乳酸菌促生長因子的研究

歐陽佳，王 鈺，吳 廣，王家璇，蘇小軍

（湖南農(nóng)業(yè)大學食品科學技術學院，長沙 410128）

乳酸菌（lactic acid bacteria）是一類革蘭氏染色呈陽性的兼性厭氧細菌，在形態(tài)和生理特征方面不完全相同，能代謝多種碳水化合物并產(chǎn)生乳酸［1-2］。乳酸菌作為胃腸道中的“土著菌群”，是保證機體正常獲取營養(yǎng)和維持健康的關鍵。目前，部分乳酸菌已被證明在實際生產(chǎn)應用中具有抗氧化、調(diào)節(jié)血糖血脂、降低膽固醇、緩解抑郁及自閉、改善乳糖不耐癥和防治腹瀉等多重益生功效［3-9］。

乳酸菌對生長條件的要求比較苛刻，在高濃度胃酸和膽鹽以及各種消化酶的影響下容易喪失活性，甚至死亡；另一方面，乳酸菌容易受到宿主的飲食習慣、疾病、壓力和衰老等諸多因素的影響，難以在結腸中長期定殖。近年來，為了保證乳酸菌食品在加工、儲運過程中以及被機體攝入后始終保持較高的活菌數(shù)，越來越多的研究聚焦于尋找發(fā)酵過程中能促進乳酸菌生長繁殖和活性穩(wěn)定的物質(zhì)上［10-12］。促生長因子（growth-promoting factors）是一類對微生物生長繁殖具有促進作用的物質(zhì)，可用于有效提高乳酸菌的數(shù)量和活性［13］。本文針對促生長因子與益生元（prebiotics）的關系及其來源、類別和作用機理等方面進行綜述，旨在為促生長因子的開發(fā)利用提供理論參考。

1 促生長因子與益生元的關系

促生長因子又叫促生長物質(zhì)、增殖因子，是一類能促進乳酸菌生長繁殖且在結構和性質(zhì)方面不完全相同的物質(zhì)，可用于促進體外發(fā)酵體系中乳酸菌的增殖，也可用于提高人體中乳酸菌的豐度［13-14］。

益生元是指一類能被宿主體內(nèi)有益微生物選擇性利用，并對宿主機體產(chǎn)生正健康效應的基質(zhì)［15］。作為一種無生命活性的飲食成分，益生元主要包括果聚糖（菊粉和低聚果糖）、低聚半乳糖和乳果糖；此外，低聚木糖、乳酮糖、抗性淀粉、膳食纖維和母乳低聚糖等也可被歸類為新型益生元或潛在益生元［16-18］。目前，益生元主要從植物原料中提取，并通過酶促水解反應或者單糖及二糖的反式糖基化反應獲得。它們能在進食后短時間內(nèi)有效促進腸道蠕動，改變機體腸道菌群的組成［19］。國際上公認的益生元評判標準包括以下三點［20-21］：1）該物質(zhì)能抵抗胃酸和各類消化酶，同時不被機體消化吸收；2）該物質(zhì)可以被腸道菌群發(fā)酵利用；3）該物質(zhì)可以選擇性刺激腸道內(nèi)有益菌的生長和/或活性。也就是說，只有完全滿足以上評判標準的物質(zhì)才可以被定義為益生元，才能聲明其益生元效應。

能促進乳酸菌生長繁殖的任何一種膳食物質(zhì)都可被定義為促生長因子。能到達結腸并被有益菌選擇利用的任何一種促生長因子都是一種潛在的益生元［22］。根據(jù)促生長因子和益生元的定義以及評判標準可知，益生元和促生長因子在本質(zhì)上都對乳酸菌的生長繁殖具有促進作用，因此可以認為益生元屬于促生長因子的范疇，但促生長因子不一定是益生元。促生長因子只有在具有促進乳酸菌生長作用的同時，又可完全滿足益生元的評判標準，才能被歸屬于益生元的范疇。歸納來說，所有的益生元都屬于促生長因子，而促生長因子則是潛在的益生元。促生長因子與益生元的關系詳見圖1。

2 促生長因子的作用評價

促生長因子可以縮短乳酸菌到達增殖穩(wěn)定期的時間。促生長因子成分復雜，含有多種單糖和氨基酸組分，這些組分往往容易被乳酸菌分解。相比于培養(yǎng)基中的基礎碳源和氮源，促生長因子可為乳酸菌的生長提供更優(yōu)的碳氮組合。當培養(yǎng)基中含有促生長因子時，乳酸菌能夠更快速有效地利用培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)，從而提前到達增殖穩(wěn)定期，降低培養(yǎng)成本［23］。

促生長因子可以提高乳酸菌的菌群豐度。促生長因子中可能存在大分子的多糖（polysaccharides），它們的存在能為整個培養(yǎng)體系提供持久性的可發(fā)酵碳源。乳酸菌在消耗完體系中的基礎碳源之后能繼續(xù)獲得營養(yǎng)補充，從而延長增殖穩(wěn)定期的時間，促使發(fā)酵后期菌群豐度相對上升［16］。

圖1 促生長因子與益生元的關系Fig. 1 The relationship between growth-promoting factors and prebiotics

促生長因子可以促進乳酸菌產(chǎn)生更多的短鏈脂肪酸［24］。乳酸菌將低聚糖（oligosaccharides）、非淀粉多糖和抗性淀粉等不可消化的碳水化合物作為營養(yǎng)物質(zhì)加以利用時，會生成大量的短鏈脂肪酸。短鏈脂肪酸的產(chǎn)生能夠提供菌群生長代謝所需要的營養(yǎng)和適宜的pH 值；能有效促進胃腸道蠕動、增加糞便濕度和排便效率，以便攜帶更多有害菌排出體外；同時，還能有效抑制病原菌的生長，促進機體對微量元素的吸收［25］。

總體來說，目前關于乳酸菌促生長因子的篩選評價主要通過觀察乳酸菌能否快速地代謝該物質(zhì)，并在此條件下能否獲得較高的菌群豐度。但是此類方法的局限性在于試驗所選擇的乳酸菌不能真正代表結腸區(qū)的微生態(tài)系統(tǒng)，無法驗證底物的選擇性代謝，只能用于促生長因子的初步篩選。

3 促生長因子的來源與分類

根據(jù)目前國內(nèi)外的研究報道，乳酸菌促生長因子主要由以下5 類物質(zhì)組成：天然植物提取物類、糖類、蛋白質(zhì)類、其他植物活性成分類和代謝產(chǎn)物類。

3.1 天然植物提取物

天然植物提取物是一類以天然植物為原料，采用適當?shù)娜軇┖头椒ǘㄏ蛱崛『蜐饪s其有效成分而得到的物質(zhì)。其成分組成比較復雜，除了碳水化合物、蛋白質(zhì)、有機酸和微量元素等基礎營養(yǎng)物質(zhì)外，還包含多酚、多糖、皂苷等多種生物活性成分［26］。部分天然植物提取物對乳酸菌增殖的影響詳見表1。

表1 部分天然植物提取物對乳酸菌增殖的影響Tab. 1 Effects of some natural plant extracts on the proliferation of lactic acid bacteria

3.2 糖類物質(zhì)

低聚糖是由2～10 個單糖殘基通過糖苷鍵連接而成的低聚合度糖類化合物。劉露等［34-35］采用淮山低聚糖取代葡萄糖作為碳源，發(fā)現(xiàn)嗜酸乳桿菌、嗜熱鏈球菌和雙歧桿菌的活菌數(shù)均有所提高；同時低聚糖的加入能提高雙歧桿菌的生長速率，使其提前進入增殖穩(wěn)定期。董會娟等［36］研究發(fā)現(xiàn)，添加魔芋低聚糖后，植物乳桿菌的活性和耐貯性得到了顯著提高，存活率可達97%，較不添加時提高了13%。Lee 等［37］采用β-葡萄糖寡糖作為唯一碳源進行發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)其能顯著促進乳酸菌的生長，可使乳酸鏈球菌肽的產(chǎn)量增長25%。

多糖是指10 個或10 個以上的單糖分子相連接而成的高分子聚合物，包含均多糖、雜多糖和糖蛋白［38］。多糖一般結構復雜、聚合度高，在被消化吸收之前必須經(jīng)過相關酶的水解作用轉化成可利用的低聚糖或單糖［39］。Sarikaya 等［40］研究發(fā)現(xiàn)，菊粉在盲腸和直腸微生物懸浮液中厭氧發(fā)酵24 h 后，乳桿菌、雙歧桿菌和總細菌的數(shù)量明顯增加，而有害代謝產(chǎn)物減少。郭羽等［41］針對黃芪多糖對鼠李糖乳桿菌的促生長作用進行了初步探究，得出黃芪多糖對鼠李糖乳桿菌的增殖具有一定的效果，還可提高其生長穩(wěn)定性和對生長環(huán)境中不良因素的耐受性。林珊［42］研究發(fā)現(xiàn)，蓮子抗性淀粉及其兩個組分對嬰兒雙歧桿菌在內(nèi)的6 株雙歧桿菌的生長均有促進作用，并且其組分被雙歧桿菌發(fā)酵后，顆粒表面粗糙程度增加，出現(xiàn)片狀結構。除此之外，蘋果多糖、褐藻多糖、枸杞多糖和平菇多糖等也被證明具有促進乳酸菌生長的效果［12，43-46］。

糖醇（sugar alcohol）是指糖的還原性羰基通過加氫反應后生成的一類多元醇［47］。人體腸道內(nèi)缺乏水解糖醇的相關酶系，進入小腸后無法被胃和小腸消化，從而進入大腸被乳酸菌利用［25］。胥媛媛等［48］研究發(fā)現(xiàn)，木糖醇能顯著提高腸道菌群中雙歧桿菌等有益菌的占比，同時發(fā)酵過程中短鏈脂肪酸的總量也迅速上升。Haukioja 等［49］研究了不同乳酸菌在含有山梨醇的培養(yǎng)基中的產(chǎn)酸情況，發(fā)現(xiàn)鼠李糖乳桿菌能迅速利用山梨醇進行生長繁殖，并迅速將培養(yǎng)體系的pH 值降低到5.0以下。

3.3 蛋白質(zhì)類

蛋白質(zhì)及其水解產(chǎn)物的氮元素含量高，通常被用作微生物培養(yǎng)基的基礎氮源。促生長因子含有比較豐富的有效氮源，可能有利于乳酸菌轉運蛋白的合成，以提高乳酸菌對營養(yǎng)物質(zhì)的轉運效率，從而對乳酸菌的增殖作用更明顯［50］。已有研究證實，蛋白質(zhì)類促生長因子的共有成分為含硫肽，其中二硫鍵是保持其促生長活性的關鍵［51］。在MRS 培養(yǎng)基中添加1.0 mg/mL 的芝麻多肽能夠顯著促進保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌的生長［52］。潘芬等［53］研究了豌豆蛋白酶解產(chǎn)物對多株乳酸菌生長的影響，結果表明，豌豆蛋白酶解產(chǎn)物可以促進干酪乳桿菌在內(nèi)的4 株乳酸菌的生長，其活菌數(shù)均可提高一個數(shù)量級以上。孫文敬等［50］研究發(fā)現(xiàn)，小麥蛋白胨含有的非游離氨基酸大分子量肽段有利于干酪乳桿菌等乳酸菌的生長繁殖。

3.4 其他植物活性成分

已有研究表明，除了多糖和蛋白質(zhì)以外，多酚、皂苷等植物活性成分也可以促進乳酸菌的生長［54］。Huang 等［55］通過小鼠體內(nèi)試驗，研究了淮山薯蕷皂苷元對腸道菌群的影響，結果顯示，薯蕷皂苷元對鼠乳桿菌和羅伊氏乳桿菌的生長具有顯著的促進作用。同時，其構效關系分析表明，薯蕷皂苷元對乳酸菌的促生長作用依賴于其C5-C6的雙鍵結構和完整的E-環(huán)和F-環(huán)。陳櫻萌等［56］研究發(fā)現(xiàn)，添加0.1%槲皮素能促進酸奶發(fā)酵過程中乳桿菌和雙歧桿菌的生長，并可抑制腸桿菌和腸球菌的生長。

3.5 代謝產(chǎn)物類

代謝產(chǎn)物是指菌類在正常生長代謝過程中產(chǎn)生的物質(zhì)，如細菌素、胞外多糖和短鏈脂肪酸等［57］。Gaikwad 等［58］研究發(fā)現(xiàn)，地衣代謝物能提高干酪乳桿菌的干物質(zhì)含量至56.08 mg，較對照組提高了24.49 mg（試驗證明干物質(zhì)量與細菌數(shù)量呈正相關關系）。黃蓉等［59］研究發(fā)現(xiàn)，以瑞士乳桿菌MB2-1總胞外多糖和胞外多糖-2 純組分為培養(yǎng)基中唯一碳源時，不僅能促進乳酸菌的生長，還能在一定程度上抑制有害菌的繁殖。

4 促生長因子的作用機理

乳酸菌可通過分泌相關酶將促生長因子分解為基礎營養(yǎng)物質(zhì)，以促進其生長繁殖與代謝。相關的分解代謝主要包括兩種方式：一是由轉運蛋白將促生長因子完整地轉運至細胞內(nèi)，然后通過胞內(nèi)的相關酶系對其進行糖酵解和磷酸化后加以利用，如嗜酸乳桿菌利用低聚果糖，雙歧桿菌利用低聚木糖；二是先由胞外酶在細胞外對其水解，再由轉運蛋白將水解產(chǎn)物運輸至胞內(nèi)繼續(xù)水解，或者直接參與代謝，如羅伊氏乳酸菌代謝棉籽糖，嗜酸乳桿菌代謝低聚異麥芽糖［60-61］。兩種方式各有利弊，前者局限于轉運蛋白的轉運能力，無法很好地利用大分子物質(zhì)，后者則容易在胞外被其他菌群利用，不利于有益菌的選擇性增殖。

天然植物提取物中的有機酸、生物堿等成分以及糖類和蛋白質(zhì)類促生長因子在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的短鏈脂肪酸能有效降低培養(yǎng)體系的pH 值［28］。適宜的pH 值有助于乳酸菌維持較好的黏附能力，直接利于其定殖和生長；同時培養(yǎng)體系中pH 值的降低也會抑制有害菌的生長，間接利于乳酸菌的生長繁殖［25］。

體內(nèi)培養(yǎng)時，促生長因子對于腸道有害菌有抑制和清除作用，能在一定程度上為腸道有益菌的生長繁殖提供更充足的生長空間和營養(yǎng)物質(zhì)，從而間接達到促生長的效果［54，62］。促生長因子對于有害菌的影響途徑主要包括：與有害菌的細胞膜或糖蛋白進行特異性結合，從而干擾其在腸道內(nèi)的正常生長與定殖；通過產(chǎn)生H2O2等抑菌物質(zhì)破壞細胞膜的通透性；通過干擾細菌群體感應中信號分子的合成，從而影響細胞膜的形成；與金屬離子螯合生成不溶性復合物，從而抑制酶的活性等［63-64］。

5 總結與展望

促生長因子不能依靠簡單碳氮源自行合成，需要從外界攝取，對微生物的生長繁殖具有促進作用。其與益生元在定義和評價標準等方面既有區(qū)別也有相同之處。所有的益生元都屬于促生長因子，而促生長因子可能成為潛在的益生元。促生長因子能在發(fā)酵過程中促進乳酸菌的生長繁殖和活性穩(wěn)定，不受限于外部條件的影響，在乳酸菌相關產(chǎn)品生產(chǎn)中有較好的應用前景。

隨著相關研究的不斷深入，未來關于乳酸菌促生長因子還有以下幾個方面值得深入研究和探討：1）擴大對促生長因子來源的篩選，以期得到更多低成本、高產(chǎn)高效的促生長因子；2）不斷優(yōu)化各類促生長因子的分離純化與制備方法，從而利于其加工應用和長期保存；3）進一步探索促生長因子發(fā)揮作用的量效、構效關系和多種促生長因子間的協(xié)同效應，同時考慮不同宿主的個性化差異，科學合理地選擇乳酸菌-促生長因子組合，以期達到最佳的益生效果；4）采用混合培養(yǎng)的方式模擬腸道微生態(tài)，研究相關微生物菌群的數(shù)量變化，更好地評價其發(fā)酵的選擇性；5）制定嚴格規(guī)范的評判標準，更加科學地使用促生長因子。