蘭冬雪，瞿茜楠，黃 天，姚國強，扎木蘇，彭傳濤，李兆杰,

（1.青島農業(yè)大學食品科學與工程學院，山東青島 266109；2.青島特種食品研究院，山東青島 266109；3.內蒙古農業(yè)大學乳品生物技術與工程教育部重點實驗室，內蒙古呼和浩特 010018）

食及農業(yè)組織和世界衛(wèi)生組織（FAO/WHO）提出了關于益生菌的概念：益生菌是指當攝入足夠數(shù)量時，對宿主產生健康益處的活性微生物[1]。益生菌具有調節(jié)腸道菌群、維持腸粘膜屏障[2]、抗菌[3]及免疫調節(jié)[4]等功能，已經被廣泛用于食品加工、人類健康和畜牧養(yǎng)殖等多個領域。盡管傳統(tǒng)觀念認為只有活的益生菌才能發(fā)揮其益生功效，但是越來越多的研究表明益生菌的一些益生功效與其活性代謝產物密切相關，一些益生菌產生的活性代謝產物能夠刺激組織發(fā)育，影響機體的營養(yǎng)水平和生理功能[5-7]。

目前研究較多的益生菌活性代謝產物主要有胞外多糖、細菌素、有機酸、短鏈脂肪酸、維生素等，這些活性代謝產物被證明具有抗炎癥、抗腫瘤、抗氧化、調節(jié)免疫、預防或治療多種代謝性疾病等作用（圖1）。此外，一些活性代謝產物已被廣泛應用于食品加工中，如益生菌產生的胞外多糖可用作天然的食品添加劑，增強食品穩(wěn)定性并改善食品品質，細菌素和有機酸可用作天然的食品防腐劑等，但許多益生菌活性代謝產物的種類及功能應用還未得到完全闡明。本文主要對益生菌活性代謝產物的種類、功能及其應用等方面進行綜述，并提出目前存在的問題，為其在食品、醫(yī)療、保健、畜牧等領域的研究應用提供更多參考。

圖1 益生菌活性代謝產物、功能及應用Fig.1 Active metabolites of probiotics，functions and applications

1 胞外多糖的功能性

1.1 胞外多糖的概述

胞外多糖（Extracellular polysaccharide，EPS）是微生物中以緊密結合的包膜或松散附著的粘液層形式分泌的細胞外大分子，其功能和應用主要取決于單糖組成、分子量和分支[8]。根據(jù)單糖組成不同，乳酸菌產生的胞外多糖可分為同型多糖和異形多糖[9]。產胞外多糖的乳酸菌有腸膜明串株菌、植物乳桿菌、乳酸桿菌、鼠李糖乳桿菌、干酪乳桿菌等菌屬。近年來，乳酸菌產生的EPS因其具有許多重要的生理功能，并且天然無毒副作用，已被廣泛應用于食品加工領域，對改善發(fā)酵食品的口感、質地和流變性等有重要作用。它們還可作為益生元為益生菌提供營養(yǎng)物質[10]。但隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)許多益生菌產生的EPS還具有抗氧化、抗腫瘤、免疫調節(jié)等治療特性（表1），使其具有巨大的商業(yè)價值和在醫(yī)藥領域的應用潛力。

表1 益生菌產胞外多糖的菌株及功能Table 1 Strains and functions of probiotics producing extracellular polysaccharides

1.2 抗氧化活性

正常情況下，機體氧氣的正常代謝會產生活性氧和自由基，但是當積累過多時，就會破壞細胞，誘發(fā)各種疾病，危害機體健康。因此，消除過多的氧化自由基，可以預防相關疾病[28]。外源抗氧化劑可以減少這種傷害，但是絕大多數(shù)合成抗氧化劑對人體都有一定的副作用，不適宜人類長期食用。因此，選用一種天然的抗氧化劑逐漸成為人們關注的熱點。Benattouche等[11]進行的體外抗氧化實驗表明，酸奶中乳酸菌產生的EPS具有清除DPPH自由基的抗氧化活性，可被用作食品工業(yè)中的抗氧化劑。也有研究指出，由乳酸桿菌Ca6（Lactobacillussp. Ca6）菌株產生的新型胞外多糖（EPS-Ca6）具有體外抗菌和抗氧化活性以及體內傷口愈合性能。這種新型EPS顯著加快了傷口愈合，并且在傷口誘導14 d后完全愈合，由此可見其在現(xiàn)代醫(yī)學中可能是一種有用的傷口愈合劑[12]。此外，從國產四川泡菜中分離的一株植物乳桿菌HY產生EPS，體外生物活性測定顯示出較高的抗氧化活性和α-淀粉酶抑制活性[13]。

1.3 抗腫瘤作用

癌癥是一種不正常的組織發(fā)育類型，導致身體各器官的破壞而導致死亡。傳統(tǒng)意義上的化療是治療癌癥的主要手段之一，但毒副作用明顯。因此，研究出對免疫系統(tǒng)具有低副作用的新型抗腫瘤藥物至關重要。在體外抗腫瘤活性實驗中，Muhammad等[14]發(fā)現(xiàn)由高加索酸奶乳桿菌MSR101和短乳桿菌MSR104產生的EPS，對HT-29 癌細胞具有良好的抗腫瘤作用（抑制率44.1%），并可上調細胞色素c（Cyto-c）、BCL2-Associated X的蛋白質（BAX）、BCL-2/BCL-XL-associated death promoter （BAD）以及半胱氨酸蛋白酶3、8、9表達，可以作為一種外用藥物使用。Bukola等[15]研究表明野生型和突變型德式乳桿菌產生的EPS均對腫瘤誘導小鼠具有很強的藥理活性，經EPS治療腫瘤誘導的小鼠后，小鼠的紅細胞、血小板和白細胞均增加，且野生型德式乳桿菌產生的EPS治療的腫瘤小鼠癌胚抗原水平較未治療的腫瘤小鼠顯著降低。此外，初步體外實驗表明，泡菜中分離的植物乳桿菌70810產生的c-EPS可以顯著抑制腫瘤細胞HepG-2、BGC-823，特別是HT-29腫瘤細胞的增殖[16]。益生菌代謝產生的EPS在對癌癥的輔助治療上具有安全性高、毒副作用小以及抑瘤效果好等優(yōu)點，因此有望成為良好的抗腫瘤藥物替代物[5]。

1.4 免疫調節(jié)作用

免疫反應是宿主防御外來入侵的一部分，包括獲得性免疫和先天性免疫。據(jù)報道，EPS作為免疫調節(jié)劑調節(jié)機體免疫系統(tǒng)，通過對細胞因子等信息分子的強烈調節(jié)來改變免疫功能的活性。如對鼠李糖乳桿菌KF5發(fā)酵的脫脂乳分別經過去除蛋白質、乙醇沉淀、陰離子交換和凝膠滲透色譜，分離純化得到兩個EPS組分，經驗證具有免疫調節(jié)活性，在體外均能顯著刺激脾細胞增殖[17]。從瑞士乳桿菌LZ-R-5發(fā)酵乳中分離得到一種胞外多糖（R-5-EPS）在細胞水平上顯示出免疫刺激活性，其對RAW264巨噬細胞的增殖具有強烈的促進作用[18]。Wang等[19]從植物乳桿菌JLAU103中分離純化得到一種酸性胞外多糖（EPS103），具有強大的雙重免疫調節(jié)活性，其對脂多糖激活和不激活RAW264.7巨噬細胞都具有體外免疫調節(jié)活性，可以顯著增強RAW264.7巨噬細胞的吞噬活性，因此可進一步開發(fā)為功能性食品或藥物的新產品。

1.5 抗炎作用

EPS在控制炎癥和感染的免疫平衡方面也起著重要作用。有研究發(fā)現(xiàn)，植物乳桿菌LRCC5310產生的EPS可用于有效控制輪狀病毒感染，具有較強的體外抗輪狀病毒活性，尤其是對細胞外輪狀病毒的抑制作用，且表現(xiàn)出很高的粘附率，從而干擾了輪狀病毒在體外對MA104細胞的粘附。在體內EPS可縮短腹瀉持續(xù)時間，限制上皮病變，減少輪狀病毒在腸道內的復制，縮短哺乳小鼠的康復時間[20]。Yo-Chia等[21]分離、鑒定了一株具有高EPS生產能力的羅伊氏乳桿菌Mh-001，發(fā)現(xiàn)其EPS具有抗炎等多種有益的生理作用，且進一步發(fā)現(xiàn)EPSs中的半乳糖含量增強了其對巨噬細胞的抗炎作用。EPS被證明可能是一種預防和治療性疫苗的安全有效的佐劑候選物。有研究發(fā)現(xiàn)干酪乳桿菌WXD030菌株產生的EPS可以提高卵清蛋白特異性抗體的滴度并增強T細胞增殖[22]。在一項動物實驗中，Dinic等[23]研究發(fā)現(xiàn)由保加利亞乳桿菌 BGCG11產生的高分子量EPS（EPS CG11）具有緩解Wistar大鼠炎癥疼痛的潛力，EPS CG11的抗痛覺過敏和抗水腫作用與抑制炎癥反應有關，且具有免疫抑制特性。此外，有研究從韓國傳統(tǒng)發(fā)酵食品泡菜中分離出地衣芽孢桿菌bio-BL11和腸膜狀芽孢桿菌LMD18菌株，其產生的EPS對脂多糖誘導的RAW264.7細胞炎癥反應有很強的抑制作用[24]。

1.6 抗生物膜作用

很多病原菌的生物膜形成與其致病性、耐藥性、毒力等密切相關。EPS的多功能性還表現(xiàn)在其抗生物膜方面，這種功能正逐漸使其成為一種抑制病原菌生物膜形成的新型生物防治劑。Sarikaya等[25]研究發(fā)現(xiàn)發(fā)酵乳桿菌LB-69菌株產生的EPS可作為既具有雙歧桿菌生長刺激作用又具有抗病原菌生物膜作用的高效制劑。如果通過口服途徑服用這些藥物，將有可能通過增加胃腸道雙歧桿菌的發(fā)育為宿主提供有益的效果，并通過阻止有害細菌形成生物膜來預防和治療疾病。生物活性研究表明，發(fā)酵乳桿菌S1產生的EPS具有清除自由基能力并對脂質過氧化的抑制具有抗氧化作用，且S1 EPS對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有良好的抗生物膜活性[26]。有研究從植物乳桿菌中提取了一種名為EPLB的EPS，其具有明顯的清除DPPH自由基和抑制亞油酸過氧化的作用，并發(fā)現(xiàn)具有抗菌作用且無細胞毒性的EPS在濃度不超過0.5 mg/mL下發(fā)揮其抗生物膜作用[27]。

1.7 胞外多糖的應用

目前，益生菌產生的胞外多糖可用作各種行業(yè)的功能性成分，如食品和制藥工業(yè)。在食品工業(yè)中，EPS因其穩(wěn)定、乳化或凝膠特性而被用作生物增稠劑。黃原膠是黃單胞桿菌產生的一種EPS，已作為乳化劑、增稠劑、懸浮劑等在乳及乳制品、飲料制品、調味品及冷凍飲品、烘烤食品、糧食制品等領域中得到廣泛應用，以此增強食品的穩(wěn)定性和提高食品的品質[29]。在制藥工業(yè)中，EPS因其具有良好的生物學特性且無毒副作用，可用作天然的抗菌劑、抗氧化劑和免疫調節(jié)劑等。然而，益生菌產生EPS的方式主要為天然菌種發(fā)酵，合成過程復雜、成本高，限制了其大規(guī)模工業(yè)化生產和應用。雖然大量研究已經證實EPS可以在體外或者動物體內發(fā)揮良好的功能特性，但是臨床治療上利用EPS完成治療的案例仍然較少。因此，需要大量的科學研究來提高EPS的產量和體內治療特性的研究，以充分開發(fā)EPS的潛力。

2 細菌素

2.1 細菌素概述

細菌素是由細菌通過核糖體途徑合成的蛋白類抗菌物質，一般由革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌和古細菌產生，具有殺死/抑制其他微生物的能力，且具有無抗藥性、無殘留、殺菌快等優(yōu)點[30]。乳酸菌細菌素是由乳酸菌發(fā)酵產生的多肽類物質，相對分子量較小，能抑制或殺死革蘭氏陽性菌和腐敗菌，也有部分乳酸菌細菌素對革蘭氏陰性菌有明顯的抑菌作用。另外，很多細菌素被報道還具有抗腫瘤、抗病毒等功能活性[31-33]。根據(jù)乳酸菌細菌素的相對分子量、化學結構、熱穩(wěn)定性、抗菌譜等特征，乳酸菌細菌素可以分為四大類：第一類為羊毛硫細菌素，一般分子量低于50 kD，對熱穩(wěn)定，含有羊毛硫氨酸或者甲基羊毛硫氨酸, 如常見的乳酸鏈球菌素[34]。產生菌一般為革蘭氏陽性菌，如乳球菌屬、鏈球菌屬、微球菌屬、乳桿菌屬、芽孢桿菌屬以及腸球菌屬等；第二類是分子量低于10 kD的耐熱細菌素，具有膜活性，如片球菌素pediocin PA -1。產生菌有乳酸片球菌、乳酸鏈球菌、嗜熱鏈球菌、植物乳桿菌、屎腸球菌、清酒乳桿菌等[34-36]；第三類是分子量大于30 kD的不耐熱細菌素，可分為溶菌素和非溶菌蛋白，這類細菌素100 ℃加熱30 min即失活。產生菌有瑞士乳桿菌、糞腸球菌等[34,37]；第四類為復合細菌素，是含有脂質或與蛋白質結合的肽復合物，這類細菌素只有在復合物的狀態(tài)下才能充分發(fā)揮活性。產生菌有乳球菌屬、鏈球菌屬、片球菌屬、腸球菌屬、乳桿菌屬、雙歧桿菌屬等[34]。乳酸菌細菌素在食品防腐、醫(yī)療健康以及畜禽養(yǎng)殖領域具有巨大的應用潛力。

2.2 細菌素在食品防腐中的應用

近年來，食品中化學防腐劑對人體健康的影響引起了消費者的廣泛關注。細菌素是一種安全的具有廣譜抗菌活性的天然防腐劑，可通過成孔、抑制細胞壁/核酸/蛋白質合成等不同的作用方式有效地抵抗食源性病原體。研究發(fā)現(xiàn)由鼠李糖乳桿菌L.1.0320中純化出細菌素1.0320在靶細胞細胞膜上形成孔洞，增加細胞膜通透性，增加質子動力PMF的耗散，破壞細胞膜的完整性，導致胞內容物流出，誘導細菌死亡[37]。與之類似的還有Hilal等從糞腸桿菌KT11中分離出的細菌素KT11具有廣泛的抗菌譜、熱穩(wěn)定性和較寬的pH范圍內的穩(wěn)定性，可以作為天然的食品生物防腐劑[38]。

據(jù)報道，應用細菌素和產生細菌素的乳酸菌可以有效控制牛奶、酸奶和奶酪中的病原體，具有提高產品質量和安全性、延長保質期的重要作用[38]。目前，乳酸乳球菌產生的細菌素——乳酸鏈球菌素（Nisin）已經實現(xiàn)了商業(yè)化生產，作為天然的食品防腐劑已被廣泛用于乳、肉和罐頭制品等食品中。含有Nisin的活性抗菌包裝可以在加工或后加工過程中有效地控制奶酪污染[39]。然而，細菌素在穩(wěn)定性方面的局限性以及食品基質等的其他影響因素限制了其廣泛應用。例如，Nisin只對革蘭氏陽性菌發(fā)揮作用，而且主要在酸性條件下發(fā)揮作用[40]。細菌素的這些局限性可通過改造細菌素并使其在熱穩(wěn)定性和pH穩(wěn)定性、擴散率和其他所需特性方面更加穩(wěn)定來克服。細菌素與納米材料的結合可以提高細菌素的穩(wěn)定性，擴大細菌素的應用范圍[28]。另外，生產和純化成本也是阻礙細菌素應用的重要因素。一篇綜述中提出，一些農用工業(yè)廢物，如乳清、糖蜜、海洋副產品、大豆廢料等，可作為高效低成本底物用于細菌素的生產[41]。

2.3 細菌素在醫(yī)療健康中的應用

抗生素作為最成功的抗菌劑，被廣泛用于治療各種細菌感染性疾病。然而，抗生素的濫用導致了細菌耐藥性增加，對人類健康造成了嚴重危害，細菌素的出現(xiàn)為解決由抗生素濫用引起的細菌耐藥性問題提供了一種有效方法。因此，近年來許多研究人員將用于食品防腐的細菌素的關注轉移到了對感染和抗生素抗性致病菌的治療上[42]。細菌素的應用正從食品擴展到醫(yī)療健康。有研究表明不久的將來細菌素有望用于癌癥治療的臨床應用，Shiva等[43]研究發(fā)現(xiàn)乳酸鏈球菌肽對SW480癌細胞系具有細胞毒性作用，并通過增加mRNA和蛋白質水平的bax/bcl-2比率誘導癌細胞凋亡。也有研究指出，細菌素在臨床實踐中可用于預防和治療陰道感染。一株由嗜酸乳桿菌KS400產生的細菌素，對陰道病原體微生物具有抗菌活性，特別是陰道加德納菌和無乳鏈球菌[44]。此外，Svetoslav等[45]從煙熏鮭魚中分離的屎腸球菌ST5Ha產生的細菌素具有拮抗一些人類和食品病原體的活性，對一種重要的人類病原體HSV-1具有抗病毒活性。將細菌素包入納米顆粒并靶向遞送至感染區(qū)域將提高其有效性，并將潛在的毒副作用降至最低，這可能是一種有效的治療方法。類似的還有將細菌素和抗微生物制劑組合起來的抗菌組合療法，由于其涉及兩種不同的抗微生物作用機制，從而降低了耐藥性產生的可能性[45]。

2.4 細菌素在畜禽養(yǎng)殖中的應用

近期的研究表明，溶葡萄球菌素單獨或聯(lián)合Nisin對已建立的葡萄球菌生物膜的作用可能是控制牛乳腺炎的替代方法。由于Nisin和溶葡萄球菌素有不同的作用模式，這兩種細菌素的組合比單一物質的使用有優(yōu)勢，聯(lián)合使用有可能預防或治療與葡萄球菌相關的感染[46]。此外，Hu等[47]發(fā)現(xiàn)加氏乳桿菌LA39和弗魯姆蒂乳桿菌可以作為抗生素替代品來預防哺乳動物腹瀉，其作用主要依賴于細菌分泌的名為zzz環(huán)狀肽gassericin A的一種細菌素。有研究應用可產生雙組分細菌素乳霉素3147的乳酸乳球菌DPC3147與液體石蠟、吐溫80優(yōu)化復配制成一種活性乳劑“活性生物制劑”，將其與商業(yè)抗生素配方TerrexineTM（卡那霉素和先鋒霉素）進行比較。結果發(fā)現(xiàn)，在治療患有臨床/亞臨床乳腺炎的奶牛療效方面，這種“活性生物制劑”的治愈率與商業(yè)抗生素接近，且在生產難易性和成本方面均優(yōu)于該商業(yè)抗生素配方，證明該產品可能是治療牛乳腺炎的一種可行的替代選擇[48]。

雖然細菌素是一種良好的抗生素替代物，但是目前只有Nisin在食品中得到廣泛應用。產量低、分離純化成本高是制約細菌素應用的重要因素?；瘜W合成雖然是一個很好的策略，但是成本較高且產量低，不適合大規(guī)模工業(yè)化生產。因此，細菌素尚需大量研究開發(fā)來做支撐，尋找高抗菌活性（廣譜抗菌、高效價）和高穩(wěn)定性（耐熱、耐受更寬pH范圍）的細菌素、篩選細菌素高產菌株、優(yōu)化細菌素高產及分離純化工藝、對細菌素進行改造等是細菌素研究及開發(fā)應用的主要方向[30]。

3 有機酸

3.1 有機酸的概述

有機酸是益生菌的一種重要代謝產物，大部分乳酸菌都能產生多種有機酸，如植物乳桿菌、乳酸片球菌、鼠李糖乳桿菌、腸膜明串珠菌、嗜酸乳桿菌和地衣芽孢桿菌等，這些乳酸菌利用宿主體內未被分解消化的碳源，經發(fā)酵可以產生乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸，以及乳酸、苯乳酸、琥珀酸、蘋果酸、丁二酸等多種有機酸[49-52]。有機酸具有抑制致病菌、調節(jié)腸道菌群、增強腸道屏障、促進動物生長和調節(jié)免疫等功能[53]。

3.2 有機酸的應用

有機酸由于其具有降低腸道pH，抑制胃腸道病原菌的生長等益生特性常用于食品、飼料行業(yè)中的防腐防變。乳酸菌發(fā)酵產生的有機酸對提高食品的品質、保質期及安全性起著至關重要的作用，并且乳酸菌對病原菌及腐敗菌的抑制作用也主要依賴其產生的多種有機酸。李書鴻等[54]通過對云南傳統(tǒng)發(fā)酵食品中分離出的18 株植物乳桿菌代謝產物的研究發(fā)現(xiàn)，其抑菌活性與植物乳桿菌菌株、病原指示菌及發(fā)酵碳源相關，且受上清液低pH的影響，有機酸是主要的抑菌物質。李潔等[55]采用spot-on-lawn法及瓊脂擴散法研究乳酸片球菌的抑菌活性，利用HPLC分析發(fā)酵液主要有機酸組分，發(fā)現(xiàn)乳酸片球菌以葡萄糖作為發(fā)酵碳源時發(fā)酵能力最強，且主要抑菌物質為有機酸。另外，接種腸膜明串珠菌發(fā)酵可以顯著提高泡菜中有機酸的含量，提升泡菜的品質，縮短發(fā)酵周期。

研究表明，有機酸也是一種非常好的動物飼料添加劑。日糧中添加有機酸還可顯著提高豬回腸的蛋白質、氨基酸消化率和礦物質吸收率，還可減少氮和磷排泄，減少環(huán)境污染[56]。有機酸可以通過改變腸道微生物組成，保護家禽免受病原體的侵害，緩解由于斷奶應激造成的仔豬胃腸道功能紊亂，提高家禽的生產性能，減少養(yǎng)殖業(yè)的經濟損失，有望成為抗生素的替代品[57]。在魚基青貯飼料的發(fā)酵過程中，各種乳酸菌菌株能夠產生大量的有機酸。就質量安全性而言，在潮濕和噴霧干燥的魚基青貯飼料中富集較高含量的有機酸更適合用于動物飼料[58]。此外，益生菌及其有機酸的復合制劑添加到動物飼料中，并已被證實在促進動物生長、調節(jié)免疫等方面具有較好效果。如在一項飼養(yǎng)實驗中發(fā)現(xiàn)飼糧中添加益生菌及有機酸復合制劑能夠提高大骨雞生長性能和免疫水平，對肉品質有一定的改善作用[59]。在玉米-豆粕型日糧中添加益生菌和有機酸復合制劑提高了青腳麻雞的生產性能、屠宰性能、消化酶活力，尤其是在低蛋白水平下效果更明顯[60]。鄭文才等[61]發(fā)現(xiàn)在飼糧中添加益生菌和有機酸復合制劑可以改善斷奶仔豬腸道黏膜形態(tài)，提高腸道功能及部分免疫指標，緩解斷奶應激引起的仔豬免疫功能下降，從而降低斷奶仔豬腹瀉率，提高飼料轉化率。乳酸菌或有機酸處理還可改善玉米青貯品質，乳酸菌能更有效地提高乳酸含量，降低pH，有機酸則能抑制不良微生物的生長[62]。Rodjan等[63]研究發(fā)現(xiàn)在雞日糧中添加有機酸和益生菌可以提高粗纖維和絨毛高度的消化能力，并在不損害生長性能的情況下降低腸道大腸桿菌的數(shù)量。綜上所述，有機酸作為益生菌的活性代謝產物，用于畜牧養(yǎng)殖飼料中，具有拮抗致病菌、增強腸道屏障功能、促進營養(yǎng)吸收、促進動物生長、提高免疫等多種功能，與益生菌復配使用效果更佳。

4 短鏈脂肪酸

4.1 短鏈脂肪酸的概述

短鏈脂肪酸（SCFAs）是含1～6個碳原子的有機羧酸，其中乙酸、丙酸和丁酸占所有SCFAs的90%。據(jù)報道短鏈脂肪酸提供了大約人類每日所需能量的10%[64]。SCFAs在人體內提供多種有益作用，可以通過一些與腸道屏障功能、葡萄糖穩(wěn)態(tài)、免疫調節(jié)、食欲調節(jié)、肥胖相關的組織特異性機制直接調節(jié)宿主健康[65]，而且對多種疾病具有治療作用，包括炎癥性腸病、結腸癌、細菌性感染、糖尿病、精神疾病和心臟病等[66]。乳酸桿菌、雙歧桿菌、鼠李糖乳桿菌、嗜酸乳桿菌和梭狀芽孢桿菌等都可代謝產生

SCFAs[66-67]。

4.2 短鏈脂肪酸的功能性

SCFAs是腸上皮細胞的重要組成部分，已知可增強腸道屏障功能。SCFAs和有機酸通過降低腸道的pH，抑制病原菌從而誘導產生抗菌活性[68]，在維持腸道內環(huán)境平衡和能量代謝調節(jié)中起著重要作用。此外，SCFAs可能通過細胞表面G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR），如GPR41、GPR43和GPR109A來激活控制免疫功能的信號級聯(lián)反應[68]。在細胞水平上，SCFAs可直接或間接影響細胞增殖、分化和基因表達等過程[68]。丁酸是影響腸上皮屏障的主要短鏈脂肪酸，具有維持腸道細胞完整、調節(jié)代謝等功能[69]。丁酸鹽可以促進細胞增殖和分化，刺激細胞凋亡，緩解腸壁氧化應激，共同促進粘膜健康[63]。大量研究表明，SCFAs在腸道炎癥中具有抗炎作用，抑制腸上皮炎癥介質的活性，從而抑制NFκB巨噬細胞的活化，而NFκB巨噬細胞是炎癥性腸病炎癥過程中細胞因子的主要來源[65-66]。另外，SCFAs還被證明具有抑制腫瘤發(fā)生的能力，但對正常細胞的繁殖沒有明顯影響，并對免疫系統(tǒng)具有調節(jié)作用。Ohara等[70]研究發(fā)現(xiàn)SCFAs抗腫瘤活性的主要機制是抑制腫瘤生長和代謝功能，如細胞周期、DNA復制、重組和修復，而幾乎不抑制腫瘤相關基因。

4.3 短鏈脂肪酸的應用

近年來的研究表明，乳酸菌、雙歧桿菌和梭狀芽胞桿菌等產生的一些SCFAs等活性物質在各種精神疾病中具有非常特殊的功能，可能是潛在的新型精神生物制劑[70]，其中發(fā)揮重要功效的一種物質就是γ-氨基丁酸（Gaba）。Gaba是一種四碳短鏈脂肪酸，具有多種生理活性，包括促進神經元發(fā)育、緩解焦慮和失眠、降壓、降血糖、抗腫瘤、抗炎、抗菌、抗過敏、保護肝臟和腎臟、保護腸道等，是一種卓越的健康效應因子[71]。早在2009年，Gaba就已被我國衛(wèi)生部列為新資源食品。目前Gaba已實現(xiàn)產業(yè)化，并廣泛用于各類食品和保健品中。

研究表明，SCFAs還通過影響多種營養(yǎng)物質的消化吸收對機體產生積極作用。據(jù)報道，SCFAs濃度增加與肥胖相關的微生物成分有關。SCFAs刺激多種參與脂質和葡萄糖代謝的激素（如GLP-1、PYY和瘦素）進而影響食欲，從而影響能量攝入[63]。SCFAs有利于增加礦物質溶解度和吸收，在調節(jié)pH、增加鈣、鐵、鎂的吸收等方面發(fā)揮著非常重要的作用[65]。琥珀酸是腸道糖異生的底物，已被發(fā)現(xiàn)可以改善小鼠的血糖控制[72]。丙酸可以改善胰島素敏感性和糖耐受，并改變脂質代謝。而丁酸可以上調谷胱甘肽，并益于健康人結腸中的氧化應激反應。此外，SCFAs在調節(jié)家畜生長性能方面有非常積極的影響，可以有效促進動物生長、增加腸絨毛長度和高度、減少脂肪增加和抑制炎癥[73]。Felizardo等[74]研究發(fā)現(xiàn)添加富含SCFAs的纖維飼糧可為宿主提供較高水平的SCFAs，平衡高水平氨氮的影響，減少代謝和炎癥疾病，恢復腸道生化環(huán)境。

5 維生素

5.1 維生素的功能性

維生素是動物和人類生命活動所必需的物質，當機體從外界攝取的維生素不能滿足其生命活動的需要時就會引起新陳代謝功能紊亂，導致生病甚至死亡[75]。益生菌能夠產生多種關鍵營養(yǎng)素和生長因子，維生素是其中重要的一類。有研究發(fā)現(xiàn)乳酸菌可以產生多種必需的維生素，如核黃素、葉酸、鈷胺素，這些維生素對生命系統(tǒng)的細胞和代謝生長至關重要[76]。維生素B12是乳酸菌代謝產生的一種主要的B族維生素。有研究從酸奶中分離出3株具有益生菌潛力的乳酸菌可產生大量的維生素B12，分別是屎腸球菌（EF）、屎腸球菌（Chole1）和戊糖乳桿菌（7MP），這些乳酸菌可以成為生產維生素的良好來源，用以克服維生素B12缺乏癥[77]。Li等[78]研究發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌LZ95具有較高的胞外維生素B12產量和良好的益生菌特性，可能是一種很好的維生素B12原位強化候選菌。Bhushan等[79]篩選到一株可高產維生素B12的植物乳桿菌BCF20，可用于在實驗室/工業(yè)環(huán)境下的體外維生素B12大量生產，該株菌同時還具有較好的抗幽門螺桿菌特性。Mohammed等[80]研究證明了2株野生型羅伊氏乳桿菌CICC 6226 和CICC 6130 能夠產生α-（5,6-二甲基苯并咪唑基）鈷胺氰化物或氰鈷胺素，這兩種B12的活性前體在適當條件下可以轉化形成B12。

5.2 維生素的應用

利用乳酸菌生產維生素可能是開發(fā)功能性發(fā)酵乳制品的一個重要策略。Subrota等[76]從印度傳統(tǒng)大米發(fā)酵食品中分離到5株乳酸菌，具有不同的B2、B9、B12和短鏈脂肪酸高產性能，可應用于功能性發(fā)酵乳制品。利用能生產高營養(yǎng)素或微量營養(yǎng)素（如維生素）的乳酸菌還可以用來開發(fā)新型功能食品[78]。一株從中國傳統(tǒng)發(fā)酵酸菜中分離的干酪乳桿菌11MZ-5-1被證明可以顯著提高酸菜中VC的含量，加快產酸并顯著降低亞硝酸鹽濃度，同時還可以明顯改善酸菜感官[79]。

6 其他

除上述活性物質外，益生菌還代謝產生多種具有生物活性的酶及一些小分子。如益生菌會通過產生一些宿主中可能缺少的蛋白酶、脂酶、酯酶以及淀粉酶等幫助催化一些代謝反應。比較典型的是益生菌通過產生β-半乳糖苷酶和乳糖酶幫助宿主分解乳糖以緩解宿主乳糖不耐受。通過發(fā)酵蛋白質，益生菌可以產生一些小分子肽、氨基酸、酚類、內酯和吲哚類物質，在維持能量平衡、抗氧化、抗炎癥，以及通過免疫信號傳遞拮抗病原微生物中發(fā)揮作用[81]。有研究發(fā)現(xiàn)益生菌的活性代謝產物D-色氨酸可以有助于調理免疫反應、影響腸道微生物菌群結構并能減輕過敏性呼吸道疾病癥狀[82]。還有研究用益生菌發(fā)酵牛奶制備具有抗高血壓的功能性酸奶，而這種活性被證明主要是由于益生菌發(fā)酵牛奶蛋白產生的一些具有抗高血壓活性的生物活性肽產生的[83]。此外，益生菌還可以代謝產生5-羥色胺、多巴胺、乙酰膽堿等神經遞質，以調控機體認知能力。

7 展望

益生菌代謝產生成千上萬種物質，其中蘊含著已被發(fā)現(xiàn)以及尚未被發(fā)現(xiàn)的多種活性物質。益生菌活性代謝產物正在吸引越來越多的研究人員以及食品、醫(yī)藥、飼料、美容等多個行業(yè)的高度關注。雖然很多活性代謝產物有較好的功能，但目前益生菌活性代謝產物的使用仍存在一定的局限性，如胞外多糖、細菌素等活性代謝產物的合成過程復雜、產量低、生產純化成本高，有些小分子活性物質作用機理不清。這些問題一定程度上限制了其大規(guī)模生產和應用。另外，很多活性物質的功能活性大都通過體外實驗驗證，尚需大量動物實驗和臨床實驗進行驗證。盡管如此，一些已經產業(yè)化的活性代謝產物給了我們足夠的信心和希望，同時也提示我們在益生菌活性代謝產物開發(fā)研究及產業(yè)化領域仍需努力的方向。

益生菌的很多活性代謝產物在功能上可能存在“協(xié)同”作用，在應用上或許不需要單獨分離純化使用。例如，在拮抗致病菌方面，益生菌可以產生細菌素、有機酸等多種抗菌物質，這些抗菌活性物質共同使用時效果更好。2021年5月，國家益生菌與和益生元科學協(xié)會（ISAPP）首次在全球范圍發(fā)布了后生元的共識聲明，提出后生元是指對健康有益的無生命微生物或其成分的制劑，包括益生菌的死菌體及其代謝產物，并強調后生元不是單一的活性物質，而是多種有益活性物質的混合物?；诤笊亩嘟M分特性，后生元在生理功能上也具有“多功能性”，但后生元的功能同樣需要大量體外實驗、動物實驗以及臨床實驗驗證。因此，后生元的研究將會成為益生菌活性代謝產物研究領域另一個重要的發(fā)展方向。