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双歧杆菌的生理功能与主要应用!
小杨 / 2022-01-13


一、背景及概述

双歧杆菌(Bifidobacterium)是法国巴斯德研究院的Tissier在1899年首先在母乳喂养的健康婴儿粪便中发现并分离出来的专性厌氧菌。根据双歧杆菌独有的形态,Tissier命名为双歧芽孢杆菌,并于1924年设置了双歧杆菌属。Mitsuok等根据糖代谢和血清实验将双歧杆菌划分为16个种,随后又有多个新的种被发现。到目前为止,已鉴别和发表的双歧杆菌共有34种,其中13种来源于人、15种来源于其他温血动物、3种来源于蜜蜂、2种来源于废水、1种从乳制品中分离。双歧杆菌是健康动物肠道内的优势菌种,其数量随年龄变化呈动态变化优势,其变化与机体内许多生理病理变化关系密切。双歧杆菌被认为是人类和其他温血动物包括反刍动物肠道中的关键微生物属,也是众所周知的一种肠道益生菌。目前,双歧杆菌已经成为人体健康的重要指标之一,有关双歧杆菌的微生态制剂的研究成为一大热点,并广泛应用于食品、保健和医疗等领域。有关双歧杆菌调节肠道菌群、抗肿瘤、降胆固醇以及延缓衰老的功能性研究更是国内外科研人员致力研究的重点。

二、生物学特性

双歧杆菌在多数文献的报道中属于是一种严格厌氧菌,呈革兰氏阳性,染色不规则,形态多变,呈现弯曲杆状、L、V或Y形等多种形态,而目前也有球形双歧杆菌的报道出现,在母乳喂养的羊羔排泄物中发现假链状双歧杆菌球状亚种。最近的研究文献中也发现有耐氧双歧杆菌的存在,Bifidobacterium lactis V9在有氧存在的情况下可以生长,但菌落极少。生长特性实验表明,双歧杆菌最 适生长pH为6.5~7.0,最适生长温度为38~41℃,低于 25℃或高于46℃均不生长,在固体培养基上菌落为圆形、微白不透明、表面光滑柔软、且不易形成菌丝体。 由于双歧杆菌缺乏醛酶和葡萄糖-6-磷酸脱氨酶,在果糖-6-磷酸解酮酶(F6PPK)作用下水解葡萄糖、果糖,最终产物主要为醋酸和乳酸,此过程被称为Bifido shunt代谢途径。F6PPK也成为鉴定双歧杆菌的一种标志性酶类。

三、生理功能

1、营养作用 

双歧杆菌缺少醛酶、葡萄糖,因此其分解代谢途径不同于乳酸菌。双歧杆菌最主要产物主要包括乳酸、乙酸等,可改善机体 pH 值,促进铁和维生素 D 的吸收并提高磷、铁、钙的利用率;双歧杆菌可以通过磷蛋白磷酸酶分解 α-酪蛋白,促进蛋白吸收。临床上,机体在缺乏乳糖酶的情况下,摄入的乳糖或纯牛奶不能被消化吸收进血液,仍然留在肠道内,肠道细菌就会在发酵分解乳糖的过程中产生大量气体,造成腹泻、胃胀和气胀等症状。动物生产过程中,豆粕为最主要的蛋白来源,但由于寡糖不易消化,其使用受到一定的限制,主要为棉籽糖、水苏糖。而双歧杆菌含有活性较多数细菌高的乳糖酶,这种酶能发酵乳糖产生半乳糖。因此,乳糖酶缺乏者,饮用经双杆菌发酵的乳制品,既可获得乳制品中丰富的营养,又免受胃肠道病痛之苦。双歧杆菌还可从某种程度上提高饲料的转化率,消化宿主体内不能消化的营养物质,增加动物体营养代谢量。双歧杆菌具有营养作用,主要是由于其自身可合成多种消化酶、乳糖酶、多种氨基酸及维生素,如缬氨酸、丙氨酸、苏氨酸和天冬氨酸,维生素 B1、B2、 B6、B12、叶酸及烟酸等营养物质;还可以控制维生素分解菌对宿主体内维生素分解,改善机体代谢功能,增加蛋白质的吸收速度,增加氮气的蓄积量,从根本上改善机体代谢紊乱现状。

2、拮抗作用  

研究表明,当两歧双歧杆菌(S17)与致病性大肠埃希菌、福氏志贺菌、沙门菌等肠道致病菌共同竞争培养时,对 HeLa 细胞的黏附能力均明显下降。双歧杆菌除与病原菌争夺营养物质和空间位置外,还可通过其代谢产物,以及产生抗生素、细菌素等阻止病原菌的生长。双歧杆菌可以阻断致病菌和毒素的特异性结合位点,可能是由胞外酶能够降解肠上皮细胞表面多糖来实 现的。研究发现,两岐双歧杆菌 NCFB 1454 能产生由核糖体合成的具有抑菌蛋白质作用的双歧菌素,并在对数后期开始产生,在稳定期刚开始时,活力最大。菌也可以减轻哮喘的气道炎症,在降低气道阻力、减轻气道炎症和气道重塑方面与布地奈德效果相似。虽然双歧杆菌对大部分病原菌具有非常明显的 拮抗作用,但其作用机制尚不清楚。双歧杆菌这种生物拮抗作用机理,可能是该菌在机体肠道上皮细 胞或肠道黏膜的表面形成生物菌膜,通过加强宿主免疫力,竞争营养、抑制致病菌黏附等方式,阻止病原微生物在肠道定植。此外,双歧杆菌在肠 道生长繁殖过程中能生产出乳酸、丙酮酸和丁酸,可以导致机体肠道的氧化还原电势和 pH 值均明显下降,并同时分泌广谱抗菌的物质,预防致病菌生长、繁殖。

3、通便功能 

便秘是指粪便干燥难解或排便次数减少。临床上根据病因可分为功能性便秘和器质性便秘,双歧杆菌对功能性的便秘有明显作用。将乳双歧杆菌(DN-173010)发酵酸奶 14 d 后,再让有便秘症状的志愿者服用,便秘症状获得明显改善。有研究报道,双歧杆菌在人体肠道定植数量 随人年龄和健康状态的变化而改变,母乳喂养儿童肠道中的双歧杆菌可占肠道总菌数的 91%,而老年人的肠道菌群中双歧杆菌数量下降较明显,很多老年人口服双歧杆菌微生态制剂可明显改善因缺乏双歧杆菌而引发的便秘。双歧杆菌具有通便功能,可能是双歧杆菌的主要代谢产物 pH 为 2. 8 ~ 3 的乳酸、乙酸,使得肠道 pH 值明显降低,呈酸性,肠道病原菌异常发酵被控制,肠内渗透压增加,刺激肠道壁,促进肠胃蠕动,加快致病菌排出速度,维持正常的肠胃平衡,同时有水分由低渗透压处进入高渗透压处,肠道蠕动能力得到恢复,机体免疫功能被复活,功能性便秘等症状因此有所缓解。

4、增强免疫力 

双歧杆菌具有调节免疫功能的作用,主要通过对肠道黏膜的刺激,激活肠道黏膜的免疫系统,使其产生抗体、细胞因子,进而更好地提高肠道黏膜的免疫、抗感染能力。在气道过敏的研究中发现,乳酸双歧杆菌和鼠李糖杆菌均可降低血清 OVA 特异性抗体 IgE 和 IgG1 水平。研究表明,服用长双歧杆菌可降低哮喘小鼠肺泡灌洗液中细胞因子 IL-4 和 IL-5 水平,增加肺内 Treg 细胞的数量,并可以抑制 Th2 免疫反应。IL-4 和 IL-13 可参与 IgE 和 IgG1 的生成,IL-4、IL-13、IgE、IgG1 的降低均可以减轻过敏性哮喘的症状。研究显示,短双歧杆菌可以通过增加肠道内 CD4+ Treg 细胞数量,来增加 IL-10 分泌,维持肠道稳态,减轻肠道炎症。研究发现,食物过敏小鼠口服双歧杆菌后,IgE和 IL-4 水 平降低,脾脏中 Treg 细胞和血清 IL-10 水平升高,表明双歧杆菌可以抑制过度 Th2 免疫反应,可通过Treg 的增多来调节免疫平衡。也有研究表明,IL-10 可阻止效应性 T 细胞的活化,抑制肥大细胞的脱颗粒,从而促炎性因子释放减少,促使抗体 IgE 向 IgA 或 IgG 转变,来发挥免疫抑制作用。

5、抗肿瘤的作用 

双歧杆菌具有抗结肠癌作用,可能是通过影响肠道菌群代谢、提高宿主免疫应答;黏附及降解潜在致癌物,预防肠道癌症;改变肠道菌群;产生抗癌抗诱变物质;提高宿主的免疫应答;影响宿主的生理活动来实现。先将 氧化偶氮甲烷(azoxymethane,AOM)注射大鼠体内,再用双歧杆菌喂食后发现,诱癌蛋白 ras-p21 被抑制表达,结肠癌发生率明显降低,其原因可能是这种长双歧杆菌通过对某些吞噬细胞的刺激而出现活性因子,从而发挥基础性的作用,根本上阻止肿瘤细胞的产生,并形成相应聚体,彻底杀死肿瘤细胞,提高相应酶、受体的表达水平,加快氮气的合成速度,控制细胞的生长繁殖。还有研究表明,食用长双歧杆 菌冻干培养物可强烈抑制偶氮还原酶诱发的结肠肿瘤。这一作用与结肠黏膜减少及肿瘤鸟氨酸脱羧酶活性有关,可能是双歧杆菌自身的存在及其代谢产物可增强机体免疫功能,改善淋巴细胞的亚群分布,抑制肿瘤细胞的产生,诱导癌症凋亡基因的表达及 使诱发癌症的酶失去活性。此外,在机体内双歧杆菌可以与亚硝酸胺或亚硝基胍及黄曲霉素等诱导剂 结合,可能是由于双歧杆菌使诱变剂活性基因被降解或被掩盖,从而保护机体细胞免受这些致癌物质损害。虽然双歧杆菌的抑瘤机制目前尚未完全阐明,但普遍认为双歧杆菌的抗癌作用机制可能是由于其非特异性增加了肿瘤的局部反应,促进细胞免疫功能,增强其杀伤活性,激活巨噬细胞的吞噬活性,同时改善肿瘤患者淋巴细胞亚群分布。

6、抗衰老功能 

人体的衰老往往从肠道老化先表 现出来。双歧杆菌在维持机体肠道健康和减缓肠道老化方面具有重要作用。将含有乳酸双歧杆菌牛乳添加至人体肠道细胞 DNA 的培养基中,可使肠道细胞避免氧化损伤,具有延缓肠道衰老作用。研究证明,双歧杆菌能明显增加血液中过氧化物歧化酶(SOD)的含量及其生物活性,有效促进机体内自由基的清除,将体内有害物质毒性降低 90%,抑制血浆脂质过氧化反应,延缓机体衰老。

四、应用

目前,双歧杆菌已成为人体健康的重要指标之一。近年来双歧杆菌在食品、保健以及医疗方面的功效及前景已被更多的人重视。

1、微生态制剂 

微生态制剂主要用来调节动植物微生态平衡,提高健康水平。目前微生态制剂多为具有一定生理功能的活菌制剂,主要是一类能通过动物体胃酸、胆液、胰液、肠液等屏障,存活并且在消化道定植并繁殖,对动物机体产生某种生理生态作用的益生菌。双歧杆菌活菌制剂是起步较早,并且在国内外研究最热门的益生菌制剂之一。国内常见的如金双歧三联活菌片、双歧杆菌四联活菌片、培菲康、五株王等。

2、双歧杆菌酸奶 

发酵酸奶是乳酸菌最传统的使用方法之一,也是双歧杆菌工业化使用的较多的版块之一。现如今,国内外许多国家都已采用人体分离的多种益生菌作为菌种,在传统发酵工艺基础上,配以其他辅料,生产风味独特、营养价值更高的新型酸奶。利用双歧杆菌发酵含植物甾醇与植物甾烷 醇以各种比例与牛奶的混合物,制作成发酵乳粉喂食仓鼠,发现可以显著降低血清中总胆固醇水平,包括血清胆固醇(TC)、血清甘油三酯(TG)、肝脏脂质,动脉粥样硬化指数(LDL-C/HDLC),达到益生保健作用。杭州娃哈哈集团利用双歧杆菌B菌和常规酸奶菌种A菌混合发酵研制具有降胆 固醇功能的益生菌酸奶,在乳品市场掀起酸奶革命,赋予酸奶更高层次的益生保健作用。

3、双歧杆菌果汁饮料 

双歧杆菌果汁饮料是一种新型的益生菌饮料。果汁是一种容易被大众接受的功能性饮料,也是纤维素和矿物元素的良好来源,并且可满足乳糖不耐 症患者的需求。目前也有不同果汁和酸性环境下双歧杆菌的生存因素研究,主要通过低pH、柠檬酸、蛋白质及膳食纤维几个因素建立模型研究对双歧杆菌的影响,以及不同果汁对双歧杆菌的影响。利用长寿老人源双歧杆菌来发酵研制雪莲果饮料就是一种新的尝试。

4、合生元制剂 

双歧因子是能够促进肠道内双歧杆菌的生长繁殖的有益低聚糖类物质。国内外有关此类功能性低聚糖对双歧杆菌增殖的研究也取得实质性进展,同时发现菊粉等功能性低聚糖和双歧杆菌共同作用有降低小鼠体内血脂的作用。此类物质现已广泛应用于饮料、孕产期食品、儿童食品、老年食品,医学上也在调节血脂及糖尿病方面做辅助应用治疗。随着人们对双歧杆菌和功能性低聚糖等双歧因子的深入研究,其使用范围也会日益广泛,使用方法也更多样 化,如有关双歧因子的合生元应用,它比单独使用益生菌或益生元更具有优势,也是目前发展的趋势。双歧杆菌产业化水平尚需提高,目前制约其产业化应用的主要问题有:a.不耐氧。双歧杆菌最初作 为严格厌氧菌被发现,虽然发现有耐氧菌株存在,但在有氧环境下生长状况受限,增加大批量发酵成本,并且产品中存活率不高,制约其产业化进程;b.双歧杆菌的活性。双歧杆菌要发挥其益生菌功效必须达到一定活菌浓度,受制于菌株本身,国内一些产品的双歧杆菌活菌浓度低,无法达到预期效果;c.产品保藏。活菌片尚不能常温下长时间保藏,亦制约产业化发展,目前有微胶囊化解决此问题的方法,但仍需继续深入研究。d.代谢主要产物为醋酸,影响产品风味。所以,耐氧的高活性的能常温长时间保藏且产醋 酸量低的优良双歧杆菌的选育也将是今后研究的一个重点方向。

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