多糖与益生菌相互作用研究进展

李一雪，张尊琴，宋 虹

（渤海大学 食品科学与工程学院，生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心，辽宁 锦州 121013）

0 引言

益生菌是活的微生物，通过定植在人体内，当给予足够的量时，就会给宿主健康带来益处［1］. 益生菌应具有在肠道条件下（酸性pH值、酶、胆盐等）存活的巨大能力. 此外，益生菌应该表现出对病原体的拮抗作用和对免疫系统的刺激作用，并且最终必须对宿主具有可证明的有益效果. 证明益生菌在技术处理后的活性、生存力和生长功效的维持. 益生菌的主要功能是调节胃肠道环境，协助胃肠道进行营养物质的分解、代谢、吸收和消化.

多糖主要由糖苷键结合形成糖链，是一种至少含有超过10个单糖所组成的聚合糖高分子碳水化合物，多糖具有多种生物活性. 具有免疫调节、抗癌、抗病毒、降血糖等功能. 多糖难以被人体直接消化和吸收. 因此，为了使身体吸收和利用它，必须通过肠道菌群将其分解为小分子物质［2］.

近年来，多种研究表明，多糖可以调节肠道菌群，促进益生菌的增长和繁殖. 例如，郭芸等［3］对富硒平菇多糖对益生菌生长代谢进行研究，得出结论：平菇多糖和富硒平菇多糖都能促进植物乳杆菌和副干酪乳杆菌两种益生菌的增殖，其中0.5%富硒平菇多糖效果更好；同时，益生菌可以促进多糖代谢. 本文综述了多糖与益生菌的相互作用，为益生菌和多糖的研究提供参考.

1 益生菌研究现状

1.1 益生菌的种类

目前，已发现的益生菌总体可以分为三大类，其中包括：①双歧杆菌类（如长双歧杆菌、短双歧杆菌、嗜热双歧杆菌等）；②乳杆菌类（如干酪乳杆菌、嗜酸乳杆菌、詹氏乳杆菌、拉曼乳杆菌等）；③革兰氏阳性球菌（如粪链球菌、乳球菌、中介链球菌等）. 除此之外，还有一些酵母菌与酶类也属于益生菌的范畴. 其中，研究最多、应用最广的是双歧杆菌、乳酸菌和酵母菌. 这3种益生菌可定植到人体肠道内，进一步抑制肠道有害微生物的生长［4-5］. 当机体内的益生菌充足时，则会处于健康的状态，相反一旦体内的菌群失去平衡就会出现免疫力低、腹泻、过敏、食欲不佳、等一系列症状，而这时添加适量益生菌，协助体内菌群平衡，才能使机体恢复健康［6］.

1.2 益生菌的作用机制

1.2.1 增强肠道粘膜的屏障功能

肠道是人体最大的免疫器官，在我们身体内起着十分重要的免疫作用，首先起到物理屏障作用的就是薄薄的肠粘膜，它会使我们的肠道与肠腔内的有毒物质保持着一定的距离，进入肠道后的益生菌，会与肠道内的细菌发生反应，增强肠道的化学屏障、机械屏障、生物屏障和免疫屏障［7］. 益生菌到达肠道内会与肠道细胞产生相互作用，其主要作用是恢复正常肠道通透性，刺激粘液产生，促进粘膜再生，维持粘膜屏障的完整性和肠道机械屏障的正常功能.

益生菌的粘附能力和其表面特性相关，当微生物菌株被认为是益生菌时，需要解决的先决条件是粘附到肠粘膜上，以便在施用的益生菌菌株和宿主之间建群并进一步相互作用［8］. 这种特定的相互作用是调节对病原体的拮抗作用和免疫系统的作用所必需的［9-10］. 肠上皮细胞分泌粘蛋白以避免病原菌的粘附［11］. 一些乳杆菌蛋白已经显示出对这种粘附的促进作用［12-13］. 肠粘膜屏障的完整性和功能与炎症、感染等疾病密切相关［14-15］. 有关研究表明，乳源性复合益生菌可以利用糖尿病大鼠肠紧密连接蛋白的mRNA及蛋白的表达，降低肠道通透性，缓解慢性低度炎症、降血脂及降血糖，改善内毒素血症，从而发挥抗糖尿病的作用［16］. 益生菌能通过改善患轮状病毒腹泻乳鼠的肠黏膜的组织病理学变化，使肠道分泌性免疫球蛋白A（sIgA）增加，从而保护肠道粘膜屏障，促进肠道粘膜屏障的恢复［17］.

1.2.2 抗菌效应

益生菌可以杀死有害菌，分解毒素，从而起到保护各个器官的作用. 增加肠道内有益菌的比例，降低有害菌的比例. 益生菌还可以有效地降低肠腔内的pH以及分泌细菌素，同时也可以控制细菌黏附在肠上皮细胞［18］. 由于益生菌所含的菌体对致病菌的拮抗作用，使致病菌的生长受到抑制. 抑制肠道疾病，减少氨以及其它腐败物质的生成、阻碍肠内细菌产生生物胺、吲哚和大肠杆菌内毒素等毒性物质.

1.2.3 促进消化吸收

益生菌对人体有益，通常被定植于肠道和生殖系统内，具有调节肠道菌群平衡，加快肠道蠕动速度的作用，从而提升消化能力. 产生消化不良的肠胃问题，主要是由体内消化液不足和肠道蠕动速度慢造成的（因为胃部、小肠的机械性研磨都属于蠕动）. 而益生菌的功效和作用就能在此体现，其在消化道中的工作原理是产生酸性物质，如乳酸、乙酸、过氧化氢（H2O2）等，使肠道pH值降低，肠道蠕动速度加快，提高食物的分解与吸收速率. 利用自身特有的酶（如半乳糖酶等）来补充消化酶在体内的缺乏，分解体内不能进行代谢的营养物质，如菊粉、抗性淀粉和一些抗营养物质等. 此外，益生菌还参与蛋白质、多糖和脂肪等物质的代谢，促进人体对这些物质更好地吸收.

1.2.4 增强系统的免疫反应

人体中大部分免疫细胞就集中在肠道中，肠道是人体最重要的免疫器官［7］. 益生菌就定植在肠道内，因此益生菌与人体免疫系统之间有最直接的关系. 有两类免疫方式，分别为体液免疫和细胞免疫.

体液免疫中，在不同条件的刺激下，B淋巴细胞会产生不同的免疫球蛋白. 在过敏原刺激下，B淋巴细胞会产生免疫球蛋白E（IgE），阻碍免疫球蛋白A（IgA）、免疫球蛋白G（IgG）的表达，并引起过敏反应，如皮疹和哮喘. 在益生菌刺激下，可促进分泌更多的免疫球蛋白，诱导细胞的免疫应答，并在肠道上皮形成一层保护粘膜，通过降低肠道的通透性，减少过敏反应. 不同类型抗体免疫球蛋白（IgA）增多，与保护免疫球蛋白的分泌小体结合成为sIgA，再由肠黏膜上皮细胞释放，抑制病原微生物的定植，增强免疫应答功能.当被细菌刺激时，则会产生IgA、IgG、免疫球蛋白M（IgM）三种免疫球蛋白，这时人体的抵抗力会被增强，同时入侵的细菌也会被清除.

细胞免疫方面，巨噬细胞可由益生菌激活，它能吞没和杀死许多病原菌，并能被诱导释放两类物质—白细胞介素6号（IL-6）和肿瘤坏死因子（TNF-α）. 肠道微生物群通过产生具有免疫调节和抗炎功能的分子来调节免疫系统，这些分子能够刺激免疫细胞. 这些免疫调节作用是由于益生菌与上皮细胞和树突状细胞以及单核细胞/巨噬细胞和淋巴细胞的相互作用［19］. 免疫系统分为固有免疫和适应性免疫. 适应免疫反应依赖于结合特定抗原的B淋巴细胞和T淋巴细胞. 益生菌有助于保持肠道内环境稳定，其作用是调节人体内的微生物，使微生物在体内繁殖.

1.3 肠道菌群与人体健康

肠道系统是一个空间庞大且复杂的微生态系统，是人体中代谢最为活跃的部分. 人体肠道与外部环境紧密相连，大量的微生物贮藏在肠道内. 人类的肠道在正常的生理状态下会有400~500 种细菌，数量高达1013~1014个，是人体细胞的10 倍以上. 小肠末端、盲肠和大肠都会含有大量的细菌. 它们主要由厌氧细菌、兼性厌氧细菌和好氧细菌组成，严格厌氧菌含量较多，达99%以上，然而有90%以上的是类杆菌和双歧杆菌［20-22］. 微生物的种类和数量在健康状态下相对平衡和稳定，被称为正常微生物群. 肠道菌群有生物对抗、免疫和抗衰老等作用. 有研究显示，正常状态下的肠道菌群在激活免疫系统、抵御外来病原体入侵、帮助身体消化和吸收、产生重要的代谢物和生物活性成分方面起着至关重要的作用［23-25］. 这表明，微生态系统对人体健康十分重要.

肠道中有益菌的种类和数量在一定程度上反映了人的健康状况. 双歧杆菌决定着肠道种群的平衡和稳定状态. 在正常情况下，影响肠道菌群平衡状态的因素有很多，如饮食、疾病、环境、压力等. 从而使有益菌群的数量显著减少. 有研究表明，在2周岁以上的婴儿中，肠道中双歧杆菌对婴儿的身体健康十分重要.随着年龄的增长双歧杆菌的数量会急剧减少，尤其是在老年时期. 而腐败菌，如梭菌和肠杆菌，则逐渐增加. 除此之外，我们在日常生活中的作息时间以及饮食规律也会对肠道种群的种类和数量产生不可忽视的影响，而长期大量摄入抗生素也是肠道菌群失衡的主要原因［20，23］. 因此，维持和调节人类肠道微生态平衡对预防疾病的发生和促进人类健康具有重要意义.

2 多糖研究现状

2.1 多糖生物活性

2.1.1 抗氧化活性

各种天然或合成多糖在体内和体外模拟条件下都具有良好的抗氧化活性. 抗氧化活性是由多糖分子强大的供电子或供氢提供的［26］，抗氧化剂通过清除人体内的活性氧来防止氧化损伤. 活性氧，如羟自由基.超氧阴离子（O2.-）、H2O2是在有氧条件下细胞代谢过程中由外界因素产生的，活性氧的过量产生导致许多疾病［27］，包括癌症、炎症、心血管疾病和神经退行性疾病. 许多研究表明，羧甲基化多糖对活性氧的清除能力优于其原始形式. 羧甲基化南瓜多糖对羟自由基和超氧阴离子的清除活性增强. 羧甲基化南瓜多糖对超氧阴离子的半数效应浓度（EC50）为0.43 mg/mL，而且这种改性多糖在0.8 mg/mL的浓度下对羟基自由基的清除率为80.3%［28］. 水羧甲基化后-不溶性灵芝多糖对羟基自由基有较强的清除能力（5 mg/mL时为83.7%），而粗多糖仅表现出中等的清除能力（10 mg/mL时为42.9%）.羧甲基化灵芝多糖对过氧化氢的清除率也从24%提高到51.6%（10 mg/mL）. 由此产生的抗氧化活性增强是由于羧甲基基团的引入增加了粗多糖的水溶性，这是结构变化导致氢键减少的结果［29］. 制备羧甲基化降解羊栖菜多糖，并通过测定自由基清除能力和总抗氧化活性来评价其抗氧化活性. 羧甲基化显著增强了降解多糖的活性［30］. 在最近的一项研究中，大蒜多糖被羧甲基化以获得羧甲基化大蒜多糖，并进一步由羧甲基化大蒜多糖合成羧甲基化硫酸化大蒜多糖和羧甲基化磷酸化大蒜多糖. 从抗氧化活性结果来看，羧甲基纤维素及其衍生物显示出剂量依赖性的清除能力. 羧甲基的加入增强了超氧阴离子的清除能力和抗脂质过氧化能力［31］. Wu等［32］人研究了超声波辅助浸提南瓜多糖的体外抗氧化活性. 结果表明，该多糖表现出较强的DPPH-自由基清除能力，其抗氧化作用机制与较强的氢传递能力有关. 多糖通过与DPPH-自由基结合形成一种稳定的化合物来终止自由基链式反应，从而发挥抗氧化作用.

2.1.2 抗肿瘤活性与癌症预防

恶性肿瘤，通常被称为癌症，是危害人类健康的最大疾病之一. 这些疾病可以影响身体的任何部分.在所有类型的癌症中，癌细胞开始不断分裂并扩散到周围组织. 如果扩散得不到控制，就会导致死亡. 当癌症发展时，局部组织细胞增生形成新生物，因为这种新生物多呈占位性块状突起，称为肿瘤，也称赘生物［33］. 它们的显著特征是癌细胞的恶性增殖和转移，入侵机体内的其他正常的细胞组织［34］. 有研究显示，肿瘤的生成与机体自身的免疫功能密不可分［35］. 多糖可以通过激活机体的免疫反应从而增强机体的免疫性能，发挥其抗肿瘤的活性，与传统治疗相比，具有毒性低和无副作用等优点. 因此，它被广泛用于肿瘤的辅助治疗. 研究发现多糖的羧甲基化增强了天然多糖的抗肿瘤活性. 目前开发的天然多糖抗肿瘤药物有香菇多糖、黄芪多糖、猪苓多糖等［36］.

2.1.3 降血糖活性

糖尿病和高血糖都属于慢性代谢疾病，其主要由于人体胰岛素分泌不足或胰岛功能紊乱引起. 除了尿液或血液中的葡萄糖水平异常外，这种疾病还会导致各种并发症，对人类健康构成严重威胁［37］. 虽然一些传统的口服药会降低血糖的水平，但会对身体的其他器官有一定的损害. 近年来有研究表明，天然多糖及其衍生物可以发挥调控酶活性的作用，促进胰岛素分泌，修复受损胰岛组织等方面发挥作用，相比传统的口服药物，有很好的辅助治疗效果［38］.

2.1.4 降血脂活性

高脂血症是一种代谢紊乱性疾病，由脂质代谢异常引起，很容易造成各种心脑血管类疾病的发展. 到目前为止，药物仍然是治疗高脂血症最有效的手段之一，但长期的服用药物会产生依赖性和副作用. 因此，开发具有治疗高脂血症的天然产物至关重要. 许多研究表明，多糖在降血脂方面有很好的活性，可作为治疗高脂血症的补充.

2.1.5 抗病毒活性

某些天然多糖，如灵芝多糖、人参多糖等，具有一定的抗病毒活性. 对乙型肝炎病毒模型小鼠（287.95 mg/kg）施用黄芪多糖可使体内肝炎病毒基因的表达得到显著抑制，降低乙型肝炎病毒的表面抗原活性，为乙型肝炎的治疗提供全新的思路［39］. 另外，有些多糖本身不具有抗病毒活性，但经过分子修饰之后，可显著提高其抗病毒活性.

此外，某些多糖具有特殊的活性. 如抗性淀粉不能被小肠内的酶分解，在体内消化、吸收、进入血液缓慢，具有一定的辅助减肥功效.

2.2 多糖的益生元作用

2016年，国际益生菌与益生元科学协会（ISAPP）重新定义了益生菌，能够改善肠道菌群平衡，并对宿主有益的细菌［40］. 虽然多糖的药理学效果尚不清楚，研究人员就多糖难以直接消化吸收、但能作为肠道菌群的碳源，促进益生菌生长、用代谢产物调节肠道菌群的作用达成了一致. 还可保护肠黏膜屏障增加短链脂肪酸的含量发挥其益生元作用，建立“多糖-肠道菌群-疾病（健康）”的关系，阐明多糖的益生菌机制［2］.

3 益生菌与多糖的关系

3.1 益生菌参与多糖代谢

益生菌可以利用自身特定的酶（例如半乳糖苷酶）来弥补宿主在消化酶上的缺乏，这些酶在消化过程中参与蛋白质、多糖、脂质等物质的代谢. 还可消化如α-半乳糖、抗性淀粉及一些抗营养因子等这些宿主不能代谢的营养物质. 益生菌可以在肠道中产生多种营养物质来参与体内新陈代谢. 如B族维生素（主要是核黄素、叶酸、维生素B12）、氨基酸、短链脂肪酸等. 肠道微生物通过从宿主肠道摄取营养物质，更新自身组织，并向体外释放不可用的物质，这种形式就参与了宿主对营养物质的消化、吸收与代谢. 肠道菌群主要通过糖酵解途径、磷酸戊糖途径和糖类厌氧分解途径等进行代谢，并能降解多糖，生成单糖，从而促进机体的吸收和利用，同时产生具有一定生物活性的代谢产物. 多糖经口服进入肠道，促进有益菌群的生长，经降解酶分解后，转化为次生代谢物或发酵产物，被人体吸收利用，改变宿主代谢. 肠道菌群主要通过参与宿主体内糖、蛋白质和脂肪等营养大分子物质的代谢，影响宿主对营养物质的消化、代谢和吸收，进而调控宿主营养水平、免疫和肠脑神经系统.

肠道中共生菌能分解多糖和低聚糖，包括膳食植物动物来源的软骨组织以及宿主自身来源的粘液多糖，来自饮食以及内源性多糖的含量以及化学组成的波动，塑造了一个动态的肠道环境，影响着肠道微生物的组成［8］.

3.2 多糖促进益生菌生长和繁殖

益生菌是一种微生物，它在肠道内定居，对宿主有益. 多糖能促进人体肠道内益生菌的增殖，改善肠道微生物多样性［41-42］. 多糖进入肠道，转化为碳源，促进有益菌的生长. 经碳水化合物活化酶分解转化为次生代谢产物或发酵产物，从而影响机体细胞增殖和细胞凋亡，调节机体免疫系统并使宿主代谢改变［2］.

多糖促进益生菌生长代谢的报道有很多，如黄梅英［43］体外实验研究了菜籽多糖对双歧杆菌和乳杆菌的增殖作用. 结果表明菜籽粗多糖、菜籽多糖1（RP1）、菜籽多糖2（RP2）对实验菌株（青春双歧杆菌、婴儿双歧杆菌、两歧双歧杆菌和嗜酸乳杆菌）均有明显的促进增殖的作用；刘丽莎等［44］研究了白术多糖对益生菌的促进生长作用，发现促生长效果最佳的是婴儿双歧杆菌、青春双歧杆菌、动物双歧杆菌、植物乳杆菌；Tadayoni Mehrnoosh等［45］研究发现，与菊粉相比，橡子粗多糖可以显著促进植物乳杆菌A7的生长.Wang X等［46］发现，菜籽多糖可以促进益生菌如双歧杆菌、青春乳杆菌、嗜酸乳杆菌等的生长. 王丽波等［47］对硒化蒲公英多糖的制备、结构表征及益生菌促增殖活性进行研究，结果表明，随硒化蒲公英多糖（sDRP）浓度的增加，对植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌的促生长作用显著增强，同时产生酸性代谢产物，说明sDRP可被益生菌利用. 钟千贵等［48］研究了猴头菇多糖对胃肠道益生菌生长的影响，结果表明，促进胃肠道益生菌的生长的最佳量是0.3%~0.5%的猴头菇多糖；添加量为7%的猴头菇多糖可提高益生菌对胃肠道消化液的耐受力. 猴头菇多糖有增强肠胃益生菌对胃液、肠液的耐受力，调节胃肠内的益生菌的菌群结构；促进胃肠道内原有益生菌的生长，增加益生菌的数量，调节胃肠蠕动的作用.

4 结论与展望

随着人们对益生菌与多糖关系的深入研究，益生菌与多糖之间的相互作用，越来越受到人们的重视，然而这些研究还存在一些不足，多糖的种类、分子量和糖苷键连接方式与益生菌之间的关系仍不清楚，多糖通过调节肠道益生菌而发挥多种生物活性的机制仍待进一步揭示. 虽然已有学者证明了多糖对益生菌的调控作用，但是实验方法和研究理论还需进一步完善. 因此，研究益生菌与多糖之间的关系，并揭示其发挥的生物活性作用机制至关重要.

益生菌是当今研究的一大热点，研究的领域十分广泛. 其中，实施多糖益生菌封装技术，有效地将益生菌输送到人体内，以及一些发酵乳制品的研制，将是未来益生菌产品研究的主要方向. 总之，益生菌对人类的益处并不局限于眼前. 相信通过对益生菌、多糖等相关研究的深入，可以为未来人类健康和社会发展带来更大的效益.