益生元及其應(yīng)用研究進(jìn)展

劉 波，劉通通，張祥奎，王 濤，張春曉，李 敏，鄭曉陽(yáng)，王大鵬，張岱州，孟祥璟＊

（1. 山東省藥學(xué)科學(xué)院 山東省生物藥物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101；2. 濱州中裕食品有限公司 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部小麥加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國(guó)家小麥加工產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心，山東 濱州 256600）

益生元是在益生菌概念的基礎(chǔ)上提出的，最早被定義為“一種不可消化的食物成分，它通過選擇性地刺激已經(jīng)存在于結(jié)腸中的一種或有限數(shù)量的細(xì)菌，改變其生長(zhǎng)和活性進(jìn)而有益地影響宿主”[1]。隨著微生物研究工具的創(chuàng)新和升級(jí)（如高通量測(cè)序），人們對(duì)微生物群落組成的認(rèn)知更加全面，益生元的研究也更加廣泛和深入。益生元可直接或間接地在腸道內(nèi)外發(fā)揮作用，應(yīng)用領(lǐng)域包括食品、化妝品、牲畜養(yǎng)殖等。2016年國(guó)際益生菌與益生元科學(xué)協(xié)會(huì)（ISAPP）對(duì)益生元進(jìn)行了重新定義：在有益于宿主健康的前提下，可被宿主腸道菌群選擇性利用和轉(zhuǎn)化的物質(zhì)。新的定義中益生元包括非碳水化合物，作用部位不僅限于胃腸道內(nèi)，其類型也不僅限于食物[2]。

1 益生元的種類、制備及作用機(jī)制

1.1 益生元的種類

目前主要使用的益生元包括菊粉及其衍生的低聚果糖（fructo oligosaccharide，F(xiàn)OS）、乳果糖（lactulose oral solution，LOS）和低聚半乳糖（galacto oligosaccharides，GOS）等[3]，以及多糖、微藻類、植物類等。許多其它潛在的益生元最近已被研究，包括人乳低聚糖、異麥芽低聚糖、低聚木糖、阿拉伯木聚糖、果膠低聚糖和抗性淀粉[4]。多數(shù)情況下益生元對(duì)乳酸桿菌屬和雙歧桿菌屬有益[5-6]。

1.2 益生元的制備

益生元可通過多種途徑制備，主要包括天然原料提取法、微生物發(fā)酵法、酶水解和轉(zhuǎn)化法、化學(xué)合成法、酸水解或堿轉(zhuǎn)化法。其中酶水解和轉(zhuǎn)化法通常用于益生元的工業(yè)化生產(chǎn)，生產(chǎn)過程大致包括酶發(fā)酵、低聚糖的酶法合成和分離精制。此外，還可通過增強(qiáng)酶的活性提高益生元的產(chǎn)量，此類益生元具有產(chǎn)物均一性好、反應(yīng)條件溫和、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但仍需尋找廉價(jià)酶減低成本和優(yōu)化反應(yīng)體系[7-8]。

1.3 益生元的作用機(jī)制

人體將未消化的碳水化合物轉(zhuǎn)運(yùn)至大腸，由腸道內(nèi)的菌群對(duì)其進(jìn)行降解，產(chǎn)生某些次級(jí)代謝產(chǎn)物，這些產(chǎn)物被腸道上皮吸收或通過門靜脈運(yùn)至肝臟，可對(duì)宿主生理過程產(chǎn)生影響[9]，發(fā)揮調(diào)節(jié)免疫、抵抗病原體、改善腸道功能、增加礦物質(zhì)吸收、影響代謝和飽腹感等作用[10]。腸道中含量最豐富的短鏈脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA）是有益菌代謝的乙酸鹽，它有益于保持腸道和全身的健康[11]。在食用某些益生元后，如低聚木糖、菊粉[12]，促進(jìn)了有益菌群生長(zhǎng)，達(dá)到增強(qiáng)有益菌改善宿主健康的作用。

2 新興益生元

現(xiàn)有常見的益生元有菊粉、FOS、LOS、GOS和人乳寡糖（human milk oligosaccharide，HMO）。隨著技術(shù)的進(jìn)步，益生元的制備方法得到優(yōu)化，新的益生元種類不斷被開發(fā)，主要包括多糖、多酚及多肽聚合物。盡管針對(duì)這些益生元的認(rèn)知還不及FOS和GOS，但是它們的潛力值得深入研究，具有廣闊的發(fā)展前景。

2.1 多糖類

2.1.1 桑葚 體外研究發(fā)現(xiàn)，桑葚中的果膠多糖可被多形擬桿菌降解并促進(jìn)其生長(zhǎng)，其降解物或可通過調(diào)節(jié)腸道菌群促進(jìn)健康[13]。

2.1.2 瓜爾豆 在服用水解的瓜爾膠之后，志愿者腸道內(nèi)菌群代謝產(chǎn)物豐度增加，糞便性狀改善，排便頻率顯著增加，且停止服用后效果消失[14]。

2.1.3 羅望子 利用體外胃腸道模擬消化和糞菌體外發(fā)酵體系評(píng)價(jià)羅望子種子多糖的代謝研究中發(fā)現(xiàn)，大部分種子多糖在腸道中與菌群相互作用，使短鏈脂肪酸的含量升高，抑制了致病菌埃希氏菌和多雷亞菌的生長(zhǎng)，促進(jìn)了有益菌乳酸菌、副擬桿菌、普氏菌屬和糞桿菌增殖[15]。

2.1.4 海藻 包括麒麟菜、泡葉藻、墨角藻、海帶和壇紫菜等，這些藻類中的多糖可調(diào)節(jié)腸道菌群，總SCFA含量顯著增加，尤其是乙酸和丙酸，增強(qiáng)了免疫應(yīng)答[16-18]。

2.1.5 箭竹 箭竹竹筍的膳食纖維（dietary fiber，DF）有膽固醇吸附能力，在體外使用人糞便菌群發(fā)酵后，竹筍中的可溶性膳食纖維（SDF）和不可溶性膳食纖維（IDF）均可促進(jìn)乳桿菌屬及雙歧桿菌屬生長(zhǎng)，并增加短鏈脂肪酸（SCFA）產(chǎn)生[19]。

2.1.6 中藥材 在喂食小鼠靈芝和茯苓多糖后發(fā)現(xiàn)，腸道內(nèi)有益菌的豐度顯著增加，此類細(xì)菌可產(chǎn)SCFA、降解多糖/木聚糖、抗肥胖和產(chǎn)生乳酸，促進(jìn)健康[20]。此外，溶劑濃度和制備方法不同，可導(dǎo)致出現(xiàn)不同的益生元活性。30 %乙醇沉淀分離的蓮子抗性淀粉對(duì)雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌的益生元活性，比20 %乙醇制備的高[21]。相較于壓熱法和酶輔助壓熱法，超聲波輔助壓熱法和微波法制備的薏苡仁抗性淀粉作用于雙歧桿菌后，雙歧桿菌的存活率更高；微波法制備的薏苡仁益生元功能最強(qiáng)[22]。

2.1.7 釀酒酵母 釀酒酵母的細(xì)胞壁外層存在一類生物多糖即甘露聚糖，甘露聚糖顯示出抑制抗平滑肌增生/肥大的效果，可作為防治哮喘的新興益生元[23]。

2.2 多酚類

新開發(fā)的具有益生元效應(yīng)的多酚類物質(zhì)主要存在于水果中，包括黑樹莓、藍(lán)莓、柑橘、石榴、黑果枸杞等。研究發(fā)現(xiàn)，食用黑樹莓后，結(jié)腸中的梭菌屬、乳酸菌屬和Barnesiella屬豐度增加，菌群的變化又影響黑樹莓的代謝。其代謝產(chǎn)物原兒茶酸具有保健功效，被吸收、分布到各組織和器官中后，在腸道和全身發(fā)揮活性功能[24]。藍(lán)莓中的多酚可降低體重增長(zhǎng)并改善肝臟和脂肪組織中的脂代謝，抑制有害菌生長(zhǎng)，促進(jìn)益生菌的增殖[25]。柑橘皮中的多甲氧基黃酮提取物通過調(diào)節(jié)高脂喂養(yǎng)的小鼠腸道菌群，使卵形擬桿菌豐度增加，改善氨基酸代謝，有效減輕代謝綜合征[26]。石榴汁經(jīng)乳酸菌發(fā)酵后，其抗氧化能力的增加和乳酸菌生存率的升高，均與生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的兒茶素和α-石榴多酚兩種新物質(zhì)相關(guān)[27]。黑果枸杞中的花青素及其單體P3G作用于經(jīng)葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠，小鼠體內(nèi)促炎細(xì)胞因子降低，腸道有益菌群增加，短鏈脂肪酸含量升高，各體征恢復(fù)正常[28]。

2.3 多肽聚合物類

γ-多聚谷氨酸可以用來調(diào)節(jié)腸道菌群，研究發(fā)現(xiàn)，喂養(yǎng)經(jīng)芽孢桿菌發(fā)酵產(chǎn)生的γ-多聚谷氨酸后，小鼠腸道菌群中乳桿菌的豐富度增加，梭菌豐富度減少[29]。

新興益生元的種類匯總見表1。

表1 新興益生元的種類

3 益生元的應(yīng)用

3.1 疾病防治與保健

益生元有減輕便秘、預(yù)防及緩解腸道疾病、平衡腸內(nèi)微生態(tài)、降低血脂濃度、緩解精神系統(tǒng)疾病、促進(jìn)礦物質(zhì)吸收、增強(qiáng)免疫系統(tǒng)和延緩衰老等功效[30-32]。

3.1.1 減輕便秘 研究發(fā)現(xiàn)，菊粉對(duì)腸道菌群的組成有積極影響，特異性增加了可產(chǎn)生有益于人體的丁酸鹽的Anaerostipes、雙歧桿菌屬，降低可產(chǎn)生對(duì)宿主有害的硫化氫的嗜膽菌屬相對(duì)豐度，使糞便更加蓬松，改善便秘[33-34]。

3.1.2 增強(qiáng)免疫、預(yù)防及緩解腸道疾病 在喂養(yǎng)小鼠的飼料中加入益生元，如菊粉和黏蛋白，可誘導(dǎo)抗腫瘤免疫應(yīng)答，達(dá)到抑制BRAF突變黑色素瘤生長(zhǎng)的效果。菊粉能抑制結(jié)直腸腫瘤和黑色素瘤的生長(zhǎng)，增強(qiáng)MEK抑制劑對(duì)黑色素瘤的效果，延緩耐藥發(fā)生[35]。長(zhǎng)鏈菊粉和寡糖的混物物降低了盲腸和結(jié)腸中炎癥以及促炎性細(xì)胞因子白介素-1β的表達(dá)水平，抗炎性TGF-β 增多，同時(shí)盲腸內(nèi)的乳酸桿菌和雙歧桿菌的數(shù)量增加[36]。另外兩種益生元乳果糖和羊奶低聚糖顯示出降低大鼠葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的結(jié)腸炎的作用[37-38]。

3.1.3 平衡腸道微生態(tài) 相關(guān)研究開發(fā)了一種給藥系統(tǒng)，通過二硫鍵將十二硫醇與低聚木糖類似物結(jié)合，形成一種可被硫化氫切割的兩親分子。這種分子形成囊泡包裹住抗生素，當(dāng)硫化氫存在時(shí)便可釋放藥物，達(dá)到靶向性清除產(chǎn)硫化氫的沙門菌的效果。這種給藥系統(tǒng)能防止抗生素在腸道中被吸收，使抗生素順利到達(dá)感染部位后再定點(diǎn)釋放，同時(shí)減輕了抗生素對(duì)腸道正常菌群的影響，顯著提高腸道內(nèi)的有益菌含量[39]。

3.1.4 降低血脂濃度 代謝綜合癥是一系列疾病，會(huì)增加患心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)。研究評(píng)估了低聚半乳糖混合物（B-GOS）對(duì)45位超重成年人的代謝綜合征、腸道菌群和免疫功能標(biāo)志物的影響，發(fā)現(xiàn)B-GOS會(huì)對(duì)腸道菌群的組成、免疫反應(yīng)以及胰島素、TC、TG的濃度產(chǎn)生積極影響[40]。在飲食中，相比單獨(dú)服用益生元或大豆，大豆食品與益生元結(jié)合可顯著改善脂質(zhì)狀況，益生元的加入可增強(qiáng)大豆食品作為降低血清膽固醇飲食策略的有效性[41]。

3.1.5 緩解精神系統(tǒng)疾病 微生物群-腸-腦軸在健康和疾?。ㄈ缟窠?jīng)精神疾?。┲衅鹬陵P(guān)重要的作用。Burokas等[42]研究小鼠的慢性FOS和GOS治療是否改變了與焦慮、抑郁、認(rèn)知、壓力反應(yīng)和社交相關(guān)的行為，研究發(fā)現(xiàn)，給予GOS和FOS+GOS聯(lián)合用藥可減少應(yīng)激誘導(dǎo)的皮質(zhì)酮釋放；降低了異丁酸鹽的濃度；降低促炎性細(xì)胞因子水平及抑郁樣和焦慮樣行為。

3.1.6 促進(jìn)礦物質(zhì)吸收 24名健康女性隨機(jī)平分成兩組，分別為益生元組和對(duì)照組，其中益生元組每天補(bǔ)充含混合益生元的酸奶。結(jié)果表明，益生元組健康女性的血紅素鐵的生物利用度顯著增加了56 %，對(duì)照組則無顯著差異[43]。

3.1.7 延緩衰老 免疫衰老是與衰老相關(guān)的一個(gè)因素，可被定義為免疫力隨著年齡的增長(zhǎng)而下降，是許多與年齡相關(guān)疾病的潛在致病因素。在一項(xiàng)研究中，健康志愿者和小鼠分別口服含雙歧桿菌Bi-07、嗜酸乳桿菌NCFM和低聚異麥芽糖的發(fā)酵乳，兩者的糞便中雙歧桿菌和乳酸桿菌數(shù)量增加，且小鼠的遲發(fā)型超敏反應(yīng)、斑塊形成細(xì)胞和半溶血值顯著增加。該發(fā)酵乳有助于改善腸道健康，可能對(duì)宿主動(dòng)物的體液免疫和細(xì)胞免疫產(chǎn)生積極影響，進(jìn)而延緩免疫衰老[44]。

3.2 畜牧養(yǎng)殖

抗生素的長(zhǎng)期濫用會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物腸道菌群微生態(tài)失衡、免疫力低下，引發(fā)內(nèi)源性感染、二重感染和藥物殘留等問題，這促進(jìn)了益生元作為飼料添加劑在養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用。商品化的益生元目前已經(jīng)應(yīng)用到豬、牛、馬等動(dòng)物的養(yǎng)殖中，這類益生元包括β-葡聚糖、低聚果糖、低聚麥芽糖等[45]。相關(guān)研究表明與普通飼料相比，添加GOS喂養(yǎng)幼雞后，幼雞盲腸的乳桿菌組成改變，表現(xiàn)為約氏乳桿菌豐度增加和卷曲乳桿菌豐度減少。其中約氏乳桿菌在牲畜未患病時(shí)也能激發(fā)腸道的固有免疫，促進(jìn)IL-17A基因表達(dá)，同時(shí)伴隨IL-10基因表達(dá)減少，可提高肉雞的生長(zhǎng)速度和出欄體重[46]。同樣在飼料中加入低聚木糖（xylooligosaccharide，XOS）也可顯著增加肉雞體重[47]。在孕產(chǎn)期補(bǔ)充干酪乳桿菌或菊粉，可通過不同機(jī)制預(yù)防高果糖（High fructose，HF）誘導(dǎo)的高血壓。干酪乳桿菌可降低血漿中乙酸及其受體的腎表達(dá)，菊粉能提高血漿丙酸含量和恢復(fù)Ffar2表達(dá)，達(dá)到減少嗜堿菌屬和增多乳桿菌屬的效果[48]。在魚類養(yǎng)殖中，益生元可改善增長(zhǎng)率、飼料利用率、腸道菌群組成、消化酶活性、腸道形態(tài)、免疫水平、抗病性、中間代謝和應(yīng)激反應(yīng)[49]。

3.3 皮膚護(hù)理

皮膚的環(huán)境具有干燥、高鹽、酸性和油脂性等特性，皮膚表面是由細(xì)菌、真菌、病毒、螨蟲等構(gòu)成“微生物表層”。這些微生物、組織、細(xì)胞、分泌物、微環(huán)境等共同形成了一個(gè)皮膚微生態(tài)，對(duì)皮膚的安全起到了重要的保護(hù)作用，其中微生物是重要的組成部分[50-52]。皮膚的微生態(tài)是一種動(dòng)態(tài)平衡，既是物理屏障，又是免疫屏障。通常是通過微生物之間、微生物與皮膚角質(zhì)細(xì)胞之間，及它們與宿主的免疫系統(tǒng)相互作用影響皮膚的自身防御以及創(chuàng)傷修復(fù)。皮膚微生物易受到外界因素的影響而使皮膚微生態(tài)失衡，導(dǎo)致一系列皮膚問題，包括痤瘡、濕疹、皮炎、酒渣鼻和銀屑病等。所以維護(hù)皮膚微生態(tài)平衡、保護(hù)共生菌和減少病原菌是最根本的[53-54]解決途徑。

目前護(hù)膚品研究提出了有機(jī)產(chǎn)品、綠色護(hù)膚和無添加護(hù)膚等概念，外用益生元作為益生菌的肥料，成為研究的熱點(diǎn)。如引起痤瘡的病原菌痤瘡丙酸桿菌，有關(guān)研究證實(shí)，益生菌和魔芋葡甘聚糖水解物在體外具有抑制痤瘡丙酸桿菌生長(zhǎng)的合生能力，測(cè)試的所有益生菌菌株均能抑制這種皮膚細(xì)菌生長(zhǎng)，此類水解物益生元的存在顯著增強(qiáng)了這種抑制[55]。奇華頓公司（Givaudan Active Beauty）公布了Yogurtene Balance 和 Vetivyne兩種益生元成分 ，其中Yogurtene Balance 是酸奶中常見的活性成分，該物質(zhì)能改善皮膚微生物，有益于皮膚健康菌。另一種益生元Vetivyne，是從香根草提取出來的抗衰活性成分；通常情況下隨著肌膚的衰老，放線菌的豐度相應(yīng)減少，而Vetivyne能維持“放線菌”的豐度，避免皮膚微生態(tài)失調(diào)，延緩皮膚衰老[56]。

3.4 食品添加劑

益生元因其良好的加工特性，目前被廣泛應(yīng)用于烘焙食品、乳制品、飲料、嬰幼兒食品、調(diào)味品、酒類、糖果、谷物早餐等。常用的益生元有GOS、低聚果糖、低聚異麥芽糖、DF和菊粉等[57]。其中DF可調(diào)節(jié)腸道菌群組成和代謝，防止有害菌定殖，進(jìn)而在維持腸道健康、控制體重、控制慢性疾病和病毒感染中發(fā)揮重要作用，這可能與腸道菌群發(fā)酵DF產(chǎn)生的SCFA 有關(guān)，如丁酸和丙酸[58-59]。菊粉和低聚果糖與脂肪有類似的流變特性，如硬度、黏彈性和稠度，被認(rèn)為是脂肪的理想替代物。相關(guān)研究利用菊粉和低聚果糖替代羊奶冰激凌中的脂肪，還可作為甜味劑，兼具益生元功能，消費(fèi)者認(rèn)可度高[60]。腸道菌群對(duì)于預(yù)防嬰兒斷奶期的疾病感染和增強(qiáng)免疫力具有重要作用?？赏ㄟ^系統(tǒng)生物學(xué)的方法挖掘促進(jìn)嬰兒免疫健康的益生菌/元和食物，研究發(fā)現(xiàn)，共有18株嬰兒腸道有益菌，632種外源益生元；匹配到218種食物，其中富含益生元的有20種[61]。

3.5 合生制劑

合生制劑是指益生菌和益生元聯(lián)合使用，可協(xié)同發(fā)揮兩者的作用[62]。2019年ISAPP對(duì)合生制劑的定義、類型等發(fā)表了更新共識(shí)聲明：合生制劑是由活的微生物和能被宿主微生物選擇性利用的底物組成的混合物，有益于宿主健康。有互補(bǔ)型和協(xié)同型兩種類型，均需驗(yàn)證在宿主中具有健康功效；互補(bǔ)型包含益生菌和益生元；協(xié)同型中的微生物和底物不一定是益生菌和益生元，但共同使用時(shí)底物能被微生物選擇性利用，增強(qiáng)其功能。研究合生制劑應(yīng)注意其保健功效、對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)方法、受試人群、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、安全性等方面[63]。

鑒于益生元市場(chǎng)的廣闊前景，其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究匯總見表2。

表2 益生元應(yīng)用領(lǐng)域與功效

4 討論

腸道內(nèi)的微生物菌群的平衡穩(wěn)定是維持宿主健康的基礎(chǔ)，益生元作為益生菌的“食物”，能被腸道內(nèi)有益細(xì)菌分解吸收，促進(jìn)有益細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖。相比于抗生素，具有無藥物殘留、無污染細(xì)菌、不產(chǎn)生耐藥性等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)益生元的認(rèn)可和相關(guān)法規(guī)的支持均促進(jìn)了益生元在食品行業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)和飼料行業(yè)的發(fā)展。但還應(yīng)在尋找低成本的原料來源、改進(jìn)生產(chǎn)工藝、聚焦新興益生元、益生元與益生菌的聯(lián)合使用、更有效的攝入方式等方面進(jìn)一步深入研究。