阿熱愛(ài)·巴合提，武瑞赟，肖夢(mèng)圓，李平蘭，譚春明*

1(新疆維吾爾自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊， 830013) 2(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院,北京食品營(yíng)養(yǎng)與人類(lèi)健康高精尖創(chuàng)新中心，北京， 100083)

“益生菌”是一類(lèi)通過(guò)合理攝取后能夠?qū)C(jī)體產(chǎn)生有益作用的微生物。1857年，法國(guó)微生物學(xué)家巴斯德在研究牛奶變酸過(guò)程時(shí)觀(guān)察到乳酸菌，進(jìn)而拉開(kāi)了益生菌研究的帷幕。隨著有益微生物的不斷發(fā)現(xiàn)，各國(guó)科學(xué)家開(kāi)始對(duì)益生菌的生物學(xué)特性、功能和安全性等進(jìn)行了深入研究[1-3]。LILLY等[4-5]提出益生菌對(duì)其他微生物有促進(jìn)生長(zhǎng)的作用，PACER發(fā)現(xiàn)益生菌對(duì)腸道平衡有促進(jìn)作用，英國(guó)FULLER博士提出益生菌是對(duì)宿主有益并有利于腸內(nèi)菌群生態(tài)平衡的活性微生物制劑，并強(qiáng)調(diào)了活菌才能夠?qū)】涤幸妗ｋS著研究不斷深入和發(fā)展，也使得益生菌更多的有益功能被發(fā)現(xiàn)，如治療腸道疾病[6]、中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病[7]、抗腫瘤[8]等方面。益生菌的相關(guān)產(chǎn)品也開(kāi)始走向產(chǎn)業(yè)化，如日本乳酸菌飲料“養(yǎng)樂(lè)多”，達(dá)能“碧悠”和伊利“每益添”等。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展(如色譜分析技術(shù)、電鏡技術(shù)、厭氧培養(yǎng)技術(shù)等)和新研究方法的出現(xiàn)，益生菌在研究和開(kāi)發(fā)上取得了較快的發(fā)展。但是，益生菌到達(dá)人或動(dòng)物腸道內(nèi)后，處在復(fù)雜的微生態(tài)環(huán)境當(dāng)中，表現(xiàn)出棲生、偏生、互生、競(jìng)爭(zhēng)或吞噬等關(guān)系，使得其益生機(jī)制難以闡明[9-10]。另外，益生菌在菌種開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品研發(fā)方面雖然取得了一定的成果，但是益生菌是如何影響人或動(dòng)物的微生態(tài)及益生菌自身的生物學(xué)特性認(rèn)識(shí)不夠透徹，使得益生菌的深度研究及其產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)受到限制。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者與專(zhuān)家正在積極開(kāi)展益生菌生理作用的研究。未來(lái)益生菌菌種的篩選與鑒定、功能開(kāi)發(fā)、安全性評(píng)價(jià)和益生機(jī)制等將借助現(xiàn)代分子生物學(xué)方法來(lái)解決。本文對(duì)益生菌生理特性、功能及作用機(jī)理進(jìn)行了綜述，以期為益生菌的深入研究及在不同領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 益生菌的生理學(xué)特性及功能

益生菌不僅可以作為發(fā)酵劑來(lái)使用，還具有對(duì)人體健康有益的獨(dú)特生理功能，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前，越來(lái)越多的研究指出益生菌能發(fā)揮作用的前提是具備一定的生理學(xué)特性，例如益生菌能夠進(jìn)入到動(dòng)物胃腸道內(nèi)并迅速繁殖，改善胃腸道微生態(tài)平衡, 進(jìn)而促進(jìn)有益菌的生長(zhǎng)；或直接產(chǎn)生抗菌物質(zhì)(如有機(jī)酸、H2O2、細(xì)菌素、酶類(lèi)等)抑制或殺死病原菌；或促進(jìn)腸胃代謝、轉(zhuǎn)化、吸收及增加腸胃的蠕動(dòng)能力；或刺激并參與宿主免疫反應(yīng)，進(jìn)而抑制過(guò)敏或防治疾病等[11-13]。當(dāng)我們?cè)谶x擇1株益生菌時(shí)，除了考慮其是否具有某種生理功能，還需要考慮益生菌生理特性的發(fā)揮。其中，最重要的是益生菌的存活特性，益生菌要能在上皮細(xì)胞靶點(diǎn)上存活、繁殖并具有代謝活性[14]。然而，很多因素都影響益生菌的存活，其中對(duì)機(jī)體內(nèi)胃酸、膽鹽和消化液的耐受性表現(xiàn)得尤為突出，這就要求所選益生菌能夠在胃腸道內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間存活，并有較強(qiáng)的定植能力。另外一個(gè)影響益生菌應(yīng)用的重要因素是臨床效果，需要有一種以上經(jīng)過(guò)臨床驗(yàn)證并對(duì)健康有益的功效，如抗氧化、增強(qiáng)免疫或抗癌等作用。

益生菌的定植和黏附能力決定其生理作用和生態(tài)效應(yīng)的發(fā)揮。研究指出，來(lái)源于同一個(gè)物種的不同益生菌菌株對(duì)該種動(dòng)物腸上皮細(xì)胞的黏附力有很大差異, 而且該菌株的黏附能力比在另一個(gè)物種上更小[15]?？梢?jiàn)，篩選益生菌時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同來(lái)源物種的特異性有針對(duì)地從相應(yīng)物種體內(nèi)、外進(jìn)行篩選。另外，益生菌的生物安全性必須良好，為無(wú)致病性和不產(chǎn)生毒素的非病原菌；同時(shí)不會(huì)造成胃腸道紊亂或機(jī)體感染，不會(huì)給人或動(dòng)物帶來(lái)潛在的威脅，并無(wú)可轉(zhuǎn)移的耐藥因子[16]。

然而，作為工業(yè)應(yīng)用的益生菌還應(yīng)具備可加工性，其生理和生物學(xué)特性在加工、貯存和運(yùn)輸過(guò)程中需保持穩(wěn)定。研究指出，工業(yè)益生菌菌株除了需具有較高活力外，還需要有穩(wěn)定的遺傳特性, 并在連續(xù)化培養(yǎng)的工業(yè)生產(chǎn)流程中持久保持[14]。其次，益生菌在非苛刻的條件下便能快速生長(zhǎng)、繁殖并保持較高的活菌濃度，并且所得產(chǎn)品具有良好的風(fēng)味和感觀(guān)特性。目前，常作為工業(yè)用的益生菌及其生理特性和功能如表1所示。

2 益生菌的作用機(jī)制

2.1 增強(qiáng)腸道黏膜屏障功能

益生菌進(jìn)入腸道后與腸道細(xì)菌相互作用，進(jìn)而對(duì)腸道起到增強(qiáng)化學(xué)屏障、機(jī)械屏障、生物屏障和免疫屏障等作用(圖1)。益生菌與腸道細(xì)菌共生可促使纖維和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化，從而促進(jìn)能量和物質(zhì)(多種酶和維生素、短鏈脂肪酸等)的供應(yīng)。研究指出，腸道微生物群在防止?jié)撛谥虏∥⑸锏亩ㄖ矔r(shí)，從未消化的食物(如碳水化合物和其他營(yíng)養(yǎng)素)中為腸壁提供能量，調(diào)節(jié)黏膜免疫系統(tǒng)，并有助于維持一個(gè)完整的胃腸道屏障[27]。益生菌能調(diào)節(jié)上皮組織功能，如杯狀細(xì)胞的黏液分泌、Paneth細(xì)胞的防御素釋放和正常上皮細(xì)胞的緊密連接蛋白合成，調(diào)節(jié)和預(yù)防上皮細(xì)胞凋亡[28]。益生菌還通過(guò)誘導(dǎo)和維持腸道相關(guān)淋巴組織和刺激漿細(xì)胞免疫球蛋白A(immunoglobulin A，IgA)的產(chǎn)生，防止病原體在腸道內(nèi)繁殖并調(diào)節(jié)黏膜免疫系統(tǒng)，增強(qiáng)腸道免疫屏障[29]。益生菌與腸道細(xì)胞的相互作用表現(xiàn)為恢復(fù)腸道正常通透性、刺激黏液產(chǎn)生和促進(jìn)黏膜再生，維持黏膜屏障完整性和腸道機(jī)械屏障功能，而腸道黏膜屏障的功能和完整性似乎與傳染病、炎癥和過(guò)敏性疾病密切相關(guān)[30-31]。

圖1 益生菌對(duì)腸道黏膜屏障的作用機(jī)制Fig.1 The mechanism of probiotics on the intestinal mucosal barrier

表1 主要益生菌的生理特性及功能Table 1 Physiological characteristics and functions of the major probiotics

2.2 阻止病原菌的黏附和定植

腸道內(nèi)細(xì)菌的不同生物學(xué)特性與生活習(xí)性決定其不同的生理作用，如厭氧菌和需氧菌、腔菌群和膜菌群、糖分解細(xì)菌和蛋白分解細(xì)菌以及細(xì)菌之間的生存、競(jìng)爭(zhēng)、拮抗等。研究指出，有些益生菌為競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合位點(diǎn)而與腸道上皮細(xì)胞發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而抑制腸道病原菌的黏附和定植，例如，可以與宿主細(xì)胞發(fā)生非特異性結(jié)合的瑞士乳桿菌(Lactobacillushelveticus)[32]。植物乳桿菌能使致病性大腸桿菌分泌的自體誘導(dǎo)物顯著減少，進(jìn)而降低該致病菌對(duì)宿主細(xì)胞的黏附能力[33]。另外，益生菌的表層蛋白可增強(qiáng)其與上皮細(xì)胞的黏附能力，使得益生菌占位定植，從而阻止病原菌與腸道黏膜受體的結(jié)合。WU等[34]指出，益生菌能在復(fù)雜的腸道環(huán)境中競(jìng)爭(zhēng)有限的生態(tài)位點(diǎn)，阻止病原菌在該位點(diǎn)黏附并繁殖。MACK在研究植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum) 299v胞外MUC3黏蛋白的分泌時(shí)發(fā)現(xiàn)，該菌株增強(qiáng)了覆蓋在腸上皮層的黏液層功能，能有效阻止腸道內(nèi)致病性大腸桿菌的定植[35]。

2.3 增強(qiáng)系統(tǒng)的免疫反應(yīng)

腸道內(nèi)的益生菌可通過(guò)直接或間接的方式影響機(jī)體單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、T細(xì)胞、B細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞等多種免疫細(xì)胞的功能，從而起到調(diào)節(jié)免疫和控制炎癥的作用(圖2)。研究表明，益生菌能改變小鼠腸道內(nèi)消化及免疫相關(guān)酶活性，促進(jìn)B淋巴細(xì)胞向漿細(xì)胞分化，并刺激或增強(qiáng)IgA的產(chǎn)生[36]。益生菌還能與樹(shù)突狀細(xì)胞相互作用，影響某些T細(xì)胞的增殖活性和免疫反應(yīng)，使T細(xì)胞分化為T(mén)h1、Th2和Treg細(xì)胞，激活免疫系統(tǒng)，產(chǎn)生細(xì)胞因子，提高抗感染能力[37]。益生菌影響免疫系統(tǒng)的另一方式是調(diào)節(jié)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，包含核因子-κB(nuclear factor-kappa-B,NF-κB)途徑、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)途徑、蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)途徑、蛋白激酶 B/磷脂酰肌醇 3 激酶(Akt/phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)途徑和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子(signal transducer and activator of transcription,STAT)途徑等多種信號(hào)途徑，其中NF-κB途徑分為NF-κB活化和抑制NF-κB激活，通過(guò)阻斷或促使I-κB磷酸化和泛素化來(lái)影響靶細(xì)胞的增殖和生存，進(jìn)而激活和維持免疫平衡[28,37-38]。益生菌能通過(guò)MAPK途徑和PKC途徑來(lái)增強(qiáng)緊密連接的電阻抗，阻止緊密連接蛋白發(fā)生變性[39]。益生菌與宿主免疫系統(tǒng)的交互作用還能促使分泌神經(jīng)遞質(zhì)分子，調(diào)節(jié)痛覺(jué)受體的表達(dá)，影響腸道運(yùn)動(dòng)和痛覺(jué)感受[37]。KAMIYA[40]在研究乳酸桿菌對(duì)大鼠結(jié)腸擴(kuò)張內(nèi)臟痛的抑制作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)乳酸桿菌可抑制結(jié)直腸擴(kuò)張刺激(colorectal distention，CRD)引起的脊髓背根神經(jīng)元(dorsal root ganglion, DRG)的敏感性，對(duì)內(nèi)臟疼痛具有潛在的治療作用。PATEL等[28]指出，益生菌能減少活性氧自由基產(chǎn)生和促進(jìn)免疫調(diào)節(jié)，進(jìn)而增強(qiáng)機(jī)體免疫。然而，益生菌介導(dǎo)的固有免疫調(diào)節(jié)分為免疫調(diào)節(jié)類(lèi)益生菌和抗炎類(lèi)益生菌。免疫調(diào)節(jié)類(lèi)益生菌可刺激單核細(xì)胞產(chǎn)生促炎因子TNF-α來(lái)增強(qiáng)機(jī)體免疫，進(jìn)而預(yù)防和治療急性腸道感染；而抗炎類(lèi)益生菌可抑制單核細(xì)胞產(chǎn)生促炎因子TNF-α來(lái)減少慢性炎癥發(fā)生，起到預(yù)防和治療炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)和腸易激綜合癥(irritable bowel syndrome, IBS)[41]。ROUSSEAUX等[42]在研究嗜酸乳桿菌調(diào)節(jié)腸道疼痛也發(fā)現(xiàn)，益生菌能激活位于腸道內(nèi)的阿片類(lèi)和大麻類(lèi)受體，從而改善IBD和IBS所引起的腸道性疾病。

圖2 益生菌對(duì)腸道的免疫反應(yīng)機(jī)制Fig.2 The immune response mechanism of probiotics to the intestine

2.4 分泌物質(zhì)和改變腸道環(huán)境

研究表明，有些益生菌具有抗毒素作用，而有些益生菌是通過(guò)產(chǎn)生有機(jī)酸、細(xì)菌素、糖蛋白、酶類(lèi)和H2O2等抗菌物質(zhì)來(lái)抑制有害微生物的生長(zhǎng)[43]。其中，有機(jī)酸能提高腸道酸度，使得致病菌(如金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等)生長(zhǎng)受到抑制，而更耐受酸性條件的益生菌可以在較低pH值下生存，維持正常腸道功能。益生菌產(chǎn)生的醇、丁二酮、溶菌酶、H2O2以及其他抗菌物質(zhì)(如乳酸菌素、乳鏈球菌肽等)都可抑制腸道病原菌的生長(zhǎng)。研究指出，益生菌產(chǎn)生的細(xì)菌素除可以直接抑制或殺死病原菌外，還可作為定植蛋白，產(chǎn)生定植抗力，與病原菌進(jìn)行占位競(jìng)爭(zhēng)并抑制病原菌定植；或作為信號(hào)蛋白，向腸道菌群和免疫系統(tǒng)傳遞信息[44]。有些益生菌可產(chǎn)生多種維生素和酶類(lèi)(如蛋白酶、糖化酶、脂肪酶、淀粉酶和β-半乳糖酶等)促進(jìn)腸道消化吸收。益生菌的另一個(gè)益生機(jī)理就是維護(hù)腸道生態(tài)平衡。腸道生態(tài)環(huán)境的改變會(huì)造成菌群紊亂(如G-桿菌過(guò)度繁殖)而導(dǎo)致內(nèi)毒素移位，進(jìn)而激活庫(kù)普弗細(xì)胞釋放炎癥介質(zhì)，腸道屏障功能受損，從而導(dǎo)致細(xì)菌移位，進(jìn)一步發(fā)生細(xì)菌感染及全身炎癥反應(yīng)[38]。另外，腸道生態(tài)環(huán)境的紊亂會(huì)影響上皮細(xì)胞、免疫細(xì)胞或神經(jīng)系統(tǒng)，進(jìn)而直接改變胃腸道屏障和腸道健康(如感染引起的上皮通透性增加或特定免疫細(xì)胞及其介質(zhì)的功能喪失)[45]。然后，益生菌除直接對(duì)抗病原菌外，還與共生菌群合作使腸道生態(tài)平衡，并有益于形成完整的腸道屏障以維持腸道健康[46]。此外，益生菌具有較強(qiáng)的耗氧能力，可以使動(dòng)物腸道內(nèi)形成相對(duì)的氧化環(huán)境，進(jìn)而對(duì)好氧病原菌的生長(zhǎng)造成影響，使得厭氧菌比例上升，進(jìn)一步抑制需氧菌和兼性厭氧菌。

3 益生菌的問(wèn)題及應(yīng)用前景

隨著研究的不斷深入和發(fā)展，益生菌的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，但在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中還存在著菌種穩(wěn)定性差、在消化道難定植以及發(fā)揮某種功效的作用機(jī)制尚不清楚等問(wèn)題。例如，活菌制劑的生物活性易受到外部環(huán)境的變化而降低，益生菌存活率得不到保證，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量；而大多進(jìn)入動(dòng)物消化道的益生菌又受到胃酸和膽鹽等的影響，使得最終能到達(dá)腸道并定植發(fā)揮作用的活菌數(shù)量不足，益生效果不顯著。另外，益生菌在發(fā)揮作用的同時(shí)也存在一定的毒性問(wèn)題，大多數(shù)乳酸桿菌和雙歧桿菌在代謝過(guò)程中產(chǎn)生多種細(xì)菌素，在抑制或殺死腸道內(nèi)有害菌的同時(shí)也影響了其他有利于維持機(jī)體正常生理功能的有益菌生長(zhǎng)[47]。而且，研究者對(duì)益生菌菌種篩選當(dāng)中耐藥基因的去留問(wèn)題仍然存在分歧，是否應(yīng)該把具有抗藥基因作為篩選益生菌的依據(jù)，是否應(yīng)除去益生菌中可轉(zhuǎn)移的耐藥因子以防止其通過(guò)質(zhì)粒把耐藥基因傳遞給致病菌等疑問(wèn)需進(jìn)一步的闡明和論證。目前，消費(fèi)者越來(lái)越關(guān)注產(chǎn)品相關(guān)信息的同時(shí)卻對(duì)益生菌的認(rèn)識(shí)度不夠，可見(jiàn)更準(zhǔn)確地描述益生菌相關(guān)產(chǎn)品信息并以合適的方式向消費(fèi)者宣傳產(chǎn)品功效已成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

另外，益生菌將在治療自身免疫性疾病上提供新途徑，打破利用糖皮質(zhì)激素和免疫抑制劑來(lái)抑制病情的傳統(tǒng)方法，減少一系列不良反應(yīng)。目前，已在Ⅰ型糖尿病、類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、多發(fā)性硬化和潰瘍性結(jié)腸炎等疾病中得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[12]。但自身免疫性疾病發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，益生菌對(duì)其治療的機(jī)制還不夠清楚和完善，加上患者的狀態(tài)不同及菌株具有特異性，益生菌的有益效果仍需要大量深入研究來(lái)提供科學(xué)、詳細(xì)的證據(jù)，并在臨床應(yīng)用上形成規(guī)模。

現(xiàn)如今，生物技術(shù)和生物標(biāo)記等技術(shù)的發(fā)展為人們不斷探索益生菌提供了新的工具和科學(xué)、合理的方法，研究者有信心在基因及分子水平上完全闡明益生菌的作用機(jī)制，為其在治療與預(yù)防疾病、抗腸道寄生蟲(chóng)感染、緩解過(guò)敏反應(yīng)等方面發(fā)揮作用。另外，利用基因工程技術(shù)在有臨床效果的菌株上插入外源基因，有望增強(qiáng)其應(yīng)用效果并拓寬應(yīng)用范圍。將來(lái)，在菌種篩選、加工、貯存和臨床評(píng)價(jià)等方面也將有所改進(jìn)和突破，以拓寬益生菌在各領(lǐng)域中的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)更多的產(chǎn)品。利用益生菌獨(dú)特的生理特性和自身優(yōu)勢(shì)在治療人畜疾病、促進(jìn)人類(lèi)健康和畜牧生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用。