J. Future Foods | 益生菌定殖的研究进展|定殖|微生物|活性|益生菌|细胞|肠道菌群

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Introduction

1908年，Elie Metchnikoff在发现保加利亚老年人的健康长寿与经常食用含有乳酸菌的乳制品有关后，正式引入了益生菌的概念。2001年，联合国世界粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）提出了《食品益生菌评价指南》，将益生菌定义为：当摄入充足的数量时，会赋予宿主某种健康益处的活的微生物。随着现代人们对身体健康水平重视程度的提升，益生菌因其对人体健康产生有益作用而成为热门词汇。

益生菌的来源包括健康人体的肠道微生物群、人乳或其他动物的乳汁、粪便等。筛选出的益生菌可以用于发酵食品或膳食补充剂等，具有改善肠道屏障、增强人体免疫力、降低胆固醇、调节血糖、抗癌、抗抑郁等促进健康的作用。益生菌发挥这些功能的先决条件是它们能够黏附并在宿主肠道中定殖。然而，益生菌容易受到胃肠道的极端环境以及恶劣的加工和贮藏条件的影响，这都可能会损害其生存能力。目前，提高益生菌在肠道内生存能力的有效方法之一是对益生菌进行包埋。

本文综述了益生菌肠道定殖的意义、面临的挑战、益生菌特性对其在肠道定殖的影响、肠道益生菌定殖的测定方法及如何提高益生菌在胃肠道中的存活能力。

益生菌在肠道定殖的意义

肠道定殖是益生菌调节肠道菌群的前提条件，潜在的胞外多糖产生能力、黏附能力、自聚集能力和对病原体的拮抗能力是评价益生菌定殖的重要参数。益生菌的定殖能力很大程度上受益生菌自身生理特性的影响。益生菌在肠道定殖能够稳定肠道屏障、增强人体免疫力、降低胆固醇、调节血糖、抗癌、抗抑郁等。益生菌改善肠道屏障功能的方式包括：（1）抑制致病菌的黏附和生长，维持胃肠道菌群稳态；（2）促进特异性和非特异性免疫应答；（3）与宿主病原体竞争可用营养；（4）降低肠道pH值；（5）分泌细菌素、有机酸等物质，如图1所示，益生菌及其代谢物可以激活免疫系统，对免疫细胞具有协同作用，刺激抗体和细胞因子的分泌，调节免疫功能，提高宿主免疫力。益生菌降低胆固醇的机制包括增加粪便中胆盐的排泄和减少肠道对胆固醇的吸收。

图1 益生菌改善肠道屏障功能的途径

益生菌在肠道定殖前面临的挑战

口服益生菌通常需要经过唾液、胃液和肠液的消化才能到达目标部位（图2）。在口腔中，唾液中的许多物质具有抗菌的特性，可以通过多种方式调节口腔微生物群。当益生菌通过口腔时，就开始受到体内环境的影响。菌株与唾液混合后进入胃，胃液的pH值为1.0～3.0，其中所含的胃蛋白酶导致益生菌活性大幅降低。当暂时存活的益生菌通过幽门到达肠道时，肠液中所含的胆汁盐和各种酶也会破坏益生菌的活性。

图2 益生菌消化示意图

益生菌肠道定殖的测定方法

益生菌肠道定殖的测定方法主要有以细胞为模型的体外定殖检测和以实验动物为模型的体内定殖检测。通过构建体外细胞模型，可以直观有效地评价益生菌的定殖能力。目前，体外模拟益生菌在宿主体内定殖的应用最为广泛的是来源于人结肠癌细胞的Caco-2、HT-29等细胞。这些细胞具有与人肠道上皮细胞相似的结构和功能，因此常用于体外模拟人肠道环境，研究益生菌的定殖。

由于肠道微生物的多样性可能会影响益生菌的定殖，无法单纯依靠体外检测益生菌的定殖，需要更多证据来验证体外结果。因此，研究益生菌在胃肠道各部位的动态分布和持续时间至关重要。

目前报道的益生菌体内定殖的研究大多是通过建立小鼠益生菌定殖模型进行的。荧光显微镜观察和PCR是检测益生菌在体内定殖的常用方法。例如，用荧光显微镜可以在肠道中观察和区分带有红色荧光蛋白标记的益生菌。设计菌株特异性引物，通过PCR对小鼠和人类粪便样品中的益生菌进行精确定量，从而确定益生菌的定殖能力。

提高益生菌在肠道定殖能力的方法

为增加益生菌到达肠道并定殖的数量开发了各种口服给药递送系统，主要通过包埋。利用食品级材料作为包埋壁材，为益生菌提供了物理保护，增强了益生菌对不利条件的抵抗力。包埋处理可显著减少胃肠道消化过程中益生菌的损失。图3示出了益生菌包封的一般过程。理想情况下，益生菌微胶囊应至少由2 层组成：最外层的耐酸层和最内层作为益生菌的保护膜层。有效的微胶囊化系统应具有以下功能:（1）在贮藏过程中保持益生菌的稳定性；（2）保护益生菌在食用时免受胃肠道消化液的不良影响；（3）确保微胶囊中的益生菌细胞在胃肠道指定部位释放。表1总结了不同包埋材料对益生菌定殖的促进作用。

图3 益生菌微胶囊化示意图

表1微胶囊化材料用于菌株保护及其定殖效果

补充外源益生菌可以占领肠道生态位，通过阻断有害菌的进入和繁殖来调节肠道菌群。它们还促进抗炎细胞因子和参与不同代谢途径的关键酶的产生等。此外，益生菌还具有降血脂、抗抑郁、减肥等功效。然而，由于益生菌在体内对酸和胆盐的抵抗能力不同，到达不同肠道部位的益生菌种类和数量也不同，导致不同肠道位点的微生物组成有很大区别。微胶囊技术在一定程度上解决了这些问题，不同的材料为益生菌通过胃肠道提供了屏障，增加了益生菌的存活数量。

然而，目前有关益生菌体内定殖的研究还存在许多局限性。例如，关于益生菌到达的具体位置和持续时间仍然没有明确的结论。目前的研究还不能得出外源益生菌对人体的益生作用是否优于本地菌群，这限制了对益生菌益生功能的准确评价。

第一作者

严书琴，黑龙江大学2022级生物学硕士，研究方向：食品和药物生物活性挖掘及研发。

通信作者

孙庆申，黑龙江大学教授，博士生导师。黑龙江省E类高层次人才、第十二届黑龙江省青年科技奖获得者、黑龙江省科协优秀青年科技人才、黑龙江省食品科学技术学会常务理事、黑龙江省轻工业协会常务理事、黑龙江省人民政府食品安全专家委员会专家、黑龙江省服务中小微企业、助力“百千万”工程专家学者（高技能人才）库成员。工作以来，主持了国家青年科学基金项目、黑龙江省科技厅面上项目等20项课题研究。培养硕士研究生70余名。公开发表论文100余篇，出版专著1 部，授权国家技术发明专利10 项，获黑龙江省青年科技奖等各类奖项10 项。

Research progress on colonization ability of probiotics

Shuqin Yan, Jiaxu Gao, Qingshen Sun*

Engineering Research Center of Agricultural Microbiology Technology, Ministry of Education, Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Plant Genetic Engineering and Biological Fermentation Engineering for Cold Region, Key Laboratory of Microbiology, College of Heilongjiang Province, School of Life Sciences, Heilongjiang University, Harbin 150080, China

*Corresponding author.

Abstract

Probiotics have received increasing attention for their potential to promote health through improving intestinal barrier, enhancing human immunity, lowering cholesterol, regulating blood sugar, anti-cancer, anti-depression and so on. The prerequisite for probiotics to exert these functions is their ability to adhere to and colonize in the host’s intestinal tract. However, probiotics are susceptible to the extreme environment of the gastrointestinal tract (low pH in gastric juice and bile salts in intestinal fluids), as well as harsh processing and storage conditions, which may compromise their viability. At present, one of the effective methods to improve the survival ability of probiotics in the intestinal tract is the encapsulation of probiotics. Additionally, there are challenges related to inadequate detection methods for quantifying probiotics that colonize the intestinal tract. Therefore, this paper elaborates on the significance and challenges of probiotics intestinal colonization, the challenges they face, and methods to improve the probiotics viability during gastro intestinal transfer. The review also discusses detection methods for probiotics at different sites of intestinal tract. This review might show prospect for the in depth exploitation of probiotics used for improving intestinal health.

Reference:

YAN S Q, GAO J X, SUN Q S. Research progress on colonization ability of probiotics[J]. Journal of Future Foods, 2026, 6(2): 195-204. DOI : 10.1016/j.jfutfo.2024.04.008 .