益生元及其应用研究进展

刘 波，刘通通，张祥奎，王 涛，张春晓，李 敏，郑晓阳，王大鹏，张岱州，孟祥璟＊

（1. 山东省药学科学院 山东省生物药物重点实验室，山东 济南 250101；2. 滨州中裕食品有限公司 农业农村部小麦加工重点实验室 国家小麦加工产业技术创新中心，山东 滨州 256600）

益生元是在益生菌概念的基础上提出的，最早被定义为“一种不可消化的食物成分，它通过选择性地刺激已经存在于结肠中的一种或有限数量的细菌，改变其生长和活性进而有益地影响宿主”[1]。随着微生物研究工具的创新和升级（如高通量测序），人们对微生物群落组成的认知更加全面，益生元的研究也更加广泛和深入。益生元可直接或间接地在肠道内外发挥作用，应用领域包括食品、化妆品、牲畜养殖等。2016年国际益生菌与益生元科学协会（ISAPP）对益生元进行了重新定义：在有益于宿主健康的前提下，可被宿主肠道菌群选择性利用和转化的物质。新的定义中益生元包括非碳水化合物，作用部位不仅限于胃肠道内，其类型也不仅限于食物[2]。

1 益生元的种类、制备及作用机制

1.1 益生元的种类

目前主要使用的益生元包括菊粉及其衍生的低聚果糖（fructo oligosaccharide，FOS）、乳果糖（lactulose oral solution，LOS）和低聚半乳糖（galacto oligosaccharides，GOS）等[3]，以及多糖、微藻类、植物类等。许多其它潜在的益生元最近已被研究，包括人乳低聚糖、异麦芽低聚糖、低聚木糖、阿拉伯木聚糖、果胶低聚糖和抗性淀粉[4]。多数情况下益生元对乳酸杆菌属和双歧杆菌属有益[5-6]。

1.2 益生元的制备

益生元可通过多种途径制备，主要包括天然原料提取法、微生物发酵法、酶水解和转化法、化学合成法、酸水解或碱转化法。其中酶水解和转化法通常用于益生元的工业化生产，生产过程大致包括酶发酵、低聚糖的酶法合成和分离精制。此外，还可通过增强酶的活性提高益生元的产量，此类益生元具有产物均一性好、反应条件温和、环保等优点，但仍需寻找廉价酶减低成本和优化反应体系[7-8]。

1.3 益生元的作用机制

人体将未消化的碳水化合物转运至大肠，由肠道内的菌群对其进行降解，产生某些次级代谢产物，这些产物被肠道上皮吸收或通过门静脉运至肝脏，可对宿主生理过程产生影响[9]，发挥调节免疫、抵抗病原体、改善肠道功能、增加矿物质吸收、影响代谢和饱腹感等作用[10]。肠道中含量最丰富的短链脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA）是有益菌代谢的乙酸盐，它有益于保持肠道和全身的健康[11]。在食用某些益生元后，如低聚木糖、菊粉[12]，促进了有益菌群生长，达到增强有益菌改善宿主健康的作用。

2 新兴益生元

现有常见的益生元有菊粉、FOS、LOS、GOS和人乳寡糖（human milk oligosaccharide，HMO）。随着技术的进步，益生元的制备方法得到优化，新的益生元种类不断被开发，主要包括多糖、多酚及多肽聚合物。尽管针对这些益生元的认知还不及FOS和GOS，但是它们的潜力值得深入研究，具有广阔的发展前景。

2.1 多糖类

2.1.1 桑葚 体外研究发现，桑葚中的果胶多糖可被多形拟杆菌降解并促进其生长，其降解物或可通过调节肠道菌群促进健康[13]。

2.1.2 瓜尔豆 在服用水解的瓜尔胶之后，志愿者肠道内菌群代谢产物丰度增加，粪便性状改善，排便频率显著增加，且停止服用后效果消失[14]。

2.1.3 罗望子 利用体外胃肠道模拟消化和粪菌体外发酵体系评价罗望子种子多糖的代谢研究中发现，大部分种子多糖在肠道中与菌群相互作用，使短链脂肪酸的含量升高，抑制了致病菌埃希氏菌和多雷亚菌的生长，促进了有益菌乳酸菌、副拟杆菌、普氏菌属和粪杆菌增殖[15]。

2.1.4 海藻 包括麒麟菜、泡叶藻、墨角藻、海带和坛紫菜等，这些藻类中的多糖可调节肠道菌群，总SCFA含量显著增加，尤其是乙酸和丙酸，增强了免疫应答[16-18]。

2.1.5 箭竹 箭竹竹笋的膳食纤维（dietary fiber，DF）有胆固醇吸附能力，在体外使用人粪便菌群发酵后，竹笋中的可溶性膳食纤维（SDF）和不可溶性膳食纤维（IDF）均可促进乳杆菌属及双歧杆菌属生长，并增加短链脂肪酸（SCFA）产生[19]。

2.1.6 中药材 在喂食小鼠灵芝和茯苓多糖后发现，肠道内有益菌的丰度显著增加，此类细菌可产SCFA、降解多糖/木聚糖、抗肥胖和产生乳酸，促进健康[20]。此外，溶剂浓度和制备方法不同，可导致出现不同的益生元活性。30 %乙醇沉淀分离的莲子抗性淀粉对双歧杆菌和嗜酸乳杆菌的益生元活性，比20 %乙醇制备的高[21]。相较于压热法和酶辅助压热法，超声波辅助压热法和微波法制备的薏苡仁抗性淀粉作用于双歧杆菌后，双歧杆菌的存活率更高；微波法制备的薏苡仁益生元功能最强[22]。

2.1.7 酿酒酵母 酿酒酵母的细胞壁外层存在一类生物多糖即甘露聚糖，甘露聚糖显示出抑制抗平滑肌增生/肥大的效果，可作为防治哮喘的新兴益生元[23]。

2.2 多酚类

新开发的具有益生元效应的多酚类物质主要存在于水果中，包括黑树莓、蓝莓、柑橘、石榴、黑果枸杞等。研究发现，食用黑树莓后，结肠中的梭菌属、乳酸菌属和Barnesiella属丰度增加，菌群的变化又影响黑树莓的代谢。其代谢产物原儿茶酸具有保健功效，被吸收、分布到各组织和器官中后，在肠道和全身发挥活性功能[24]。蓝莓中的多酚可降低体重增长并改善肝脏和脂肪组织中的脂代谢，抑制有害菌生长，促进益生菌的增殖[25]。柑橘皮中的多甲氧基黄酮提取物通过调节高脂喂养的小鼠肠道菌群，使卵形拟杆菌丰度增加，改善氨基酸代谢，有效减轻代谢综合征[26]。石榴汁经乳酸菌发酵后，其抗氧化能力的增加和乳酸菌生存率的升高，均与生物转化产生的儿茶素和α-石榴多酚两种新物质相关[27]。黑果枸杞中的花青素及其单体P3G作用于经葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎小鼠，小鼠体内促炎细胞因子降低，肠道有益菌群增加，短链脂肪酸含量升高，各体征恢复正常[28]。

2.3 多肽聚合物类

γ-多聚谷氨酸可以用来调节肠道菌群，研究发现，喂养经芽孢杆菌发酵产生的γ-多聚谷氨酸后，小鼠肠道菌群中乳杆菌的丰富度增加，梭菌丰富度减少[29]。

新兴益生元的种类汇总见表1。

表1 新兴益生元的种类

3 益生元的应用

3.1 疾病防治与保健

益生元有减轻便秘、预防及缓解肠道疾病、平衡肠内微生态、降低血脂浓度、缓解精神系统疾病、促进矿物质吸收、增强免疫系统和延缓衰老等功效[30-32]。

3.1.1 减轻便秘 研究发现，菊粉对肠道菌群的组成有积极影响，特异性增加了可产生有益于人体的丁酸盐的Anaerostipes、双歧杆菌属，降低可产生对宿主有害的硫化氢的嗜胆菌属相对丰度，使粪便更加蓬松，改善便秘[33-34]。

3.1.2 增强免疫、预防及缓解肠道疾病 在喂养小鼠的饲料中加入益生元，如菊粉和黏蛋白，可诱导抗肿瘤免疫应答，达到抑制BRAF突变黑色素瘤生长的效果。菊粉能抑制结直肠肿瘤和黑色素瘤的生长，增强MEK抑制剂对黑色素瘤的效果，延缓耐药发生[35]。长链菊粉和寡糖的混物物降低了盲肠和结肠中炎症以及促炎性细胞因子白介素-1β的表达水平，抗炎性TGF-β 增多，同时盲肠内的乳酸杆菌和双歧杆菌的数量增加[36]。另外两种益生元乳果糖和羊奶低聚糖显示出降低大鼠葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎的作用[37-38]。

3.1.3 平衡肠道微生态 相关研究开发了一种给药系统，通过二硫键将十二硫醇与低聚木糖类似物结合，形成一种可被硫化氢切割的两亲分子。这种分子形成囊泡包裹住抗生素，当硫化氢存在时便可释放药物，达到靶向性清除产硫化氢的沙门菌的效果。这种给药系统能防止抗生素在肠道中被吸收，使抗生素顺利到达感染部位后再定点释放，同时减轻了抗生素对肠道正常菌群的影响，显著提高肠道内的有益菌含量[39]。

3.1.4 降低血脂浓度 代谢综合症是一系列疾病，会增加患心血管疾病的风险。研究评估了低聚半乳糖混合物（B-GOS）对45位超重成年人的代谢综合征、肠道菌群和免疫功能标志物的影响，发现B-GOS会对肠道菌群的组成、免疫反应以及胰岛素、TC、TG的浓度产生积极影响[40]。在饮食中，相比单独服用益生元或大豆，大豆食品与益生元结合可显著改善脂质状况，益生元的加入可增强大豆食品作为降低血清胆固醇饮食策略的有效性[41]。

3.1.5 缓解精神系统疾病 微生物群-肠-脑轴在健康和疾病（如神经精神疾病）中起着至关重要的作用。Burokas等[42]研究小鼠的慢性FOS和GOS治疗是否改变了与焦虑、抑郁、认知、压力反应和社交相关的行为，研究发现，给予GOS和FOS+GOS联合用药可减少应激诱导的皮质酮释放；降低了异丁酸盐的浓度；降低促炎性细胞因子水平及抑郁样和焦虑样行为。

3.1.6 促进矿物质吸收 24名健康女性随机平分成两组，分别为益生元组和对照组，其中益生元组每天补充含混合益生元的酸奶。结果表明，益生元组健康女性的血红素铁的生物利用度显著增加了56 %，对照组则无显著差异[43]。

3.1.7 延缓衰老 免疫衰老是与衰老相关的一个因素，可被定义为免疫力随着年龄的增长而下降，是许多与年龄相关疾病的潜在致病因素。在一项研究中，健康志愿者和小鼠分别口服含双歧杆菌Bi-07、嗜酸乳杆菌NCFM和低聚异麦芽糖的发酵乳，两者的粪便中双歧杆菌和乳酸杆菌数量增加，且小鼠的迟发型超敏反应、斑块形成细胞和半溶血值显著增加。该发酵乳有助于改善肠道健康，可能对宿主动物的体液免疫和细胞免疫产生积极影响，进而延缓免疫衰老[44]。

3.2 畜牧养殖

抗生素的长期滥用会导致动物肠道菌群微生态失衡、免疫力低下，引发内源性感染、二重感染和药物残留等问题，这促进了益生元作为饲料添加剂在养殖业中的应用。商品化的益生元目前已经应用到猪、牛、马等动物的养殖中，这类益生元包括β-葡聚糖、低聚果糖、低聚麦芽糖等[45]。相关研究表明与普通饲料相比，添加GOS喂养幼鸡后，幼鸡盲肠的乳杆菌组成改变，表现为约氏乳杆菌丰度增加和卷曲乳杆菌丰度减少。其中约氏乳杆菌在牲畜未患病时也能激发肠道的固有免疫，促进IL-17A基因表达，同时伴随IL-10基因表达减少，可提高肉鸡的生长速度和出栏体重[46]。同样在饲料中加入低聚木糖（xylooligosaccharide，XOS）也可显著增加肉鸡体重[47]。在孕产期补充干酪乳杆菌或菊粉，可通过不同机制预防高果糖（High fructose，HF）诱导的高血压。干酪乳杆菌可降低血浆中乙酸及其受体的肾表达，菊粉能提高血浆丙酸含量和恢复Ffar2表达，达到减少嗜碱菌属和增多乳杆菌属的效果[48]。在鱼类养殖中，益生元可改善增长率、饲料利用率、肠道菌群组成、消化酶活性、肠道形态、免疫水平、抗病性、中间代谢和应激反应[49]。

3.3 皮肤护理

皮肤的环境具有干燥、高盐、酸性和油脂性等特性，皮肤表面是由细菌、真菌、病毒、螨虫等构成“微生物表层”。这些微生物、组织、细胞、分泌物、微环境等共同形成了一个皮肤微生态，对皮肤的安全起到了重要的保护作用，其中微生物是重要的组成部分[50-52]。皮肤的微生态是一种动态平衡，既是物理屏障，又是免疫屏障。通常是通过微生物之间、微生物与皮肤角质细胞之间，及它们与宿主的免疫系统相互作用影响皮肤的自身防御以及创伤修复。皮肤微生物易受到外界因素的影响而使皮肤微生态失衡，导致一系列皮肤问题，包括痤疮、湿疹、皮炎、酒渣鼻和银屑病等。所以维护皮肤微生态平衡、保护共生菌和减少病原菌是最根本的[53-54]解决途径。

目前护肤品研究提出了有机产品、绿色护肤和无添加护肤等概念，外用益生元作为益生菌的肥料，成为研究的热点。如引起痤疮的病原菌痤疮丙酸杆菌，有关研究证实，益生菌和魔芋葡甘聚糖水解物在体外具有抑制痤疮丙酸杆菌生长的合生能力，测试的所有益生菌菌株均能抑制这种皮肤细菌生长，此类水解物益生元的存在显著增强了这种抑制[55]。奇华顿公司（Givaudan Active Beauty）公布了Yogurtene Balance 和 Vetivyne两种益生元成分 ，其中Yogurtene Balance 是酸奶中常见的活性成分，该物质能改善皮肤微生物，有益于皮肤健康菌。另一种益生元Vetivyne，是从香根草提取出来的抗衰活性成分；通常情况下随着肌肤的衰老，放线菌的丰度相应减少，而Vetivyne能维持“放线菌”的丰度，避免皮肤微生态失调，延缓皮肤衰老[56]。

3.4 食品添加剂

益生元因其良好的加工特性，目前被广泛应用于烘焙食品、乳制品、饮料、婴幼儿食品、调味品、酒类、糖果、谷物早餐等。常用的益生元有GOS、低聚果糖、低聚异麦芽糖、DF和菊粉等[57]。其中DF可调节肠道菌群组成和代谢，防止有害菌定殖，进而在维持肠道健康、控制体重、控制慢性疾病和病毒感染中发挥重要作用，这可能与肠道菌群发酵DF产生的SCFA 有关，如丁酸和丙酸[58-59]。菊粉和低聚果糖与脂肪有类似的流变特性，如硬度、黏弹性和稠度，被认为是脂肪的理想替代物。相关研究利用菊粉和低聚果糖替代羊奶冰激凌中的脂肪，还可作为甜味剂，兼具益生元功能，消费者认可度高[60]。肠道菌群对于预防婴儿断奶期的疾病感染和增强免疫力具有重要作用。可通过系统生物学的方法挖掘促进婴儿免疫健康的益生菌/元和食物，研究发现，共有18株婴儿肠道有益菌，632种外源益生元；匹配到218种食物，其中富含益生元的有20种[61]。

3.5 合生制剂

合生制剂是指益生菌和益生元联合使用，可协同发挥两者的作用[62]。2019年ISAPP对合生制剂的定义、类型等发表了更新共识声明：合生制剂是由活的微生物和能被宿主微生物选择性利用的底物组成的混合物，有益于宿主健康。有互补型和协同型两种类型，均需验证在宿主中具有健康功效；互补型包含益生菌和益生元；协同型中的微生物和底物不一定是益生菌和益生元，但共同使用时底物能被微生物选择性利用，增强其功能。研究合生制剂应注意其保健功效、对照组、实验方法、受试人群、数据统计、安全性等方面[63]。

鉴于益生元市场的广阔前景，其在各个领域的应用研究汇总见表2。

表2 益生元应用领域与功效

4 讨论

肠道内的微生物菌群的平衡稳定是维持宿主健康的基础，益生元作为益生菌的“食物”，能被肠道内有益细菌分解吸收，促进有益细菌生长繁殖。相比于抗生素，具有无药物残留、无污染细菌、不产生耐药性等优点。对益生元的认可和相关法规的支持均促进了益生元在食品行业、医药行业和饲料行业的发展。但还应在寻找低成本的原料来源、改进生产工艺、聚焦新兴益生元、益生元与益生菌的联合使用、更有效的摄入方式等方面进一步深入研究。