發酵食品中乳酸菌的健康功效研究進展

孫鈺薇,張詩瑤,劉志佳,胡小松,2,易俊潔*

1(昆明理工大學 食品科學與工程學院,云南 昆明,650500) 2(中國農業大學 食品科學與營養工程學院,北京,100083)

傳統發酵食品作為人類飲食的重要組成部分,已有8000多年歷史,占世界食品消費量的近1/3。2018年,我國傳統發酵食品產業總產值超過1.5萬億元,約占食品工業總產值的11%,國內生產總值的1.6%[1]。發酵食品種類繁多,包括發酵乳制品、發酵豆制品、發酵蔬菜制品、發酵果品、發酵肉制品等。發酵不僅能夠改善原料的風味、質地和功能特性,還是保存食物的有效方法之一,主要通過微生物代謝產生有機酸、醇、細菌素等抗菌物質,抑制致病和腐敗微生物生長,提高食品的安全性和穩定性。

2001年,聯合國糧食及農業組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)和世界衛生組織(World Health Organization,WHO)對益生菌的定義為：活的微生物,當攝入充足的數量時,它會給宿主帶來某種健康益處,包括抑制有害微生物生長,提升抗氧化水平,降低血清膽固醇,調節免疫系統,抑制腸道炎癥,調節腸道菌群,協同消化,預防治療癌癥等[2]。目前,益生菌主要分為乳酸菌、益生芽胞桿菌、酵母菌、雙歧桿菌、丁酸梭菌等。

乳酸菌作為益生菌的重要組成,具有突出的益生特性和發酵活性,廣泛應用于發酵食品的生產,如乳制品、肉類、蔬菜和烘焙產品等。從發酵食品中分離出的眾多乳酸菌菌株已被證明對人類健康有益,并具有作為益生菌的潛力。可見,將乳酸菌應用于發酵食品中,不僅可以改善食品的感官營養品質、產生有機酸、降低食品pH、抑制有害菌的生長,還能促進食品原料產生酚類、氨基酸、多肽等物質[3]。基于此,本綜述討論了乳酸菌的分類和功能評價方法,以及發酵食品中乳酸菌的健康功效和作用機理,以期為開發新型功能性發酵食品提供理論基礎。

1 乳酸菌的分類及應用條件

1.1 乳酸菌的分類

乳酸菌是一類能利用碳水化合物產生大量乳酸的細菌的統稱。這類細菌在自然界分布廣泛,至少包含39屬、653個種。人們熟知的乳酸菌主要隸屬于乳桿菌屬、鏈球菌屬、腸球菌屬、乳球菌屬、雙歧桿菌屬和明串珠菌屬等少數屬種,其中,絕大部分的菌株存在于人體的腸道當中,具有重要的生理功能。從食品應用的角度來說,乳酸菌菌株亟待開發。根據國家衛生健康委員會發布的《可用于食品的菌種名單》公告,目前乳酸菌在食品行業應用最多的為乳桿菌屬(表1),包括干酪乳桿菌、發酵乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、植物乳桿菌等。用于嬰幼兒食品的乳酸菌對安全性有更高的要求,包括嗜酸乳桿菌NCFM、動物雙歧桿菌Bb-12、乳雙歧桿菌HN019和Bi-07、鼠李糖乳桿菌LGG和HN001。

表1 可用于食品的乳酸菌菌種Table 1 Lactic acid bacteria strains that can be used in food

1.2 乳酸菌的應用條件

發酵食品是微生物的豐富來源,許多來自傳統發酵食品的乳酸菌都具有益生特性。但是,并非所有乳酸菌都可于食品的生產。用于食品或保健品生產的乳酸菌,除了具備良好的益生功效外,還應具有極高的穩定性和安全性。根據FAO和WHO規定,來源于健康人胃腸道的乳酸菌可作為益生菌用于人類。此外,乳酸菌需要耐胃酸、耐膽鹽,能通過人體消化道環境存活；具有腸道黏膜上皮細胞的黏附能力,進入腸道后定殖并迅速生長繁殖；必須通過動物進行急性、亞急性毒性試驗等,證明無致病性、不產生生物胺等有害物質；對多數抗生素敏感,無溶血活性[4]等。

2 乳酸菌的功能評價方法

對篩選得到的乳酸菌進行功能評價是開發益生乳酸菌資源的關鍵步驟。其評價方法主要包括體外評價方法、模型動物體內評價和臨床應用效果評價。體外評價方法速度快、成本低,是對乳酸菌益生功能初步篩選的有效手段,而動物體內評價和臨床效果評價耗時長、花費高,但結果較可靠。

表2列舉了部分篩選自發酵食品的乳酸菌功能評價方法,主要包括體外篩選培養基培養、胃腸道模擬體系培養、體外Caco-2細胞黏附實驗、特征酶活性檢測、體外抗菌實驗、臨床試驗等方法。通過這些評價方法,可快速檢測乳酸菌在胃腸道定殖能力及其降膽固醇、降血壓、抗菌等方面的功能特性。此外,全基因組測序技術也常用于乳酸菌功能特性評價。通過對乳酸菌的全基因組進行測序、組裝和注釋,將菌株全基因組序列與現有數據庫中數據進行匹配和對比,不僅可以基于基因分型精準鑒定乳酸菌至株水平,還可以檢測待測菌株是否含有毒素/功效成份合成關鍵基因或基因簇,從而預測乳酸菌安全性和功能特性[5]。

表2 乳酸菌及功能評價方法示例Table 2 Examples of functional evaluation of lactic acid bacteria

乳酸菌功能特性的體外評價方法主要以昆蟲或動物為宿主,構建實驗模型,經喂食乳酸菌活菌,再與空白組進行對比,驗證待測菌功能特性。目前常用于體內乳酸菌功能特性驗證的模型生物包括蜜蜂、果蠅、小鼠等。同時,乳酸菌在各種疾病中的臨床應用也較為廣泛,用于治療腹瀉、細菌性陰道炎、糖尿病、肝硬化等。國內外均有報道關于乳酸菌治療這些疾病的臨床試驗報告,證實具有良好的療效,使得乳酸菌制劑產業具有廣闊的前景。例如,針對素食和乳糖不耐受消費者的植物基乳酸菌制劑和針對糖尿病、高血壓、高血脂患者開發具有血糖調節、血壓調節、脂質代謝調節功能的乳酸菌制劑等。然而由于種屬和體型差異,模型生物所得的結果常常與人體臨床實驗結果差異較大,且缺乏更加廣泛的多中心臨床研究。因此,建立快捷、可靠的功能評價體系是開發乳酸菌資源的重要途徑。

3 乳酸菌的健康功效及作用機理

3.1 抗菌活性

目前,食源性疾病仍然給世界帶來了巨大的公共衛生、經濟和社會負擔。將近70%的食源性危害是由腹瀉病原體造成的,如沙門氏菌,腸道致病性、產毒性大腸桿菌,李斯特菌等。研究發現,很多來源于發酵食品的乳酸菌具有抑菌功效,除了可用于食物保藏,還可以用于食源性疾病的防治,改善腸道微生物環境。

乳酸菌的抑菌活性主要通過兩方面的作用。一方面,乳酸菌可產生抗菌物質,抑制病原菌的生長。如表3所示,植物乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、短乳桿菌等乳桿菌具有抗大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、鼠傷寒沙門氏菌等食源性致病菌的活性。這些乳酸菌進入人或動物體內黏附于腸道上皮細胞后,迅速繁殖形成菌膜,與病原菌、有害微生物爭奪定殖位點及營養,分泌抑菌活性物質(細菌素、乳酸和有毒的氧代謝物)[13]。其中,細菌素(如乳酸鏈球菌素、Helveticin J、乳桿菌素等)是一類具有抑菌活性的多肽或前體多肽,能夠對一些食源性病原體和引起腐敗的細菌表現出廣泛的抗菌活性。

另一方面,一些乳酸菌菌株亦可通過影響病原菌毒力相關基因的表達,或酶與抗菌肽段殘基通過鹽橋、氫鍵和金屬相互作用而達到抑菌的效果[14]。例如,從發酵西紅柿泡菜中篩選得到的植物乳桿菌200661能夠通過下調變形鏈球菌葡聚糖形成相關基因(gtfA,gtfB和gtfD)表達,進而破壞變形鏈球菌不溶性葡聚糖的合成,從而減少病原菌生物膜的形成[14]。

表3 具有抗菌活性的部分乳酸菌Table 3 Some lactic acid bacteria with antibacterial activity

3.2 抗氧化活性

基于對乳酸菌益生特性的研究發現,發酵食品中許多乳酸菌在動物機體中可發揮抗氧化活性(表4),主要包括植物乳桿菌、短乳桿菌、發酵乳桿菌、鼠李糖乳桿菌等。這些菌株由于抗氧化體系的差異,它們對自由基防御能力的機制不同,通常包括清除自由基、提高金屬離子螯合活性、調節酶活性、增加多酚物質含量等[21-23]。例如,從新疆傳統發酵酸奶中篩選得到的1株植物乳桿菌KFY02,能上調肝損傷小鼠體內超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)的表達,有效增強機體的抗氧化能力[23]；從韓國傳統泡菜中分離得的植物乳桿菌KCTC 3099活菌和胞外提取物能夠螯合鐵離子和銅離子,減少羥基自由基的產生[21]。

表4 具有抗氧化活性的部分乳酸菌Table 4 Some lactic acid bacteria with antioxidant activity

3.3 免疫調節功能

免疫系統是由細胞、組織和器官組成的復雜網絡,他們共同起作用,以保護人體免受有害物質和生物的侵害并防御疾病。免疫系統能夠保持免疫穩態,刺激機體分泌多種免疫因子,如干擾素、白細胞介素、腫瘤壞死因子等[29]。目前,免疫調節劑在對抗疾病方面起著重要的作用,對誘發宿主保護性免疫反應十分有效。乳酸菌是腸道微生態中的優勢菌群,其細胞表面碳水化合物、修飾脂磷壁酸結構的酶和代謝物都可調節免疫系統的功能[30]。

發酵食品中的許多乳酸菌都有免疫調節功能(表5),主要通過3個途徑來增強機體免疫：(1)增強機體的非特異性免疫功能,通過提高宿主自然殺傷細胞、巨噬細胞和吞噬細胞的活力,促進部分淋巴細胞分泌IL-6、IFN-γ、IgA等,或是與CD4+T細胞互作,影響CD4+T分化為Th17、Th2、Treg等細胞。例如,從泡菜中篩選的1株戊糖乳桿菌S-PT84可顯著增強小鼠脾細胞自然殺傷活性[31]；(2)刺激機體的細胞免疫和體液免疫,調節機體IL-4、IL-8、INF-α的表達。例如,從泡菜中分離的魏斯氏乳桿菌JW15能促進免疫細胞分泌各種細胞因子(TNF-α、IFN-γ、IL-6、IL-4等)[32]；(3)調節T淋巴細胞和B淋巴細胞,下調促炎因子IL-12、IL-17、IL-23等的表達,加強免疫球蛋白(IgA、IgG等)的水平。例如,分離自發酵玫瑰汁的一株植物乳桿菌YYC-3喂食高脂肪飲食的小鼠,能夠降低小鼠體內炎癥細胞因子IL-6、IL-17F和IL-22的表達,減少炎癥細胞的浸潤[33]；(4)乳酸菌還可通過釋放多種生物活性因子(肽、游離胞外多糖、游離氨基酸、有機酸和維生素),提高宿主機體免疫力。例如,從泡菜中分離的腸膜明串珠菌能夠產生胞外多糖,該物質顯著抑制脂多糖刺激的小鼠巨噬細胞中促炎細胞因子IL-6的分泌[34]。

表5 具有免疫功能的部分乳酸菌及其調節機制Table 5 Some lactic acid bacteria with immune function and its regulation mechanism

3.4 降低膽固醇

膽固醇為哺乳動物細胞膜的必需成分,具有維持細胞膜的流動性和完整性的作用。然而,過多的膽固醇會導致心血管和其他動脈粥樣硬化疾病。研究表明,功能性食品和營養制品、膳食纖維、益生菌(如乳桿菌、雙歧桿菌等)預防和控制高膽固醇對人體造成的危害[36]。

國內外許多研究通過體外試驗、動物試驗等探究乳酸菌對膽固醇的降解效果及機理,提出了乳酸菌降解膽固醇的兩種理論(圖1)：(1)同化吸收理論。乳酸菌可以將膽固醇吸收進入菌體細胞或吸附于細胞膜,降低機體膽固醇的含量；(2)共沉淀理論。乳酸菌可產生膽鹽水解酶,使膽固醇與游離膽鹽結合生成膽汁酸,機體無法吸收膽汁酸,從而降低機體膽固醇的含量[37]。目前,許多研究已證明發酵食品中分離出的乳酸菌具有良好的膽固醇降解效果。

圖1 乳酸菌降膽固醇機制Fig.1 The cholesterol-lowering mechanism of lactic acid bacteria

3.5 調節脂代謝

肥胖作為一種全球流行病,是一種復雜的代謝紊亂,會導致慢性疾病發病風險增加,如心血管疾病、腎病、糖尿病、高血壓、高膽固醇等。肥胖及其并發癥與脂代謝紊亂和腸道微生物群結構、功能和多樣性改變有關[38]。乳酸菌對脂代謝調節,既可以通過乳酸菌本身調節宿主脂代謝,也可以通過發酵,促使食品中的成分結構改變起到減肥效果。研究表明,植物乳桿菌發酵胡蘿卜漿的多糖分子量減少,而酸溶性和堿溶性多糖的分子量增加,使發酵胡蘿卜汁具有較強的·OH清除活性,·OH的清除可調節血糖代謝,有益于糖尿病的控制,能夠預防肥胖[39]。表6列舉了已通過動物試驗證明,發酵食品中具有抗脂肪作用的乳桿菌(植物乳桿菌、清酒乳桿菌、短乳桿菌、彎曲乳桿菌等)。利用這些菌株干預高脂飲食誘導的肥胖小鼠的日常膳食,可以改善腸道菌群結構、維持腸道屏障完整性、降低腸道通透性、干擾脂質吸收、影響脂肪細胞因子表達、產生脂肪酸、調節膽汁酸代謝等。例如,從自然發酵酸奶中篩選得到的植物乳桿菌KFY02能夠使肥胖小鼠白色脂肪組織中的脂肪酸合成酶的表達顯著增加,減少其脂肪細胞膨脹體積[40]。

表6 乳酸菌調節脂代謝的相關試驗Table 6 Related tests of lactic acid bacteria regulating lipid metabolism

3.6 抗癌/抗腫瘤

生物療法是一種通過生物制劑增強免疫系統,從而對抗癌癥的治療方法。乳酸菌能夠干擾與癌癥相關的信號通路,減輕由藥物治療帶來的副作用,可作為一種生物療法載體應用于癌癥的預防和治療。如圖2所示,乳酸菌抗癌機制主要有:(1)抑制致癌作用酶(如β-葡萄苷酸酶、硝基還原酶和偶氮還原酶等)的產生以及癌細胞的增殖；(2)改變腸道菌群結構組成,進而影響腸粘膜特性(黏蛋白的降解速度、更新速度等),促進受損上皮細胞的修復并增強上皮細胞的緊密連接,起到對腸道粘膜屏障的保護作用；(3)產生抗炎因子,例如TGF-β、IL-10等,調節免疫系統進而激活免疫細胞(腫瘤壞死因子、白細胞介素、干擾素等)對抗腫瘤；(4)產生抗癌細胞增殖物質,如功能性糖肽[45]。

圖2 乳酸菌抗癌機制Fig.2 Anti-tumor mechanism of lactic acid bacteria

結直腸癌是常見的惡性腫瘤,近年來其發病率和致死率持續上升。乳酸菌可以在結直腸癌的預防和治療方面發揮重要作用。體外試驗證明,源于發酵植物和發酵乳的乳酸菌的乳酸脫氫酶活性較高,可下調原癌基因編碼的細胞膜受體(如ErbB-2 和 ErbB-3)的表達,抑制了人結腸癌細胞HT-29和Caco-2的生長[46]。隨著研究不斷深入,亦有通過動物模型闡釋抑制結腸癌及其他癌癥可能機制。例如,從發酵玫瑰汁分離了1株植物乳桿菌能顯著改變小鼠結腸組織微環境,減少炎癥細胞因子(IL-6、IL-17F、IL-22等)表達,預防小鼠黏膜損傷和結腸腫瘤的發生[33]。

3.7 降血壓

高血壓是一種流行的慢性非傳染性疾病,是引起心血管、腎臟和腦血管疾病的重要因素。導致高血壓的因素包括衰老、肥胖、高鈉低鉀的飲食,它是環境、遺傳、行為和內分泌因素之間相互作用的結果,通常伴有糖和脂肪代謝紊亂、腎臟系統功能障礙和性激素失衡等[47]。

乳酸菌可通過影響機體氧化應激、血管緊張素系統、炎癥、內皮素和過氧亞硝酸鹽的產生來影響血壓(圖3)[46]。攝入含有乳酸菌的功能性食品和乳酸菌補充劑被證明能夠降低人群的高血壓患病率。降血壓的機理主要包括：(1)乳酸菌通過其胞外酶水解底物蛋白特定的蛋白組,產生血管緊張素轉換酶抑制(angiotensin converting enzyme inhibition,ACEI)肽、γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)。例如,利用瑞士乳桿菌發酵牛奶的過程中,ACEI肽可從牛乳酪蛋白中釋放出來,所得發酵乳具有降低動脈血壓的功效[48]；牛奶發酵及蛋白質水解過程中,由于它們所含的天然酪蛋白含有L-谷氨酸,一些乳酸菌可利用該物質,經谷氨酸脫羧酶的作用合成GABA,GABA能夠顯著誘導人皮膚局部防御系統的動態組成部分HBD-2基因的表達,且具有潛在的降壓作用[49]。(2)乳酸菌菌體成分,主要有細胞壁成分和細胞自溶后的裂解物,其中,ACEI肽是抑制高血壓的重要物質。例如,分離自傳統干酪的植物乳桿菌產生的ACE抑制肽能夠在較寬范圍的pH值(2～12)和溫度條件(20～60 ℃)下,保持良好穩定,且對糜蛋白酶、胃蛋白酶和胰蛋白酶也表現出良好穩定性,用該肽提取物長期灌胃大鼠,對高血壓顯示良好的治療效果[50]。

TNF-腫瘤壞死因子；IL-白細胞介素；MCP-單核細胞趨化因子；ET-內皮素；NADPH-煙酰腺嘌呤二核苷酸；ROS-活性氧；TLR-toll樣受體；ACE-血管緊張素轉換酶；NOS-一氧化氮合酶；NO-一氧化氮圖3 乳酸菌降血壓機制[46]Fig.3 The blood pressure-lowering mechanism of lactic acid bacteria注：乳酸菌可通過影響氧化應激、血管緊張素系統、炎癥、ET和過氧亞硝酸鹽的產生來影響血壓。NADPH氧化酶活性可以通過ROS介導的TLR4激活內皮功能；NOS可以通過調節NO合成來影響內皮功能。AT1受體和ACE可以影響血管緊張素Ⅱ。

4 總結與展望

大量試驗結果表明,乳酸菌能夠調節免疫功能、降低膽固醇、促進消化、預防癌癥等,將乳酸菌納入飲食,能夠帶來健康益處。但是,對于乳酸菌的潛在毒性大多是臨床前研究,往往導致許多乳酸菌的人體臨床結果與臨床前結果存在較大差別或相互矛盾。因此,未來的研究應更注重乳酸菌在人體內的安全性評價,完善乳酸菌安全性評價體系。此外,為了進一步確定乳酸菌在人體內的功效,還應該區分動物模型試驗和人體試驗的差別,強調人體臨床試驗的重要性。針對特定人群、特定環境、特定疾病,開發精準乳酸菌產品,闡釋乳酸菌的效應機制,確定乳酸菌的安全性、可靠性及潛在副作用等,將成為未來乳酸菌產業發展的主要趨勢。