌Lilac-01能顯著改善便秘病人的糞便性狀,緩解排便滯留感,改善腸道環(huán)境[20]。凝結(jié)芽孢桿菌Lacris?-S在經(jīng)過(guò)臨床實(shí)驗(yàn)后,也被證明能提高排便頻率,改善糞便形狀與顏色,降低腸道氨值,減少吲哚以及對(duì)甲酚數(shù)量,使糞便氣味得以改善[21]。

2.2 菌株對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié)

腸道菌群與宿主的健康密切相關(guān),腸道菌群的異常易導(dǎo)致宿主生理功能障礙,進(jìn)而引發(fā)疾病。2002年,Katsutoshi Ara等[21]的研究表明,高蛋白飲食會(huì)導(dǎo)致雙歧桿菌及乳酸菌數(shù)量下降,使腸球菌以及艱難梭狀桿菌數(shù)量上升。在飲食中添加凝結(jié)芽孢桿菌SANK 7025后,人體糞便中雙歧桿菌以及乳酸菌含量分別從9.8%和5%上升至10.1%和5.4%,而艱難梭狀桿菌則從7.5%下降至7.2%,糞便pH也明顯降低。Haldar等[22]的研究表明,通過(guò)服用凝結(jié)芽孢桿菌B37,35 d后小鼠糞便中的大腸桿菌下降了兩個(gè)數(shù)量級(jí),而乳酸菌的數(shù)量則提升了100倍。Edna P Nyangale等[23]測(cè)定了老年人腸道菌群的變化,發(fā)現(xiàn)與服用安慰劑相比,凝結(jié)芽孢桿菌組老人腸道中柔嫩菌、直腸真桿菌等微生物群體占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì),丁酸鹽、乙酸鹽和丙酸鹽的濃度也有顯著提高。另外,研究者發(fā)現(xiàn)凝結(jié)芽孢桿菌可抑制小鼠體內(nèi)耐萬(wàn)古霉素腸球菌的數(shù)量[10]。Johnston等[24]也指出凝結(jié)芽孢桿菌是改善抗生素導(dǎo)致的腸道菌群失調(diào)和相關(guān)疾病的優(yōu)勢(shì)菌株。

凝結(jié)芽孢桿菌可以改善飲食、年齡、致病菌、抗生素濫用等所導(dǎo)致腸道菌群的失調(diào),其協(xié)同其他益生菌調(diào)節(jié)紊亂菌群的機(jī)制可能涉及以下方面:

首先,凝結(jié)芽孢桿菌會(huì)改變腸道環(huán)境,促進(jìn)雙歧桿菌、乳桿菌等益生菌生長(zhǎng),緩解高脂飲食、年齡增長(zhǎng)所帶來(lái)的菌群失調(diào)。凝結(jié)芽孢桿菌為兼性厭氧菌,在腸胃中能消耗游離氧,降低氧化還原趨勢(shì),這被證明有利于雙歧桿菌等厭氧微生物的生長(zhǎng)[11,25]。另外,凝結(jié)芽孢桿菌能大量分泌L型乳酸,從而降低胃腸道內(nèi)的pH,抑制致病菌。Lidan Ye等[26]研究表明,凝結(jié)芽孢桿菌BC106在以碳水化合物(260 g/L)為原料,其產(chǎn)酸量達(dá)到 215.7 g/L,L型乳酸的純度達(dá)到95%。

另一方面,凝結(jié)芽孢桿菌在腸道繁殖時(shí)能分泌大量細(xì)菌素,從而維持胃腸道免受致病菌的侵襲。1998年,Hyronimus等[27]在凝結(jié)芽孢桿菌I4中發(fā)現(xiàn)凝固素,后續(xù)研究發(fā)現(xiàn),該細(xì)菌素對(duì)大部分革蘭氏陽(yáng)性,例如腸球菌、李斯特菌、明珠串球菌等具有較強(qiáng)的抑制作用。凝固素屬類片球菌素肽類物質(zhì),由質(zhì)粒編碼,與乳酸片球菌分泌的片球菌素(pediocin)極為相似,呈無(wú)規(guī)則卷曲狀,僅在C末端存在一個(gè)氨基酸差異[28]。2009年,Riazi等[29]從凝結(jié)芽孢桿菌ATCC7050分離出細(xì)菌素Lactosporin。研究顯示,Lactosporin可能不屬于傳統(tǒng)I型或II型細(xì)菌素,它能被蛋白酶以及脂肪酶降解,這說(shuō)明其可能擁有部分脂質(zhì)的特性。作為一種陰離子抗菌物質(zhì),Lactosporin可穿透致病菌表面,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的氨基酸、無(wú)機(jī)鹽離子泄露,從而起到抑制病原菌的作用。此外,該細(xì)菌素表現(xiàn)出較高的熱穩(wěn)定性,但易受pH影響[29-30]。2015年,Abdhul等[31]從印度曼尼普爾地區(qū)的傳統(tǒng)發(fā)酵食品中分離得到的凝結(jié)芽孢桿菌BDU3,該菌能產(chǎn)生一種新的細(xì)菌素,可抑制MIC(最小抑菌濃度)在0.5～2.5 μg/mL之間的病原體,對(duì)食品中經(jīng)常出現(xiàn)的金黃色葡萄球菌、腸球菌等致病菌有著顯著抑制作用。凝結(jié)芽孢桿菌BDU3所產(chǎn)的細(xì)菌素抗逆性優(yōu)異,能耐受pH2.0和0.2%(w/v)膽鹽濃度的環(huán)境,可順利到達(dá)腸道并保持生物活性,進(jìn)而發(fā)揮腸道益生作用。綜上所述,凝結(jié)芽孢桿菌能產(chǎn)生多種細(xì)菌素以及細(xì)菌素物質(zhì),且穩(wěn)定性較強(qiáng),不易受到有機(jī)試劑以及惡劣環(huán)境的影響,因此可便捷的應(yīng)用于食品產(chǎn)業(yè)中,發(fā)揮其調(diào)節(jié)腸道菌群的作用。

2.3 菌株對(duì)腸道免疫力的調(diào)節(jié)

腸道免疫系統(tǒng)是宿主健康的重要防線。凝結(jié)芽孢桿菌作為免疫佐劑,能幫助宿主對(duì)抗病毒的感染,對(duì)腫瘤免疫也有增強(qiáng)作用,是近年來(lái)該菌株的研究熱點(diǎn)之一。

2009年,研究者發(fā)現(xiàn)凝結(jié)芽孢桿菌Ganeden BC30TM能誘導(dǎo)人體T細(xì)胞大量分泌TNF-α從而應(yīng)對(duì)A型流感以及腺病毒[32]。Gitte S Jensen等[33]發(fā)現(xiàn)凝結(jié)芽孢桿菌的細(xì)胞壁以及代謝產(chǎn)物能誘導(dǎo)Th2細(xì)胞因子IL-4、IL-6、IL-10的產(chǎn)生,抑制IL-2的產(chǎn)生,并能誘導(dǎo)PHA表達(dá)IL-6,降低PHA誘導(dǎo)產(chǎn)生腫瘤誘導(dǎo)因子,增強(qiáng)PHA和PWM對(duì)IL-10的表達(dá)。后續(xù)研究中,研究者還發(fā)現(xiàn)凝結(jié)芽孢桿菌可通過(guò)對(duì)核轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)NF-kB P65的調(diào)節(jié),一定程度上緩解炎癥病狀。Leo R Fitzpatrick等[34]實(shí)驗(yàn)表明,凝結(jié)芽孢桿菌能緩解艱難梭狀桿菌導(dǎo)致的結(jié)腸病理(腺窩損傷、水腫、白血球指標(biāo)等),抑制核轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)RelA蛋白(即NF-kB P65)分泌炎癥因子IL-8。M Ratna Sudha等[35]研究表明凝結(jié)芽孢桿菌能抑制炎癥系細(xì)胞COX-2,進(jìn)而抑制RelA蛋白,對(duì)促炎癥因子IL-12,TNF-α和IFN-γ表達(dá)出抑制作用。

另有一些研究表明,凝結(jié)芽孢桿菌可提高中性粒細(xì)胞(PMN)的吞噬活力,抑制其由活性氧誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)[25]。有報(bào)道表明凝結(jié)芽孢桿菌能增強(qiáng)自然殺傷細(xì)胞(NK)的活性,誘導(dǎo)NK細(xì)胞上活性標(biāo)記物CD69的表達(dá),從而激活細(xì)胞CD3-CD56+。體外實(shí)驗(yàn)還證明凝結(jié)芽孢桿菌與K562腫瘤細(xì)胞共培養(yǎng)后,能增強(qiáng)NK細(xì)胞上CD107a的表達(dá)[33]。Kathleen F Benson等[36]也在體外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),凝結(jié)芽孢桿菌的代謝產(chǎn)物能促進(jìn)抗原遞呈細(xì)胞成熟,從而調(diào)節(jié)宿主免疫系統(tǒng)的發(fā)育和成熟。

3 凝結(jié)芽孢桿菌保護(hù)腸道健康的臨床應(yīng)用

基于上述腸道調(diào)節(jié)功能,凝結(jié)芽孢桿菌已被廣泛應(yīng)用于臨床治療中。美國(guó)Ganeden公司所研發(fā)的凝結(jié)芽孢桿菌GBI-30,6086是目前研究較為深入的明星菌株,已經(jīng)展開(kāi)了11項(xiàng)臨床研究,發(fā)現(xiàn)其對(duì)治療腸易激綜合征有著積極的影響,并可調(diào)節(jié)宿主腸道吸收和免疫力。目前,已有多株凝結(jié)芽孢桿菌被證明可用于緩解腸易激綜合征、腸道脹氣、腹瀉、功能性腹痛等腸道功能異常癥狀,見(jiàn)表1。值得注意的是,不同凝結(jié)芽孢桿菌種之間差異較大,因此,針對(duì)不同的凝結(jié)芽孢桿菌,應(yīng)合理選擇其在腸道健康應(yīng)用中的發(fā)展方向,發(fā)揮其益生價(jià)值。

表1 凝結(jié)芽孢桿菌與腸道健康的臨床應(yīng)用Table 1 Bacillus coagulans and clinical applications of intestinal health

4 展望

凝結(jié)芽孢桿菌具備優(yōu)良的生物特性以及其良好的益生特性,相比傳統(tǒng)乳酸菌,在加工和儲(chǔ)存上具有優(yōu)勢(shì),是一類很有開(kāi)發(fā)前景的益生菌。近幾年,國(guó)內(nèi)凝結(jié)芽孢桿菌產(chǎn)品主要集中在飼料以及藥劑的開(kāi)發(fā),在食品領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步狀態(tài)。目前,關(guān)于凝結(jié)芽孢桿菌發(fā)揮其益生作用的深層作用機(jī)制以及途徑依然有待探索,該菌在胃腸道中的消長(zhǎng)規(guī)律以及益生特性也仍有待于發(fā)掘。隨著不斷深入研究,凝結(jié)芽孢桿菌的益生產(chǎn)品必然會(huì)不斷發(fā)展,發(fā)揮其商業(yè)價(jià)值。值得注意的是,凝結(jié)芽孢桿菌在益生上發(fā)揮的作用并非是決定性的,因此應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步研究其在益生菌群中扮演的角色,為實(shí)際的生產(chǎn)提供系統(tǒng)而全面的研究。