益生菌發(fā)酵果蔬對人體健康的影響及其產業(yè)化發(fā)展趨勢

關倩倩 ，熊濤 ，謝明勇 *

a State Key Laboratory of Food Science and Technology, Nanchang 330047, China

b College of Food Science and Technology, Nanchang University, Nanchang 330031, China

1. 引言

以心腦血管疾病、癌癥、糖尿病和高血壓等為代表的慢性疾病正嚴重威脅著人類健康。2015年1月19日世界衛(wèi)生組織發(fā)布的最新報告[1]表明，2012年全球共有3800萬人死于慢性疾病，其中40%以上（即近1600萬人）的死亡屬于原本可以避免的過早死亡，該數字遠高于2000年的過早死亡人數（1460萬人）。2018年中國國民健康與營養(yǎng)大數據報告[2]顯示，中國慢性疾病患者已經超過2.6億人，致死率占死亡人口總數的85%左右。此外，慢性疾病還呈現(xiàn)發(fā)病率持續(xù)上升、發(fā)病年齡日益年輕化的趨勢。

早在20世紀初，諾貝爾獎獲得者IIya Mechnikov在研究人體腸道菌群時就提出了“衰老源于人體和腸道菌群中某些細菌產生的毒素”的理論。該理論與我國傳統(tǒng)醫(yī)學中“糞毒入血，百病蜂起”的觀念不謀而合。美國華盛頓大學的Turnbaugh等[3,4]和Ridaura等[5]通過對腸道菌群的長期研究，揭示了人體與腸道微生物之間的復雜關系，發(fā)現(xiàn)腸道菌群失調與營養(yǎng)不良、肥胖癥、糖尿病等疾病密切相關。這些研究成果為人們理解腸道菌群與人體健康之間的微妙關系提供了全新的視角。腸道菌群失調可引起胰島素抵抗和慢性炎癥的發(fā)生，從而導致代謝綜合征、肥胖癥、糖尿病甚至癌癥等慢性疾病[6-10]。除了腸道菌群失調，膳食纖維攝入不足是慢性疾病發(fā)生的另一大誘因。以美國為例，膳食纖維每日推薦攝入量為：成年男性38 g，女性25 g；而實際平均攝入量只有一半左右：男性18.7 g，女性15.6 g。我國居民日常膳食中每天僅攝入8～10g膳食纖維，遠低于中國營養(yǎng)學會推薦的每日膳食纖維攝入量25～35g的標準。膳食纖維攝入不足會直接導致一些腸道微生物消失，進而引起各種慢性疾病[11]。更為嚴重的是，膳食纖維缺乏所引起的腸道菌群失調和健康問題，是有可能會遺傳的；如果膳食纖維攝入持續(xù)不足，可能會導致腸道微生物不可逆轉的消失[12]。

增強國民體質離不開健康食品產業(yè)的支撐。為推進健康中國建設，提高人民健康水平，2016年10月25日，中共中央、國務院印發(fā)并實施《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》（以下簡稱《綱要》），把國民身心健康提高到國家戰(zhàn)略的高度。隨著《綱要》的提出，大眾也越來越關注食品營養(yǎng)與健康，尤其是食品對腸道健康的影響。腸道是人體最重要的器官之一，人體有70%以上的黏膜免疫發(fā)生在腸道，通過復雜的免疫機制，腸道與全身各部位器官發(fā)生緊密的聯(lián)系。因此，要提升大眾健康水平必須高度關注腸道健康問題。

目前，益生菌、益生元有益腸道健康的理念已深入人心，益生菌與益生元的研究已成為涉及食品科學、微生物學、醫(yī)學、營養(yǎng)學、免疫學和腸道健康科學等多個領域的研究熱點。研究食物對腸道健康的影響，重點應關注益生菌、益生元以及益生菌發(fā)酵食品對腸道健康的影響及其相互作用機制。近年來益生菌產品風靡全球，據統(tǒng)計，全球已有包括益生菌發(fā)酵酸奶、益生菌膠囊、益生菌粉劑等超過380種的益生菌產品，其中益生菌發(fā)酵乳制品的比例高達80%。但目前市場上鮮見益生菌發(fā)酵果蔬產品，其主要原因就在于果蔬發(fā)酵專用菌種缺乏、果蔬發(fā)酵專用復合菌劑規(guī)模化制備技術落后等突出問題尚待解決。

2. 益生菌及其發(fā)酵技術研究現(xiàn)狀

自1899年法國Tissier博士發(fā)現(xiàn)第一株益生菌——雙歧桿菌[13]以來，科學家們從未停止過對益生菌與人體健康關系的探索。大量科學研究證實，口服益生菌有助于預防或者治愈胃腸炎、抗生素引起的腹瀉、旅行不適引起的腹瀉、便秘及腸道感染，同時可抑制有害微生物在宿主腸道中定植，對腸易激綜合征、炎癥性腸炎及結腸癌等腸道相關疾病也具有良好的預防和治療作用[14-17]。日本和歐美國家的大型乳業(yè)集團和乳酸菌（LAB）制劑公司都開發(fā)出自主菌株及產品品牌，并對菌株的益生功能進行了許多臨床試驗。如丹麥Chr. Hansen公司開發(fā)的動物雙歧桿菌BB-12菌株是世界上臨床研究最為充分的雙歧桿菌菌株[18,19]。300多篇科學論文對該菌株進行過描述，其中的130多篇涉及人體臨床試驗。另一個例子是日本養(yǎng)樂多公司的干酪乳桿菌代田株[19]，在過去80多年中，日本對該菌株也開展了大量的科學研究與臨床試驗。截止到2015年5月，其在腸道內的存活性、有效性及安全性已經在英國、日本、泰國、中國等多個國家和地區(qū)得到科學驗證[20-25]。

國內近年來在益生菌對腸道健康促進作用方面的研究也日漸深入。內蒙古農業(yè)大學的張和平團隊[26]從內蒙古地區(qū)傳統(tǒng)發(fā)酵的酸馬奶中篩選到一株性能優(yōu)異的菌株Lactobacillus caseiZhang，并對其益生功能進行了深入研究，結果表明：該菌株具有降血脂、免疫調節(jié)、抗氧化、拮抗腸道病原菌生長、抑制腫瘤細胞生長等優(yōu)良的益生特性。江南大學的陳衛(wèi)團隊[27]構建了功能性益生乳酸菌篩選模型，在此基礎上對篩選的植物乳桿菌ST-III的益生功能進行了深入研究，結果表明：該菌株可在腸道中有效定植并能調節(jié)腸道菌群，在降低膽固醇、調節(jié)血脂等方面也具有優(yōu)良的益生特性。此外，關于益生菌發(fā)酵乳制品促進腸道健康的研究報道較多，包括《美國臨床營養(yǎng)學雜志》在內的多種權威期刊都相繼報道“每天喝發(fā)酵乳可提高人體免疫功能，減少過敏，降低炎癥性腸炎、膀胱癌、結腸癌的發(fā)病率等”[28-32]。目前，養(yǎng)樂多乳酸菌飲料、味全乳酸菌飲料等多款市售益生菌發(fā)酵乳制品在促進人體腸道健康方面的功效已得到臨床驗證[33-36]。

相對益生菌發(fā)酵乳制品，目前國內外關于發(fā)酵果蔬制品對人體健康影響的研究較少。研究相對較多的是韓國泡菜，作為韓國“第一菜”，學者對其營養(yǎng)成分和保健功效研究較多。韓國學者報道了韓國泡菜在減肥、抗腫瘤、降膽固醇、降血脂等方面的健康功效[37]。此外，還有少數關于實驗室自制益生菌發(fā)酵果蔬汁健康功效的研究報道。波蘭羅茲工業(yè)大學（Technical University of Lodz）的Klewicka等[38,39]對實驗室自制的乳酸菌發(fā)酵甜菜汁改善大鼠腸道菌群、抗氧化功效開展了研究。重慶醫(yī)科大學的褚巧芳等[40]和管曉冉等[41,42]研究了實驗室采用雙歧桿菌發(fā)酵的自制混合果蔬汁對小鼠免疫調節(jié)及抗疲勞作用的影響，結果均證實發(fā)酵果蔬汁在促進大鼠、小鼠健康方面具有一定功效。

3. 果蔬益生菌發(fā)酵技術發(fā)展現(xiàn)狀

將益生菌與果蔬相結合，可同時提供人體所需要的益生菌及膳食纖維，是未來益生菌產業(yè)的重要發(fā)展方向?！耙嫔?果蔬”形式多樣，其中最簡單的方式就是在現(xiàn)有的傳統(tǒng)果蔬產品中直接添加益生菌。例如，將益生菌直接添加到冷藏果蔬汁飲料中，冷鮮保存。此外，還可以在果蔬汁中添加一定量的益生菌發(fā)酵乳，將其加工成活菌或非活菌飲品。然而，對于胡蘿卜、苦瓜、芹菜等營養(yǎng)豐富但風味不佳的蔬菜類原料，簡單添加益生菌并不能改善蔬菜產品本身欠佳的風味。因此，“益生菌+果蔬”最好的方式莫過于采用果蔬發(fā)酵專用益生菌種對其原料進行發(fā)酵。益生菌發(fā)酵可分解蔬菜原料中的大部分烯萜類物質，有效改善蔬菜產品欠佳的風味，同時還可產生大量的芳香醇、芳香酯等風味物質，使原料風味與發(fā)酵風味渾然一體，香味更加醇厚，口感更加柔和。另外，益生菌發(fā)酵還可產生大量短鏈脂肪酸、黏性多糖和多肽等活性物質，對改善便秘、緩解結腸炎、預防和治療消化道炎癥都有很好的作用。

盡管國內外學者在發(fā)酵果蔬領域做了不少研究，但迄今為止，關于果蔬益生菌發(fā)酵技術研究仍處于起步階段，國內外市場尚沒有品牌和質量過硬的益生菌發(fā)酵果蔬產品出現(xiàn)。究其原因，果蔬益生菌發(fā)酵相關核心技術仍需突破以下瓶頸：①果蔬發(fā)酵專用菌種缺乏。眾所周知，保加利亞乳桿菌和嗜熱酸鏈球菌是用于酸奶發(fā)酵的菌種，而用于果蔬發(fā)酵的菌種尚不明確；盡管目前有越來越多的報道將植物乳桿菌[43-45]、嗜酸乳桿菌[46-48]等植物源乳酸菌株用于果蔬汁的發(fā)酵，但由于果蔬原料的多樣性，沒有哪種菌種可用于所有果蔬原料的發(fā)酵。許多特殊的果蔬，如藍莓的pH值低、花青素含量高，一般乳酸菌很難發(fā)酵。因此，非常有必要廣泛篩選適合不同種類果蔬原料發(fā)酵的菌種，建立果蔬發(fā)酵專用菌種庫。②適合工業(yè)化生產的菌種高密度培養(yǎng)技術缺乏。目前國內外對乳酸菌的高密度培養(yǎng)技術研究多集中在膜過濾透析培養(yǎng)[49,50]、離子交換[51]、細胞循環(huán)培養(yǎng)[52,53]等技術，盡管可以達到細胞的高密度富集，但此類高密度培養(yǎng)技術僅限于實驗室水平，很難實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產[54]。近年來，分批培養(yǎng)或補料分批培養(yǎng)與培養(yǎng)基成分優(yōu)化相結合的方法越來越多地被用于乳酸菌的高密度培養(yǎng)，發(fā)酵液中乳酸菌的濃度一般可達到1 × 109～ 1 × 1010CFU·mL-1（CFU：菌落形成單位）[55,56]。③高活性工程菌劑規(guī)?；苽浼夹g落后。目前國內外文獻報道的菌劑制備技術多采用真空冷凍干燥法，制備的菌劑產品中活菌數基本為1×1010～ 1×1011CFU·g-1[57-59]。

4. 本團隊在果蔬益生菌發(fā)酵關鍵技術與產業(yè)化應用方面的研究進展

本團隊長期致力于果蔬益生菌發(fā)酵關鍵技術與產業(yè)化應用研究，從科學、技術、工程到產業(yè)化（STEI）全過程，突破了果蔬發(fā)酵菌種篩選、菌劑制備、新工藝產業(yè)化等技術瓶頸，創(chuàng)制了一個果蔬益生菌發(fā)酵上、中、下游全產業(yè)鏈的關鍵技術創(chuàng)新體系（圖1），開發(fā)了具有“安全、營養(yǎng)、美味、方便”等鮮明特征的益生菌發(fā)酵果蔬全新系列產品，催生了一個全新的發(fā)酵果蔬綠色制造產業(yè)。在此基礎上，初步研究了益生菌及其發(fā)酵果蔬產品對腸道健康的影響，取得了一定進展。

4.1. 果蔬發(fā)酵過程中多菌種協(xié)同發(fā)酵代謝調控機制

我們研究了我國各類傳統(tǒng)發(fā)酵果蔬在自然發(fā)酵過程中的菌系結構及其消長規(guī)律，揭示了果蔬發(fā)酵過程中各主要發(fā)酵菌株及其代謝產物與發(fā)酵底物間的互作關系，闡明了果蔬發(fā)酵過程中多菌種協(xié)同發(fā)酵代謝調控機制，為優(yōu)良菌種的高通量篩選、復合菌劑制備和果蔬發(fā)酵生產工藝奠定了堅實的理論基礎[60-67]。

4.2. 果蔬發(fā)酵優(yōu)良益生菌種高通量篩選體系

基于上述理論基礎，本團隊海量收集國內外傳統(tǒng)發(fā)酵果蔬樣本近千份，并對傳統(tǒng)工藝及其微生物資源進行了充分挖掘及標準化整理，分離、鑒定和保藏了56種6000多株乳酸菌（表1），建立了我國首個具有自主知識產權的果蔬發(fā)酵專用菌庫，其中發(fā)酵性能優(yōu)良并具有多種功能特性的果蔬發(fā)酵專用益生菌有335株，這些菌株的胃酸和膽鹽耐受性強，腸道黏附性好，具有調節(jié)腸道微生態(tài)平衡、緩解便秘、調節(jié)免疫等益生功能[68-78]。

表1 分離和保藏的56種乳酸菌

同時，選擇一株從我國傳統(tǒng)泡菜中篩選出的具有多種益生功能（耐胃腸道環(huán)境、降糖、降脂、降膽固醇、緩解便秘等）的果蔬發(fā)酵專用菌株——植物乳桿菌NCU116作為代表，采用第三代測序技術對其進行全基因組測序，分析相關基因功能，并與植物乳桿菌WCFS1和植物乳桿菌JDM1作比較基因組分析。結果表明，植物乳桿菌NCU116和幾株已完成測序的植物乳桿菌有很大的相似性，但相比之下，植物乳桿菌NCU116基因組編碼大量糖酵解相關基因簇（NCU116GM001792、NCU116GM002858等）、PTS相關基因簇（NCU116GM003248、NCU116GM000887等）以及丙酸酮鹽相關及調控基因，使得植物乳桿菌NCU116既可以轉運又能代謝單糖、二糖、低聚糖類和糖醇類碳源[79]；同時編碼ABC超家族轉運系統(tǒng)的相關基因簇，這與植物乳桿菌NCU116表現(xiàn)出的耐酸、耐滲透壓等生理功能一致。NCU116基因組中未發(fā)現(xiàn)任何致病基因，與動物實驗結果契合，證明該菌株是一株安全可靠的益生菌株。

圖1. 果蔬益生菌發(fā)酵上、中、下游全產業(yè)鏈的關鍵技術創(chuàng)新體系。

（續(xù)表）

4.3. 高活性工程菌劑規(guī)?；苽浼夹g體系

采用指數流加、模糊邏輯控制、反饋控制及提升式菌體懸浮培養(yǎng)等技術集成，大幅提升工廠發(fā)酵液中的活菌濃度[80-82]；發(fā)明了兩步干燥法生產高活性乳酸菌劑的規(guī)?；苽浼夹g，開發(fā)出高活性果蔬發(fā)酵專用益生菌劑產品，其活菌數高達1 × 1012CFU·g-1[83]。該技術填補了果蔬發(fā)酵專用菌劑的生產空白。

4.4. 益生菌發(fā)酵果蔬生產新工藝

構建直投式益生菌發(fā)酵果蔬新技術，開發(fā)益生菌發(fā)酵果蔬原漿、發(fā)酵果蔬飲料、發(fā)酵泡菜、發(fā)酵果蔬粉、發(fā)酵果凍等益生菌發(fā)酵果蔬全新產品系列。這些產品不僅具有良好的口感和風味[84]，且含有大量對人體健康有益的短鏈脂肪酸、黏性多糖和多肽等活性物質[85]。

4.5. 益生菌及其發(fā)酵果蔬產品的功能評價體系

構建有關便秘、免疫抑制、高脂血癥、脂肪肝、結腸炎和糖尿病等疾病的動物模型，用于評價果蔬發(fā)酵專用益生菌株及其發(fā)酵果蔬產品的功能特性。以植物乳桿菌NCU116為例，對該菌株及其發(fā)酵胡蘿卜產品的益生功能評價結果表明：植物乳桿菌NCU116及其發(fā)酵胡蘿卜產品在提高小鼠免疫能力、改善腸道黏膜損傷、緩解便秘、緩解糖尿病和結腸炎、緩解高脂血癥、調節(jié)腸道菌群等方面具有很好的益生特性[85-96]。

5. 益生菌發(fā)酵果蔬產業(yè)未來發(fā)展趨勢及挑戰(zhàn)

盡管果蔬益生菌發(fā)酵技術目前取得了階段性突破，但該產業(yè)的發(fā)展依然面臨一系列關鍵科學技術問題。首先，由于我們前期的菌種篩選工作主要集中在大宗果蔬發(fā)酵專用優(yōu)良菌株的選育方面，使得目前開發(fā)的益生菌發(fā)酵果蔬系列產品僅涉及胡蘿卜、芒果、雪梨、南瓜以及其他常見的大宗水果和蔬菜。然而，果蔬種類眾多，每種水果和蔬菜都有其獨特的性質，因此，要開發(fā)更多種類的益生菌發(fā)酵果蔬產品，就必然要針對不同果蔬原料篩選具有優(yōu)良發(fā)酵性能的不同種類益生菌株。尤其是對于某些特殊的果蔬原料，篩選適合其發(fā)酵的優(yōu)良菌株具有很大的挑戰(zhàn)。以山楂為例，由于原料本身酸度很高，一般的菌種很難耐受如此高的酸度，因此要篩選適合其發(fā)酵的專用菌種具有一定的困難。其次，關于益生菌發(fā)酵果蔬產品的安全性和功能性評價，目前僅開展了體外和動物實驗，尚未進行系統(tǒng)的臨床研究。為明確益生菌種及其發(fā)酵果蔬產品的益生功能，就要構建更加全面的果蔬發(fā)酵益生菌種及其發(fā)酵產品的營養(yǎng)功能和安全性評價體系。此外，還需開展更加先進的高活性低成本果蔬發(fā)酵專用益生菌劑的規(guī)?；苽浼夹g研究。最后，益生元、益生菌和益生菌發(fā)酵果蔬產品對人體健康的影響及其作用機制尚需進一步闡明。有效解決上述關鍵問題，可為益生菌發(fā)酵果蔬領域的研究及其產業(yè)化發(fā)展帶來更大的契機。

6. 結論

近年來傳統(tǒng)飲料業(yè)的業(yè)績下滑已呈現(xiàn)出不可逆轉的趨勢，益生菌發(fā)酵果蔬產品迎合了消費者對“安全、營養(yǎng)、美味、健康”產品的需求，符合大健康產業(yè)發(fā)展趨勢。因此，以益生菌發(fā)酵果蔬為代表的健康產品必將為果蔬與發(fā)酵食品行業(yè)帶來重要影響。本文提出了“腸道菌群失調和膳食纖維攝入不足是慢性疾病發(fā)生的兩大重要誘因”這一觀點，然后對果蔬發(fā)酵專用益生菌種的篩選、高活性工程菌劑的規(guī)?；苽湟约耙嫔l(fā)酵果蔬系列新產品的開發(fā)等果蔬益生菌發(fā)酵關鍵技術的研究現(xiàn)狀進行了綜述。同時，還從多個角度對果蔬益生菌發(fā)酵技術發(fā)展趨勢及面臨的挑戰(zhàn)進行了探討。未來，我們將開發(fā)出越來越多具有“安全、營養(yǎng)、美味、健康”等鮮明特征的益生菌發(fā)酵果蔬產品，以期為消費者提供更多優(yōu)質的果蔬制品。

致謝

本研究獲得了“十三五”國家重點研發(fā)計劃（2017YFD0400705-2、2017YFD0400503-3）、國家自然科學基金項目（31560449、31760457）和江西省重點研發(fā)計劃項目（20165ABC28004）的支持。

Compliance with ethics guidelines

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