益生菌这一概念出现在 19世纪,诺贝尔奖得主 Elie Metchnikoff认为,保加利亚农夫长寿、健康的生活是因为长期饮用发酵奶制品,确信酸奶中含有保护肠道不被有害菌破坏的微生物。后来微生物学家从健康人体分离鉴定出与患者不同的胃肠道菌群,这些在胃肠道发现并对人体有益的菌群称为益生菌。益生菌字面上的意思是“有益于生命”,具有促进人、动物健康的微生物。20世纪 30年代,科学家完成了益生菌对便秘作用的第一个临床试验。50年代,美国农业部批准益生菌产品用作猪腹泻的药物。整个 20世纪,不同的益生菌的功能用于预防和治疗疾病。尤其在过去的 20年中,益生菌在保健和治疗方面有着不断更新的重要性,这使益生菌工业得到繁荣发展 。
1 益生菌的营养作用及生物活性
益生菌在消化道中能改善饮食营养物质的数量、有效性和消化性。益生菌发酵增加了酸奶、双歧杆菌奶、奶酒中的叶酸、烟酸和核黄素水平,还释放了各种酶和维生素进入肠腔,这发挥了消化中的合成作用、减轻了肠道吸收不良的症状。细菌酶的水解作用提高了蛋白质和脂肪的生物活性、增加自由氨基酸和短链脂肪酸（SCFA）的生成。吸收的 SCFA既是宿主的可用能量池,还能保护病原菌破坏的结肠黏膜,而且适宜的 SCFA浓度还能维持结肠内合适的 pH值,有利于许多细菌酶的表达和外来化合物、致癌物的代谢。益生菌还能产生乳酸、丙酸、正丁酸,降低肠内 pH值来抑制如沙门氏菌、大肠杆菌等入侵的病原菌。另外,有的益生菌还能产生细菌素等抗菌物来抑制病原菌。
2 益生菌的保健、治疗作用及其作用机理
除了营养物的合成,无论在发酵食品的制剂时期还是在消化道中的益生菌也都能改善一些饮食营养的消化性。同时益生菌及其发酵食品也能给予消费者各种重要的保健、治疗益处,具有治疗和有治疗潜能的临床症状包括腹泻、肠胃炎、肠易激综合征、炎症性肠炎病、癌症、免疫功能低下、乳糖不耐受、婴儿过敏性疾病、高血脂症、肝病、幽门螺旋杆菌感染等。
2. 1 对肠道疾病的作用 许多对人的研究显示,益生菌能降低胃肠道疾病的发病率、发病期和发病程度。益生菌最常见的用途就是对腹泻疾病的预防和急性病毒及细菌性腹泻的治疗,对抗生素相关性腹泻的控制也有其重要的潜在益处。许多特异的菌株,如 Lactobacillus GG、Lactobacillus reu-teri、Saccharomyces boulardii、Bifidobacteria spp.等已经显示对腹泻、旅行腹泻、轮状病毒引起的儿童腹泻有很好的疗效。
益生菌能通过作用于免疫系统来预防或改善腹泻,通过与粘附于上皮细胞上的病毒、细菌竞争来预防感染。体外研究证实,益生菌制剂抑制病原微生物粘附肠道上皮细胞,抑制作用是通过增加肠道黏液素 MUC2、MUC3的表达为媒介的 。细菌上皮细胞粘附是多步骤的,首先是细菌与上皮细胞层的作用。益生菌通过加强肠内黏液素的产生来阻止肠道病原菌的附着,附着能被抑制是空间障碍或者黏液素模仿上皮细胞的细菌结合位点而产生的竞争抑制 。
另外,益生菌还显现对肠道的炎症和功能性疾病有直接作用。如对于肠易激综合征这一肠道最常见功能性疾病,Lactobacillus plantarum299v和 DSM9843在临床显现明显地减轻腹部疼痛、肠胃气胀、便秘等症状,而 S. boulardii只减轻腹泻,但对其他症状没有减轻作用 。
2. 2 通过免疫系统的有益作用 益生菌添加有直接和间接作用,益生菌表现出对胃肠道局部的直接作用,包括肠道菌群的调节和产生维生素。还有对胃肠道之外一些点的间接作用,包括关节、肺和皮肤。间接作用很可能通过改变炎症介导素如炎症因子来作用于免疫系统引起的炎症。炎症反应、关节炎、过敏及湿疹等症的调控可能与胃肠道局部的免疫系统的调节相关。
2. 2. 1 对关节炎的作用。益生菌能调节风湿性关节炎的炎症,当发病时胃肠道变得有通透性的,提供一个联系胃肠道的炎症疾病和非炎症疾病,而食用益生菌能导致免疫系统的调控或向下和后来胃肠道通透性的减低。将 30个慢性幼年关节炎病人分成两组,分别服用 Lactobacillus GG和两周期的牛初乳。检测血液和粪便的免疫和非免疫防卫,观察不同病人的肠腔防卫机制对疾病干扰的情况,显示出口服 Lactoba-cillus GG具有加强黏膜的屏障机制。
2. 2. 2 对过敏症和湿疹的作用。益生菌能改善黏膜屏障功能和调节免疫系统,对于下调具遗传湿疹病人的超过敏反应和食物过敏的炎症是十分重要的。Lactobacillus rhamnosus GG对围产儿的治疗降低了半岁时危险期婴儿湿疹并发症。定植新生儿“贫瘠”的胃肠道的起始细菌建立了的小生境对免疫调节和遗传过敏症的初步发展具有持续的作用。益生菌能加强肠腔内在的屏障机制和减轻肠道炎症,提供一个处理食品敏感性的有用方法 。
益生菌对于减轻一些食品（如奶制品的蛋白质）引起的过敏症状有明显的效果。可能是通过降解蛋白质成小分子的肽和氨基酸,给婴儿饮食中添加水解乳清配方奶粉来减轻湿疹皮炎的症状。益生菌还被发现对遗传性湿疹的孩子有上调抗炎的炎症因子,如白细胞介素210。这既是一个对健康课题的免疫刺激作用,也是一个对敏感病人的免疫炎症反应的下调作用。相似地,在动物模式中,益生菌通过提高大分子的断裂来加强抗原黏膜退化 。
2. 2. 3 对 HIV感染者的作用。HIV感染的孩子经常经历细菌过度生长引起的腹泻、吸收不良等症状。服用 L. plantarum 299v能使免疫力低下者的免疫应答积极作用,改善感染者的生长发育。当更多的益生菌一起食用时,免疫应答则进一步加强,尤其乳杆菌与双歧杆菌合用效果更明显。动物模型和人体试验证明了益生菌能加强特异和非特异的免疫应答,这些作用被认为是通过细胞活性和免疫球蛋白的增加来起作用。如在免疫缺陷鼠模式,Lactobacillus sp. 和 Bifidobacteria减少了白色念珠菌的全身扩散。另外,服用 Lactobacillus GG的一个对照试验发现,纤维囊肿的孩子会减轻肺炎的症状。但是由于对人免疫功能的研究非常有限,因此很难推断免疫功能的研究来解释对人健康的作用 。
2. 3 对癌症的预防和治疗作用 许多体外、体内试验表明,益生菌存在对癌症的预防和治疗作用。如最近研究发现,与标准 酸 奶 比 较, 益 生 菌 酸 奶（包 括 L. acidophilus145、B. longum913）干涉可很明显地降低排泄物的遗传毒性 ;L. bulgaricus发酵奶显现对 4NQO（典型的诱导有机体突变的物质）抗诱变剂活性,初步证据显示,益生菌能通过抵消诱导有机体突变的物质和遗传毒性的作用来减少患癌;L. acidophilus的超级菌株 DDS1产生非常强的抗肿瘤活性。依一定剂量添加 L. acidophilus菌株的大鼠饲养能充分地抑制结肠癌细胞的总数;Lactobacillus GG减少人工结肠癌诱导的动物肿瘤发生率和癌细胞数;L. acidophilus、L. casei和 L.helveticus的提取物用于治疗鼠恶性肿瘤时,出现抗癌活性;B. longum也具有抑制大鼠的结肠、肝、小肠、乳腺的肿瘤发生率和癌细胞数 。
益生菌培养物能降低化学致癌物的接触主要是通过:解毒吸收的致癌化合物;改变肠道环境来减低产生致癌化合物的细菌数量和代谢活性;产生代谢产物（如丁酸）来加速将死细胞的凋亡速度;产生抑制肿瘤细胞的生长;或者激活免疫系统来较好地防御癌细胞的增殖。另一个可能的解释,益生菌对致癌物质的预防作用是它们对肠内其他细菌的作用。益生菌可能抑制转化前致癌物成致癌物的细菌生长,因此减少了肠内致癌物的数量。转化前致癌物成致癌物的酶活性常作为益生菌对肠道菌群作用的指示剂,试验结果显示,食用 L. casei可延缓膀胱肿瘤的复发,但是这一发现尚待确认。一个乳杆菌预防或延缓肿瘤发展的假设是它们可能与肠道中的诱导突变物质结合,因而减少了诱导突变物质的吸收。
2. 4 对血胆固醇、血脂、高血压的控制作用 我们知道,饮食中的胆固醇对血胆固醇影响较大,总血胆固醇或其他血脂太高被认为是发展成冠心病的危险因子。有研究显示,益生菌或其发酵产品能降人体胆固醇和 LPL水平,对血压也有很好的控制作用。体外研究已经显示,细菌能清除培养基中的胆固醇,所以益生菌降低人胆固醇的潜能受到更多关注。乳酸菌对血清胆固醇的作用,如 L. acidophilus的降胆固醇潜能已经得到最广泛的研究。一些人体研究显示,高血胆固醇人群食用含益生菌的奶制品能减少血清胆固醇,但一般时候因为一些作用很小,难于检测而使证据不是十分充分;也可能因为一些菌株具有这种作用而其他菌株没有也是可能的。有研究显示,益生菌对血脂水平也有益处;高脂膳食小鼠的研究显示,饲用低水平的 L. reuteri 7 d可减少总胆固醇和甘油三脂水平分别是 38%、40%,但增加了 LDL 20%。高血脂病人经服用 Lactobacillus sporogenes 3个月后,平均降低总胆固醇 32%、LDL胆固醇平均降低 35%。现在认为,清除培养基中胆固醇只是一个胆固醇与游离胆酸的共沉淀的结果,而胆酸由细菌的胆盐水解酶催化而成;其他体外研究提出了益生菌降胆固醇的可能机理:胆固醇结合到细菌细胞膜或壁上;细菌对胆固醇的吸收等 。
初步证据显示,在动物和人体试验中都证实益生菌的摄入具有抗高血压的作用。老年高血压患者食用 L. helveticus和 Saccharomyces cerevisiae的发酵奶后,可降低收缩、舒张压。益生菌的粉末状提取物也被证实能降低高血压患者的收缩、舒张压、心率。鉴于当前心脏病的流行,规律的食用益生菌能为心脏病人提供一个温和的预防作用 。
2. 5 对其他感染的预防和治疗作用 益生菌在其他的一些领域,也显示出积极的治疗作用。酸奶能减轻乳糖缺乏的个体的乳糖不耐受症状,可能是因为发酵奶中乳酸菌在小肠里增加了乳糖酶活性。肝性脑病（HE）是一种能威胁人生命的肝病,其精确的发病机理仍不是很清楚,但益生菌 S. ther-mophilus、Bifidobacteria、L. acidophilus、L. plantarum、L. casei、L.bulgaricus和 E. faecum等菌株通过多个作用机制来干扰其发病机制。这种治疗优于传统处置方式,能降低门脉压力来降低出血的风险 。H. pylori与胃炎、胃溃疡、胃癌有关系,体外研究显示,Lactobacillus salivarius产生的大量的乳酸将抑制H. pylori,而且有研究显示,益生菌抑制胃内 H. pylori的生长繁殖,发现产生的乳酸浓度水平越高,对 H. pylori活性的减弱作用越明显。例如 L. salivarius就既能在体外试验,也能在老鼠体内抑制 H. pylori。短乳杆菌对 H. pylori感染者的治疗结果显示,该益生菌虽不能根除感染,但尿素呼吸试验表明,胃黏膜鸟氨酸脱羧酶活性及多胺水平均明显降低,表明 H. pylori受到抑制 。
3 益生菌产品及其安全性
益生菌必须具有在食品和制剂中好的货架期,在食用时能有大量存活的细胞,以及在制剂中没有病原菌和有毒物。因而益生菌的选择标准为:对宿主有保健的作用;能经受住食品中高细胞数和保持产品整个货架期的可存活数;能穿越胃肠道;能粘附肠道上皮细胞和定植于肠道内壁;能产生病原菌的抗菌物质;能稳定肠道微生物菌群和与健康益处有关。目前已用于益生菌制剂的微生物包括乳酸菌、芽孢杆菌属、酵母菌、丝状真菌。一些最常见的益生菌产品是具有低聚果糖的 L. acidophilus、具有低聚果糖的 L. acidophilus和B. longum、具有低聚果糖的 Bifidus infantis和 L. acidophilus 。
最常用于益生菌制剂的微生物是乳酸菌,它们大多数来自健康的动物肠道,因此它们通常是安全的。但益生菌在食品中的浓度变化很大,目前也没有国际普遍接受的在酸奶和其他发酵食品中的细菌水平的统一标准;而且益生菌功效的测量方法也有许多内在的困难,但对乳糖不耐受、腹泻、大肠癌的研究显示,每天使用乳酸菌对许多可测的作用是必须的。奶制品的流行病学数据和益生菌安全性的总回顾显示，益生菌没有涉及人类疾病传染的证据,但益生菌的消费始终保留着可能导致疾病和个体可能对特异菌株有不同的反应。食品工业需要在所有新益生菌菌株加入食品之前仔细地评价它们的安全性、功效和可能存在的副作用 。
4 研究重点和应用前景
益生菌的保健、治疗作用被不断深入地研究,正在进行的基础研究将继续鉴定已有的益生菌,识别菌株的特异性作用,确定相应目的的最优剂量,评估它们在加工、消化中的稳定性。基因技术将在发展新的菌株起重要作用,基因序列的测定将增加对益生菌的机制和功能的研究。另外如基础研究、工业化研究将集中在延长菌株的货架期、通过消化道的存活率、优化附着能力和发展合适的产品、处理和包装过程确保理想的益处传递给消费者。虽然益生菌的应用存在剂量、存活率,以及工业标准的缺乏、潜在安全隐患等问题,但其保健治疗作用在临床的广泛应用具有相当可观的潜能。随着时间的推移,包含益生菌的新食品将出现在如能量吧、谷类食品、果汁、婴儿配方奶粉和干酪,也会在特异疾病的保健品中;随着动物和临床研究的进一步深入,益生菌在临床的应用领域也将不断扩展。
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