海參腸道菌群可利用價值研究現(xiàn)狀

鄧志怡，梁志宏

（北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京100083）

海參，屬海參綱（Holothuroidea），主要生活在世界各地的深海區(qū)，是海洋無脊椎動物。據(jù)報(bào)道，全世界范圍內(nèi)的海參種類高達(dá)1 000 多種，其中用做食材的海參有100 來種。目前全球流通的商貿(mào)海參種類有60種，分別屬于海參綱（Holothuroidea）的3 目，4 科，14屬，且每種海參都有唯一的拉丁文種屬名稱[1]。近年來，海參貿(mào)易已從亞洲地區(qū)延伸到太平洋東部群島、南美洲西南部以及俄羅斯聯(lián)邦等國家和地區(qū)[2]。中國是世界三大海參消費(fèi)國之一，我國海參主要分布于南海、黃海和渤海，其中以南海的梅花參（Thelenota ananas）和北方的日本刺參（Apostichopus japonicus）最受人們青睞[3]。隨著功能性食品研究的興起，海參因其豐富的營養(yǎng)價值吸引著研究人員的目光，如海參體內(nèi)含有豐富的B 族維生素和一些礦物質(zhì)，特別是鈣、鎂、鐵等[4]。由于海洋資源還處于被開發(fā)階段，海參獨(dú)特的生理生物活性研究也正在起步階段。海參一般以海洋沉積物中的有機(jī)物作為營養(yǎng)物質(zhì)，腸道是海參內(nèi)外環(huán)境物質(zhì)交換的渠道，依附海參腸道生存的菌群因其特殊的高壓、高鹽的海洋生境，賦予了該菌群許多特殊的營養(yǎng)物質(zhì)和生物活性，對腸道菌群的組成、影響因素及微生物菌劑應(yīng)用潛力的探究是必然趨勢。

1 海參腸道菌群研究進(jìn)展

1.1 海參腸道菌群組成

隨著微生物菌群概念的普及，大眾對它的認(rèn)識也越來越多。研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群對宿主的正常功能和生長發(fā)育起著決定性作用[5]?，F(xiàn)在，人們對海洋生物的腸道微生物也越來越關(guān)注，現(xiàn)在，海洋生物的腸道微生物越來越受到人們的關(guān)注，而兼具可食用價值和營養(yǎng)價值的海參則是研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)物種。雖然海參腸道菌群的系統(tǒng)化研究還需進(jìn)一步探索，但現(xiàn)有研究表明不同種海參的腸道微生物既有共性也有特性，取決于季節(jié)、海域、海水污染程度以及喂養(yǎng)方式等因素。張文姬等[6]在對大連購入的仿刺參（Apostichopus japonicus）研究中發(fā)現(xiàn)其腸道共有9 個菌屬，分別是假單胞菌屬（Pseudomonas）、弧菌屬（Vibrio）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、希瓦氏菌屬（Shewanella）、假交替單胞菌屬（Pseudoalteromonas）、不動桿菌屬（Acinetobacter）、氣球菌屬（Aerococcus）、發(fā)光菌屬（Photobacterium）、葡萄球菌菌屬（staphylococcus）和Kushneria 菌屬，優(yōu)勢菌屬為假單胞菌屬（Pseudomonas）。李智等[7]從健康和病態(tài)的海參中取樣，分別測試海參腸道菌群，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該菌群包含11 個細(xì)菌屬，特別是發(fā)現(xiàn)了新的菌株，如海單胞菌屬（Marinomonas sp.）、海桿菌屬（Marinobacter）、微桿菌屬（Microbacterium）、假海源菌屬（Pseudidiomarina）和Oceanisphaera 菌屬。健康組海參和病態(tài)組海參腸道菌群也存在一定的差別，芽孢桿菌屬和假單胞菌屬是兩組腸道樣本共有的菌屬，但健康組海參的菌屬豐度明顯高于病態(tài)組，而假交替單胞菌屬和芽孢桿菌屬則在病態(tài)組海參腸道的豐度最高。與此同時，海桿菌屬只在健康組海參中被發(fā)現(xiàn)，弧菌屬和假海源菌屬則只存在于病態(tài)組海參體內(nèi)。

因此，海參腸道菌群具有多樣性，普遍存在的腸道菌群有芽孢桿菌、不動桿菌和假單胞菌等。在不同種類及來源的海參體內(nèi)，其腸道菌群是具有一定差異性的，甚至還有很多未知菌種等待研究發(fā)現(xiàn)。

1.2 海參腸道益生菌潛力研究現(xiàn)狀

益生菌是指定植于宿主腸道體系，能改善宿主微生態(tài)平衡，對宿主發(fā)揮有益作用的一類微生物總稱。隨著益生菌概念的引用，國際益生菌和益生元科學(xué)協(xié)會（International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics，ISAPP）在2013 年10 月23 日組織了一次益生菌臨床和科學(xué)專家會議，與會者就重新審視益生菌的應(yīng)用、益生菌范圍以及使用問題達(dá)成了共識，澄清了益生菌一詞的適當(dāng)范圍和適當(dāng)使用，以便益生菌領(lǐng)域的所有利益相關(guān)者，這一澄清將促進(jìn)益生菌研究的持續(xù)進(jìn)展[8]。

益生菌一直是研究熱點(diǎn)，而海參腸道菌群的多樣性特征也為研究海參益生菌潛力提供了可能。研究益生菌的最終目的是要應(yīng)用它解決實(shí)際生產(chǎn)中的問題，目前在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域應(yīng)用最廣的益生菌[9]有弧菌屬（Vibrio）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、芽孢桿菌屬（Bacillus）等，張文姬等[6]和李智等[7]的研究中同樣發(fā)現(xiàn)了弧菌屬（Vibrio）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、芽孢桿菌屬（Bacillus）的存在，這些研究分離得到的菌株能為海參腸道具有益生菌研究潛力提供有力證據(jù)。王曉琳等[10]以兩株潛在益生菌為研究對象，分別為芽孢桿菌BZ5和溶藻弧菌VZ5，研究人員對樣本溶血、抗生素的敏感性及被感染后的存活率進(jìn)行了測試，結(jié)果表明芽孢桿菌BZ5 株和溶藻弧菌VZ5 株都可應(yīng)用于對蝦養(yǎng)殖領(lǐng)域，兩株菌能顯著提高對蝦免疫力和抗對蝦白玫王綜合征病毒（white spot syndrome virus，WSSV）能力，其中以芽孢桿菌BZ5 的效果最好。黃靈[11]在研究虎龍斑幼魚生長、非特異性免疫和抗病力時，為了在試驗(yàn)中減少抗生素和化學(xué)藥物的用量，選擇在魚料喂養(yǎng)中添加一些益生菌，即將芽孢桿菌、光合細(xì)菌和丁酸梭菌按一定濃度分別投放到虎龍斑魚料中，通過對比試驗(yàn)組和對照組數(shù)據(jù)的差異，發(fā)現(xiàn)3 種菌在最適濃度下可有效促進(jìn)虎龍斑的生長，進(jìn)而提高虎龍斑的免疫力和抗病力，最終達(dá)到了減少及替代抗生素和化學(xué)藥物使用的目的。

上述提到的菌種在海參腸道里絕大部分都被發(fā)現(xiàn)過，益生菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的成功應(yīng)用，為海參腸道益生菌的潛力研究提供了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，也為后續(xù)海參腸道分離的益生菌應(yīng)用提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

2 海參腸道菌群構(gòu)成的影響因素

2.1 環(huán)境因素

生態(tài)環(huán)境是地球生物賴以生存的基礎(chǔ)。海水、沉積物構(gòu)成了海參的外環(huán)境，在環(huán)境與海參之間的平衡遭到破壞后，就有可能引起海參機(jī)體的應(yīng)激變化。近年來，海洋污染已經(jīng)上升為全球性的環(huán)境問題，海洋生態(tài)環(huán)境遭到破壞的同時，給海洋生物和人類帶來的負(fù)面影響不容忽視[12]。有研究表明，水生環(huán)境會受到熱和低氧脅迫的極大影響，特別是由全球變暖引起的變化，海參機(jī)體在自身應(yīng)對外環(huán)境脅迫中也發(fā)生了基因的突變，針對在熱、低氧和熱低氧環(huán)境下的海參機(jī)體進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)激鑒定后發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)海參分別有159、355 和495 個顯著上調(diào)基因以及230、518 和647 個顯著下調(diào)基因，為此科研人員還構(gòu)建了不同表達(dá)-非編碼RNAmRNA（differentially expressed-long non-coding RNAmRNA，de-IncRNA-mRNA）共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)[13]。在姚雪梅等[14]的研究中證實(shí)糙海參的前、中和后腸擁有不同的酸堿度。其中，前腸偏酸性、中腸呈中性而后腸則偏堿性，因?yàn)槊糠N微生物菌群有其自身最適的pH 值，這就意味著海參腸道菌群種類可能也會受pH 值的影響。如今，海洋生物受重金屬污染已有廣泛報(bào)道。海參因特殊的沉積食性使其在進(jìn)食過程中容易受到含重金屬沉積物的污染，這對海參的生理活動和經(jīng)濟(jì)價值非常不利。張鵬等[15]發(fā)現(xiàn)海參體內(nèi)的重金屬污染水平因海域和種類的不同存在較大差異，且不同金屬污染在同一海參組織或同種金屬污染在不同海參組織中的含量也存在差異性，同時，作者總結(jié)了重金屬在海參體內(nèi)的污染、毒性和毒理方面的研究進(jìn)展，并從海洋環(huán)境監(jiān)測角度出發(fā)，提出了后續(xù)研究需篩選出合適種類的海參重金屬污染指示物的觀點(diǎn)。

2.2 人為因素

隨著人們生活水平的提高，大眾對海產(chǎn)品的需求量日益增多。野生型海參由于捕撈技術(shù)和數(shù)量問題不能及時滿足市場需求，進(jìn)而衍生了海參養(yǎng)殖這一項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè)，具有廣闊的發(fā)展前景[16]。但海參養(yǎng)殖還未規(guī)范化，人工養(yǎng)殖技術(shù)也比較復(fù)雜，這對海參機(jī)體勢必會產(chǎn)生一定影響。大量的資料表明，飲食可以調(diào)節(jié)腸道菌群的組成，所以飲食習(xí)慣對動物宿主的腸道菌群有很大影響，比如當(dāng)碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪這3 種營養(yǎng)物質(zhì)攝入量發(fā)生改變就可明顯影響腸道菌群的組成[17]。大規(guī)模地飼養(yǎng)海參會增大疾病發(fā)生概率，當(dāng)海參得病時，飼養(yǎng)員通常會選擇在飼料中添加抗生素來治療，因此，抗生素的使用成為改變海參腸道菌群的因素之一。

賈晨晨等[18]通過喂食仿刺參含菊芋全粉的益生元飼料，對不同試驗(yàn)組仿刺參腸道微生物種類及豐度進(jìn)行分析，以及進(jìn)一步分析了腸道微生物種類、豐度對仿刺參生長速度的影響。此外，通過研究菊芋全粉對仿刺參腸道菌群的影響，確定了菊芋全粉最適添加量的試驗(yàn)參數(shù)，為菊芋全粉在仿刺參養(yǎng)殖中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。其結(jié)果顯示，菊芋全粉組飼料能顯著增加仿刺參腸道紅桿菌的數(shù)量。因此，含菊芋全粉益生元的發(fā)酵型飼料作為一種無抗生素的功能性飼料，可能成為仿刺參水產(chǎn)養(yǎng)殖健康管理的一種新策略。此外，有研究發(fā)現(xiàn)[19]海參腸道酶類的活性受飼料成分的不同有很大的影響，該實(shí)驗(yàn)中分別用海黍子和龍須菜單獨(dú)飼養(yǎng)海參，結(jié)果顯示海黍子海參組的胰蛋白酶活性顯著高于龍須菜組海參，即使只飼喂藻類也會因藻類種類的數(shù)量產(chǎn)生差異，海參腸道中的淀粉酶和纖維素酶活性會隨著藻類種類的增加而升高。在刺參中蛋白酶活性最高，淀粉酶活力次之，纖維素酶活力低于前面兩者，而脂肪酶活力最低，這可能是由海參腸道pH 值不在脂肪酶最適pH 值范圍內(nèi)造成的[20]。

2.3 其它因素

海參腸道菌群不是一成不變的，除去受外界脅迫引起自身菌群的變化之外，還有一些不可抗因素，比如地域、種類、健康狀況等。研究的海參樣本取自不同的海域或者緯度，它的菌群組成都是不一樣的，如張文姬等[6]曾對大連海域海參腸道菌群進(jìn)行分離，得到的優(yōu)勢菌屬為假單胞菌屬、弧菌屬和芽孢桿菌屬，而李智等[7]的研究中在福建海參腸道里則發(fā)現(xiàn)了與大連海參腸道優(yōu)勢菌屬不同的海桿菌屬。

3 海參腸道功能性菌株

海洋生境具有高壓、高鹽的特點(diǎn)，數(shù)以萬計(jì)生活在海洋系統(tǒng)的微生物長期處于這種獨(dú)特環(huán)境下會產(chǎn)生一定的適應(yīng)性，可能會給予海洋微生物不同于陸生微生物的生物活性和功能性。許多學(xué)者[21]經(jīng)研究證實(shí)，在海參體內(nèi)和腸道內(nèi)發(fā)現(xiàn)了大量具有生物活性的物質(zhì)，如從海參腸中能分離具有特殊的酶學(xué)性質(zhì)及抑菌作用的溶菌酶[22]。

高鵬等[23]曾從大連海域的海參腸道中篩選到一株酵母菌HS-J9，它是一株產(chǎn)胞外多糖的高產(chǎn)菌。酵母胞外多糖是一類微生物生長代謝過程中分泌到細(xì)胞壁外，易與菌體分離的水溶性大分子糖類物質(zhì)，屬于微生物的次級代謝產(chǎn)物。具有多糖廣泛的藥理功能活性，在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[24]。王偉等[25]從遼寧海域的海參腸道中篩選到一株具有廣譜抑菌活性的乳酸片球菌。研究者繼續(xù)對分離的菌進(jìn)行了抗菌性和敏感性試驗(yàn)，初步確定該菌株所產(chǎn)生的抗菌活性物質(zhì)為多肽類，且該活性物質(zhì)對李斯特氏菌、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等常見的食品病原菌有明顯抑制作用，并且具有極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，在pH 值和溫度變化明顯的條件下，也能保持較高活性，這一特性為海洋源細(xì)菌素的研究提供了參考。李晨等[26]不僅從海參腸道中取樣，而且取樣了一些海參養(yǎng)殖水樣及污泥，對其進(jìn)行富集、分離，篩選出多株酵母菌海參益生菌，以試驗(yàn)菌發(fā)酵液提取胞外多糖，對產(chǎn)率、理化性質(zhì)和抗氧化活性進(jìn)行了相關(guān)研究。海參素有海洋人參之稱，能產(chǎn)生許多具有不同功能的化合物，是農(nóng)業(yè)、營養(yǎng)、醫(yī)藥和美容產(chǎn)品活性成分的潛在來源。國外學(xué)者對澳大利亞海域的海參進(jìn)行了研究，用70%乙醇提取內(nèi)臟，采用液-液分配法和柱色譜法純化，進(jìn)行異丁醇提取，利用高效離心分配色譜進(jìn)一步純化異丁醇皂苷富集混合液，最后對得到的純化極性樣品進(jìn)行分析，最終發(fā)現(xiàn)了具有潛在功能活性且有較高的結(jié)構(gòu)多樣性和新穎性的新型皂甙，海參皂苷具有抗腫瘤活性，關(guān)于這方面的研究也很多，這為開發(fā)它們在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和制藥中的應(yīng)用提供了很好的機(jī)會[27]。

目前人們把研究注意力普遍都放在海參腸道的酵母菌和乳酸菌上，它們的代謝產(chǎn)物被證實(shí)對食品和醫(yī)藥有抑菌抗菌甚至是治療疾病的作用，但具體的作用機(jī)理報(bào)道得還很少。未來海參腸道中分離的菌株依然會成為研究重點(diǎn)，可以對其功能性作用機(jī)制及應(yīng)用進(jìn)行更加深入的研究。

4 海參腸道菌群的應(yīng)用

人們對海參腸道菌株的探索不止于此，分離菌株隨后研究其生物活性，直到最后應(yīng)用生產(chǎn)才是研究的最終目的。近年來，許多酶已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，有研究顯示在清酒酒糟和米糠中使用米曲霉的商業(yè)蛋白酶可獲得具有抗氧化活性的米衍生肽[28]。李震等[29]從海參腸道分離的一株產(chǎn)蛋白酶的芽孢桿菌，用該菌株發(fā)酵海參腸來獲得具有抗氧化活性的的多肽，從而實(shí)現(xiàn)了海參加工廢料的高效利用。

其次是海參腸道菌群與微生物菌劑的配合作用，一般是在水產(chǎn)養(yǎng)殖的飼料中添加菌種來取代抗生素的使用，這也是目前腸道菌群研究的熱點(diǎn)方向之一。海參中存在許多的微生物，它們的調(diào)控使海參體內(nèi)處于平衡狀態(tài)。尤其是消化系統(tǒng)中所形成的微生態(tài)環(huán)境，能夠?yàn)楹⑸L提供營養(yǎng)。通過微生態(tài)制劑的應(yīng)用，多種有益菌經(jīng)過海參食用到消化系統(tǒng)后，能夠迅速被身體所吸收，并分布到海參體內(nèi)。有益菌的平衡調(diào)節(jié)作用，使海參消化系統(tǒng)的酸堿值處于平衡狀態(tài)，增強(qiáng)海參的消化系統(tǒng)功能，這樣向水體中所投入的飼料才能更好地吸收利用[30]。王光玉等[31]的研究闡述了微生態(tài)環(huán)境中微生態(tài)制劑與海參腸道的相互作用，研究得出添加至海參餌料中的益生菌能通過共生、競爭等方式，與海參腸道自身的菌群結(jié)合，起到調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)平衡、添加腸道益生菌數(shù)量的作用，繼而提高海參腸道消化酶活性，促進(jìn)海參機(jī)體營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、生長和增強(qiáng)免疫機(jī)能[32]。

海參腸道菌群既能被人們利用解決食品、醫(yī)療中抗菌抑菌的問題，而且自身機(jī)體的腸道菌群也能和外來菌群相結(jié)合，調(diào)節(jié)體內(nèi)環(huán)境，增強(qiáng)免疫促進(jìn)自身生長，不過菌種間的相互作用機(jī)制還沒有相關(guān)研究。

5 展望

綜上所述，海參的腸道菌群是一個龐大且復(fù)雜的體系，人們對海洋微生物的探索還處于初級階段，已發(fā)現(xiàn)的大部分菌群都僅限于生物活性，很少有研究菌種的具體作用機(jī)制，不僅如此，還有很多未知的腸道微生物等待人們探索。本文希望能給研究海參的學(xué)者提供一種參考，鑒于海參腸道菌群受環(huán)境、人為因素等各方面的影響，也希望能給海參養(yǎng)殖甚至是水產(chǎn)養(yǎng)殖的技術(shù)人員提供一些科學(xué)的理論依據(jù)。