双歧杆菌属作为功能性食品的现状、挑战和策略

  ——摘要——

  双歧杆菌属是最早自然定殖于人体肠道的微生物之一，它们在结肠中的丰度和多样性与宿主的健康密切相关。最近，肠道微生物群已逐渐被证明是外部环境与宿主之间各种代谢过程的关键介质。因此，双歧杆菌属的健康促进益处及其在食品中的应用逐渐受到广泛关注。本文全面介绍双歧杆菌属的一般特征、定植方法和安全性，在人体肠道中，突出其健康益处和工业应用，讨论了现有的局限性和未来研究的方向。双歧杆菌对宿主的消化系统、免疫系统和神经系统具有有益作用，然而发挥功能的先决条件是在食用前有足够的活菌，并在摄入后能够成功地在结肠中定殖，目前，菌株育种、优化(如选择耐酸耐胆汁菌株、适应性进化、高细胞密度培养)和外部保护技术(如微囊化和保护剂)是食品应用中应对这些挑战的主要策略。

  ——主要内容——

  1 双歧杆菌

  1.1 一般特征

  革兰氏阳性菌、不产芽孢、过氧化氢酶阴性、厌氧或微需氧细菌，具有高G + C含量(55% 至 67%)，属于放线菌门。1899年首次从母乳喂养的婴儿粪便中分离出双歧杆菌，随后在哺乳动物、鸟类和群居昆虫的胃肠道以及生奶和污水中逐渐发现了更多的菌株。目前，已报道双歧杆菌属的124个类群，包括106 个物种和18个亚种。

  1.2 定殖方式

  双歧杆菌物种在宿主肠道内的定植是其益生菌功能的基础，可分为自然定植和人工补充。

  1.2.1 自然定植

  双歧杆菌在婴儿、成人和老年人肠道内定植的多样性和丰度在宿主的整个生命周期中始终处于动态过程中。在婴儿期，分娩方式 (阴道或剖宫产) 和喂养方式 (母乳喂养或配方奶喂养) 对自然定植有显著影响，且暴露于外界微生物环境，从母亲阴道、肠道、母乳、胎盘或羊水垂直传播，可使双歧杆菌在出生后数天内迅速定植，成为优势菌群，约占肠道菌群总量的80%，具有低多样性和高丰度特征。同时，母乳中用作益生元的人乳寡糖对双歧杆菌的进一步定植和适应性进化具有重要意义。然而，在开始进食后，肠道菌群的多样性增加，双歧杆菌的丰度迅速下降至30%，然后随着年龄的增长而略有下降。此外，饮食，环境和生理健康状况 (例如抗生素的使用) 也会显着影响成人和老年人双歧杆菌的定植。

  双歧杆菌在人体肠道中的自然定植和分布随宿主的生理状态而变化。

  1.2.2 人工外源性补充

  人工外源性补充是增加儿童和成人双歧杆菌定植数量的最常见方法。双歧杆菌可根据其居住来源分为两类: 人居住双歧杆菌 (HRB) 和非人居住双歧杆菌 (non-HRB)。临床评估和基因组学研究表明，HRB尤其是婴儿型HRB可能在人类肠道中比非HRB发挥更好的定植和促进健康的作用，这可能与HRB对人类宿主的适应和共同进化有关，并逐渐形成许多独特的生理特征。

  双歧杆菌菌株在人肠道中的定殖能力和相关特性可能受其居住来源的影响。

  2 双歧杆菌的健康益处

  2.1 对消化系统的影响

  2.1.1 营养代谢

  双歧杆菌具有产生多种维生素的能力，可为宿主补充B族维生素、泛酸、叶酸、生物素等。它还能合成多种消化酶(如半乳糖苷酶、葡萄糖苷酶、寡糖酶等)，促进蛋白质、脂类和碳水化合物的代谢。

  2.1.2 缓解便秘

  补充双歧杆菌能促进排便。

  2.1.3 抗腹泻

  研究报道，用含有乳酸双歧杆菌和嗜热链球菌的商业益生菌配方口服治疗可以降低婴儿抗生素相关性腹泻的频率

  2.1.4 抗微生物活性

  双歧杆菌的抗菌活性可以通过形成生物屏障、产生有机酸和分泌抗菌化合物(如细菌素)来实现。双歧杆菌细胞壁上的脂磷壁酸能与人肠上皮细胞特异性结合，成为肠内优势微生物后，增加与肠黏膜的粘附，形成上皮屏障。有机酸(如醋酸和乳酸)可以降低肠道的pH值以抑制病原菌的生长。

  2.2 对免疫系统的影响

  2.2.1 免疫调节

  双歧杆菌可以增强先天性和特异性免疫反应，其特征是激活巨噬细胞、自然杀伤 (NK) 细胞、抗原特异性细胞毒性 T 淋巴细胞，以及各种细胞因子和免疫球蛋白 (IgA) 的分泌。

  2.2.2 抗炎

  在特定的情况下，不同的菌株通过下调结肠组织中促炎性细胞因子(TNF-α、IL-1β、IL-6)和上调抗炎性细胞因子IL-10、抑制氧化应激、维持肠紧密连接蛋白和粘附连接蛋白的浓度、减少上皮细胞凋亡和部分恢复生物失调而发挥抗炎作用

  2.2.3 抗过敏

  数据表明，对母亲(分娩前1个月)和婴儿(出生后6个月)服用双歧杆菌可以降低婴儿湿疹的风险，可降低婴儿的过敏积分和血清IgE水平，改善抗炎反应和牛奶蛋白过敏的 IgG2水平。一项儿童临床试验表明，双歧杆菌混合物的摄入能够显著改善花粉引起间歇性哮喘的症状。

  2.3 对神经系统的影响

  微生物群-肠-脑轴的异常相互作用可能与各种神经系统疾病的发病机理有关，包括压力，自闭症，抑郁症，帕金森氏病和阿尔茨海默氏病。各种神经系统疾病与肠道微生物群组成之间的联系引起了人们对通过双歧杆菌预防和缓解精神疾病相关行为的兴趣。 越来越多的证据证实了摄入双歧杆菌对神经系统疾病发病机制的积极影响。

  图1双歧杆菌在消化系统、免疫系统和神经系统中的生理特性

  图 2双歧杆菌属的作用机制

  3 挑战与策略

  3.1 双歧杆菌在食品中的应用现状和改进技术

  双歧杆菌已被广泛用作乳制品、配方奶粉、饮料、糖果中的益生菌，或加工成粉末、胶囊和其他膳食补充剂配方。

  表 1市售双歧杆菌属列表、益生菌菌株和产品

  益生菌是活的微生物，产品的质量与活菌的数量密切相关。因此，确保在生产、运输、保存和消费过程中的高生存能力至关重要。为了保证益生菌在食品中的商业价值，对益生菌产品的评价不仅要基于健康益处，还要基于实际应用技术。

  图 3双歧杆菌在食品领域的应用现状和改进技术

  注：A) 菌株筛选; B) 适应性实验室进化; C) 高细胞密度培养; D) 微囊化技术; E) 干燥技术; F) 微囊化技术

  表 2双歧杆菌微胶囊化研究进展

  ——结论与展望——

  迄今为止，已有的研究证据表明，双歧杆菌在整个人类生命周期中在消化系统、免疫系统和神经系统中发挥着积极作用，并已应用于不同形式的功能性食品中。然而，双歧杆菌在加工、储存和食用过程中暴露于不利条件下，可能导致细菌活力下降甚至失活。对此，人们采用了不同的策略，如新菌株、适应性进化、大规模发酵和创新应用技术来解决这些挑战。经过对文献综述的总结，不难发现，大部分研究人员都将注意力集中在外保护技术上，尤其是微胶囊化。然而，获得食品原料官方认证的双歧杆菌菌株数量稀少，双歧杆菌菌株原料供应呈现寡头垄断格局。因此，需要更多的努力从人和食物来源中筛选出具有优异功能特性和抗逆性的菌株。另一方面，实验室中一些有效的益生菌包埋策略并不适合工业规模化生产。开发简单、经济、高效的生存保护技术对双歧杆菌的产业化应用具有重要意义。鉴于其发展现状，亟待解决活菌数低、保质期稳定性差、难以规模化扩增等主要技术问题。总之，应进一步重视上游新菌种的挖掘和开发，在下游产品中探索适合工业应用的高效外保护策略，以增强益生菌产品的稳定性，同时提高益生菌的稳定性。胃肠道条件下的存活和定植能力。上游菌种与下游产品稳定技术的有效结合，为进一步推动益生菌产业的稳健发展奠定了坚实的科学基础。

  DOI： 10.1080/10408398.2022.2054934