益生菌科学研究十大热点及行业发展建议

（中国食品科学技术学会益生菌分会 北京100048）

近年来，国内外学者在益生菌的资源、功效、作用机制及安全性等方面进行了大量的科学试验研究，益生菌科学取得了长足的发展，至今热度不减。随着系统生物学、合成生物学、多组学等新技术的兴起与发展，为益生菌科技与产业发展提供了新的思路和发展机遇，益生菌研究领域涌现出诸多新的学术观点与学术成果。在2021—2035年国家中长期科技发展规划和“十四五”规划编制之际，为聚焦当前益生菌科学的研究热点，对益生菌研究领域亟需破解的关键共性问题作出基本判断，2020年4月起，中国食品科学技术学会益生菌分会（以下简称“分会”）组织相关科研工作者基于文献计量，对2001—2020年期间中国知网期刊数据库和Web of Science 数据库中关于益生菌的文献中关键词进行词频统计分析，结合科技界及产业界相关科技工作者对益生菌领域高频关键词的聚类分析，凝练形成“益生菌科学研究十大热点”；结合益生菌分会2020年收集到的来自149 家单位的720 份益生菌行业调研问卷进行分析，对未来益生菌科技与产业发展提出相关建议，供广大从事益生菌领域研究与应用的工作者参考。

1 益生菌科学研究十大热点

1.1 益生菌与消化道健康

人体消化道从口腔、胃、小肠到大肠分布着约10 万亿个微生物，消化道的微生态平衡影响着机体的健康状况，已得到广泛的认可。益生菌与消化道健康的关系，在其功效研究中受到普遍的关注。益生菌对龋齿和牙周炎等口腔疾病[1]，幽门螺杆菌感染引起的胃炎及胃溃疡[2]，肠道微生态紊乱引起的肠易激综合征[3]，炎症性肠病[4]等消化道疾病的防治功效得到了大量的科学验证。研究表明，益生菌对消化道健康的作用机制主要是通过调节消化道微生态平衡，抑制致病菌生长和黏附，降低炎症反应及提高机体免疫力等[5]，而不同益生菌菌株的作用机制、临床效果及人群差异性，尚需得到循证医学的证实。

消化道中绝大多数微生物是厌氧的，如何在体外模拟肠道菌群和人体消化道之间的相互作用是制约本领域研究的瓶颈问题。国外研究者开发了“厌氧肠道芯片”，可模拟人体生理状态，实现肠道上皮与复杂菌群的稳定共培养，为研究益生菌与人体消化道健康的关系提供了新技术[6]。此外，肠道微生物采集胶囊也已经研发成功[7]，对研究益生菌在肠道内的作用机制提供了新方法。

1.2 益生菌与免疫调节

免疫是人体健康的基石，一旦其功能失调，机体可能会产生过敏、肿瘤或易受到病毒感染等健康问题。研究资料显示，人体70%的免疫力来自肠道，因此，肠道被称为人体最大的“免疫器官”[8]，也是益生菌发挥作用的重要场所。科学研究表明，益生菌可通过产生增强肠道黏膜屏障功能，抑制致病菌生长和粘附，调控免疫细胞活性及促进免疫因子产生等方式，调节机体免疫功能[9-11]。然而，益生菌的免疫调节作用具有菌株特异性，特定抗原的益生菌菌株筛选，免疫调节作用功效及机制等尚有待深入研究。

人体免疫系统是极其复杂的全身性防御网络系统，通过免疫组学研究益生菌对机体免疫功能的调节机制，建立免疫相关的分子库，解析作用的功能成分及其靶点，将为揭示益生菌对机体免疫调节作用提供新的思路。

1.3 益生菌与代谢综合征

以肥胖、Ⅱ型糖尿病、高血脂和高血压等代谢紊乱为特征的代谢综合征，近年来发生率不断攀升，已成为严重影响大众健康的社会问题[12]。研究表明，肠道菌群紊乱是导致代谢综合征发生的因素之一，益生菌可通过调节肠道微生态，调控机体代谢而重塑健康的肠道内环境，缓解代谢综合征的发生与发展[13-14]。临床研究发现，以乳杆菌和双歧杆菌为代表的益生菌可通过改善肠道菌群及肠道完整性，刺激宿主产生饱腹感，减少系统性脂多糖水平，刺激胰岛素信号传导，降低血脂和胆固醇，增加短链脂肪酸产量以及下调炎症信号等途径缓解代谢综合征[15-16]。然而，目前大多数研究集中在益生菌与代谢性疾病之间的相关性，对二者因果关系探讨甚少[17-18]。究其原因，主要归结于各类代谢性疾病的病因复杂性，益生菌菌株的特异性，益生菌在代谢综合征的不同作用机制等[17，19]。

未来仍需针对各种代谢紊乱及不同人群开展个性化益生菌菌株的筛选及临床疗效验证等研究，深入探究益生菌调控代谢综合征的作用途径、机制及影响因素。

1.4 益生菌与肠-X 轴

研究者认为，人体中高达90%的血清素是在肠道中产生的[20]。临床研究表明，肠道微生物可以通过影响连接肠道和大脑的复杂网络，即肠-脑轴，来调控宿主情绪和行为[21]。肠道和脑之间通过涉及神经、内分泌和炎症机制的通路进行双向沟通，肠道屏障和血脑屏障通透性的变化影响肠-脑轴[22]。肠-脑轴的破坏可引发神经发育障碍相关的疾病，包括IBS、自闭症、焦虑、多动症、肥胖等，而“精神益生菌”或可用于调节脑功能及行为[22]。此外，肠道菌群与人类共进化的过程中，也与机体其他器官和组织（肺、肝、肾、肌肉和骨骼等）建立了错综复杂的双向互作关系（以下简称“肠-X 轴”），如肠-肺轴、肠-肝轴、肠-肾轴、肠-肌肉轴和肠-骨骼轴等[23-24]。近年来的研究表明，肠-X 轴的互作可成为相关疾病新药开发的靶点，益生菌可通过涉及肠神经、免疫系统、肠内分泌信号、短链脂肪酸等的途径和介质，与各器官进行双向交流来调节机体组织、器官功能及行为，进而影响宿主健康[22，25-26]。

基于益生菌的有益作用，已将其作为有效干预手段应用于调节肠道微生态和其他器官机能，而其生物学机制尚不清楚[27]。今后研究应该集中于应用多组学的新技术，突出具体“贡献度”问题，考虑菌株特异性和使用剂量因素，以便更深入地了解其作用机制。

1.5 精准益生菌的筛选与功能预测

益生菌的功效评价应聚焦于菌株水平，这一观点已成为科技界的广泛共识[28]。益生菌功效受其生境来源、宿主饮食、年龄、性别、基因背景等因素影响，需要注重个性化差异，精准筛选益生菌。随着科技的进步，用于干预肥胖、口腔疾病、糖尿病甚至心脏病等的特定功能益生菌，可能在未来十年里出现。我国地域辽阔，不同地区传统发酵食品中含有大量优良发酵特性和益生作用的菌株[29]，而特定功能益生菌的筛选可以挖掘丰富的食品微生物资源。另外，特定功能的益生菌株也可从不同健康人群的肠道微生物中分离得到。

采用基于表型、基因分型和靶标的自下而上的菌株筛选策略，联合多组学技术，多尺度建立快速、精准的益生菌筛选方法和功能预测技术，开发针对不同人群（婴幼儿、老年人群、亚健康人群、疾病患者等）的个性化的具有特定功能的高品质益生菌菌株，并以合适的方式给予安全、高效的个体化益生菌干预，平衡人体的微生态，从而实现有效预防疾病的发生与发展，维护机体健康的目标[30-31]。

1.6 益生菌与膳食互作

膳食与肠道菌群的互作已成为人体健康调控新靶标[32]，是益生菌领域关注的热点之一。不同膳食模式及不同食物种类对宿主肠道内源益生菌的影响存在差异。外源补充益生菌是调控肠道菌群的重要手段之一。研究表明，补充的益生菌具备特定酶系，能够通过生物化学反应转化膳食中的组分，形成更易被吸收、活性更高的新型物质；同时，某些膳食组分能够促进特定益生菌的增殖，两者复合食用后可促进益生菌在肠道的增殖与代谢，发挥更好的健康功效[33]。

以膳食纤维、药食同源的植物提取物等为代表的功能性膳食补充剂，对内、外源益生菌的生长和功能均具有调控作用，可增加产短链脂肪酸的益生菌数量，调节菌群失调，保护肠道屏障，缓解神经炎症及缓解代谢综合征等[34]。人体基因型和肠道菌群共同决定表型，而“食物-益生菌-代谢”通路与人体的互作机制尚有待深入研究。

1.7 益生菌与后生元/类生元

近年来，有研究报道灭活益生菌也可对人体健康发挥作用[35-40]，而相应的益生菌菌株发挥功能作用的物质基础也逐渐被识别[41-44]，进而衍生出“后生元/类生元”的概念。后生元/类生元是益生菌经灭活处理后仍能发挥作用的代谢产物或菌体成分，其具有调节机体免疫力，保护肠道屏障及调节肠道菌群等健康功能[45]。研究表明，后生元/类生元对胃肠道生理环境和生产加工条件具有更强的耐受力和稳定性，具有较好的应用前景[46]。

目前，受研究技术手段的限制，大多数研究仅关注到蛋白质、多糖等大分子活性物质，并未进行更高分辨率的效应物质识别。益生菌代谢产物的分离鉴定及功能学评价是后生元/类生元能否市场化的关键，同时，后生元/类生元发挥作用的量效关系以及在肠道中的代谢动力学，也需要进一步深入研究[47]。

1.8 益生菌与新兴技术

随着微生物组学、分子生物学、生物信息学等基础学科和现代生物技术的不断发展，更多高效、可靠、高性价比的新兴技术被引入益生菌的研究中。全基因组测序、单细胞测序、宏基因组学、转录组学、蛋白质组学及代谢组学等技术，可以从菌种的DNA-RNA-蛋白质-代谢产物等不同水平，深入揭示菌株遗传信息、进化关系、生理特性、代谢网络、功能机制及其工业应用潜力[48-50]；培养组学和合成生物学等技术也为筛选和开发具有特定功能的新一代益生菌提供了方法学支撑[51-56]；多组学数据库的不断扩大，及整合多组学数据的新算法开发，将有助于研究人员在现有数据基础上进行深入挖掘，为益生菌机制层面的研究提供助力[57-59]。

在产业化应用方面，更多新兴技术被应用于益生菌的包埋、干燥、递送、检测等方面，如利用新型壁材实现菌株的逐层封装和靶向肠道递送[60]，基于流式细胞术实现活菌的快速实时检测等[61]。未来必然有更多生物、医疗制药相关领域等前沿技术被应用于益生菌产业，从而进一步提升产业的科技竞争力。

1.9 新一代益生菌与益生菌新机制

基于肠道特定共生菌开发的新型益生菌（也称新一代益生菌）是研究的热点之一。新一代益生菌的主要特点是：①来源于宿主肠道固有共生菌，与宿主有较长的共同进化史，适应宿主肠道环境；②在宿主肠道菌群中丰度可大可小，而与其它菌群具有丰富的物质交流，对平衡宿主肠道菌群发挥重要作用；③产生特定代谢产物，对宿主生理功能产生重要作用[62]。除了传统的乳杆菌和双歧杆菌等有长期食用历史的益生菌来源外，Akkermansia muciniphila，Faecalibacterium prausnitzii，Eubacterium hallii是目前研究较多的人体共生菌株，具有提高肠道黏膜屏障和改善代谢性疾病的潜力，是新一代益生菌的候选菌株。新一代益生菌仍处于研究阶段，主要是针对特定疾病开展临床效果评估及功能机制解析，为开发新型药物积累了基础数据。目前，新一代益生菌的临床功能、安全性证据仍不充足；另外，还需要针对菌株益生功能与机制，环境耐受能力，生长特性，产业化应用技术开展深入研究，同时开展法规建设，以便推进新一代益生菌的应用[63]。

随着肠道菌群与宿主健康关系研究的不断深入，肠道菌群内稳态机制，菌群与膳食成分互作关系，菌群与其他器官（肠-X 轴）交流物质基础等问题被逐步阐明，解析与宿主生理功能密切相关的肠道分子靶点成为新的研究热点。而研究益生菌对肠道菌群代谢网络的作用，通过特异性调控肠道分子靶点及代谢途径，实现对宿主健康问题的干预，成为益生菌作用机制研究的新热点。

1.10 益生菌与食用安全

益生菌的安全性是益生菌应用的基础。益生菌的安全性主要由菌株天然属性决定，需要具备的特性有：①菌株来源清晰，有明确的分离源及分离条件，一般来源于传统发酵食品或健康人体肠道的菌株，其安全性较高；②经过安全性评价，并在功能评价试验中对宿主没有明显风险。

常用的益生菌是乳杆菌和双歧杆菌，一般来源于传统发酵食品或健康宿主肠道，来源清晰，具有较高的安全性。我国规定《可用于食品的菌种名单》中的菌种无需进行安全性评价，可直接用于普通食品。目前认为虽然摄入益生菌可对适宜人群的健康发挥作用，但是临床上对于免疫缺陷和危重病人不推荐进行益生菌干预[64]。

在新菌株及新一代益生菌的开发应用过程中，益生菌安全评价必不可少。针对不同菌株特异性的安全评价，以及针对不同特定人群或个体的风险评估，是益生菌食用安全性评价的未来方向[65]。

2 益生菌行业发展的思考与建议

基于益生菌的益生功能，使其成为调节身体机能和促进人体健康的产品，是益生菌领域研究的最终目标。在这一过程中，建议科技界与产业界携手加强以下几个方面的工作：

2.1 突破技术瓶颈，提高原料品质

在益生菌原料生产和应用过程中存在的技术瓶颈问题：

1）菌种的培养与高效富集 在菌种高密度培养过程中，会受到pH、渗透压等胁迫，影响益生菌的高效富集。当前国内益生菌的活菌数量以每克原料菌粉千亿级为主，下一步如何达到万亿级的技术升级，是迫切需要突破的工艺技术难题。

2）菌种的存活率和货架期稳定性 在制备过程中，环境温度、湿度、氧气等因素导致菌种的存活率下降。在货架期内，常温贮存，益生菌产品活菌数出现衰减；若冷链贮存则成本增加。

开发益生菌的高密度培养、高活性制备和高稳定性贮存的关键技术，提升其原料品质，是益生菌高效生产和应用的基础。未来，要从菌株种子选育、工艺技术等方面不断进行升级改进。在菌种选育上要挖掘解析益生菌生长调节和代谢反馈的关键基因和代谢通路，高生物量发酵调控的共性分子机理，原料加工和贮运过程细胞活性损失与菌体死亡的诱导因素等。在工艺上，对菌株的冻干工艺、菌体分离工艺、包埋工艺及生产设备进行改进和升级成为我国益生菌产业化的重要支撑。

2.2 强化基础研究，提供科学依据

聚焦益生菌的临床试验已成为未来发展趋势，也是开发精准干预肠道微生态的益生菌产品的科学依据。大量体外试验、动物实验证实了益生菌对宿主的生理调节功能，然而，体外细胞试验和动物实验仅可作为初步筛选手段，只有结合人体临床试验数据，特别是基于大规模人群队列以及具有严格质控的益生菌干预临床试验的结果才更加可靠。

为此，益生菌行业需要进一步强化其基础科学研究，深入解析益生菌的作用机制，建立开展临床试验的规范和指南，通过科学试验数据界定益生菌的食用剂量，提高消费者食用益生菌产品的功效。益生菌的基础和功效研究具有挑战性，需要不同学科的交叉融合并协力推进。

2.3 重视菌种安全研究，完善标准法规

建立完善的益生菌标准法规体系，是益生菌行业健康发展的基础保障。益生菌行业在我国的发展仅20 余年，其相关标准法规体系还处于不断完善的过程中。益生菌在安全性研究上主要存在以下问题：

1）益生菌对多种抗生素的耐药性评价原则和基于组学技术评估菌株所携带耐药基因的可传递性的标准评估方案亟待建立；

2）益生菌对婴幼儿、老年体弱者、慢性病患者、孕妇、乳母等特殊人群的安全性研究还相对缺乏。

为此，利用当前日益成熟的微生物组学技术，从遗传背景方向全面阐述益生菌可能携带的致病性、耐药性、环境抗性基因，强化益生菌与特殊人群的安全性评价，将对未来益生菌的安全性研究及标准法规制定提供有力支撑。

2.4 达成广泛共识，持续开展科普宣传

益生菌行业的健康发展离不开良好的社会舆论环境以及消费者的科学认知。将益生菌的科学知识以科技界广泛共识的形式总结出来，传递给消费者，成为当前科普工作的有效方式。

益生菌的科普工作是一个循序渐进的长久课题，其科学研究与科普传播是一个有机整体，一方面科技成果及时转化为科普知识，以提升消费者的科学认知；另一方面，科普过程中遇到的模糊科学问题，及时反馈到科学研究上，二者互通，使科学认知得以不断提升。益生菌科技与科普之间的有机结合与良性互动，将使益生菌行业的科普工作充满活力。

3 结语

益生菌行业作为我国食品工业的重要组成部分，在我国每年以15%～20%的增速快速发展，已成为支撑并带动我国食品工业健康转型升级的重要引擎之一。在国际上，益生菌行业也已成为世界上重要国家抢占新一轮科技与经济发展制高点的战略举措。对益生菌领域研究热点及产业发展瓶颈问题进行深入分析，攻克科技与产业发展中的卡点，将为益生菌行业向价值链高端迈进提供重要保障。

顾问：

陈 卫 中国工程院院士、江南大学

任发政 中国工程院院士、中国农业大学

共同执笔人：

张国华 山西大学

翟齐啸 江南大学

易华西 中国海洋大学

孙志宏 内蒙古农业大学

赵 亮 中国农业大学

陈 铮 中国食品科学技术学会

罗江钊 中国食品科学技术学会

参与讨论与审阅专家（按姓氏汉语笔画排序）：

云战友 内蒙古伊利实业集团股份有限公司

石汉平 首都医科大学附属北京世纪坛医院

平野 晋 养乐多（中国）投资有限公司

朱 宏 石家庄君乐宝乳业有限公司

杨瑞馥 军事科学院军事医学研究院微生物流行病研究所

何国庆 浙江大学

张兰威 中国海洋大学

张和平 内蒙古农业大学

金 苏 杜邦营养与生物科技

姚 粟 中国食品发酵工业研究院

徐 进 国家食品安全风险评估中心

董 英 江苏大学