益生菌這一概念出現在 19世紀,諾貝爾獎得主 Elie Metchnikoff認為,保加利亞農夫長壽、健康的生活是因為長期飲用發酵奶製品,確信酸奶中含有保護腸道不被有害菌破壞的微生物。後來微生物學家從健康人體分離鑒定出與患者不同的胃腸道菌群,這些在胃腸道發現並對人體有益的菌群稱為益生菌。益生菌字麵上的意思是“有益於生命”,具有促進人、動物健康的微生物。20世紀 30年代,科學家完成了益生菌對便秘作用的第一個臨床試驗。50年代,美國農業部批準益生菌產品用作豬腹瀉的藥物。整個 20世紀,不同的益生菌的功能用於預防和治療疾病。尤其在過去的 20年中,益生菌在保健和治療方麵有著不斷更新的重要性,這使益生菌工業得到繁榮發展 。
1 益生菌的營養作用及生物活性
益生菌在消化道中能改善飲食營養物質的數量、有效性和消化性。益生菌發酵增加了酸奶、雙歧杆菌奶、奶酒中的葉酸、煙酸和核黃素水平,還釋放了各種酶和維生素進入腸腔,這發揮了消化中的合成作用、減輕了腸道吸收不良的症狀。細菌酶的水解作用提高了蛋白質和脂肪的生物活性、增加自由氨基酸和短鏈脂肪酸（SCFA）的生成。吸收的 SCFA既是宿主的可用能量池,還能保護病原菌破壞的結腸黏膜,而且適宜的 SCFA濃度還能維持結腸內合適的 pH值,有利於許多細菌酶的表達和外來化合物、致癌物的代謝。益生菌還能產生乳酸、丙酸、正丁酸,降低腸內 pH值來抑製如沙門氏菌、大腸杆菌等入侵的病原菌。另外,有的益生菌還能產生細菌素等抗菌物來抑製病原菌。
2 益生菌的保健、治療作用及其作用機理
除了營養物的合成,無論在發酵食品的製劑時期還是在消化道中的益生菌也都能改善一些飲食營養的消化性。同時益生菌及其發酵食品也能給予消費者各種重要的保健、治療益處,具有治療和有治療潛能的臨床症狀包括腹瀉、腸胃炎、腸易激綜合征、炎症性腸炎病、癌症、免疫功能低下、乳糖不耐受、嬰兒過敏性疾病、高血脂症、肝病、幽門螺旋杆菌感染等。
2. 1 對腸道疾病的作用 許多對人的研究顯示,益生菌能降低胃腸道疾病的發病率、發病期和發病程度。益生菌最常見的用途就是對腹瀉疾病的預防和急性病毒及細菌性腹瀉的治療,對抗生素相關性腹瀉的控製也有其重要的潛在益處。許多特異的菌株,如 Lactobacillus GG、Lactobacillus reu-teri、Saccharomyces boulardii、Bifidobacteria spp.等已經顯示對腹瀉、旅行腹瀉、輪狀病毒引起的兒童腹瀉有很好的療效。
益生菌能通過作用於免疫係統來預防或改善腹瀉,通過與粘附於上皮細胞上的病毒、細菌競爭來預防感染。體外研究證實,益生菌製劑抑製病原微生物粘附腸道上皮細胞,抑製作用是通過增加腸道黏液素 MUC2、MUC3的表達為媒介的 。細菌上皮細胞粘附是多步驟的,首先是細菌與上皮細胞層的作用。益生菌通過加強腸內黏液素的產生來阻止腸道病原菌的附著,附著能被抑製是空間障礙或者黏液素模仿上皮細胞的細菌結合位點而產生的競爭抑製 。
另外,益生菌還顯現對腸道的炎症和功能性疾病有直接作用。如對於腸易激綜合征這一腸道最常見功能性疾病,Lactobacillus plantarum299v和 DSM9843在臨床顯現明顯地減輕腹部疼痛、腸胃氣脹、便秘等症狀,而 S. boulardii隻減輕腹瀉,但對其他症狀沒有減輕作用 。
2. 2 通過免疫係統的有益作用 益生菌添加有直接和間接作用,益生菌表現出對胃腸道局部的直接作用,包括腸道菌群的調節和產生維生素。還有對胃腸道之外一些點的間接作用,包括關節、肺和皮膚。間接作用很可能通過改變炎症介導素如炎症因子來作用於免疫係統引起的炎症。炎症反應、關節炎、過敏及濕疹等症的調控可能與胃腸道局部的免疫係統的調節相關。
2. 2. 1 對關節炎的作用。益生菌能調節風濕性關節炎的炎症,當發病時胃腸道變得有通透性的,提供一個聯係胃腸道的炎症疾病和非炎症疾病,而食用益生菌能導致免疫係統的調控或向下和後來胃腸道通透性的減低。將 30個慢性幼年關節炎病人分成兩組,分別服用 Lactobacillus GG和兩周期的牛初乳。檢測血液和糞便的免疫和非免疫防衛,觀察不同病人的腸腔防衛機製對疾病幹擾的情況,顯示出口服 Lactoba-cillus GG具有加強黏膜的屏障機製。
2. 2. 2 對過敏症和濕疹的作用。益生菌能改善黏膜屏障功能和調節免疫係統,對於下調具遺傳濕疹病人的超過敏反應和食物過敏的炎症是十分重要的。Lactobacillus rhamnosus GG對圍產兒的治療降低了半歲時危險期嬰兒濕疹並發症。定植新生兒“貧瘠”的胃腸道的起始細菌建立了的小生境對免疫調節和遺傳過敏症的初步發展具有持續的作用。益生菌能加強腸腔內在的屏障機製和減輕腸道炎症,提供一個處理食品敏感性的有用方法 。
益生菌對於減輕一些食品（如奶製品的蛋白質）引起的過敏症狀有明顯的效果。可能是通過降解蛋白質成小分子的肽和氨基酸,給嬰兒飲食中添加水解乳清配方奶粉來減輕濕疹皮炎的症狀。益生菌還被發現對遺傳性濕疹的孩子有上調抗炎的炎症因子,如白細胞介素210。這既是一個對健康課題的免疫刺激作用,也是一個對敏感病人的免疫炎症反應的下調作用。相似地,在動物模式中,益生菌通過提高大分子的斷裂來加強抗原黏膜退化 。
2. 2. 3 對 HIV感染者的作用。HIV感染的孩子經常經曆細菌過度生長引起的腹瀉、吸收不良等症狀。服用 L. plantarum 299v能使免疫力低下者的免疫應答積極作用,改善感染者的生長發育。當更多的益生菌一起食用時,免疫應答則進一步加強,尤其乳杆菌與雙歧杆菌合用效果更明顯。動物模型和人體試驗證明了益生菌能加強特異和非特異的免疫應答,這些作用被認為是通過細胞活性和免疫球蛋白的增加來起作用。如在免疫缺陷鼠模式,Lactobacillus sp. 和 Bifidobacteria減少了白色念珠菌的全身擴散。另外,服用 Lactobacillus GG的一個對照試驗發現,纖維囊腫的孩子會減輕肺炎的症狀。但是由於對人免疫功能的研究非常有限,因此很難推斷免疫功能的研究來解釋對人健康的作用 。
2. 3 對癌症的預防和治療作用 許多體外、體內試驗表明,益生菌存在對癌症的預防和治療作用。如最近研究發現,與標準 酸 奶 比 較, 益 生 菌 酸 奶（包 括 L. acidophilus145、B. longum913）幹涉可很明顯地降低排泄物的遺傳毒性 ;L. bulgaricus發酵奶顯現對 4NQO（典型的誘導有機體突變的物質）抗誘變劑活性,初步證據顯示,益生菌能通過抵消誘導有機體突變的物質和遺傳毒性的作用來減少患癌;L. acidophilus的超級菌株 DDS1產生非常強的抗腫瘤活性。依一定劑量添加 L. acidophilus菌株的大鼠飼養能充分地抑製結腸癌細胞的總數;Lactobacillus GG減少人工結腸癌誘導的動物腫瘤發生率和癌細胞數;L. acidophilus、L. casei和 L.helveticus的提取物用於治療鼠惡性腫瘤時,出現抗癌活性;B. longum也具有抑製大鼠的結腸、肝、小腸、乳腺的腫瘤發生率和癌細胞數 。
益生菌培養物能降低化學致癌物的接觸主要是通過:解毒吸收的致癌化合物;改變腸道環境來減低產生致癌化合物的細菌數量和代謝活性;產生代謝產物（如丁酸）來加速將死細胞的凋亡速度;產生抑製腫瘤細胞的生長;或者激活免疫係統來較好地防禦癌細胞的增殖。另一個可能的解釋,益生菌對致癌物質的預防作用是它們對腸內其他細菌的作用。益生菌可能抑製轉化前致癌物成致癌物的細菌生長,因此減少了腸內致癌物的數量。轉化前致癌物成致癌物的酶活性常作為益生菌對腸道菌群作用的指示劑,試驗結果顯示,食用 L. casei可延緩膀胱腫瘤的複發,但是這一發現尚待確認。一個乳杆菌預防或延緩腫瘤發展的假設是它們可能與腸道中的誘導突變物質結合,因而減少了誘導突變物質的吸收。
2. 4 對血膽固醇、血脂、高血壓的控製作用 我們知道,飲食中的膽固醇對血膽固醇影響較大,總血膽固醇或其他血脂太高被認為是發展成冠心病的危險因子。有研究顯示,益生菌或其發酵產品能降人體膽固醇和 LPL水平,對血壓也有很好的控製作用。體外研究已經顯示,細菌能清除培養基中的膽固醇,所以益生菌降低人膽固醇的潛能受到更多關注。乳酸菌對血清膽固醇的作用,如 L. acidophilus的降膽固醇潛能已經得到最廣泛的研究。一些人體研究顯示,高血膽固醇人群食用含益生菌的奶製品能減少血清膽固醇,但一般時候因為一些作用很小,難於檢測而使證據不是十分充分;也可能因為一些菌株具有這種作用而其他菌株沒有也是可能的。有研究顯示,益生菌對血脂水平也有益處;高脂膳食小鼠的研究顯示,飼用低水平的 L. reuteri 7 d可減少總膽固醇和甘油三脂水平分別是 38%、40%,但增加了 LDL 20%。高血脂病人經服用 Lactobacillus sporogenes 3個月後,平均降低總膽固醇 32%、LDL膽固醇平均降低 35%。現在認為,清除培養基中膽固醇隻是一個膽固醇與遊離膽酸的共沉澱的結果,而膽酸由細菌的膽鹽水解酶催化而成;其他體外研究提出了益生菌降膽固醇的可能機理:膽固醇結合到細菌細胞膜或壁上;細菌對膽固醇的吸收等 。
初步證據顯示,在動物和人體試驗中都證實益生菌的攝入具有抗高血壓的作用。老年高血壓患者食用 L. helveticus和 Saccharomyces cerevisiae的發酵奶後,可降低收縮、舒張壓。益生菌的粉末狀提取物也被證實能降低高血壓患者的收縮、舒張壓、心率。鑒於當前心髒病的流行,規律的食用益生菌能為心髒病人提供一個溫和的預防作用 。
2. 5 對其他感染的預防和治療作用 益生菌在其他的一些領域,也顯示出積極的治療作用。酸奶能減輕乳糖缺乏的個體的乳糖不耐受症狀,可能是因為發酵奶中乳酸菌在小腸裏增加了乳糖酶活性。肝性腦病（HE）是一種能威脅人生命的肝病,其精確的發病機理仍不是很清楚,但益生菌 S. ther-mophilus、Bifidobacteria、L. acidophilus、L. plantarum、L. casei、L.bulgaricus和 E. faecum等菌株通過多個作用機製來幹擾其發病機製。這種治療優於傳統處置方式,能降低門脈壓力來降低出血的風險 。H. pylori與胃炎、胃潰瘍、胃癌有關係,體外研究顯示,Lactobacillus salivarius產生的大量的乳酸將抑製H. pylori,而且有研究顯示,益生菌抑製胃內 H. pylori的生長繁殖,發現產生的乳酸濃度水平越高,對 H. pylori活性的減弱作用越明顯。例如 L. salivarius就既能在體外試驗,也能在老鼠體內抑製 H. pylori。短乳杆菌對 H. pylori感染者的治療結果顯示,該益生菌雖不能根除感染,但尿素呼吸試驗表明,胃黏膜鳥氨酸脫羧酶活性及多胺水平均明顯降低,表明 H. pylori受到抑製 。
3 益生菌產品及其安全性
益生菌必須具有在食品和製劑中好的貨架期,在食用時能有大量存活的細胞,以及在製劑中沒有病原菌和有毒物。因而益生菌的選擇標準為:對宿主有保健的作用;能經受住食品中高細胞數和保持產品整個貨架期的可存活數;能穿越胃腸道;能粘附腸道上皮細胞和定植於腸道內壁;能產生病原菌的抗菌物質;能穩定腸道微生物菌群和與健康益處有關。目前已用於益生菌製劑的微生物包括乳酸菌、芽孢杆菌屬、酵母菌、絲狀真菌。一些最常見的益生菌產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 。
最常用於益生菌製劑的微生物是乳酸菌,它們大多數來自健康的動物腸道,因此它們通常是安全的。但益生菌在食品中的濃度變化很大,目前也沒有國際普遍接受的在酸奶和其他發酵食品中的細菌水平的統一標準;而且益生菌功效的測量方法也有許多內在的困難,但對乳糖不耐受、腹瀉、大腸癌的研究顯示,每天使用乳酸菌對許多可測的作用是必須的。奶製品的流行病學數據和益生菌安全性的總回顧顯示，益生菌沒有涉及人類疾病傳染的證據,但益生菌的消費始終保留著可能導致疾病和個體可能對特異菌株有不同的反應。食品工業需要在所有新益生菌菌株加入食品之前仔細地評價它們的安全性、功效和可能存在的副作用 。
4 研究重點和應用前景
益生菌的保健、治療作用被不斷深入地研究,正在進行的基礎研究將繼續鑒定已有的益生菌,識別菌株的特異性作用,確定相應目的的最優劑量,評估它們在加工、消化中的穩定性。基因技術將在發展新的菌株起重要作用,基因序列的測定將增加對益生菌的機製和功能的研究。另外如基礎研究、工業化研究將集中在延長菌株的貨架期、通過消化道的存活率、優化附著能力和發展合適的產品、處理和包裝過程確保理想的益處傳遞給消費者。雖然益生菌的應用存在劑量、存活率,以及工業標準的缺乏、潛在安全隱患等問題,但其保健治療作用在臨床的廣泛應用具有相當可觀的潛能。隨著時間的推移,包含益生菌的新食品將出現在如能量吧、穀類食品、果汁、嬰兒配方奶粉和幹酪,也會在特異疾病的保健品中;隨著動物和臨床研究的進一步深入,益生菌在臨床的應用領域也將不斷擴展。
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