微生态制剂及其应用

微生态制剂（Microecologics），又称为“微生态调节剂”，具有维持宿主微生态平衡，调整其微生态失调，提高其健康水平等生物功效。根据其主要成分，微生态制剂可以分为益生菌、益生素和合生素。

益生菌（Probiotics）是活的微生物补充品，能改善宿主肠道微生态的平衡，促进健康。益生菌主要是乳酸菌，特别是双歧杆菌。

工业上在筛选菌种时，除满足生产方面的要求外，还应使所筛出菌种具有粘附性高、竞争排斥力强、环境适应能力强和生长快等特点。因为机体内的任何一种菌群组成，无论是正常或非正常的，都会对外来细菌产生排斥作用。若用在功能性食品上的菌株，本身特性就较弱，就不能有效地在肠道内定植繁殖，而被迅速排出体外。

益生素（Prebiotics）是一类不被消化吸收的功效成分，能够选择性的刺激和促进一种或几种结肠内对宿主健康有益的微生物的生长和活力，改善宿主健康。目前比较实用的益生素，主要是各种功能性低聚糖。

合生素（Synbiotics）是指同时包括益生菌和益生素的微生态制剂。

一、益生菌

（一）乳酸菌的分类和特性

乳酸菌是一类能发酵利用碳水化合物产生大量乳酸的细菌。在《Bergey细菌鉴定手册》的第9版中，将自然界中已发现的乳酸菌划分为19个属。而在这之前，是将乳酸菌分成5个属：乳杆菌属、链球菌属、明串珠菌属、双歧杆菌属和片球菌属。

可应用在功能性食品上的乳酸菌属与菌种，主要是乳杆菌属、链球菌属和双歧杆菌属中的一些种。

1.乳杆菌属（Lactobacillus）

乳杆菌属的细胞形态多种多样，从长的、细长的、弯曲形的及短杆状，也常有棒形球杆状，一般形成链状，通常不运动，运动的具有周生鞭毛。无芽孢，革兰染色时呈阳性。有些菌株，当用革兰染色或甲烯蓝染色时，显示出两极体，内部有颗粒物或呈现出条纹。微好氧，在固体培养基上培养时，通常厌氧条件或减少氧压，和充有5%～10% CO₂可增加其表面生长物，有些菌株在分离时就是厌氧的。

乳杆菌的营养要求比较复杂，需要氨基酸、肽、核酸衍生物、盐类、脂肪酸或脂肪酸脂质和可发酵的碳水化合物，且几乎每个种都有各自特殊的营养要求。其生长温度范围2～53℃，最适温度一般是30～40℃。耐酸，最适pH5.5～6.2，一般在pH5或更低的情况下可生长，在中性或初始碱性pH条件时通常会降低其生长速率。

乳杆菌是成人肠道内的优势菌之一，乳杆菌制品以生产工艺相对简单、菌种耐氧性好等特点，而在功能性食品生产中尤受欢迎。使用较多的有保加利亚乳杆菌（L.bulgaricus）、嗜酸乳杆菌（L.acidophilus）、干酪乳杆菌（L.casei）、短乳杆菌（L.breve）、植物乳杆菌（L.plantarium）、莱氏乳杆菌（L.leichmanni）和纤维二糖乳杆菌（L.cellobiosus）等。

2.链球菌属（Streptococcus）

在《伯杰氏细菌鉴定手册》（第9版）中，对链球菌属的分类作了较大的修改，新建了肠球菌属（Enterococcus）和乳球菌属（Lactococcus）两个属。肠球菌的应用较少，主要仅粪肠球菌（Enterococcus faecalis）和屎肠球菌（Enterococcus faecium）有应用。

修改后的链球菌属，限定是无芽孢的化能异养菌，形成类球或球杆形细胞，排列成对或成链状，发酵碳水化合物的主要产物是乳酸。虽然链球菌代谢不能利用氧，但可在氧中生长，被认为是耐氧的厌氧菌，另外还有些是嗜CO₂的菌株。常用在发酵乳制品上的链球菌种有乳酸链球菌（S.lactis）、丁二酮乳酸链球菌（S.diacetilactis）、乳酪链球菌（S.creamoris）和嗜热乳链球菌（S.thermophilus）等。

3.双歧杆菌属（Bifidobacterium）

双歧杆菌的细胞呈现出多种形态，有短杆较规则形，或纤细杆状带有尖细末端的细胞，有成球形者，也有长而稍弯曲状的，或呈各种分枝或分叉形、棍棒状或匙形。单个或链状，V形、栅栏状排列，或聚集成星状。革兰染色阳性，不抗酸，不形成芽孢，不运动。

双歧杆菌厌氧，在好氧条件下不能在平皿上生长，不过对氧的敏感性不同的种和菌株存有一定的差异。某些种在有CO₂存在时，能增加对氧的耐受性。大多数种，在1atm（标准大气压）含多量空气和CO₂（例如90%空气和10% CO₂）的气相斜面上，不能生长。

双歧杆菌属的最适生长温度为37～41℃，初始生长最适pH6.5～7.0。分解糖，从葡萄糖产生乙酸和乳酸，两者理论上是以物质的量3∶2的比例形成。当葡萄糖以独特的6—磷酸果糖途径降解时，能产生更多的乙酸，还有少量的甲酸与乙醇等，乳酸产量相对减少。不产CO₂（葡萄糖酸盐降解除外），不产丁酸和丙酸。

目前应用最广泛的双歧杆菌，包括短双歧杆菌（B.breve）、长双歧杆菌（B.longum）、两歧双歧杆菌（B.bifidum）、婴儿双歧杆菌（B.infantis）和青春双歧杆菌（B.adolesce）等。

（二）乳酸菌的生物功效

乳酸菌在功能性食品上的功效，集中于维持肠道菌群的平衡，并由此引发对机体的整体效果。除此之外，它在泌尿生殖系统中的应用也已引起关注。临床上，乳酸菌制品主要用于防治腹泻、痢疾、肠炎、肝硬化、便秘、消化功能紊乱等疾病。其功效是肯定的，只有少数无效的报道。

从微生态学理论来说，复合菌较单一菌种更具优势，因复合菌种本身即可保持相对的稳定，在人体微生态环境中，具有更大的缓冲能力和环境适应能力，可以迅速在肠道中黏附、定植和繁殖而发挥生理作用。

1.调节肠道菌群平衡、纠正肠道功能紊乱

乳酸菌通过其自身代谢产物和与其他细菌间的相互作用，调整菌群之间的关系，维持和保证菌群最佳优势组合及稳定性。乳酸菌必须具备黏附、竞争排斥、占位和产生抑制物等特性，才能在微环境中保持优势。

除了黏附外，乳酸菌能产生如下一些抑制物：

①有机酸：乳酸菌发酵糖类产生大量的醋酸和乳酸，使得肠道处于酸性环境中，这对于抑制病原性细菌意义重大。肠道内pH的下降，还可促进肠蠕动，阻止病原菌的定植；

②H₂O₂：可抑制葡萄球菌等的生长繁殖；

③糖苷酶：可降解肠黏膜上皮细胞的复杂多糖，而后者是致病菌和细菌毒素的潜在受体。通过酶的作用，可阻止毒素对上皮细胞可能产生的黏附与侵入作用；

④细菌素：如乳链球菌素，对许多革兰阳性菌都具有抑制作用；

⑤分解胆盐：双歧杆菌等可将结合的胆酸分解成游离的胆酸，后者对细菌的抑制作用较前者强。

2.抑制内毒素和抗衰老

双歧杆菌可抑制肠道中腐败菌的繁殖，从而减少肠道中内毒素及尿素酶的含量，使血液中内毒素和氨含量下降。把双歧杆菌引入肝病患者，发现血氨、游离血清酚及游离的氨基氮明显减少。双歧杆菌对门脉肝硬化性脑病有缓解作用，此类患者摄入短双歧杆菌和两歧双歧杆菌10⁹个/d持续1个月，就可出现血氨下降现象。

乳酸菌产生的乳酸能抑制了肠腐败细菌的生长，减少这些细菌产生的毒胺、靛基质、吲哚、氨、硫化氢等致癌物及其他毒性物质对机体的损害，延缓机体衰老进程。

3.免疫激活、抗肿瘤

乳酸菌及其产物能诱导干扰素、促进细胞分裂而产生体液及细胞免疫，这在许多乳杆菌及双歧杆菌中均得到证实。

乳酸菌的抗肿瘤作用是由于肠道菌群的改善结果，抑制了致癌物的产生，同时乳酸菌及其代谢产物激活了免疫功能，也能抑制肿瘤细胞的增殖。

经口摄取乳杆菌和双歧杆菌的动物，经放射线照射后的存活时间比对照组的长，或免于死亡，这可能是因为乳酸菌及其发酵产物的抗突变作用，及对造血系统的保护作用。(www.xing528.com)

4.降低血清胆固醇

东非Massai族居民，长期摄取高胆固醇膳食，但因大量饮用酸乳，故仍保持较低的胆固醇水平。给53名美国人喝酸乳，每餐240mL，1周后可见胆固醇降低。有人认为，乳杆菌能够使胆汁酸脱盐而使粪便中的胆固醇减少，粪肠球菌及其提取物具有降低血清胆固醇和甘油三酯的作用。感染给雄兔喂以含0.25%的胆固醇膳食，同时每天加入10¹⁰个长双歧杆菌持续13周，发现在受试兔中有70%胆固醇升高现象受到明显的抑制。

5.促进Ca的吸收、生成营养物质

发酵乳酸菌可提高Ca、P和Fe的利用率，促进Fe和维生素D的吸收。乳糖分解产生的糖是构成脑神经系统中的脑苷脂成分，与婴儿出生后脑的迅速生长有密切关系。

一般说来，黄种人比白种人肠道中的乳糖酶少，乳酸菌发酵时消耗了原乳中20%～40%的乳糖，这样患有乳糖不耐适症的儿童吃发酵乳就不发生腹泻，还可用于防治由于缺乏Fe、Ca引起的贫血症和软骨病。

许多牛乳的维生素含量因微生物的代谢而增加，维生素的产生与微生物的种类、培养温度、培养时间和其他几种过程参数密切相关。除B族维生素外，维生素C在发酵乳中的稳定性也较鲜乳中的高。

6.抗感染

乳酸菌，主要是乳杆菌，在防治泌尿生殖系统感染方面有较明显的功效。阴道内源性菌群具有共凝聚（Coaggregate）作用，可在阴道上皮细胞表面定植。乳杆菌是健康女性阴道的正常菌群，能与其他细菌发生共凝聚从而抑制病原菌的生长。

二、益生素

益生素能促进乳酸菌生长繁殖的物质，由于通常是对双歧杆菌起作用，故又称双歧因子（Bifidus factors），但有些对乳杆菌也有一定作用。

1.双歧因子1

早期的研究发现，母乳中存在能促进两歧双歧杆菌生长的N—乙酰—葡萄糖胺的寡糖或多糖，并将此物质命名为双歧因子1。N—乙酰半乳糖胺和N—乙酰甘露糖胺，对两歧双歧杆菌也具有促进作用，但较乙酰葡糖胺弱一些。

2.双歧因子2

酪蛋白经酶水解生成的多肽及次黄嘌呤，可促进两歧双歧杆菌的生长，命名为双歧因子2。往牛乳中添加20%经胃蛋白酶消化过的乳，对活体外双歧杆菌的生长及产酸影响很大。由母乳κ—酪蛋白中分离出的糖肽，在50mg/kg浓度下就可促进两歧双歧杆菌的增殖。

双歧杆菌中有很多菌株在纯牛乳中不能产生，需要添加酪蛋白降解产生的肽或氨基酸。这是因为，这些菌株缺乏分解蛋白质的活性而需添加酪蛋白水解物，或与能分解蛋白的嗜酸乳杆菌共同培养。

乳清蛋白也是一种很好的双歧杆菌生长因子，还有就是酵母提取液、牛肉浸液、大豆胰蛋白酶水解产物等，其中酵母提取液效果较好。

无论是哪种生长促进因子，它们均具有一种共同的成分，就是含硫的肽，如果其二硫键被还原或烷基化则失去作用。但仅含二硫键的物质如谷胱甘肽，也没有作用。从κ—酪蛋白的胰蛋白酶水解产物中分离出的双歧因子，当其二硫键被烷基化还原后则失去作用。

3.植物提取物

民间常用胡萝卜汁治疗婴儿消化不良或痢疾，这主要是由于胡萝卜汁中含有双歧因子。研究表明，从胡萝卜块根中提取出的磷酸泛酰硫基乙胺，是双歧生长因子辅酶A的前体。

马铃薯提取物对培养于牛乳中的双歧杆菌有促进生长作用，玉米提取物也能促进双歧杆菌在牛乳中的生长。含0.5%～1.0%玉米提取物的灭菌乳，在37℃培养时双歧杆菌的增殖率为对照组的2～3倍。

4.溶菌酶

母乳中的溶菌酶含量为40mg/100mL，牛乳中的平均含量为13μg/100mL。40～100mL鸡蛋中的溶菌酶可促进婴儿体内双歧杆菌的增殖，并使粪便中溶菌酶活力提高。

5.核苷酸

核苷酸（Nucleotide）是核酸的组成成分，机体能合成足够数量的核苷酸。目前还没有发现因膳食缺乏核苷酸而引起的公认疾病。成人正常膳食一天的供给量为1～2g。

核酸传统认为是遗传物质，近年的研究表明也有一定的营养保健作用，诸如提高免疫力、抗疲劳等。核苷酸在肠道内可促进双歧杆菌的增殖。婴儿配方乳中添加核苷酸后，粪便中双歧杆菌和乳酸杆菌数量明显增多。

6.功能性低聚糖

功能性低聚糖，包括低聚果糖、低聚乳果糖、大豆低聚糖、低聚异麦芽糖和低聚木糖等，是目前最实用的双歧因子。这方面内容，参见本章第一节。

7.膳食纤维

壳聚糖、菊粉等膳食纤维，也是比较实用的双歧因子，尤其是菊粉的效果较好。

思考题

1.什么是膳食纤维？简述膳食纤维的物化特性与生理功效。

2.什么是功能性低聚糖？有哪些生理功效？请列出几项具体功能性低聚糖产品。

3.请列出2～3个具体的活性肽，简述它们的生理功效。

4.EPA和DHA的主要来源有哪些？简述EPA和DHA的生理功效。

5.脂溶性和水溶性维生素分别有哪些？它们的共同特点是什么？

6.什么是必需微量元素？请举出至少四种必需微量元素，并简述它们的生理功效。

7.益生菌、益生素、合生素的定义是什么？

8.简述乳酸菌的生理功效，可应用于功能性食品的乳酸菌有哪些？