益生菌及其制劑的研究和應(yīng)用

劉曉芳，欽 佩，黃曉東

（1.山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東福瑞達(dá)醫(yī)藥集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

益生菌（probiotic）是一類可改善宿主腸道微生態(tài)平衡、對宿主產(chǎn)生有益影響的活性微生物，在調(diào)節(jié)機(jī)體腸道微生態(tài)平衡、心血管健康、提升免疫等方面具有生理功能。聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織對益生菌定義為：給予一定數(shù)量、能對宿主健康產(chǎn)生有益作用的活微生物[1]。近年，人們消費結(jié)構(gòu)升級，生物技術(shù)和微生物行業(yè)發(fā)展，益生菌及其制劑的開發(fā)和應(yīng)用成為研究熱點。

1 益生菌種類

用于保健食品的益生菌多為乳酸菌，我國常用于食品生產(chǎn)加工的乳酸菌分為雙歧桿菌屬和乳桿菌屬兩類[2]。其中，雙歧桿菌屬有5種常見于腸道微生態(tài)制劑，分別是兩歧雙歧桿菌、長雙歧桿菌、短雙歧桿菌、嬰兒雙歧桿菌和青春雙歧桿菌；乳桿菌屬常見有10種用于腸道微生物制劑，嗜酸乳桿菌、植物乳桿菌和干酪乳桿菌等。還有一類為兼性厭氧球菌，包括腸球菌屬的糞腸球菌、乳球菌屬的乳酸乳球菌等[3]。

2 益生菌研究及應(yīng)用進(jìn)展

2.1 益生菌的保健作用

《益生菌類保健食品申報與審評規(guī)定》中規(guī)定了活性益生菌的含量標(biāo)準(zhǔn)：活菌類益生菌保健食品，在其保質(zhì)期內(nèi)活菌數(shù)目不得少于106cfu/ml（g）。

2.1.1 益生菌的抗菌作用 偽膜性結(jié)腸炎，亦稱“抗生素相關(guān)性腸炎”，是抗生素使用造成腸道菌群失調(diào)，進(jìn)而梭狀芽孢桿菌大量繁殖造成的，是抗生素濫用的典型例子。研究發(fā)現(xiàn)，灌腸治療可有效抑制梭狀芽孢桿菌大量繁殖，進(jìn)而減少感染，是健康女性糞便中的益生菌在發(fā)揮作用。隨即，大量研究者開始積極致力于益生菌研究，嘗試開發(fā)可輔助抗生素抑菌并減弱其副作用的有效藥劑，以降低對人體的副作用[4]。

益生菌的抗菌機(jī)制復(fù)雜。一方面，益生菌以“搶地盤”方式占領(lǐng)優(yōu)勢區(qū)域，如人體腸道或陰道上皮細(xì)胞原本是多數(shù)病原微生物的“地盤”，當(dāng)益生菌黏附于此，和病原菌展開爭奪戰(zhàn)，當(dāng)病原菌得不到足夠的營養(yǎng)物質(zhì)，其生長受到抑制[5]。另一方面，益生菌能產(chǎn)生有抗菌效力的物質(zhì)，如糖分解代謝物（乳酸和乙酸等有機(jī)酸）、蛋白質(zhì)化合物和脂肪及氨基酸代謝產(chǎn)物（脂肪酸、苯基乳酸等）等，從而直接抑制病原菌生長。其中，抗菌肽或蛋白質(zhì)化合物，主要抑制革蘭陽性菌；有機(jī)酸類主要抑制革蘭陰性菌。汪夢娟等[6]研究發(fā)現(xiàn)，腸道內(nèi)的乳酸菌和雙歧桿菌，可代謝營養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生乳酸和醋酸等酸性物質(zhì)，降低腸腔pH，病原菌因?qū)λ嵝原h(huán)境的不耐受而被抑制生長甚至死亡，益生菌則相對耐酸，進(jìn)而優(yōu)化腸道菌群結(jié)構(gòu)。

2.1.2 益生菌與腸道健康 在正常生理狀態(tài)下，人體腸道是一個極為復(fù)雜和龐大的微生態(tài)系統(tǒng)，腸道細(xì)菌與人體共生，總數(shù)達(dá)人體細(xì)胞10倍以上。便秘，是種癥狀，而非一種疾病，表現(xiàn)為自然便次減少、排出困難或二者兼有，伴有腹脹、惡心等不適感。功能型便秘（functional constipation, FC）是一種常見的消化系統(tǒng)功能性胃腸病，表現(xiàn)為持續(xù)排便困難、排便次數(shù)減少或排便不盡感[7-8]。Zoppi等[9]發(fā)現(xiàn)，功能型便秘患者與健康人的腸道相比，在菌群種類和數(shù)量方面均存在明顯差異。張桂蘭等[10]在對老年便秘人群腸道菌群研究中發(fā)現(xiàn)，相比于健康老年組，老年便秘組腸道菌群結(jié)構(gòu)平衡受到破壞，表現(xiàn)為雙歧桿菌、乳酸桿菌和類桿菌等有益菌數(shù)量顯著降低，腐敗梭菌等條件致病菌比例顯著增加。

益生菌不僅通過抗菌作用維持腸道菌群平衡，研究發(fā)現(xiàn)，以雙歧桿菌為主的有益菌菌群，代謝產(chǎn)生多種有機(jī)酸，提高腸內(nèi)滲透壓，提升糞便含水量，使糞便變得濕軟，同時促進(jìn)腸道蠕動，排出殘渣，改善便秘[11]。

腸易激綜合征（IBS）是另一類常見的功能性腸道疾病，發(fā)病率約14 %～28 %，臨床表現(xiàn)為持續(xù)或間歇發(fā)作，以排便習(xí)慣改變、伴有腹部不適為主要特征，其發(fā)病機(jī)制也與腸道菌群有關(guān)[12]，有腹瀉型、便秘型、混合型等4種亞型，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量[13]。而益生菌通過調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)平衡、修復(fù)受損腸道屏障和降低炎癥因子水平等多重機(jī)制，改善IBS癥狀，緩解患者負(fù)擔(dān)[14-18]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，益生菌產(chǎn)生的乳糖酶，可將乳糖分解成葡萄糖、半乳糖，緩解乳糖不耐受癥，促進(jìn)機(jī)體對乳糖的吸收，所以，乳糖不耐受者可飲用酸乳制品[19-21]。

2.1.3 益生菌與心腦血管健康 益生菌不僅影響胃腸道消化功能間接作用于心血管健康，其在心功能保護(hù)方面的重要性也被認(rèn)識[22-23]。經(jīng)大量體內(nèi)外研究證實，益生菌及其發(fā)酵食品對高血壓有確切控制效果，經(jīng)過對702例受試者服用益生菌發(fā)酵乳前后的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，益生菌可降低高血壓前期和輕度高血壓患者收縮壓和舒張壓[24]；經(jīng)過連續(xù)12周，對39例輕度高血壓患者進(jìn)行跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，患者在服用酸牛奶后，其舒張壓和收縮壓有不同程度降低[25]。楊焱炯等[26]篩選出L.helveticusZL51、L.plantarumLP529、L.plantarumLS12和L.plantarumLS31 4種菌株，或可用于未來益生菌類降血壓產(chǎn)品開發(fā)。

在酸性條件下，嗜酸乳桿菌和雙歧桿菌產(chǎn)生膽鹽水解酶（BSH），將結(jié)合態(tài)膽鹽解離為游離膽汁酸，實現(xiàn)膽鹽和與膽固醇共沉淀，降低血液中膽固醇水平[27]。

2.1.4 益生菌與糖尿病 臨床對比發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病患者腸道內(nèi)以雙歧桿菌為主的有益菌數(shù)量下降，以腸球菌為主的病原菌數(shù)量上升，由益生菌對金屬離子的螯合效應(yīng)介導(dǎo)抗氧化活性，修復(fù)胰島β細(xì)胞氧化損傷，緩解胰島素抵抗[28-30]。

2.1.5 益生菌與免疫調(diào)節(jié) 益生菌對人體免疫功能的調(diào)節(jié)，除抗菌機(jī)制外，還包括維持胃腸道上皮細(xì)胞屏障功能、減輕炎癥反應(yīng)和促進(jìn)免疫細(xì)胞增殖等方面。胃腸道上皮細(xì)胞屏障有吸收和屏障雙層功能，可阻止腸腔內(nèi)大分子物質(zhì)、細(xì)菌和毒素滲入腸壁，是動物體抵抗腸道內(nèi)源性和外源性抗原感染的第一道防線，胃腸道上皮細(xì)胞屏障的完整性是維持宿主和外界環(huán)境穩(wěn)態(tài)的重要保證。研究發(fā)現(xiàn)，益生菌可促進(jìn)胃腸道上皮細(xì)胞增殖，修復(fù)破損屏障，減輕局部炎癥反應(yīng)[31]。腸炎小鼠白細(xì)胞介素-10基因敲除后，益生菌在炎癥反應(yīng)有免疫調(diào)節(jié)的作用[32]；經(jīng)酸奶和干酪乳桿菌喂養(yǎng)的動物，其體內(nèi)免疫球蛋白含量提高，刺激機(jī)體產(chǎn)生抗體，激活并提高巨噬細(xì)胞活性[33-37]。各個部位的黏膜免疫存在相互密切的聯(lián)系，腸道中被激活的免疫細(xì)胞，能到達(dá)多個黏膜相關(guān)淋巴組織，如呼吸道、生殖道等，參與針對同一抗原的免疫反應(yīng)。

2.1.6 益生菌與呼吸系統(tǒng)健康 呼吸道相關(guān)感染性疾病死亡率僅次于癌癥和心腦血管疾病[38]，其中兒童呼吸道感染居兒科門診就診和住院病因的首位[39]?？股氐牟贿m當(dāng)使用和濫用，已對人體微生態(tài)平衡造成干擾，造成病原菌耐藥性，影響治療效果。臨床觀察發(fā)現(xiàn)，呼吸道疾病患者的呼吸道內(nèi)有益菌數(shù)量明顯減少，對病原性細(xì)菌的拮抗作用降低，可能是由于益生菌產(chǎn)生抗微生物產(chǎn)物、阻斷毒素介導(dǎo)應(yīng)答、干擾致病菌獲取營養(yǎng)和限制其粘附等機(jī)制相關(guān)[39-42]，增加口咽等呼吸道器官有益菌數(shù)量，已成為防治呼吸道感染的措施之一[41-42]。Garaiov等[43]臨床實驗，3～6歲幼兒在連續(xù)6個月口服益生菌（嗜酸乳桿菌、雙歧桿菌和乳桿菌）和維生素C后，上呼吸道感染發(fā)病率和感染癥狀持續(xù)時間縮短。另有Waki等[44]對1783名小學(xué)生服用短乳桿菌KB290后對冬季流感的預(yù)防情況觀察發(fā)現(xiàn)，連續(xù)口服益生菌飲品8周后，其流感發(fā)病率比對照組低。

免疫力低下，也是導(dǎo)致呼吸道感染的主要原因之一，益生菌可通過提升免疫細(xì)胞數(shù)量及活性、調(diào)節(jié)腸道菌群平衡等多種途徑參與機(jī)體局部和全身的免疫調(diào)節(jié)。

2.2 益生菌在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用

益生菌可作為飼料添加劑用于動物養(yǎng)殖和生產(chǎn)，其作用主要表現(xiàn)在提升動物機(jī)體免疫能力、提高飼料轉(zhuǎn)化率和促進(jìn)動物生長等方面。尹艷軍等[45]用添加了1 %，2 %乳酸菌的飼料喂養(yǎng)肉雞，結(jié)果表明，肉雞免疫器官生長發(fā)育、細(xì)胞和體液免疫水平均得到提高。劉輝等[46]以豬為研究對象，亦發(fā)現(xiàn)益生菌可改善生長豬腸道微環(huán)境，提高飼料消化率，對動物機(jī)體生長性能和免疫功能起到促進(jìn)作用。劉振興等[47]在對日本鰻鱺研究中發(fā)現(xiàn)，長孢婁德酵母、乳明串珠菌和枯草芽孢桿菌在幼鰻生長早期可提升抗氧化水平和機(jī)體溶菌酶活性。以枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、嗜酸乳桿菌和釀酒酵母發(fā)酵液制備的復(fù)合益生菌制劑，可提高奶牛生產(chǎn)性能，并對奶牛隱性乳房炎有防治作用，經(jīng)濟(jì)效益顯著[48]。添加枯草芽孢桿菌和光合細(xì)菌的飼料，降低了鴨腸道和血液內(nèi)毒素濃度，降低炎癥反應(yīng)，減少腸道細(xì)胞凋亡，提高產(chǎn)蛋量等[49]。芽孢桿菌制劑還可用于抑制魚類致病菌感染及水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的處理[50]。

2.3 益生菌微膠囊技術(shù)在食品中的應(yīng)用

微生態(tài)制劑，是依據(jù)微生態(tài)學(xué)，利用正常微生物菌群或其他促進(jìn)性物質(zhì)制成，具有調(diào)整微生態(tài)平衡、提升宿主健康水平微生物制劑總稱[51]。劑型包括膠囊、粉劑、口服液和片劑等。因益生菌對溫度、氧氣和酸堿等極為敏感，其在腸道的定植情況被認(rèn)為是發(fā)揮功能的前提。為確保益生菌在食品加工、運輸和貯藏等過程中保持良好活性，為提升其經(jīng)動物體膽汁、胃酸等環(huán)境后的存活率，微膠囊包埋技術(shù)被普遍應(yīng)用于食品行業(yè)。微膠囊包埋技術(shù)是指用天然或合成的高分子材料，將分散的固體顆粒、液滴甚至氣體進(jìn)行包裹，得到粒徑微小、有半透性或密封性囊膜粒子的技術(shù)[52]。經(jīng)微膠囊包裹的益生菌能否在腸道中完全釋放，是判斷微膠囊品質(zhì)的一個重要標(biāo)準(zhǔn)[53]。如何得到粒徑足夠小的益生菌微膠囊，是目前食品級益生菌制劑研究的主要課題之一。縮小粒徑，一方面減少其與空氣等外界不良環(huán)境的接觸[54]，另一方面，是為更大程度保持食品本身的感官性質(zhì)免受不良影響[55]。傳統(tǒng)微膠囊粒子直徑大小一般為5～200 μm，新型微膠囊（納米微膠囊）粒徑可達(dá)1～1000 nm。

3 結(jié)語

微生態(tài)制劑包括益生菌、益生元和合生元3種。益生元，是通過選擇性刺激一種或幾種益生菌在體內(nèi)生長或代謝，抑制有害菌生長，促進(jìn)益生菌競爭性成為優(yōu)勢菌，保障機(jī)體健康的一類物質(zhì)。合生元是益生菌和益生元組合而成的制劑。此3類制劑形式已成為益生菌產(chǎn)品應(yīng)用的主要趨勢，以期保障宿主胃腸道、呼吸道、心腦血管和免疫系統(tǒng)等多方面的健康。

在全球，隨著需求增加和生物技術(shù)發(fā)展，益生菌及其制劑市場規(guī)模以每年15 %～20 %的速度增長，我國的增速已高達(dá)25 %，我國在新菌株開發(fā)和安全性研究方面，與起步較早的歐盟和日本相比存在一定差距，但市場潛力巨大。相信隨著人們健康理念的轉(zhuǎn)變和對益生菌保健功能的深入挖掘，相關(guān)益生菌及其制劑的研究將更加完善，前景更加廣闊。