益生菌科學研究十大熱點及行業(yè)發(fā)展建議

（中國食品科學技術學會益生菌分會 北京100048）

近年來，國內外學者在益生菌的資源、功效、作用機制及安全性等方面進行了大量的科學試驗研究，益生菌科學取得了長足的發(fā)展，至今熱度不減。隨著系統生物學、合成生物學、多組學等新技術的興起與發(fā)展，為益生菌科技與產業(yè)發(fā)展提供了新的思路和發(fā)展機遇，益生菌研究領域涌現出諸多新的學術觀點與學術成果。在2021—2035年國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃和“十四五”規(guī)劃編制之際，為聚焦當前益生菌科學的研究熱點，對益生菌研究領域亟需破解的關鍵共性問題作出基本判斷，2020年4月起，中國食品科學技術學會益生菌分會（以下簡稱“分會”）組織相關科研工作者基于文獻計量，對2001—2020年期間中國知網期刊數據庫和Web of Science 數據庫中關于益生菌的文獻中關鍵詞進行詞頻統計分析，結合科技界及產業(yè)界相關科技工作者對益生菌領域高頻關鍵詞的聚類分析，凝練形成“益生菌科學研究十大熱點”；結合益生菌分會2020年收集到的來自149 家單位的720 份益生菌行業(yè)調研問卷進行分析，對未來益生菌科技與產業(yè)發(fā)展提出相關建議，供廣大從事益生菌領域研究與應用的工作者參考。

1 益生菌科學研究十大熱點

1.1 益生菌與消化道健康

人體消化道從口腔、胃、小腸到大腸分布著約10 萬億個微生物，消化道的微生態(tài)平衡影響著機體的健康狀況，已得到廣泛的認可。益生菌與消化道健康的關系，在其功效研究中受到普遍的關注。益生菌對齲齒和牙周炎等口腔疾病[1]，幽門螺桿菌感染引起的胃炎及胃潰瘍[2]，腸道微生態(tài)紊亂引起的腸易激綜合征[3]，炎癥性腸病[4]等消化道疾病的防治功效得到了大量的科學驗證。研究表明，益生菌對消化道健康的作用機制主要是通過調節(jié)消化道微生態(tài)平衡，抑制致病菌生長和黏附，降低炎癥反應及提高機體免疫力等[5]，而不同益生菌菌株的作用機制、臨床效果及人群差異性，尚需得到循證醫(yī)學的證實。

消化道中絕大多數微生物是厭氧的，如何在體外模擬腸道菌群和人體消化道之間的相互作用是制約本領域研究的瓶頸問題。國外研究者開發(fā)了“厭氧腸道芯片”，可模擬人體生理狀態(tài)，實現腸道上皮與復雜菌群的穩(wěn)定共培養(yǎng)，為研究益生菌與人體消化道健康的關系提供了新技術[6]。此外，腸道微生物采集膠囊也已經研發(fā)成功[7]，對研究益生菌在腸道內的作用機制提供了新方法。

1.2 益生菌與免疫調節(jié)

免疫是人體健康的基石，一旦其功能失調，機體可能會產生過敏、腫瘤或易受到病毒感染等健康問題。研究資料顯示，人體70%的免疫力來自腸道，因此，腸道被稱為人體最大的“免疫器官”[8]，也是益生菌發(fā)揮作用的重要場所?？茖W研究表明，益生菌可通過產生增強腸道黏膜屏障功能，抑制致病菌生長和粘附，調控免疫細胞活性及促進免疫因子產生等方式，調節(jié)機體免疫功能[9-11]。然而，益生菌的免疫調節(jié)作用具有菌株特異性，特定抗原的益生菌菌株篩選，免疫調節(jié)作用功效及機制等尚有待深入研究。

人體免疫系統是極其復雜的全身性防御網絡系統，通過免疫組學研究益生菌對機體免疫功能的調節(jié)機制，建立免疫相關的分子庫，解析作用的功能成分及其靶點，將為揭示益生菌對機體免疫調節(jié)作用提供新的思路。

1.3 益生菌與代謝綜合征

以肥胖、Ⅱ型糖尿病、高血脂和高血壓等代謝紊亂為特征的代謝綜合征，近年來發(fā)生率不斷攀升，已成為嚴重影響大眾健康的社會問題[12]。研究表明，腸道菌群紊亂是導致代謝綜合征發(fā)生的因素之一，益生菌可通過調節(jié)腸道微生態(tài)，調控機體代謝而重塑健康的腸道內環(huán)境，緩解代謝綜合征的發(fā)生與發(fā)展[13-14]。臨床研究發(fā)現，以乳桿菌和雙歧桿菌為代表的益生菌可通過改善腸道菌群及腸道完整性，刺激宿主產生飽腹感，減少系統性脂多糖水平，刺激胰島素信號傳導，降低血脂和膽固醇，增加短鏈脂肪酸產量以及下調炎癥信號等途徑緩解代謝綜合征[15-16]。然而，目前大多數研究集中在益生菌與代謝性疾病之間的相關性，對二者因果關系探討甚少[17-18]。究其原因，主要歸結于各類代謝性疾病的病因復雜性，益生菌菌株的特異性，益生菌在代謝綜合征的不同作用機制等[17，19]。

未來仍需針對各種代謝紊亂及不同人群開展個性化益生菌菌株的篩選及臨床療效驗證等研究，深入探究益生菌調控代謝綜合征的作用途徑、機制及影響因素。

1.4 益生菌與腸-X 軸

研究者認為，人體中高達90%的血清素是在腸道中產生的[20]。臨床研究表明，腸道微生物可以通過影響連接腸道和大腦的復雜網絡，即腸-腦軸，來調控宿主情緒和行為[21]。腸道和腦之間通過涉及神經、內分泌和炎癥機制的通路進行雙向溝通，腸道屏障和血腦屏障通透性的變化影響腸-腦軸[22]。腸-腦軸的破壞可引發(fā)神經發(fā)育障礙相關的疾病，包括IBS、自閉癥、焦慮、多動癥、肥胖等，而“精神益生菌”或可用于調節(jié)腦功能及行為[22]。此外，腸道菌群與人類共進化的過程中，也與機體其他器官和組織（肺、肝、腎、肌肉和骨骼等）建立了錯綜復雜的雙向互作關系（以下簡稱“腸-X 軸”），如腸-肺軸、腸-肝軸、腸-腎軸、腸-肌肉軸和腸-骨骼軸等[23-24]。近年來的研究表明，腸-X 軸的互作可成為相關疾病新藥開發(fā)的靶點，益生菌可通過涉及腸神經、免疫系統、腸內分泌信號、短鏈脂肪酸等的途徑和介質，與各器官進行雙向交流來調節(jié)機體組織、器官功能及行為，進而影響宿主健康[22，25-26]。

基于益生菌的有益作用，已將其作為有效干預手段應用于調節(jié)腸道微生態(tài)和其他器官機能，而其生物學機制尚不清楚[27]。今后研究應該集中于應用多組學的新技術，突出具體“貢獻度”問題，考慮菌株特異性和使用劑量因素，以便更深入地了解其作用機制。

1.5 精準益生菌的篩選與功能預測

益生菌的功效評價應聚焦于菌株水平，這一觀點已成為科技界的廣泛共識[28]。益生菌功效受其生境來源、宿主飲食、年齡、性別、基因背景等因素影響，需要注重個性化差異，精準篩選益生菌。隨著科技的進步，用于干預肥胖、口腔疾病、糖尿病甚至心臟病等的特定功能益生菌，可能在未來十年里出現。我國地域遼闊，不同地區(qū)傳統發(fā)酵食品中含有大量優(yōu)良發(fā)酵特性和益生作用的菌株[29]，而特定功能益生菌的篩選可以挖掘豐富的食品微生物資源。另外，特定功能的益生菌株也可從不同健康人群的腸道微生物中分離得到。

采用基于表型、基因分型和靶標的自下而上的菌株篩選策略，聯合多組學技術，多尺度建立快速、精準的益生菌篩選方法和功能預測技術，開發(fā)針對不同人群（嬰幼兒、老年人群、亞健康人群、疾病患者等）的個性化的具有特定功能的高品質益生菌菌株，并以合適的方式給予安全、高效的個體化益生菌干預，平衡人體的微生態(tài)，從而實現有效預防疾病的發(fā)生與發(fā)展，維護機體健康的目標[30-31]。

1.6 益生菌與膳食互作

膳食與腸道菌群的互作已成為人體健康調控新靶標[32]，是益生菌領域關注的熱點之一。不同膳食模式及不同食物種類對宿主腸道內源益生菌的影響存在差異。外源補充益生菌是調控腸道菌群的重要手段之一。研究表明，補充的益生菌具備特定酶系，能夠通過生物化學反應轉化膳食中的組分，形成更易被吸收、活性更高的新型物質；同時，某些膳食組分能夠促進特定益生菌的增殖，兩者復合食用后可促進益生菌在腸道的增殖與代謝，發(fā)揮更好的健康功效[33]。

以膳食纖維、藥食同源的植物提取物等為代表的功能性膳食補充劑，對內、外源益生菌的生長和功能均具有調控作用，可增加產短鏈脂肪酸的益生菌數量，調節(jié)菌群失調，保護腸道屏障，緩解神經炎癥及緩解代謝綜合征等[34]。人體基因型和腸道菌群共同決定表型，而“食物-益生菌-代謝”通路與人體的互作機制尚有待深入研究。

1.7 益生菌與后生元/類生元

近年來，有研究報道滅活益生菌也可對人體健康發(fā)揮作用[35-40]，而相應的益生菌菌株發(fā)揮功能作用的物質基礎也逐漸被識別[41-44]，進而衍生出“后生元/類生元”的概念。后生元/類生元是益生菌經滅活處理后仍能發(fā)揮作用的代謝產物或菌體成分，其具有調節(jié)機體免疫力，保護腸道屏障及調節(jié)腸道菌群等健康功能[45]。研究表明，后生元/類生元對胃腸道生理環(huán)境和生產加工條件具有更強的耐受力和穩(wěn)定性，具有較好的應用前景[46]。

目前，受研究技術手段的限制，大多數研究僅關注到蛋白質、多糖等大分子活性物質，并未進行更高分辨率的效應物質識別。益生菌代謝產物的分離鑒定及功能學評價是后生元/類生元能否市場化的關鍵，同時，后生元/類生元發(fā)揮作用的量效關系以及在腸道中的代謝動力學，也需要進一步深入研究[47]。

1.8 益生菌與新興技術

隨著微生物組學、分子生物學、生物信息學等基礎學科和現代生物技術的不斷發(fā)展，更多高效、可靠、高性價比的新興技術被引入益生菌的研究中。全基因組測序、單細胞測序、宏基因組學、轉錄組學、蛋白質組學及代謝組學等技術，可以從菌種的DNA-RNA-蛋白質-代謝產物等不同水平，深入揭示菌株遺傳信息、進化關系、生理特性、代謝網絡、功能機制及其工業(yè)應用潛力[48-50]；培養(yǎng)組學和合成生物學等技術也為篩選和開發(fā)具有特定功能的新一代益生菌提供了方法學支撐[51-56]；多組學數據庫的不斷擴大，及整合多組學數據的新算法開發(fā)，將有助于研究人員在現有數據基礎上進行深入挖掘，為益生菌機制層面的研究提供助力[57-59]。

在產業(yè)化應用方面，更多新興技術被應用于益生菌的包埋、干燥、遞送、檢測等方面，如利用新型壁材實現菌株的逐層封裝和靶向腸道遞送[60]，基于流式細胞術實現活菌的快速實時檢測等[61]。未來必然有更多生物、醫(yī)療制藥相關領域等前沿技術被應用于益生菌產業(yè)，從而進一步提升產業(yè)的科技競爭力。

1.9 新一代益生菌與益生菌新機制

基于腸道特定共生菌開發(fā)的新型益生菌（也稱新一代益生菌）是研究的熱點之一。新一代益生菌的主要特點是：①來源于宿主腸道固有共生菌，與宿主有較長的共同進化史，適應宿主腸道環(huán)境；②在宿主腸道菌群中豐度可大可小，而與其它菌群具有豐富的物質交流，對平衡宿主腸道菌群發(fā)揮重要作用；③產生特定代謝產物，對宿主生理功能產生重要作用[62]。除了傳統的乳桿菌和雙歧桿菌等有長期食用歷史的益生菌來源外，Akkermansia muciniphila，Faecalibacterium prausnitzii，Eubacterium hallii是目前研究較多的人體共生菌株，具有提高腸道黏膜屏障和改善代謝性疾病的潛力，是新一代益生菌的候選菌株。新一代益生菌仍處于研究階段，主要是針對特定疾病開展臨床效果評估及功能機制解析，為開發(fā)新型藥物積累了基礎數據。目前，新一代益生菌的臨床功能、安全性證據仍不充足；另外，還需要針對菌株益生功能與機制，環(huán)境耐受能力，生長特性，產業(yè)化應用技術開展深入研究，同時開展法規(guī)建設，以便推進新一代益生菌的應用[63]。

隨著腸道菌群與宿主健康關系研究的不斷深入，腸道菌群內穩(wěn)態(tài)機制，菌群與膳食成分互作關系，菌群與其他器官（腸-X 軸）交流物質基礎等問題被逐步闡明，解析與宿主生理功能密切相關的腸道分子靶點成為新的研究熱點。而研究益生菌對腸道菌群代謝網絡的作用，通過特異性調控腸道分子靶點及代謝途徑，實現對宿主健康問題的干預，成為益生菌作用機制研究的新熱點。

1.10 益生菌與食用安全

益生菌的安全性是益生菌應用的基礎。益生菌的安全性主要由菌株天然屬性決定，需要具備的特性有：①菌株來源清晰，有明確的分離源及分離條件，一般來源于傳統發(fā)酵食品或健康人體腸道的菌株，其安全性較高；②經過安全性評價，并在功能評價試驗中對宿主沒有明顯風險。

常用的益生菌是乳桿菌和雙歧桿菌，一般來源于傳統發(fā)酵食品或健康宿主腸道，來源清晰，具有較高的安全性。我國規(guī)定《可用于食品的菌種名單》中的菌種無需進行安全性評價，可直接用于普通食品。目前認為雖然攝入益生菌可對適宜人群的健康發(fā)揮作用，但是臨床上對于免疫缺陷和危重病人不推薦進行益生菌干預[64]。

在新菌株及新一代益生菌的開發(fā)應用過程中，益生菌安全評價必不可少。針對不同菌株特異性的安全評價，以及針對不同特定人群或個體的風險評估，是益生菌食用安全性評價的未來方向[65]。

2 益生菌行業(yè)發(fā)展的思考與建議

基于益生菌的益生功能，使其成為調節(jié)身體機能和促進人體健康的產品，是益生菌領域研究的最終目標。在這一過程中，建議科技界與產業(yè)界攜手加強以下幾個方面的工作：

2.1 突破技術瓶頸，提高原料品質

在益生菌原料生產和應用過程中存在的技術瓶頸問題：

1）菌種的培養(yǎng)與高效富集 在菌種高密度培養(yǎng)過程中，會受到pH、滲透壓等脅迫，影響益生菌的高效富集。當前國內益生菌的活菌數量以每克原料菌粉千億級為主，下一步如何達到萬億級的技術升級，是迫切需要突破的工藝技術難題。

2）菌種的存活率和貨架期穩(wěn)定性 在制備過程中，環(huán)境溫度、濕度、氧氣等因素導致菌種的存活率下降。在貨架期內，常溫貯存，益生菌產品活菌數出現衰減；若冷鏈貯存則成本增加。

開發(fā)益生菌的高密度培養(yǎng)、高活性制備和高穩(wěn)定性貯存的關鍵技術，提升其原料品質，是益生菌高效生產和應用的基礎。未來，要從菌株種子選育、工藝技術等方面不斷進行升級改進。在菌種選育上要挖掘解析益生菌生長調節(jié)和代謝反饋的關鍵基因和代謝通路，高生物量發(fā)酵調控的共性分子機理，原料加工和貯運過程細胞活性損失與菌體死亡的誘導因素等。在工藝上，對菌株的凍干工藝、菌體分離工藝、包埋工藝及生產設備進行改進和升級成為我國益生菌產業(yè)化的重要支撐。

2.2 強化基礎研究，提供科學依據

聚焦益生菌的臨床試驗已成為未來發(fā)展趨勢，也是開發(fā)精準干預腸道微生態(tài)的益生菌產品的科學依據。大量體外試驗、動物實驗證實了益生菌對宿主的生理調節(jié)功能，然而，體外細胞試驗和動物實驗僅可作為初步篩選手段，只有結合人體臨床試驗數據，特別是基于大規(guī)模人群隊列以及具有嚴格質控的益生菌干預臨床試驗的結果才更加可靠。

為此，益生菌行業(yè)需要進一步強化其基礎科學研究，深入解析益生菌的作用機制，建立開展臨床試驗的規(guī)范和指南，通過科學試驗數據界定益生菌的食用劑量，提高消費者食用益生菌產品的功效。益生菌的基礎和功效研究具有挑戰(zhàn)性，需要不同學科的交叉融合并協力推進。

2.3 重視菌種安全研究，完善標準法規(guī)

建立完善的益生菌標準法規(guī)體系，是益生菌行業(yè)健康發(fā)展的基礎保障。益生菌行業(yè)在我國的發(fā)展僅20 余年，其相關標準法規(guī)體系還處于不斷完善的過程中。益生菌在安全性研究上主要存在以下問題：

1）益生菌對多種抗生素的耐藥性評價原則和基于組學技術評估菌株所攜帶耐藥基因的可傳遞性的標準評估方案亟待建立；

2）益生菌對嬰幼兒、老年體弱者、慢性病患者、孕婦、乳母等特殊人群的安全性研究還相對缺乏。

為此，利用當前日益成熟的微生物組學技術，從遺傳背景方向全面闡述益生菌可能攜帶的致病性、耐藥性、環(huán)境抗性基因，強化益生菌與特殊人群的安全性評價，將對未來益生菌的安全性研究及標準法規(guī)制定提供有力支撐。

2.4 達成廣泛共識，持續(xù)開展科普宣傳

益生菌行業(yè)的健康發(fā)展離不開良好的社會輿論環(huán)境以及消費者的科學認知。將益生菌的科學知識以科技界廣泛共識的形式總結出來，傳遞給消費者，成為當前科普工作的有效方式。

益生菌的科普工作是一個循序漸進的長久課題，其科學研究與科普傳播是一個有機整體，一方面科技成果及時轉化為科普知識，以提升消費者的科學認知；另一方面，科普過程中遇到的模糊科學問題，及時反饋到科學研究上，二者互通，使科學認知得以不斷提升。益生菌科技與科普之間的有機結合與良性互動，將使益生菌行業(yè)的科普工作充滿活力。

3 結語

益生菌行業(yè)作為我國食品工業(yè)的重要組成部分，在我國每年以15%～20%的增速快速發(fā)展，已成為支撐并帶動我國食品工業(yè)健康轉型升級的重要引擎之一。在國際上，益生菌行業(yè)也已成為世界上重要國家搶占新一輪科技與經濟發(fā)展制高點的戰(zhàn)略舉措。對益生菌領域研究熱點及產業(yè)發(fā)展瓶頸問題進行深入分析，攻克科技與產業(yè)發(fā)展中的卡點，將為益生菌行業(yè)向價值鏈高端邁進提供重要保障。

顧問：

陳 衛(wèi) 中國工程院院士、江南大學

任發(fā)政 中國工程院院士、中國農業(yè)大學

共同執(zhí)筆人：

張國華 山西大學

翟齊嘯 江南大學

易華西 中國海洋大學

孫志宏 內蒙古農業(yè)大學

趙 亮 中國農業(yè)大學

陳 錚 中國食品科學技術學會

羅江釗 中國食品科學技術學會

參與討論與審閱專家（按姓氏漢語筆畫排序）：

云戰(zhàn)友 內蒙古伊利實業(yè)集團股份有限公司

石漢平 首都醫(yī)科大學附屬北京世紀壇醫(yī)院

平野 晉 養(yǎng)樂多（中國）投資有限公司

朱 宏 石家莊君樂寶乳業(yè)有限公司

楊瑞馥 軍事科學院軍事醫(yī)學研究院微生物流行病研究所

何國慶 浙江大學

張?zhí)m威 中國海洋大學

張和平 內蒙古農業(yè)大學

金 蘇 杜邦營養(yǎng)與生物科技

姚 粟 中國食品發(fā)酵工業(yè)研究院

徐 進 國家食品安全風險評估中心

董 英 江蘇大學