益生菌的分类及其多领域应用研究现状

阿热爱·巴合提，谭春明，李平兰

（1.新疆维吾尔自治区产品质量监督检验研究院，新疆 乌鲁木齐830013；2.中国农业大学 食品科学与营养工程学院，北京100083）

“益生菌”是一类“对生命有益”的活菌，最早来源于希腊语。1857年，法国微生物学家巴斯德在研究牛奶变酸过程时观察到乳酸菌，进而拉开了益生菌研究的帷幕。随着有益微生物的不断发现，各国科学家开始对益生菌的生物学特性、功能和安全性进行了深入研究［1－5］。而生物技术的不断发展也使得益生菌开始走向产业化，如乳酸菌饮料“益力多”、达能“碧悠”和伊利“每益添”等。Lilly等［6］提出益生菌对其他微生物有促进生长的作用，继而有研究人员发现益生菌对肠道菌群平衡有促进作用，英国福勒博士（Roy Fuller）提出益生菌是对宿主有益并有利于肠内菌群生态平衡的活性微生物制剂，并强调了活菌才能够对健康有益［7］。

研究者认为益生菌属于有益菌，但并非所有的有益菌都称得上是益生菌，成为益生菌需要具备以下条件：①对宿主有益，无毒性和无致病作用，能够耐受胆汁和胃液的腐蚀；②以活菌的状态到达肠道并能在肠道内增殖；③能够改善肠道内菌群，产生有用的酶类和其他代谢物；④能保持活性及有效的活菌数；⑤感官特性良好。随着现代科学技术的发展（如色谱分析技术、电镜技术、厌氧培养技术等）和新研究方法的出现，益生菌的研究和开发得到了迅速的发展。另外，益生菌在菌种开发和产品研发方面虽然取得一定的成果，但是益生菌如何影响人或动物的微生态及对菌种本身特性认识的不足，使得益生菌的深度研究及其产品的开发受到限制。基于益生菌对机体的有益特性，国内外许多学者与专家正在积极开展益生菌生理作用的研究。本文对益生菌种类及其在食品、医疗保健、畜牧业和水产养殖业中的应用现状进行了综述，以期为益生菌的研究及其在不同领域的应用提供参考。

1 益生菌的分类

益生菌种类繁多，人体内就超过400种，从目前已报道的益生菌来看，大致分为以下五大类：乳杆菌类、双歧杆菌类、芽孢杆菌类、链球菌类和其他类，其常见代表菌株见表1［8－13］。其中，乳杆菌类、双歧杆菌类和链球菌类均能产生乳酸，故又可分类至乳酸菌，而不产乳酸型益生菌有芽孢杆菌、丙酸菌和酵母菌［14］。目前，已报道的并确定分类的乳杆菌数量达56种（其中有10余种常用）［8］，双歧杆菌32余种（其中14种与人密切相关）［9］，芽孢杆菌已有150余种（常见的十几种）［10］，链球菌由菌种和亚种组成共60余种［11］。

表1 益生菌的分类及常见代表菌株Table 1 Classification of probiotics and common representative strains

马现永等［15］按菌株的来源、作用方式和生存条件对益生菌进行了分类。其中，双歧杆菌属中严格厌氧的现有32种，被证实能在人体肠道内定殖并可应用于乳品及保健品的有5种；已报道的乳杆菌中有十几种常用于制备肠道微生态制剂。

随着研究的不断进行，新的益生菌不断被研究者发现和鉴定。例如：Qian等［16］从传统乳制品老酸奶中分离出的4株乳酸杆菌菌株LactobacillusZX1、ZX2、ZX27和ZX69可以改变阴道加德纳菌（Gardnerella vaginalis）毒力基因的表达，其提取的细菌素对阴道毛滴虫和大肠杆菌具有很强的抗菌活性，能改变阴道毛滴虫的耐药基因转录；Zhang等［17］从婴儿的粪便中分离出1株双歧杆菌Bifidobacteriumspp.，对树突状细胞的体外免疫显示出良好的黏附能力；岳莹雪等［18］通过大量筛选发现，Lactobacillus acidophilusKLDS1.0901和KLDS1.1003对HT－29细胞的增殖能力具有较高的抑制作用，并且具有良好的抗氧化等益生功能；Won等［19］从泡菜中分离到一株乳酸菌Lactobacillus sakeiADM14具有抗脂肪生成和潜在益生菌特性，可作为替代治疗补充剂；Uttatree等［20］从泰国湾海洋沉积物中获得一株产生胞外蛋白酶的新型枯草芽孢杆菌Bacillus subtilisBUU1，所产生的胞外酶有望成为生物技术应用的候选生物催化剂。

目前，16S rRNA序列分析、脉冲电场凝胶电泳（PFGE）、荧光原位杂交（FISH）、特异性基因PCR等分子生物技术的发展，使得益生菌的分类不断发生变化。传统形态学和生理生化方法在属水平上的鉴定往往缺乏可靠性，利用现代分子多重技术从各个方面验证可使其分类结果更加可靠［21］。如今，DNA标记技术（包括rDNA／rRNA序列的分子标记、基于PCR的DNA标记、限制性片段长度多态性标记、扩增片段长度多态性标记、电泳核型标记、温度梯度或变性梯度凝胶电泳、DNA杂交或DNA探针技术及扩增性rDNA限制性酶切片段分析）、FtsZ蛋白序列、电子鼻技术和分子荧光光谱法被用来进行细菌的分类和鉴定。虽然分子标记技术快速、准确和灵敏，但是不同方法检测到的细菌种类多样性结果不完全一致，可见各种方法都有一定的选择性和局限性。只有将传统方法和分子生物学方法、新兴的方法等结合起来使用才会得到比较满意的结果，使益生菌的分类更为准确、便捷。

2 益生菌的应用

益生菌具有独特的生理功能，从国内外市场现状来看，已广泛应用于食品、药品、医疗业、畜牧业和种植业中。日本是全世界益生菌产业最发达的国家，其次是欧洲和美国。

2.1 益生菌在食品领域中的应用

在食品领域，益生菌通常用于乳制品、婴幼儿食品、发酵肉制品、发酵果蔬、发酵酒及功能性食品当中。

在乳制品方面，常见的益生菌菌株有干酪乳杆菌、双歧杆菌、保加利亚乳杆菌、嗜酸乳杆菌、发酵乳杆菌、鼠李糖乳杆菌和嗜热乳杆菌等，这些菌株因具有一定的调节肠道菌群、改善食品风味、降低脂肪和改善肝损伤等功能而被广泛运用。添加益生菌的乳制品，营养价值高，并兼有保健功能，适合各阶段人群的膳食结构，还能降低乳制品中黄曲霉毒素的含量，保障酸乳饮品的安全性与健康性，受到广大消费者的青睐［22－23］。

在婴幼儿产品方面，益生菌具有调节婴幼儿肠道菌群平衡、预防和治疗腹泻、缓解过敏症状及改善食物不耐受性等方面的作用［24］。婴幼儿食品由于属性特殊，国家对可添加的益生菌菌株进行了严格规定，下面对常用于婴幼儿食品的益生菌菌种的用途及功效［25－32］进行了归纳，见表2。

表2 用于婴幼儿食品的益生菌Table 2 Probiotics for infant food

益生菌在发酵肉制品、果蔬制品和发酵酒等方面同样应用广泛。

在发酵肉制品中，益生菌多应用于发酵香肠、生肉制品、熟肉制品、合成虾及烟熏肉，其中发酵香肠中应用最广［33］。常用乳杆菌、乳酸菌、酵母菌、肠球菌及丙酸杆菌等益生菌来增进口感、改善消化、提高营养、保色保鲜及延长保藏期，或抑制致病菌和腐败菌、抑制有害毒素及降低生物胺含量［34－35］。

在果蔬发酵制品中，常用乳酸菌、酵母菌等益生菌发酵，使产品富含氨基酸、益生元、有机酸、维生素、矿物质和生物酶等多种营养成分。此外，益生菌在生长代谢过程中还产生多酚类物质、胞外多糖、细菌素和酶等功效成分，使果蔬发酵制品具有抗氧化、抑菌、改善肠道功能及解酒护肝的功效，还具有提高免疫力和降血糖的功能［36］。

在发酵酒方面，虽然报道较少，但国内外学者已经开始研制功能性保健酒。例如，袁林等［37］将益生菌用于葡萄酒发酵后发现，发酵酒具有抗癌、抗氧化、抗心血管疾病及抗菌消炎的功效，并且添加益生菌后多了一些活性成分如维生素、矿物质等，这将拓宽益生菌在发酵酒当中的应用。

在功能性食品方面，功能性食品因添加了益生菌、益生元和合生元等，使得其具有生物调节、增进食欲、促进吸收、增加生物防御、抑制过敏反应、免疫刺激以及预防高血压、糖尿病、癌症、高胆固醇、贫血、血小板凝聚和老年疾病等功效［38］。

2.2 益生菌在医疗领域中的应用

益生菌制剂在医疗保健领域中占有十分重要的位置，国内外医学工作者常将益生菌用于胃肠道疾病、高血脂、高血压、婴幼儿疾病及癌症等疾病的治疗，打破了传统的纯药物治疗局面。

2.2.1 益生菌治疗胃肠道疾病

作为人类胃肠道重要组成部分的胃肠道微生物群是一个复杂且动态的微生物生态系统，细菌种类繁多，大约有400多种，对机体肠道营养、代谢活动及宿主免疫系统等功能均有影响［39］。Yan等［40］指出，乳酸杆菌GG可促进P75及P40等可溶性蛋白的分泌，抑制肠道上皮细胞凋亡，增强肠道上皮细胞的屏障功能。韩悦等［41］通过增加定殖形成优势菌群，预防肠道微生态失衡，有效促进了机体形成脂磷壁酸和S－层蛋白等保护性屏障，进而防止病原菌黏附。此外，益生菌分泌的代谢产物能够有效抑制或杀死肠道病原菌，还可调节肠道上皮细胞上的Toll样和NOD样受体的表达并激活相应信号通路，以调节细胞的促炎－抗炎反应［42］。Delungahawatta等［43］在研究益生菌与肠道上皮细胞相互作用机制时指出，其益生机制是通过促进黏蛋白分泌，形成连接蛋白，使得肠道上皮细胞的通透性降低，从而增强肠上皮细胞的屏障功能。

2.2.2 益生菌治疗新生儿疾病

益生菌制剂对新生儿肠道具有免疫调节作用，在新生儿坏死性小肠、结肠炎、喂养不耐受症、新生儿腹泻病、新生儿黄疸及变态反应性等疾病中起到不可或缺的作用［44］。

2.2.3 益生菌的降血脂作用

食物中的胆固醇能被肠道内益生菌所吸附，促使胆固醇向体外排泄。另外，益生菌还能吸附肠内的胆汁酸，将其排出体外，而肠内胆汁酸的减少能加速肝脏中的胆固醇向胆汁酸转化，进而直接或间接地减轻血清中胆固醇的含量，起到降血脂作用［45］。

2.2.4 益生菌的降血压作用

最近的研究表明，益生菌能有效改善某些代谢紊乱，如高血压，当人体在摄入益生菌发酵的食品如乳制品（酸奶、豆奶、奶酪）、果蔬发酵制品和肉制品等之后，血压出现了下降的现象。有些益生菌能特异分解酪蛋白产生LPP和VPP这2种多肽，进而抑制ACE酶的活性，长期摄入这2种活性多肽能有效防止高血压［46］。Lye等［47］指出，益生菌可通过改善脂质结构、胰岛素抵抗、调节肾素和生物活性异黄酮的转化来抗高血压。这些表明，与药物或激素治疗相比，使用益生菌等饮食替代品可以减少代谢性疾病的发生，既没有副作用也较温和，还可以作为一种补充，以提高那些已经遭受疾病和服用药物或激素治疗药物的人的福祉。

2.2.5 益生菌的抗癌作用

恶性肿瘤是一种复杂疾病，其发生、发展与肠道菌群的失衡及破坏有着密切的关系。益生菌可以抑制能产生致癌物和诱变剂的相关微生物群的生长，并促使机体内致癌物的代谢和防止DNA受氧化损伤，机体免疫系统得到调节，进而起到抗癌的作用［48］。

2.2.6 益生菌的增强免疫作用

益生菌对机体免疫能力的提高主要是通过调节宿主的免疫系统，包括体液免疫系统、肠道黏膜免疫系统及细胞免疫系统，进而发挥潜在的抗衰老和治疗自身免疫性疾病的作用。Sharma等［49］在研究益生菌的抗衰老效果时指出，抗氧化作用的实现可能是益生菌有助于维持机体免疫系统的平衡，使机体免疫调控能力提高，从而延长寿命。益生菌在治疗Ⅰ型糖尿病、类风湿性关节炎、系统性红斑狼疮和多发性硬化症上表现出良好的疗效，可避免传统的糖皮质激素和免疫制剂带来的不良影响［50－51］。Ochoa-Repáraz等［52］发现，脆弱拟杆菌可产生一种双性离子型多糖（PSA），促进免疫细胞及细胞因子发挥作用，参与机体免疫调节，进而改善患者相关症状。

2.2.7 益生菌治疗中枢神经系统疾病

中枢神经系统（CNS）疾病患者常伴有肠道菌群紊乱的现象，有研究指出益生菌可有效缓解CNS疾病［53］。Surwase等［54］发 现 一 种 新 的 芽 孢 杆 菌 属Bacillussp.JPJ可以在体内以L－酪氨酸为底物合成左旋多巴，进一步在多巴脱羧酶的作用下转化为多巴胺，从而缓解帕金森病症状。

2.3 益生菌在畜牧业中的应用

在畜牧业中，益生菌主要用于畜禽饲料的发酵、饲料添加剂及抗生素的替代。一方面，作为饲料添加剂喂食给畜禽，用于畜禽肠道微环境的调节，改善其生长性能及增强免疫力，并提高肉的品质；另一方面，对畜禽饲料进行发酵处理，不仅可减少原料中的抗营养因子，还可以产生可溶性多肽和有益代谢产物等，提高饲料的营养水平和吸收利用率，促进动物的生长发育［55－56］。例如，在禽类养殖中广泛应用的枯草芽胞杆菌，常作为微生态制剂直接添加到饲料中，以调节动物肠道菌群、促进营养吸收和提高免疫能力等［57］。郑有秀等［58］指出，断奶仔猪在喂食添加了丁酸梭菌的饲料之后，其肠道结构得到改善，腹泻率降低，并增强了机体的免疫能力。吴建忠等［59］研究乳酸芽孢杆菌制剂对齐卡肉兔的促生长作用，表明其具有促生长作用，提高了饲料的转化能力，并增强了实验动物的抗病力。刘长忠等［60］利用复合益生菌发酵棉仁粕后发现，棉仁粕的品质得到了提高，同时提高了粗蛋白、粗纤维、赖氨酸、蛋氨酸的含量，还改善了饲料的适口性。王伦学等［61］研究发现，妊娠母猪日粮中添加益生菌可提高母猪的采食量，改善母猪便秘及健康状况，并可在一定程度上提高母猪繁殖性能。然而，在抗生素替代上，除了用益生菌代替药物来改善动物肠道环境、抑制有害菌的生长，还用于微生物感染炎症疾病的治疗，减少抗生素使用带来的环境污染及健康问题。芽孢杆菌可产生大量有机酸而降低肠道pH，抑制有害菌的生长，同时减少养殖业对环境的污染，促进畜牧健康发展［62］；王庆等［63］发现，益生菌可提高泌乳母牛的产奶量及奶的质量，对预防和治疗奶牛乳房炎有一定的作用。

2.4 益生菌在水产养殖业中的应用

益生菌在水产养殖中能够起到预防疾病、促进生长、净化水质及提高免疫的作用，并且无抗性，安全且环保，常用来替代抗生素，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。在抑制有害微生物方面，益生菌进入新环境后能够适应较恶劣的环境并迅速繁殖，成为优势菌群，进而对环境中有害菌群的生长起到抑制作用［64］。益生菌进入水产动物肠道后能与病原菌竞争附着位点，大量生长繁殖，从而抑制病原菌的生长，使肠道微生态保持平衡；另外，益生菌复合制剂在促进水产养殖健康发展方面具有多方面的优势，可以促进蛋白质、矿物质等营养物质的代谢，提高水产动物的生长能力并增强其免疫能力［65］。刘龙镇等［66］在研究复合微生态制剂对凡纳滨对虾生长、非特异性免疫及抗病力的影响时发现，在饲料中添加枯草芽孢杆菌可改善凡纳滨对虾生长性能以及抗氧化、抗病能力。在净化水质方面，益生菌能够通过硝化、反硝化、氧化、硫化、解硫、氨化和固氮等作用，迅速降低水中亚硝氮、H2S、氨氮和CO等有害物质，还能降解残余饵料、水产动物排泄物和残骸等大分子有机物，进而改善养殖水体环境［67－68］。在提高水产动物免疫力方面，进入动物肠道内的益生菌可与机体免疫系统相互作用，激活水产动物的免疫系统，提高吞噬细胞和淋巴细胞的活性，增强水产动物的抗病能力及免疫力，达到预防和抵抗疾病的效果［69－70］。

2.5 益生菌在农业种植中的应用

在种植业中可利用益生菌原液来制作堆肥，益生菌在发酵过程中不仅能迅速繁殖，还能产生多种有益代谢产物，从而促进作物生长发育，提高其抗寒、抗旱及抗病能力，预防病虫害的发生；而在农产品成熟期，用益生菌液喷洒花卉、果实、叶片等部位，可延长花卉开花时间和农产品的保鲜储藏期［71］。

3 益生菌的应用前景和挑战

随着研究的不断深入和发展，益生菌的应用领域不断扩大，但在实际应用当中还存在着菌种稳定性差、在消化道难定殖以及发挥某种功效的作用机制尚不清楚等问题。例如：活菌制剂在饲料加工、运输和贮存过程中易失活，其存活率得不到保证，导致生物活性降低，影响产品的质量；大多进入动物消化道的益生菌又受到胃酸和胆盐等的影响，使得最终能到达肠道并定殖发挥作用的活菌数量不足，益生效果不显著。另外，益生菌在发挥作用的同时也存在一定的毒性问题，大多数乳酸杆菌和双歧杆菌在代谢过程中产生多种细菌素，这些细菌素除能抑制或杀死肠道内腐生菌和病原菌外，还作用于肠道内其他有利于维持机体正常生理功能的微生物。

目前，不少益生菌类产品的标志不明确，消费者越来越关注产品相关信息的同时却对益生菌的认识度不够，可见益生菌相关产品信息的公开化并以合适的方式向消费者宣传产品功效成为未来发展的趋势。生物技术和生物标记等技术的发展也为人们不断探索益生菌提供了新的工具和科学、合理的方法，有望增强其应用效果和拓宽应用范围。将来，有望在菌种筛选、加工和贮存等方面有所改进和突破，利用益生菌自身独特的优势在人类健康、畜牧生产、水产养殖和农业种植中发挥巨大的作用。