益生菌发酵乳的研究及产业化进展

于 洁 张和平

（内蒙古农业大学乳品生物技术与工程教育部重点实验室 农业农村部奶制品加工重点实验室内蒙古自治区乳品生物技术与工程重点实验室 呼和浩特010018）

2001年，联合国粮农组织（Food and agriculture organization，FAO）/世界卫生组织（World health organization，WHO）联合专家委员会提出了益生菌的科学定义：益生菌系指活的微生物，当摄取足够数量时，对宿主健康有益。2018年我国修订的《益生菌类保健食品申报与审评规定（征求意见稿）》及2020年《益生菌的科学共识》[1]也认同这一概念，亦明确指出益生菌的核心特征是足够数量、活菌状态和有益健康功能。

在国家“健康中国”战略驱动下，益生菌产业成为我国食品工业中增长较快以及创新密集的产业。随着益生菌理论研究的不断突破，其技术成果被加速转化。作为益生菌重要载体的发酵乳制品产业发展势头强劲，已引起科学界和产业界的高度关注。益生菌发酵乳中不仅含有大量益生菌，还含有多种生物活性代谢物，兼具益生菌和发酵乳的双重功能的益生菌发酵乳，已被证实具有诸多益生功能[2]。本文概述近年来益生菌发酵乳的研究进展和产业现状，重点阐述益生菌发酵乳在肠道疾病、肿瘤和肠-X 轴等方面的功能作用研究进展。

1 益生菌简介

近年来，益生菌被广泛关注，其功能也逐渐被人们所熟知。益生菌在自然界中广泛存在，其种类多样，可概括为2 大类：一类为传统益生菌，主要包括乳杆菌属（Lactobacilllus）、乳球菌属（Lactococcus）、明串珠菌属 （Leuconostoc）、链球菌属（Streptococcus）、肠球菌属（Enterococcus）、双歧杆菌属（Bifidobacterium）和部分芽孢杆菌（Bacillus）。其在增强胃肠道功能，改善代谢和提升机体免疫功能等方面具有预防和保健功效，并被广泛认可和应用。如今，随着肠道菌群研究的深入，人们对肠道细菌作为益生菌产生了浓厚的兴趣，并提出了下一代益生菌的概念，即在大剂量使用时会对机体健康表型产生影响，可缓解疾病，维持健康的菌株[3]。目前被作为下一代益生菌的候选细菌包括解木聚糖拟杆菌（Bacteroides xylanisolvens）、多形拟杆菌（Bacteroides thetaiotaomicron）、柔嫩梭菌（Clostridium leptum）、阿克曼菌（Akkermansia）、脆弱拟杆菌 （Bacteroides fragilis） 和卵型拟杆菌（Bacteroides ovatus）等，已有报道下一代益生菌在癌症、内毒素感染和代谢综合征等疾病的治疗中起到积极作用[4]。然而，下一代益生菌的研究刚起步，存在培养难，安全性差等问题[5]。未来随着研究方法的更新，安全性评价标准的建立和产业化技术的成熟，下一代益生菌的研究和产业化势必促进益生菌产业上升到新高度。

不同的益生菌菌株的作用效果各不相同，随着益生菌种类的不断拓展，其益生功能在不断的增加。2013年国际益生菌与益生元科学协会（International scientific association for probiotics and prebiotics，ISAPP） 明确了益生菌产品的7 项主要功能，包括缓解抗生素引起的腹泻，消化道不适（包括IBS），婴儿肠绞痛和湿疹，缓解早产儿坏死性肠炎，缓解乳糖不耐，治疗儿童急性感染性腹泻，降低上呼吸道或肠道感染风险[6]。通过肠道微生物群对人体健康重要性的深入了解，发现益生菌可以通过调节肠道菌群，拓展到肠道以外其它器官疾病的预防，代谢综合征的改善，精神情绪和免疫调节等与健康相关的各个方面[7]，成为当前基础研究的热点。

2 益生菌发酵乳的益生功能研究进展

2.1 益生菌发酵乳简介

发酵乳制品是益生菌的优良载体，特别是以乳酸菌制备发酵乳制品已有上百年的历史。益生菌可完美地融合乳制品生产工艺，经优化后的发酵工艺更有利于发酵菌种的存活。此外，冷藏运输、销售和贮藏条件与方式都可以在最大程度上保证产品中益生菌的存活。由此说明益生菌发酵乳制品是益生菌在食品领域的重要应用形式。

目前，在我国乳品工业中，发酵乳制品已成为增长幅度最大的产品，年平均增长率接近20%，2018年我国乳制品市场发酵乳销售额首次超过牛乳，消费规模占国内益生菌整体市场的78.4%，也是国内益生菌产业的重要增长动力之一，特别是功能性发酵乳和乳酸菌饮料等相关产品已形成千亿元的庞大市场[2]。随着益生菌研究的深入和乳制品发酵技术的不断进步，发酵乳制品的益生菌也从单一菌株向混合多菌株方向发展，由传统型发酵乳制品向功能型发酵乳制品方向发展。

2.2 益生发酵乳功能研究概况

益生菌的深入研究与发酵乳制品的蓬勃发展相辅相成。对益生菌发酵乳的功效研究创新驱动这一产业的健康发展[8]。益生菌发酵乳中不仅含有大量的益生菌，还含有多种生物活性代谢物，其兼顾了益生菌和发酵乳的双重益生功能，益生效果更胜一筹。

1）益生菌发酵乳与肠道相关疾病 益生菌发酵乳对肠道功能的调节作用是通过调节肠道菌群，抑制致病菌生长和黏附，降低炎症反应及提高机体免疫力等来实现[9]。这种能力不仅来源于活性益生菌，也来源于不含益生菌的发酵乳制品。

早在1994年，Link-Amster 等[10]通过人体实验证实食用发酵牛奶3 周后，粪便中嗜酸杆菌和双歧杆菌活菌数增加，且在实验组中观察到抗伤寒沙门氏菌Ty21a 的特异性血清IgA 浓度显著增加了4 倍。Romond 等[11]发现志愿者饮用无活菌的短双歧杆菌（Bifidobacterium breve）C50 发酵牛乳后，粪便中双歧杆菌含量显著高于对照组。2019年，Redondo-Useros 等[12]通过270 名健康成年人群试验比较益生菌发酵乳与普通发酵乳对肠道菌群的影响，结果显示益生菌发酵乳的摄入显著增加成年人肠道中双歧杆菌的含量。Yilmaz 等[13]研究开菲尔乳对炎症性肠病患者肠道菌群的影响，实验组持续服用400 mL/d 的开菲尔乳4 周后，粪便中乳酸菌属含量增加，短期内腹胀症状减轻。Marteau 等[14]通过538 名志愿者证实含有动物双歧杆菌乳酸亚种（Bifidobacterium animalis subsp.lactis）CNCM I-2494 的发酵乳可快速改善腹胀、腹痛等轻症肠道不适。2020年，本研究团队结合临床症状，从细胞因子、代谢组学和宏基因组学多角度评估了LB 益生菌发酵乳对便秘的影响机制[15]，实验结果表明：连续食用干酪乳杆菌（Lactobacillus casei）Zhang 和动物双歧杆菌乳酸菌亚种V9 益生菌发酵乳（LB 益生菌发酵乳）4 周后，大部分志愿者排便频次、排便时间和粪便黏稠度等便秘症状得到显著改善。深入研究后发现，服用LB益生菌发酵乳后，志愿者肠道中动物双歧杆菌显著增加，血液中的促炎因子降低，抗炎因子增加，酰基肉毒碱显著增加，与便秘频次呈显著正相关。由此推断：益生菌发酵乳可能通过调节肠道微生物，平衡炎症因子，增加补充能量和刺激肠神经的代谢物促进肠道运动，进而改善便秘症状（图1）。

图1 益生菌发酵乳缓解便秘的可能机制[15]Fig.1 Potential mechanism of probiotic fermented milk on constipation alleviation[15]

2）益生菌发酵乳与肿瘤 肿瘤已超过心血管疾病成为目前全球首位致死因素。肠道菌群平衡的失调及破坏与肿瘤的发生、发展息息相关，恶性肿瘤细胞具有高度增殖性并能抵抗细胞凋亡，大多数恶性肿瘤是由不健康和不平衡的饮食引起的[16]。近期，我国学者搜集了196 万名志愿者和38 358 例癌症病例信息，探究发酵乳制品的摄入与癌症发生的关系，结果证实常食用发酵乳制品与总体患癌风险降低的相关性非常显著，可显著降低食道癌、膀胱癌和结直肠癌的患病风险[17]。目前益生菌发酵乳降低癌症发生率的机制仍在探索中，然而，其在多种肿瘤疾病中均具有预防和缓解作用，包括肺癌、结肠癌、乳腺癌、胃癌、皮肤癌和白血病。

Wu 等[18]追踪调查来自美国以及欧洲和亚洲144 多万人的数据后发现，食用发酵乳使肺癌发病风险降低19%，可与高纤维饮食产生协同效应。Hatmal 等[19]通过体外试验验证了开菲尔乳对人体慢性粒细胞白血病细胞K562 和结肠癌细胞HCT11 有抑制作用。在小鼠结肠癌模型中，摄入发酵乳可增加分泌白介素-10（IL-10）细胞的数量，通过降低致癌物酶来降低炎症反应，进而抑制肿瘤的生长[20]。该项研究也发现瑞士乳杆菌（Lactobacilus helveticus）R389 发酵乳可降低血清、乳腺和免疫细胞中的IL-6 含量，增加IL-10 和IL-4的含量，具有减缓乳腺肿瘤生长的作用。另一项利用小鼠乳腺癌模型的研究亦表明，开菲尔乳可缩小肿瘤体积，促进肿瘤细胞凋亡，增加IgA 细胞和CD4+T 的数量[21]。Le 等[22]报道了益生菌食窦魏斯氏菌（Weissella cibaria）FB069 发酵豆乳对结肠癌细胞，特别是HCT116 细胞有抗癌作用。一些研究证实开菲尔乳可抑制白血病患者的细胞增殖[23]。

近几年，随着肿瘤免疫学研究的发展，免疫疗法已逐渐拓展到多种适应症。当前全球癌症免疫疗法药物已占据整个肿瘤药物市场近50%的份额，不久的将来免疫疗法将成为肿瘤治疗的首选方案。人体肠道共生微生物对肿瘤免疫治疗具有重大作用，并有望将肿瘤免疫治疗再上一个台阶。益生菌可与免疫检查点阻断剂等抗肿瘤药物协同作用，助力免疫疗法，促使免疫治疗获得最大效益，这将为益生菌发酵乳品研究奠定基础。未来可探讨益生菌发酵剂及发酵乳中免疫活性物质在抗肿瘤，维持肠道稳态，增强化疗药物活性，保护肠黏膜屏障等方面的机制，为益生菌发酵乳的开发提供理论依据。

3）益生菌发酵乳与肠-X 轴 人和动物的健康发展与肠道菌群的平衡密切相关且终身相伴。随着肠道微生物研究的深入，被誉为第二大脑的“肠道菌群”可通过肠-X 轴与大脑、肝脏和肺等器官之间相互调控。以摄入益生菌及其制品来改变肠道微生物平衡的方式，对宿主免疫系统、神经免疫系统和内分泌系统产生影响，调节机体组织、器官功能及行为，进而影响宿主健康。

在“脑-肠轴”系统中，肠道微生物可以通过迷走神经、肠激素信号传导、免疫系统及微生物代谢产物等促进其与大脑之间的信号交流，调控脑部复杂的神经活动，进而影响神经系统发育，调节脑神经类相关疾病[24]。益生菌发酵乳在预防和缓解阿尔兹海默症（Alzheimer’s disease，AD）和焦虑症等精神类疾病方面已有报道[25-26]。2013年，一项研究评估了食用益生菌发酵乳调节大脑活动的效果，结果显示：健康女性摄入益生菌发酵乳会影响控制情绪和感觉中枢处理的大脑区域的活动，与其它皮质调节性大脑区域的激活相比，食用发酵乳制品的女性表现出参与情感调节的特定大脑区域的活动显著减少的现象[27]。另一项研究对60 例阿尔茨海默症患者进行随机、双盲、对照临床试验，评估益生菌发酵乳对认知功能和代谢状态的影响。志愿者连续食用嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）、干酪乳杆菌、两岐双岐杆菌（Bifidobacterium bifidum） 和发酵乳杆菌（Lactobacillus fermentum）益生菌发酵乳12 周后，简易智能精神状态检查评分显示，益生菌发酵乳显著改善认知功能障碍，并对阿尔茨海默症患者胰岛素抵抗和胰腺γ 细胞分泌、血清甘油三酯等代谢状态具有积极作用[26]。近期一项基于动物实验的研究发现，开菲尔乳可通过微生物-脑-肠轴调节宿主行为，而且不同类型的开菲尔乳可指导微生物群产生不同的免疫和行为调节作用[28]。

肠-肝轴理论的提出为理解肠道菌群与肝脏疾病奠定了理论基础。肝脏与肠道具有双向调节作用，肝脏通过胆管排泄胆汁及其它生物活性物质与肠道沟通，而代谢营养物通过门静脉运输到肝脏，同时肠道细菌及其产物、内毒素等物质也会通过门静脉转运，使得肝脏易受肠道菌群的影响而发生病理性改变[29]。在临床研究中，益生菌发酵乳改善肝脏疾病已初见成效。Nabavi 等[30]报道了益生菌发酵乳可改善非酒精性脂肪性肝病（NAFLD），服用含嗜酸乳杆菌La5 和乳酸双歧杆菌BB12 的益生菌酸奶8 周的NAFLD 患者在治疗后，血清丙氨酸转氨酶、天冬氨酸转氨酶、总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇明显降低。2016年，Chen 等[31]采用小鼠模型研究开菲尔乳改善非酒精性脂肪肝的作用机制，实验结果表明乳中肽类物质可通过激活JAK2/STAT3 和JAK2/AMPK 通路中JAK2 信号传导，起到缓解NAFLD 的症状的功效。虽然目前关于益生菌发酵乳在其它肝脏疾病中的应用研究较少，但是随着对益生菌发酵乳和肠-肝轴认识的深入，益生菌发酵乳调控肝-肠轴将为肝脏疾病治疗和预防模式提供新的方向。

肠道菌群的组成及功能可通过共同黏膜免疫系统影响呼吸系统，而呼吸道的菌群紊乱也能通过免疫调节影响消化道，这种肠道与肺部之间的相互作用称之为肺肠轴[32]。2013年，《Science》杂志发表的研究证实肠道Ⅱ型固有淋巴细胞（ILC2s）从肠道迁移到肺部，参与肺部免疫作用[33]。益生乳酸菌和双歧杆菌作为调节肠道菌群的有效手段，在呼吸道病毒感染和哮喘动物模型中的保护作用已被充分证实[34]。

虽然益生菌发酵乳在临床功效评价方面取得了很大突破，但是其生物学机制仍有待探索。未来，随着基因组学、蛋白组学和代谢组学等多组学技术的快速发展，将助力深入探究益生菌发酵乳对人体健康的作用机制。

3 益生菌发酵乳产业化进展

益生菌发酵乳制品的营养价值高，既保留了乳制品本身的优质营养，也在乳酸菌、益生菌的作用下将营养全面升级。在新冠疫情的影响下，益生菌发酵乳有益肠道健康，提高免疫力等功能深受专家、消费者的重视。据欧睿国际数据显示，2018年全球益生菌的市场规模约494 亿美元，预计2022年将达到574 亿美元。国内市场对益生菌产品的需求大幅增加，预计2022年将达到约900 亿人民币的市场规模。由于国外的益生菌产业起步较早，技术相对成熟，占据了全球市场的有利地位。目前，亚洲、欧洲与北美是全球益生菌市场的主体，亚太地区益生菌产业起步虽较晚，但已呈现强劲的发展势头[35]。

益生菌发酵乳制品市场规模在不断的扩大。亚太地区是最大的益生菌发酵乳市场，2019年零售额近170 亿美元，其中，中国市场是亚太增长的主要驱动力，近5年复合增长率达14%。益生菌发酵乳在亚太地区和中国的发展潜力领先全球。益生菌发酵乳制品主要包括酸奶、活性乳酸菌饮料和奶酪等，产品口味多样，品种齐全，深受消费者的欢迎。国外益生菌发酵乳产品种类和功能较多样化，特别是日本，由于法规的差异，所以产品更多趋于功能性，消费者对益生菌关注点也比较广泛，除了一般的肠道功能外，对于精神、骨骼、体脂、血糖、血压、关节、视力、过敏、压力等均有广泛的关注。2019年，英国推出一款开菲尔发酵水果酸奶，含有超过40 种有益肠道的菌种。俄罗斯开发了富含双歧杆菌和菊粉的葡萄柚饮用型酸奶（Grapefruit flavored drinking bio yoghurt），有助于改善消化功能。专为肠胃健康设计的饮用型酸奶（Namyang bulgaris wissen drinking yogurt）在韩国上市，每份2 000 亿活性乳酸菌。日本推出了Bifidus，为改善“肠道健康”的功能性发酵乳，该产品中搭配了长双歧杆菌（Bifidobacterium longum）BB536 菌株，能够增加肠道双歧杆菌，改善肠道健康[36]。日本企业还将目光瞄准了现代生活中脂肪堆积的中老年人群，以格氏乳杆菌（Lactobacillus gasseri）SBT2055[37]为发酵剂制成发酵乳。此外，还采用罗伊氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri）DSM17938开发了以“改善口腔内菌群，保护牙龈健康”为功能性标示的益生菌发酵乳。

国内消费者对于益生菌的认知起步较晚，然而，随着人们对益生菌和肠道菌群功能的认知，以及对“治未病”理念的关注，发酵乳已从营养阶段进入功能阶段。由于长久以来益生菌发酵剂菌种被国外大公司所垄断，因此，我国科研人员致力于研发适用于中国人群肠道健康的具有自主知识产权的优良菌株，用新型菌种打造适合中国特色和需求的发酵乳新品。本研究团队从事乳酸菌资源开发与益生菌筛选工作近20年，采用现代医学和“组学”技术相结合的方法，从肠道微生物互作入手，筛选出干酪乳杆菌Zhang[38]、乳双歧杆菌V9[39]、鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus）M9、植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）P9 等13 株具有免疫调节，改善肠道菌群等功能的益生乳酸菌[40]。我国各大乳品公司联合科研院所也在不断开发新菌种，包括乳双歧杆菌C-I 和IU-100、植物乳杆菌ST-III、LLY-606 和PC-26 等，已广泛应用于益生菌发酵乳和乳饮料产品中，并保证其活菌数量均在106CFU/g 以上。随着自主知识产权益生菌菌株的不断挖掘，我国市场上益生菌发酵乳产品种类和适用人群呈现多样化的趋势，然而其功能仍集中于调节肠道菌群和增强免疫力方面，这可能与我国目前益生菌菌株的缺乏及相关政策法规的局限性有关。未来，在全球益生菌行业蓬勃发展的大背景下，益生菌发酵乳作为一类大健康食品，是未来发酵乳市场中的机会点，将会带来产业结构升级，有利于乳业做强、做优，促进行业的高质量发展。

4 结语

益生菌对健康的调节作用已获全球共识。随着人们对营养健康需求的提升，基于益生菌的功能性发酵乳也呈现强劲的发展势头。不同功效的益生菌菌种和发酵乳产品正逐步被推向市场。然而，愈来愈多的证据表明，益生菌对人体的健康功效具有菌株特异性和个体差异性，不同菌种在不同乳基质中发酵所得发酵乳的功能性存在差异，对不同人群的适应性也存在差异，因此，需进一步探究益生菌发挥健康功效的科学机理，了解益生菌“量”和“效”的科学关系，打造差异化发酵乳，服务于多样化的健康诉求，使消费者科学、理性地选择满足自身需求的益生菌和功能发酵乳。

另外，目前我国对益生菌产品的管理已形成一套较为完善的标准、法规体系。然而，随着益生菌产业的蓬勃发展，产品的不断创新，势必带来现有管理与标准、法规的突破。为了能更好地满足益生菌发酵乳制品多元化和功能化的需求，政府、科技与产业界应不断完善益生菌相关的标准、法规体系，以化解益生菌行业发展中的诸多科学问题，激发全行业更大的创新活力。