乳酸菌合生元的研究进展

徐家菊，刘丽娜，杜仁鹏，赵 丹,3,

（1.黑龙江大学，农业微生物技术教育部工程研究中心，黑龙江哈尔滨 150500；2.黑龙江大学生命科学学院，黑龙江省普通高校微生物重点实验室，黑龙江哈尔滨 150080；3.广西民族大学海洋与生物技术学院，广西多糖材料与改性重点实验室，广西南宁 530008）

合生元（synbiotics）又被称为合生素，由Gibson G R在1995年首次提出[1]，将其定义为“对宿主产生有益影响的益生菌和益生元混合物”。随着对肠道菌群和相关干预方法的不断研究，合生元的概念也发生了相应的变化。2019年5月，国际益生菌和益生元科学协会对合生元进行重新定义，即由活微生物和能被宿主微生物选择性利用的底物组成，能够为宿主健康带来益处[2]。合生元通过促进益生菌在宿主肠道内定殖增殖，同时发挥益生菌的生理活性和益生元的促生长作用，更有利于宿主健康。

随着合生元的发现，越来越多的研究者将研究集中在合生元的功效上，包括维持肠道微生物菌群平衡，改善肝硬化患者肝功能，提高免疫调节能力以及在手术后和类似的干预措施中预防细菌移位，降低感染发生等研究[3]。以合生元为主题，利用Web of Science Core Collection数据库平台进行搜索发现，SCI数量逐年上升，在2019和2020年分别发表SCI论文207和233篇，合生元正逐渐成为微生物、食品科学、营养学等领域的研究热点（图1）。本文根据当前合生元的研究现状及重点，从发展及分类，乳酸菌合生元中的益生菌和益生元组分以及功能方面进行综述，为后续关于乳酸菌合生元的研究提供借鉴。

图1 2010～2020年以合生元为主题的SCI论文数量Fig.1 Number of SCI papers with the theme of synbiotics during 2010～2020

1 合生元的分类

1.1 益生菌、益生元与合生元

1974年Parker首次将有助于调控肠道微生物结构平衡的微生物定义为益生菌（probiotic）[4]。益生菌具有提高机体免疫力、控制和降低血清胆固醇、维持肠道菌群平衡和抗肿瘤抗癌等功效，改善人体健康[5]。1995年，Gibson和Roberfroid提出益生元（prebiotic）概念，即有选择性地刺激益生菌的生长或激活代谢，进而对宿主健康产生有益影响的非消化性膳食组分[1]，具有预防和治疗疾病，维持机体健康等功能[6]。合生元是由具有速效性的益生菌和慢效性的益生元结合而成的微生物制剂，益生元被水解为单糖或双糖，用作促进益生菌的定殖和增殖，为宿主生长带来益处。Kolida和Gibson发现合生元可以增强其效果的两种方法，即互补型合生元（Complementary synbiotic）和协同型合生元（Synergistic synbiotic）[7]，二者的作用机制如图2所示。

图2 互补型合生元与协同型合生元的作用机制[2]Fig.2 Mechanism of action of complementary and synergistic synbiotics[2]

1.2 互补型合生元

互补型合生元是指具有独立益生作用的益生菌和益生元结合之后，它们独立工作展现出一种或多种益生功效。互补型合生元的益生菌和益生元成分必须满足最低规定[8]，例如规定的含量、保质期结束时适当的活菌计数以及对健康有益的适当证据。研究发现，大部分用于临床试验或商业化的合生元均为互补型合生元[9]，Oh等[10]研究发现，格氏乳杆菌（Lactobacillus gasseri）和一种新型益生元-三尖杉叶提取物组合而成的合生元制剂能有效减轻小鼠肠道损伤引发的炎症和癌变，有助于恢复肠道菌群平衡，但是益生元对L. gasseri无选择性刺激作用。Sunu等[11]研究表明，大蒜作为益生元可以抑制鸡消化道中有害微生物的生长，嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）作为益生菌广泛用于肉鸡养殖，在日粮中添加L.acidophilus-大蒜合生元可增加肉鸡的重量、提高免疫力和鸡肉的抗氧化性。互补型合生元中的益生菌组分并不会优先利用益生元组分，在肠道微生态环境中没有生存优势，因此可能会因数量不足而限制其益生功能的发挥[12]。虽然肠道中有多种能够利用益生元组分的土著微生物，但体内复杂非生物因素的影响，使得益生元对目标菌群的调节效果也常常低于预期[13]。

1.3 协同型合生元

益生元主要包括不同来源、聚合度、结构和组分的糖类物质，而益生菌糖类代谢的范围和能力各不相同。Mclaughlin等考察了双歧杆菌属（Bifidobacterium）和乳杆菌属（Lactobacillus）中32株细菌在20种糖类底物中的生长情况，前者底物范围更广；在属间、种间及株间，均展现出糖类代谢种类及能力的差异[14]。鉴于益生菌糖类代谢的差异性，Cencic和Chingwaru在2010年提出理性设计的协同型合生元，将益生菌与其能够特异性代谢的益生元组合在一起，并把益生元对益生菌的选择性刺激称为协同效应。与互补型合生元相比，理性设计的协同型合生元不需要满足对益生菌和益生元的最低规定[8]，且益生菌能够特异性代谢益生元，益生元也能选择性刺激益生菌生长。益生元能够保护益生菌抵御胃酸和胆盐，使其在通过肠道过程中维持较高的存活率[15]；益生菌能够利用益生元这一专属碳源原位生长，在与肠道土著微生物的营养竞争中占据优势[16]，但在体内很少观察到益生元之间的协同作用。协同型合生元可以显著促进其他益生菌生成短链脂肪酸，其体外益生效果已被证实。Moens等[17]采用共培养方法证明L.acidophilus-菊粉合生元经过糖类共享促进粪厌氧棒杆菌（Anaerostipes caccae）生成丁酸。L. acidophilus降解菊粉释放果糖并将其转化为乳酸和乙酸；没有菊粉降解能力的A. caccae在乙酸存在条件下，将乳酸转化为丁酸。Morshedi等[18]研究发现，植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）以菊粉为益生元，能提高德氏乳杆菌（Lactobacillus delbrueckii）、L. acidophilus的数量，减少梭状芽孢杆菌（Clostridium）的数量，改善糖尿病大鼠肠道微生物区系和氧化应激状态，显著增强大鼠的认知功能，与单纯使用菊粉或L. plantarum相比效果更加明显，证明L. plantarum和菊粉的同时摄入具有协同效应。截止到目前，研究中所使用的大多数协同型合生元都不是理性设计的，使得益生菌组分不能有效利用各自的益生元，因此益生菌和益生元的理性组合并具有协同作用的研究尤为重要[19]。

2 乳酸菌合生元中的常用益生元组分

合生元在肠道中发挥作用，肠道中最重要的益生菌成员是乳酸菌（Lactic acid bacteria，LAB），因此，LAB是合生元中最广泛使用的益生菌组分。LAB是一类厌氧或兼性厌氧的革兰氏阳性细菌[20]，至少包含18个属，共200多种，具有丰富的物种多样性，绝大部分是人体内必不可少的、且具有重要生理功能的菌群，广泛分布在自然界和动物体肠道内[21]。在医疗领域中，LAB常被用来预防传染病，治疗过敏、乳糖不耐症、腹泻、胃溃疡等疾病；还可以起到调节肠道菌群平衡，提高免疫调节，促进人体健康的作用；在食品领域中，LAB可以用于食品防腐、抑菌、改善食品风味等[22]。LAB通过同型发酵和异型发酵，将碳水化合物分解产生乳酸、乙酸、乙醇等代谢产物。Tester等[23]发现，将葡甘聚糖水解物（Glucomannan hydrolysate，GMH）作为益生元与LAB一起食用可以促进有益细菌的生长和抑制病原体，从而改善口腔状态，作为理想的功能性食品，可以将该合生元应用于口腔保健，改善人体健康。Anzawa等[24]研究发现，摄入含有动物双歧杆菌亚种（Bifidobacterium animalissubsp.lactis）GCL2505和菊粉的合生元饮料能有效增加人体肠道中Bifidobacterium的数量，从而调控人体肠道群菌丰度，保持机体健康。

2.1 乳杆菌属

Lactobacillus为肠道菌群中重要的益生菌，一般为杆状、耐酸的革兰氏阳性菌[25]，通过产生短链脂肪酸，阻断病原菌对肠道吸附或参与免疫应答等方式改善生物体健康[26]。常用于益生菌组分的Lactobacillus包括乳酸片球菌（Pediococcus acidilactici）、L. plantarum、L. acidophilus和德氏乳杆菌（Lactobacillus delbrueckii）等。Boonanuntanasarn等[27]在虾养殖过程中分别饲喂普通日粮、含β-葡聚糖0.5 g/kg日粮、β-葡聚糖0.5 g/kg+枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）5×107CFU/kg日粮和β-葡聚糖0.5 g/kg+L. acidophilus5×107CFU/kg日粮。研究发现，在45和90 d时，添加β-葡聚糖与L. acidophilus制成的合生元制剂增加了肠道近端和远端的绒毛高度，可以显著改善虾的肠道微生物区系，提高虾的蛋白质含量，促进其更好的生长。Khezri等[28]研究发现，L. delbrueckii发酵的无花果汁在贮藏72 h后，益生菌活力显著下降，但合生元处理的果汁益生菌活力下降不明显，随着发酵时间的增加，多酚含量逐渐增加且抗氧化活性也逐渐增强。冷藏4周后，益生菌果汁中活菌数达到了6.59 lg CFU/mL，而合生元果汁中活菌数达到了7.49 lg CFU/mL，因此在无花果果汁中添加L. delbrueckii和菊粉能够在提高其营养价值的同时，增强无花果果汁的抗氧化能力，延长储存期限。

2.2 双歧杆菌属

Bifidobacterium是一类无孢子形成，厌氧生长，不运动，过氧化氢酶阴性细菌，具有抗过敏、抗氧化、提高机体免疫力等作用[29−30]。常见用于益生菌组分的Bifidobacterium包括长双歧杆菌（Bifidobacterium longum），短双歧杆菌（Bifidobacterium breve）和婴儿双歧杆菌（Bifidobacterium infantis）等。Jena等[31]在小鼠断奶3周后立即给予含有21.2%脂肪、34%蔗糖和0.2%胆固醇的高脂饮食。当小鼠3个月时，给予B. infantis（109CFU/只，口服，每周一次）、人乳低聚糖或B. infantis和人乳低聚糖的组合，直到它们10个月大，结果表明B. infantis能够消耗人乳低聚糖，增加单链脂肪酸含量，降低硫化氢和甲烷含量，保护肠道通透性，展现抗炎功效。Sheng等[32]分别利用B. infantis、低聚木糖和二者制成的合生元制剂对结肠炎小鼠进行超过21 d的灌胃给药，发现利用合生元治疗的小鼠结肠上皮不易被破坏，炎症发生率降低。

2.3 链球菌属

链球菌属（Streptococcus）为球状或卵圆状，成对或成链排列，不形成孢子，能够发酵碳水化合物产生乳酸。用于益生菌组分的Streptococcus以嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）最为常见。Ringel-Kulka等[33]对12～48个月大的健康儿童进行了研究，口服添加益生菌S. thermophilus和保加利亚乳杆菌（Lactobacillus bulgaricus）各108CFU/g，B. animalissubspecieslactis5×109CFU/100 mL和1 g菊粉作为益生元的合生元酸奶，每日1次，共16周，发现该合生元酸奶可以显著减少儿童的发烧次数，出现腹泻、哮喘、流鼻涕、咳嗽等症状的概率也明显降低，有助于儿童身体健康。

2.4 明串珠菌属

明串珠菌属（Leuconostoc）呈球形，成对或链状排列的兼性厌氧菌[34]。常用于益生菌组分的Leuconostoc包括肠膜明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）和噬柠檬酸明串珠菌（Leuconostoc citrovorum）等。Waghmode等[35]研究发现，单独加入亚麻籽的巧克力和以L. mesenteroides和亚麻籽制成的合生元巧克力利用DPPH法测得的抗氧化活性分别为69和90 U/mL，利用FRAP法测得的抗氧化活性分别为150和200 trolox/mL，发现该合生元巧克力可以调控人体肠道微生物菌群，具有较高的抗氧化活性和营养价值。Bo-Ra等[36]以109CFU/d泡菜明串珠菌（Leuconostoc kimchii）和109CFU/dL. sakei作为益生菌与3%阿卢糖联合应用于肥胖小鼠，可以改善饮食诱导的肥胖及其并发症产生的有害影响，降低肥胖率，降低血脂以及肝脂水平，减少肝脏炎症的产生。

2.5 片球菌属

片球菌属（Pediococcus）为兼性厌氧、化能异氧型，不运动细菌。P. acidilactici利用碳水化合物，通过EMP途径发酵葡萄糖产生乳酸。常见用于益生菌组分的Pediococcus有P. acidilactici和戊糖片球菌（Pediococcus pentosaceus）。Azimirad等[37]研究发现，给神仙鱼分别饲喂普通的卤虫、富含P. acidilactici的卤虫、富含低聚果糖的卤虫和富含P. acidilactici-低聚果糖合生元的卤虫，每次20条，共饲养7周，结果表明加入合生元对神仙鱼的皮肤粘液免疫反应有较强的正向调节作用，皮肤粘液中的溶菌酶活性、总免疫球蛋白和蛋白酶等免疫参数均显著升高，很大程度上保护鱼类不受病原体侵袭。Hoseinifara等[38]分别给鲤鱼幼鱼饲喂添加6×108CFU/gP.acidilactici、2 g/kg棉子糖和添加该合生元组合的日粮，发现在饲料中添加P. acidilactici和棉子糖制成的合生元制剂可提高鲤鱼幼鱼的生长性能，显著提高皮肤溶菌酶基因的表达，增强免疫能力。

3 乳酸菌合生元中的常用益生元组分

3.1 葡聚糖

葡聚糖分为α-葡聚糖（α-glucan）和β-葡聚糖（βglucan），具有强抗氧化性，作为膳食纤维可以防止胆固醇的吸收，促进排泄，并在肠道中产生短链脂肪酸[39]。用于益生元组分的葡聚糖大多数为β-葡聚糖，饮食中的β-葡聚糖还通过β-葡聚糖受体激活粘膜免疫系统的细胞，从而发挥免疫刺激和抗肿瘤作用[40]。Tian等[41]在实验中分别饲喂小鼠正常高脂饲料，添加含1010CFU/kgL. plantarums58的高脂饲料，添加1010CFU/kgL. plantarums58和500 mg/kg大麦β-葡聚糖的高脂饲料，连续十二周，发现该合生元具有协同效应，能调节小鼠肠道菌群，促进脂质代谢相关激素的释放，加速脂解和脂肪酸氧化，显著减少肥胖小鼠体内的脂质积累。Jeong等[42]分别以含1%糊精、1%花椰菜菇提取物、1%花椰菜菇提取物和0.1%发酵乳杆菌（Lactobacillus fermentum）的高脂饲料喂养去卵巢大鼠8周。发现大鼠长期食用从花椰菜菇中提取的β-葡聚糖与L. fermentum制成的合生元制剂，能有效改善肠道微生物菌群丰度，预防缺乏雌激素的大鼠出现绝经症状，推迟绝经期。

3.2 果聚糖

果聚糖是由果糖聚合而成的多糖总称，具有与普通食用糖截然不同的消化过程和新陈代谢方式，从而使其具有多种生理功能。果聚糖经口腔进入人体消化系统后，不能被各类消化酶分解，也不能被胃、小肠吸收。在大肠内果聚糖可被Bifidobacterium、Lactobacillus等有益菌选择性地利用，提高益生菌的繁殖速度。常用于益生元组分的果聚糖大多数为低聚果糖和菊粉型果聚糖。Yen等[43]通过控制10名受试者的饮食，连续4周每天服用果糖糖浆3 mL或低聚果糖。在每个周期收集粪便以确定微生物区系和粪便重量，并采集空腹血，发现补充低聚果糖可增加Bifidobacterium的数量，改善肠道微生物菌群丰度，降低胆固醇含量。Panigrahi等[44]选择胎龄>35周，出生体重>1800 g的健康新生儿在出生后1～3 d内分别口服合生元制剂L. plantarum1010CFU/kg和低聚果糖150 mg溶于2 mL的5%葡萄糖生理盐水或2 mL的5%葡萄糖生理盐水，发现在生命早期使用低聚果糖和L. plantarum制成的合生元制剂进行干预，可以有效调控婴儿肠道菌群健康。

3.3 菊粉

菊粉（Inulin）属于菊科植物的一种天然储藏多糖，广泛存在于各种植物中。作为一种益生元膳食纤维，菊粉能够作为碳水化合物基脂肪替代品，在增加粘度、形成凝胶、改善质地和增加保水能力方面表现出优异性能，在各种食品配方中具有良好的应用潜力[45]。菊粉能刺激肠道中Bifidobacterium等益生菌的生长，“战胜”潜在的有害生物，有益宿主健康。Jafarpour等[46]将24只雄性大鼠随机分为单纯加镉组、镉+L. plantarum109CFU/d+菊粉（饲料的5%）组、镉+凝结芽胞杆菌（Bacillus coagulans）109孢子/d+菊粉（饲料的5%）组、镉+B. coagulans109孢子/d+L.plantarum109CFU/d+菊粉（饲料的5%）组，染镉组大鼠灌胃给予氯化镉200 μg/d，实验持续42 d，发现由L. plantarum和B. coagulans和菊粉制成的合生元饲料能较显著地降低急性镉中毒的大鼠体内镉的含量，预防肝肾损伤，恢复抗氧化酶活性，对急性镉中毒大鼠起到保护作用。

3.4 其他益生元

除了上述叙述的益生元，还有很多物质包括甘露聚糖、水苏糖、木聚糖、低聚半乳糖等，都可以作为益生元，其中甘露聚糖是一类在自然界中储量非常丰富的半纤维素多糖，仅次于木聚糖[47]。Kapil等[48]研究发现，在鸡的日粮中添加0.2%甘露低聚糖和L.acidophilus107CFU/g制成的合生元可将肝脏脂肪生成相关基因的表达下调，脂肪分解基因的表达上调，从而减少脂肪含量，降低了胴体脂肪含量，有降胆固醇、改善血脂异常的作用。Shu等[49]研究表明，当添加L. acidophilus、L. bulgaricus和水苏糖的比例为1:2:1，水苏糖0.4%时，乳酸菌数达到最高，为3.00×107CFU/mL；添加干酪乳杆菌（Lactobacillus casei）、L. bulgaricus和水苏糖的比例为1:2:1，水苏糖0.8%时，乳酸菌数达最高，为2.53×108CFU/mL，两种合生元的加入均能提高山羊奶酸奶中S. thermophilus和保加利亚乳杆菌（Lactobacillus bulgaricus）的活力和活菌数，显著提高了山羊酸奶的质量和保健功能。

4 乳酸菌合生元的应用

4.1 调节肠道菌群结构

人体胃肠道中含有各种细菌，可能对宿主的健康有正面或负面的影响。程秀芳等[50]以S. thermophilus、L. acidophilus和低聚木糖制成合生元，明显提高了大鼠肠道Lactobacillus活菌数，而肠杆菌（Enterobacterium）和肠球菌（Enterococcus）没有明显增高。此外，S. thermophilus和L. acidophilus能够抑制致病性大肠埃希氏菌（Escherichia coli）和致病性金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）生长，有效减少由于细菌感染导致的胃肠道功能紊乱和腹泻。Dinoto等[51]研究发现，利用棉子糖与B. breveJCM 1192T制成的合生元制剂可以显著改善大鼠盲肠微生态环境，有助于改善肠道功能紊乱，效果比益生菌与益生元的单独作用更加显著。

4.2 提高机体免疫水平

乳酸菌合生元除了可以提高人体免疫水平，预防疾病，还可以用于多种陆生生物和水产生物的大规模养殖，在养殖过程中大大降低死亡率。Huynh等[52]发现，在凡纳滨对虾的饲料中添加低聚半乳糖或低聚半乳糖和L. plantarum制成的合生元，结果表明添加益生元组分组比单一添加益生元组相比，凡纳滨对虾的免疫应答、免疫相关基因的表达和抗病能力增强，死亡率降低。Sewaka等[53]研究发现，在鱼饲料中添加由菊粉和鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus）组合而成的合生元可以显著增加溶菌酶活性，能够增强红罗非鱼的先天性自身免疫反应，较食用单一益生菌饲料的鱼相比，其存活率显著提高。因此可以看出，乳酸菌合生元较单一的益生菌或益生元相比，可以显著提高了机体免疫水平以及存活率。

4.3 抗癌抗肿瘤

LAB和某些益生元结合制成的合生元能够抑制致癌物诱导的大鼠结肠DNA损伤，并且益生菌和益生元都可有效控制大鼠结肠癌前病变和肿瘤的发生。由欧洲共同体支持的SYNCAN项目整合了一项长期大鼠致癌实验模型和当前的人类饮食干预研究，发现富含低聚果糖的菊粉SYN1和益生菌乳酸双歧杆菌（Bifidobacterium lactis）Bb12和L. rhamnosus制成的合生元制剂可以有效抑制肿瘤活性，降低结肠癌风险，而单独使用益生菌效果显著低于合生元组，单独使用益生元并没有此效果[54]。因此可以此种合生元展现出协同效应，是协同型合生元的典型代表。

4.4 抗术后感染

由于外科技术和术前术后管理的改进，转移性肝癌的肝切除术可以降低死亡率。然而，肝切除术后脓毒症并发症仍然是一个主要问题[55]。Rayes等[56]研究表明，早期肠内营养即经胃肠道提供人体代谢需要的营养物质和其他各种营养素的一种营养支持方式，加入以B. breve、L. casei和低聚半乳糖制成的合生元，可以显著降低高危肝切除术后感染并发症的发生率，接受标准肠内营养的患者脓毒症发生率为48%，而接受LAB合生元肠内营养患者的脓毒症发生率仅为13%。Rayes等[57]研究发现，对于肝脏移植手术，早期肠内营养添加L. plantarum和菊粉制成的合生元制剂，能有效降低由肠源性细菌引起术后感染的概率。乳酸菌合生元的合理应用有望在更多的手术中降低其术后感染率，广泛应用于医学领域。

5 展望

随着微生态学的不断发展，针对人们追求绿色饮食，渴望健康长寿的现状，合生元因其具有作为功能性食品配料的巨大潜力应运而生。合生元同时发挥益生菌和益生元的双重作用，其作用效果远大于二者单独作用效果的累加。LAB是最普遍使用的合生元中益生菌组分，LAB合生元除了能够调节人体菌群结构，提高机体免疫力，抗癌抗肿瘤和抗术后感染外，还能降低血脂和胆固醇，能有效预防脑出血这类致死率极大的疾病，在未来医学领域有着极大的应用前景。但是临床上有效的合生元组合的开发和合理化协同性合生元的设计仍然是十分具有挑战性的问题，需要预期确定每个组分的最小有效剂量，选择合适的同步试验做对照等，存在着极大的困难，有待人们的进一步研究。