J. Future Foods | 益生菌定殖的研究進展

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Introduction

1908年，Elie Metchnikoff在發現保加利亞老年人的健康長壽與經常食用含有乳酸菌的乳制品有關后，正式引入了益生菌的概念。2001年，聯合國世界糧農組織（FAO）和世界衛生組織（WHO）提出了《食品益生菌評價指南》，將益生菌定義為：當攝入充足的數量時，會賦予宿主某種健康益處的活的微生物。隨著現代人們對身體健康水平重視程度的提升，益生菌因其對人體健康產生有益作用而成為熱門詞匯。

益生菌的來源包括健康人體的腸道微生物群、人乳或其他動物的乳汁、糞便等。篩選出的益生菌可以用于發酵食品或膳食補充劑等，具有改善腸道屏障、增強人體免疫力、降低膽固醇、調節血糖、抗癌、抗抑郁等促進健康的作用。益生菌發揮這些功能的先決條件是它們能夠黏附并在宿主腸道中定殖。然而，益生菌容易受到胃腸道的極端環境以及惡劣的加工和貯藏條件的影響，這都可能會損害其生存能力。目前，提高益生菌在腸道內生存能力的有效方法之一是對益生菌進行包埋。

本文綜述了益生菌腸道定殖的意義、面臨的挑戰、益生菌特性對其在腸道定殖的影響、腸道益生菌定殖的測定方法及如何提高益生菌在胃腸道中的存活能力。

益生菌在腸道定殖的意義

腸道定殖是益生菌調節腸道菌群的前提條件，潛在的胞外多糖產生能力、黏附能力、自聚集能力和對病原體的拮抗能力是評價益生菌定殖的重要參數。益生菌的定殖能力很大程度上受益生菌自身生理特性的影響。益生菌在腸道定殖能夠穩定腸道屏障、增強人體免疫力、降低膽固醇、調節血糖、抗癌、抗抑郁等。益生菌改善腸道屏障功能的方式包括：（1）抑制致病菌的黏附和生長，維持胃腸道菌群穩態；（2）促進特異性和非特異性免疫應答；（3）與宿主病原體競爭可用營養；（4）降低腸道pH值；（5）分泌細菌素、有機酸等物質，如圖1所示，益生菌及其代謝物可以激活免疫系統，對免疫細胞具有協同作用，刺激抗體和細胞因子的分泌，調節免疫功能，提高宿主免疫力。益生菌降低膽固醇的機制包括增加糞便中膽鹽的排泄和減少腸道對膽固醇的吸收。

圖1 益生菌改善腸道屏障功能的途徑

益生菌在腸道定殖前面臨的挑戰

口服益生菌通常需要經過唾液、胃液和腸液的消化才能到達目標部位（圖2）。在口腔中，唾液中的許多物質具有抗菌的特性，可以通過多種方式調節口腔微生物群。當益生菌通過口腔時，就開始受到體內環境的影響。菌株與唾液混合后進入胃，胃液的pH值為1.0～3.0，其中所含的胃蛋白酶導致益生菌活性大幅降低。當暫時存活的益生菌通過幽門到達腸道時，腸液中所含的膽汁鹽和各種酶也會破壞益生菌的活性。

圖2 益生菌消化示意圖

益生菌腸道定殖的測定方法

益生菌腸道定殖的測定方法主要有以細胞為模型的體外定殖檢測和以實驗動物為模型的體內定殖檢測。通過構建體外細胞模型，可以直觀有效地評價益生菌的定殖能力。目前，體外模擬益生菌在宿主體內定殖的應用最為廣泛的是來源于人結腸癌細胞的Caco-2、HT-29等細胞。這些細胞具有與人腸道上皮細胞相似的結構和功能，因此常用于體外模擬人腸道環境，研究益生菌的定殖。

由于腸道微生物的多樣性可能會影響益生菌的定殖，無法單純依靠體外檢測益生菌的定殖，需要更多證據來驗證體外結果。因此，研究益生菌在胃腸道各部位的動態分布和持續時間至關重要。

目前報道的益生菌體內定殖的研究大多是通過建立小鼠益生菌定殖模型進行的。熒光顯微鏡觀察和PCR是檢測益生菌在體內定殖的常用方法。例如，用熒光顯微鏡可以在腸道中觀察和區分帶有紅色熒光蛋白標記的益生菌。設計菌株特異性引物，通過PCR對小鼠和人類糞便樣品中的益生菌進行精確定量，從而確定益生菌的定殖能力。

提高益生菌在腸道定殖能力的方法

為增加益生菌到達腸道并定殖的數量開發了各種口服給藥遞送系統，主要通過包埋。利用食品級材料作為包埋壁材，為益生菌提供了物理保護，增強了益生菌對不利條件的抵抗力。包埋處理可顯著減少胃腸道消化過程中益生菌的損失。圖3示出了益生菌包封的一般過程。理想情況下，益生菌微膠囊應至少由2 層組成：最外層的耐酸層和最內層作為益生菌的保護膜層。有效的微膠囊化系統應具有以下功能:（1）在貯藏過程中保持益生菌的穩定性；（2）保護益生菌在食用時免受胃腸道消化液的不良影響；（3）確保微膠囊中的益生菌細胞在胃腸道指定部位釋放。表1總結了不同包埋材料對益生菌定殖的促進作用。

圖3 益生菌微膠囊化示意圖

表1微膠囊化材料用于菌株保護及其定殖效果

補充外源益生菌可以占領腸道生態位，通過阻斷有害菌的進入和繁殖來調節腸道菌群。它們還促進抗炎細胞因子和參與不同代謝途徑的關鍵酶的產生等。此外，益生菌還具有降血脂、抗抑郁、減肥等功效。然而，由于益生菌在體內對酸和膽鹽的抵抗能力不同，到達不同腸道部位的益生菌種類和數量也不同，導致不同腸道位點的微生物組成有很大區別。微膠囊技術在一定程度上解決了這些問題，不同的材料為益生菌通過胃腸道提供了屏障，增加了益生菌的存活數量。

然而，目前有關益生菌體內定殖的研究還存在許多局限性。例如，關于益生菌到達的具體位置和持續時間仍然沒有明確的結論。目前的研究還不能得出外源益生菌對人體的益生作用是否優于本地菌群，這限制了對益生菌益生功能的準確評價。

第一作者

嚴書琴，黑龍江大學2022級生物學碩士，研究方向：食品和藥物生物活性挖掘及研發。

通信作者

孫慶申，黑龍江大學教授，博士生導師。黑龍江省E類高層次人才、第十二屆黑龍江省青年科技獎獲得者、黑龍江省科協優秀青年科技人才、黑龍江省食品科學技術學會常務理事、黑龍江省輕工業協會常務理事、黑龍江省人民政府食品安全專家委員會專家、黑龍江省服務中小微企業、助力“百千萬”工程專家學者（高技能人才）庫成員。工作以來，主持了國家青年科學基金項目、黑龍江省科技廳面上項目等20項課題研究。培養碩士研究生70余名。公開發表論文100余篇，出版專著1 部，授權國家技術發明專利10 項，獲黑龍江省青年科技獎等各類獎項10 項。

Research progress on colonization ability of probiotics

Shuqin Yan, Jiaxu Gao, Qingshen Sun*

Engineering Research Center of Agricultural Microbiology Technology, Ministry of Education, Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Plant Genetic Engineering and Biological Fermentation Engineering for Cold Region, Key Laboratory of Microbiology, College of Heilongjiang Province, School of Life Sciences, Heilongjiang University, Harbin 150080, China

*Corresponding author.

Abstract

Probiotics have received increasing attention for their potential to promote health through improving intestinal barrier, enhancing human immunity, lowering cholesterol, regulating blood sugar, anti-cancer, anti-depression and so on. The prerequisite for probiotics to exert these functions is their ability to adhere to and colonize in the host’s intestinal tract. However, probiotics are susceptible to the extreme environment of the gastrointestinal tract (low pH in gastric juice and bile salts in intestinal fluids), as well as harsh processing and storage conditions, which may compromise their viability. At present, one of the effective methods to improve the survival ability of probiotics in the intestinal tract is the encapsulation of probiotics. Additionally, there are challenges related to inadequate detection methods for quantifying probiotics that colonize the intestinal tract. Therefore, this paper elaborates on the significance and challenges of probiotics intestinal colonization, the challenges they face, and methods to improve the probiotics viability during gastro intestinal transfer. The review also discusses detection methods for probiotics at different sites of intestinal tract. This review might show prospect for the in depth exploitation of probiotics used for improving intestinal health.

Reference:

YAN S Q, GAO J X, SUN Q S. Research progress on colonization ability of probiotics[J]. Journal of Future Foods, 2026, 6(2): 195-204. DOI : 10.1016/j.jfutfo.2024.04.008 .

文章翻譯由作者團隊提供

編輯：龔藝；責任編輯：梁安琪

封面圖片來源：攝圖網

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