雙歧桿菌、乳桿菌和芽孢桿菌產(chǎn)細(xì)菌素和多糖研究進(jìn)展

于釗瑞，趙 鑫，邱 峰,

（1.天津中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院, 天津 301617；2.天津中醫(yī)藥大學(xué)，天津市組分中藥國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 301617）

目前大多數(shù)益生菌產(chǎn)品都是由雙歧桿菌、乳桿菌和一些芽孢桿菌開發(fā)的，并廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)、農(nóng)業(yè)等方面[1]。其不僅能幫助維持腸道正常功能、促進(jìn)食物的消化吸收，還具有增強(qiáng)人體免疫力的作用。嗜酸乳桿菌（Lactobacillus acidophilus）、干酪乳桿菌（Lactobacillus casei）、鼠李糖乳桿菌（Lactobacillusrhamnosus）、瑞士乳桿菌（Lactobacillus helveticus）等幾種乳酸菌在預(yù)防人畜疾病方面有著廣泛的研究。這些菌株具有能夠改變腸道微生物群中微生物的數(shù)量，并控制腸道微生物群生態(tài)系統(tǒng)的功能。在早期的研究中，有相當(dāng)多的證據(jù)表明雙歧桿菌、乳桿菌和芽孢桿菌在動物和人體模型中的臨床試驗(yàn)適用于多種疾病的治療，而且這個數(shù)字還在繼續(xù)增長[2]。然而，研究人員仍在不斷開發(fā)新的益生菌種類，盡管益生菌早已用于改善人類健康。芽孢桿菌作為一類新的潛在益生菌，其能夠降低膽固醇、抗氧化、抗癌、免疫調(diào)節(jié)和抗病毒的特點(diǎn)受到了人們的廣泛關(guān)注，但由于一些芽孢桿菌會產(chǎn)生腸毒素或溶血素對人體造成危害，其安全性值得商榷[3-4]。到目前為止，美國食品藥品監(jiān)督管理局（food and drug administration，F(xiàn)DA）規(guī)定安全的芽孢桿菌主要包括：凝結(jié)芽孢桿菌（Bacillus coagulans）、解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）和地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis），他們中的一些已經(jīng)開發(fā)成為膳食補(bǔ)充劑[5-8]。

雙歧桿菌、乳桿菌和芽孢桿菌能作為功能性食品和膳食補(bǔ)充劑廣泛應(yīng)用離不開其豐富的代謝產(chǎn)物。幾十年來，研究人員從益生菌中發(fā)現(xiàn)了許多具有抗菌、抗炎、抗腫瘤和抗氧化等活性的化合物。雖然益生菌的抗菌作用被認(rèn)為是一種有益的特性，但在腸道內(nèi)產(chǎn)生抗菌物質(zhì)的全部益處才剛剛開始被人們所認(rèn)識。將唾液乳桿菌（Lactobacillus salivarius）UCC118（含細(xì)菌素Abp118）與非細(xì)菌素產(chǎn)生菌株UCC118（敲除Abp118生物合成基因）進(jìn)行比較，結(jié)果表明，細(xì)菌素的產(chǎn)生導(dǎo)致飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠腸道菌群中類桿菌科的增加和雙歧桿菌科的比例降低[9]。同時，研究人員還發(fā)現(xiàn)一些代謝產(chǎn)物包括：有機(jī)酸、香豆素和大環(huán)內(nèi)酯等物質(zhì)，這些物質(zhì)能夠發(fā)揮其抗炎、抗腫瘤和抗氧化等治療疾病的作用，且大部分雙歧桿菌、乳桿菌和芽孢桿菌能產(chǎn)生多種結(jié)構(gòu)多樣的胞外多糖[10]，這些化合物在調(diào)節(jié)宿主健康和治療疾病方面起到了重要的作用，未來有望開發(fā)成為保健食品。近些年來，研究人員已經(jīng)純化并鑒定了許多可以用于食品工業(yè)的細(xì)菌素和多糖化合物，并討論了其應(yīng)用于食品行業(yè)中的可行性。因此，本文概述了這些化合物的結(jié)構(gòu)和活性并探討了其未來應(yīng)用在醫(yī)藥和食品工業(yè)領(lǐng)域中的前景。

1 雙歧桿菌屬

雙歧桿菌是一類革蘭氏陽性，無孢子形成且不能運(yùn)動的厭氧菌[11]。其被認(rèn)為對宿主生物具有許多益處，如抗過敏、抗氧化、免疫調(diào)節(jié)等作用[12-14]。

1.1 細(xì)菌素類化合物

雙歧桿菌具有合成細(xì)菌素的能力，表1列出了雙歧桿菌產(chǎn)生細(xì)菌素的結(jié)構(gòu)及其活性。這些由雙歧桿菌產(chǎn)生的細(xì)菌素對金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、枯草芽孢桿菌和戊糖生球菌（Pediococcus pentosaceus）等革蘭氏陽性菌均具有抑制作用。同時，從嬰兒雙歧桿菌BCRC14602（Bifidobacterium infantisBCRC 14602）發(fā)酵液中分離出的細(xì)菌素Bifidin I還具有抑制腸炎沙門氏菌（Salmonella enteritidis）、大腸桿菌（Escherichia coli）、痢疾志賀氏菌（Shigella dysenteriae）和釀酒酵母（Sacchromyces cerevisiae）等革蘭氏陰性菌和真菌的能力[15]。

表1 雙歧桿菌屬產(chǎn)生的細(xì)菌素結(jié)構(gòu)及其活性Table 1 Structure and activity of bacteriocin produced by Bifidobacterium

1.2 多糖類化合物

雙歧桿菌能夠分泌多種雜多糖化合物，其大多由兩種以上的糖或糖衍生物的重復(fù)單元組成，如表2所示。研究人員發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌產(chǎn)生的多糖化合物具有多種生物學(xué)活性并探討了其潛在活性機(jī)制，例如：長雙歧桿菌 W11（Bifidobacterium longumW11）[13-14]和動物雙歧桿菌RH（Bifidobacterium animalisRH）[17-19]分泌的多糖物質(zhì)通過誘導(dǎo)小鼠體內(nèi)的超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD），過氧化氫酶（catalase from micrococcus lysodeikticus，CAT）和谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶（glutathione S-transferase，GST）活性、刺激體外免疫細(xì)胞白介素-6（interleukin-6，IL-6）、白介素-10（interleukin-6，IL-10）的產(chǎn)生等方式發(fā)揮抗氧化和免疫調(diào)節(jié)的作用，長雙歧桿菌亞種35624（Bifidobacterium longumsubsp.longum35624）產(chǎn)生的多糖化合物被證明能夠通過促進(jìn)白介素-17（interleukin-17，IL-17）細(xì)胞的釋放和減少呼吸道炎癥小鼠模型中肺內(nèi)嗜酸性粒細(xì)胞的募集從而發(fā)揮抗炎和調(diào)節(jié)呼吸道過敏作用[12,20-21]。但是，仍有一些多糖的活性機(jī)制沒有被闡明，因此明確這些多糖化合物的活性機(jī)制成為了未來研究的方向。

表2 雙歧桿菌屬產(chǎn)生的多糖化合物結(jié)構(gòu)及其活性Table 2 Structure and activity of polysaccharides produced by Bifidobacterium

2 乳桿菌屬

乳桿菌屬細(xì)菌是一類重要的益生菌，其通常是耐酸的桿狀或球狀革蘭氏陽性菌[11]。同時，其還合成許多物質(zhì)，例如細(xì)菌素、有機(jī)酸、多糖等，這些物質(zhì)能夠具有抗菌、抗氧化、抗腫瘤等活性[25-27]。乳桿菌已普遍認(rèn)為是安全的，并且其廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品等方面。

2.1 細(xì)菌素類化合物

乳桿菌能夠通過核糖體合成機(jī)制產(chǎn)生一類具有抑菌活性的細(xì)菌素類化合物，如表3所示。根據(jù)這些細(xì)菌素的結(jié)構(gòu)、分子量、修飾過程等因素可將其分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四種類型[28]，Ⅰ型細(xì)菌素也稱為羊毛硫抗生素，其分子量通常小于5 kDa，是一類酶促修飾的肽。II型細(xì)菌素是分子量小于10 kDa，熱穩(wěn)定的非修飾肽。Ⅲ型細(xì)菌素是分子量大于30 kDa且受熱不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)。Ⅳ型細(xì)菌素是復(fù)合型的大分子復(fù)合物，除蛋白質(zhì)外還含有碳水化合物或類脂基團(tuán)。到目前為止，已經(jīng)從清酒乳桿菌（Lactobacillus sakei）、植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）、唾液乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、副干酪乳桿菌（Lactobacillus paracasei）、彎曲乳桿菌（Lactobacillus curvatus）、戊糖乳桿菌（Lactobacillus pentosus）等乳桿菌屬細(xì)菌的發(fā)酵液中分離出多個細(xì)菌素，其大多屬于Ⅱ型細(xì)菌素。活性方面，這些細(xì)菌素表現(xiàn)出抗菌特性，對糞腸球菌（Enterococcus faecalis）、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、李斯特菌（Listeria monocytogenes）、枯草芽孢桿菌等革蘭氏陽性菌具有抑制作用。其中，唾液乳桿菌、植物乳桿菌、動物乳桿菌（Lactobacillus animalis）、副干酪乳桿菌、十字乳桿菌（Lactobacillus crustorum）、戊糖乳桿菌產(chǎn)生的細(xì)菌素具有廣泛的抑菌譜，除了對上述的革蘭氏陽性菌有抑制作用外，其對沙門氏菌、大腸桿菌、肺炎克雷伯菌（Klebsiella pnenmoniae）、銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）等革蘭氏陰性菌也具有抑制作用。同時，由戊糖乳桿菌產(chǎn)生的細(xì)菌素Pentocin JL-1對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（Methicillin-resistantStaphylococcus aureus）具有良好的抑制活性[29]，這也為尋找天然食品防腐劑提供了機(jī)會。

表3 乳桿菌屬產(chǎn)生的細(xì)菌素結(jié)構(gòu)及其活性Table 3 Structure and activity of bacteriocin produced by Lactobacillus

2.2 多糖類化合物

乳桿菌具有合成多糖化合物的能力，到目前為止已經(jīng)鑒定出能夠產(chǎn)生多糖物質(zhì)的乳桿菌包括：植物乳桿菌、約氏乳桿菌（Lactobacillus johnsoni）、瑞士乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、德氏乳桿菌（Lactobacillus delbrueckii）、嗜酸乳桿菌、彎曲乳桿菌、副干酪乳桿菌等。按其組成而言，這些多糖化合物可分為均多糖和雜多糖，均多糖僅包含一種類型的單糖，而雜多糖兩種以上的糖或糖衍生物的重復(fù)單元組成，如表4所示。多糖化合物是一種天然、無毒且可生物降解的聚合物，研究表明這些多糖物質(zhì)具有多種生物活性，例如：植物乳桿菌C88分泌的多糖通過清除活性氧、上調(diào)酶促和非酶促抗氧化劑活性、減少脂質(zhì)過氧化從而發(fā)揮抗氧化作用[46-47]，嗜酸乳桿菌DSMZ 20079分泌的多糖化合物通過對細(xì)胞凋亡機(jī)制和核轉(zhuǎn)錄因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）炎癥信號通路的調(diào)節(jié)來發(fā)揮抗腫瘤作用[48]，分離自副干酪乳桿菌DG的多糖化合物能夠增強(qiáng)腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF） 和 免 疫 細(xì) 胞 白 介 素-6（interleukin-6，IL-6），特別是提高趨化因子白介素-8（interleukin-8，IL-8）和趨化因子-20（chemokine ligand 20，CCL20）的表達(dá)來發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)活性[49]。由于多糖物質(zhì)的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和結(jié)合蛋白質(zhì)的能力存在很大差異，現(xiàn)今研究尚未完全闡明其特性及活性機(jī)制，因此未來仍需對其機(jī)制進(jìn)行研究。

表4 乳桿菌屬產(chǎn)生的多糖化合物結(jié)構(gòu)及其活性Table 4 Structure and activity of polysaccharides produced by Lactobacillus

2.3 其它化合物

除了細(xì)菌素、多糖類化合物外，乳桿菌還能夠產(chǎn)生脂肪酸、酚酸、生物堿等有機(jī)化合物，如：十二烷基內(nèi)酯、3-羥基癸酸、3-羥基-5-十二碳烯酸、2-（2-1 氨基-1-羥基乙氧基）2-甲基丙酸乙酯、3-苯基乳酸、羥基吲哚-3-丙酰胺等[61-65]。這些化合物表現(xiàn)出抑菌活性，對變形鏈球菌（Streptococcus mutans）、金黃色葡萄球菌、糞腸球菌、乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）、大腸桿菌、銅綠假單胞菌、肺炎克雷伯菌、副溶血弧菌（Vibrio parahemolyticus）等革蘭氏陽性和陰性菌的生長具有抑制作用。同時，某些化合物還對某些致病真菌有著良好的抑制作用，如：植物乳桿菌IMAU10014發(fā)酵液中分離得到的兩個酚類化合物3-苯基乳酸和苯乙酸-2-丙烯基酯對甜瓜疫霉菌（Phytophthora melonis katsura）、灰霉菌（Botrytiscinerea）、尖鐮孢菌（Fusarium oxysporum）等致病真菌具有抑制活性[66]。不僅如此，乳桿菌分泌的某些化合物還具有某些潛在的生物活性，例如：從干酪乳桿菌LP1發(fā)酵液中分離得到的化合物1,4-二羥基-2-萘甲酸可以抑制促炎細(xì)胞因子的表達(dá)來發(fā)揮抗炎作用[67-68]。

3 芽孢桿菌屬

芽孢桿菌屬是一類產(chǎn)生芽孢,需氧或兼性厭氧，大多數(shù)有運(yùn)動能力，無莢膜，過氧化氫酶陽性的革蘭氏陽性菌[11]。芽孢桿菌已被證明可以分泌許多具有抗菌、增強(qiáng)免疫等活性的化合物[69-70]，同時，芽孢桿菌可以在低pH的胃腸道中存活，這些特性使得芽孢桿菌屬具有作為益生菌使用的潛力[3-4]。

3.1 細(xì)菌素類化合物

芽孢桿菌屬是具有生物活性化合物的豐富來源，其產(chǎn)生的細(xì)菌素多為Ⅱ或Ⅳ型細(xì)菌素。如表5所示，芽孢桿菌產(chǎn)生的細(xì)菌素有著具有廣泛的抑菌譜，對多種革蘭氏陽性、革蘭氏陰性菌、真菌具有抑制作用，例如：從解淀粉芽孢桿菌RX7菌株發(fā)酵液中純化出的細(xì)菌素對金黃色葡萄球菌、李斯特菌、糞腸球菌等革蘭氏陽性菌和大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella typhimurium）、銅綠假單胞菌等革蘭氏陰性菌均有抑制作用，同時，其對白色念珠菌（Candida albicans）也具有抑制活性，該細(xì)菌素具有很好的熱穩(wěn)定性并且在pH3～8范圍內(nèi)穩(wěn)定[71]，這些特性使得其可作為天然防腐劑應(yīng)用于食品工業(yè)領(lǐng)域中。

表5 芽孢桿菌屬產(chǎn)生的細(xì)菌素結(jié)構(gòu)及其活性Table 5 Structure and activity of bacteriocin produced by Bacillus

3.2 多糖類化合物

產(chǎn)生多糖化合物的芽孢桿菌包括：地衣芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌，表6總結(jié)了這些芽孢桿菌中分離得到的多糖化合物結(jié)構(gòu)。同時，這些多糖化合物具有多種潛在的生理功能和生物學(xué)活性，例如：從地衣芽孢桿菌8-37-0-1純化得到的多糖物質(zhì)具有通過刺激淋巴細(xì)胞增殖從而發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用，解淀粉芽孢桿菌JN4產(chǎn)生的胞外多糖具有抗抗腸毒素性大腸桿菌在腸道內(nèi)的定植的作用，枯草芽孢桿菌AF17分泌的多糖具有抗氧化作用[69,89-90]。這些能力使這些生物聚合物在醫(yī)藥、食品、保健等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

表6 芽孢桿菌屬產(chǎn)生的多糖結(jié)構(gòu)及其活性Table 6 Structure and activity of polysaccharides produced by Bacillus

續(xù)表5

3.3 其它化合物

芽孢桿菌通過葡萄糖氧化、糖酵解、三羧酸循環(huán)等途徑產(chǎn)生大環(huán)內(nèi)酯、脂肪酸、酚酸和香豆素等有機(jī)化合物，如：枯草芽孢桿菌109GGC020和解淀粉芽孢桿菌AP183產(chǎn)生的大環(huán)內(nèi)酯類化合物Macrolactin W、Macrolactin F、Macrolactin B、Gagemacrolactins和Bacillusin A。地衣芽孢桿菌MH48發(fā)酵液中分離純化得到的苯甲酸等。這些化合物具有廣譜的抗菌能力，其對金黃色葡萄球菌、唾液鏈球菌（Streptococcus salivarius）、肺炎克雷伯菌、銅綠假單胞菌、奇異變形桿菌（Proteus mirabilis）、黃曲霉菌（Aspergillus flavus）、白色念珠菌、尖鐮孢菌等革蘭氏陽性、陰性菌和真菌具有抑制作用[91-92]。同時，枯草芽孢桿菌PJS分泌的香豆素類化合物Hetiamacin B、Hetiamacin C和Hetiamacin D除了對上述的細(xì)菌和真菌具有抑制活性外，其還對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌和耐甲氧西林表皮葡萄球菌（MethecillinresistantStaphylococcus epidermidis）等耐藥菌具有抑制作用[93]。

4 討論與展望

雙歧桿菌、乳桿菌和芽孢桿菌作為一類食品工業(yè)中具有重要應(yīng)用潛力的革蘭氏陽性細(xì)菌，僅在2010～2019年間，超過50種化合物從雙歧桿菌、乳桿菌和芽孢桿菌中分離得到，這些化合物根據(jù)其結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)等特性可分為三種類型，即細(xì)菌素類、多糖類和其他有機(jī)化合物。這三種細(xì)菌產(chǎn)生的細(xì)菌素多為Ⅱ型或IV型細(xì)菌素，其對多種食源性致病菌和腐敗菌均有抑制作用。同時，這三種細(xì)菌還具有產(chǎn)生多糖化合物的能力，研究人員發(fā)現(xiàn)這類多糖化合物具有免疫調(diào)節(jié)、抗氧化、抗癌等活性并闡明了其部分活性機(jī)制。此外，乳桿菌和芽孢桿菌能夠產(chǎn)生脂肪酸、酚酸、生物堿等有機(jī)化合物，這些化合物大多數(shù)具有抗真菌活性，其中也有一些具有抗細(xì)菌的作用。雖然這些菌株及其化合物具有較好的益生作用，但是基于安全性考慮，現(xiàn)有研究不足以證明有些菌株和化合物能應(yīng)用于食品中。有報道稱某些細(xì)菌素對包括人視網(wǎng)膜細(xì)胞，紅細(xì)胞，白細(xì)胞和腸上皮細(xì)胞在內(nèi)的多種細(xì)胞具有細(xì)胞毒性[94]，同時許多細(xì)菌素和多糖的結(jié)構(gòu)、活性及其活性機(jī)制尚不明確，因此，仍需進(jìn)行更多的研究以證明其能夠在食品和醫(yī)學(xué)中應(yīng)用，這些研究應(yīng)側(cè)重于闡明其結(jié)構(gòu)、活性以及它們之間的構(gòu)效關(guān)系，同時，需要更多臨床試驗(yàn)去評估這些化合物是否具有細(xì)胞毒性、生長抑制活性和溶血活性，從而更好的確保細(xì)菌素和多糖化合物在食品工業(yè)中的安全性和穩(wěn)定性。綜上所述，益生菌產(chǎn)生的化合物具有巨大的潛力，其抗菌特點(diǎn)使其可以作為天然生物防腐劑應(yīng)用于食品工業(yè)中。同時，這些化合物具備的抗癌、抗炎和抗氧化等特性使得它們可以成為新型保健食品開發(fā)的重要來源。