王一帆，岑叢楠，劉福奇，包維臣，傅玲琳，王彥波,

（1.浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，浙江杭州 310018；2.浙江工商大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與資產(chǎn)管理處，浙江杭州 310018；3.金華銀河生物科技有限公司，浙江金華 321000）

凝結(jié)芽孢桿菌（Bacillus coagulans）是一種產(chǎn)芽孢的乳酸菌，因顯著的益生特性而備受關(guān)注，成為研究熱點(diǎn)并被逐漸應(yīng)用[1]。目前，凝結(jié)芽孢桿菌已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于保健食品中，可以促進(jìn)腸道消化。但其益生特性還沒有得到很好地應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，凝結(jié)芽孢桿菌主要通過提高免疫力、調(diào)節(jié)消化道微生態(tài)平衡和促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收等三種途徑改善機(jī)體的健康，在大健康背景下具有重要的研發(fā)意義。由于具有以上益生特性，凝結(jié)芽孢桿菌可以改善人類健康，緩解人類疾病，而在臨床應(yīng)用中發(fā)揮作用，從而應(yīng)用于更多的保健食品和益生菌食品中。凝結(jié)芽孢桿菌有助于治療由不同炎癥因子引起的多種免疫疾病，并且緩解各種消化道疾病，發(fā)揮益生作用。但是，凝結(jié)芽孢桿菌益生特性相關(guān)的機(jī)制并沒有得到很好的剖析和總結(jié)。鑒于此，在詳細(xì)剖析凝結(jié)芽孢桿菌益生特性的基礎(chǔ)上，借助于本領(lǐng)域的相關(guān)研究，深入探究和討論其在食品領(lǐng)域的應(yīng)用機(jī)制，并探討了凝結(jié)芽孢桿菌未來發(fā)展趨勢(shì)，旨在為健康中國(guó)和食品安全國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施助力。

1 凝結(jié)芽孢桿菌調(diào)節(jié)消化道微生態(tài)平衡的作用及機(jī)制

1.1 凝結(jié)芽孢桿菌調(diào)節(jié)消化道微生態(tài)平衡作用

調(diào)節(jié)消化道微生態(tài)平衡是凝結(jié)芽孢桿菌的益生特性。凝結(jié)芽孢桿菌芽孢以食用口服方式進(jìn)入人體，在口腔中進(jìn)行物理消化和酶降解之后，經(jīng)過蠕動(dòng)通過食道運(yùn)輸?shù)轿?，胃液的存在使凝結(jié)芽孢桿菌芽孢難以萌發(fā)。對(duì)于成年人來說，這一階段大約需要3 h，然后芽孢通過胃部消化環(huán)境后，開始在十二指腸內(nèi)萌發(fā)，并在小腸上部增殖[2]。通常，凝結(jié)桿菌在小腸的停留時(shí)間為2～5 h。最后，存活的凝結(jié)芽孢桿菌將向下運(yùn)動(dòng)到大腸，并在結(jié)腸下部形成芽孢[3]，參見圖1。凝結(jié)芽孢桿菌的產(chǎn)芽孢特性使其擁有極高的抗逆性，保障該菌能通過消化道的復(fù)雜環(huán)境，最終在腸道定植，進(jìn)而增加益生菌的數(shù)量，抑制致病菌，從而改善腸道菌群結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)消化道微生態(tài)平衡[2]。

1.2 凝結(jié)芽孢桿菌調(diào)節(jié)消化道微生態(tài)平衡機(jī)制

凝結(jié)芽孢桿菌可以分泌細(xì)菌素等抑菌物質(zhì)來抑制致病微生物的生長(zhǎng)，從而改善消化道微生態(tài)[3]。Abada等[4]從一株凝結(jié)芽孢桿菌中表征獲得一種細(xì)菌素，具有耐熱性和廣譜抗菌譜，可以抑制致病菌。凝結(jié)芽孢桿菌L1208可以分泌一種抑制腐敗菌的生長(zhǎng)的新型細(xì)菌素——凝固素L1208[5]。細(xì)菌素的殺菌機(jī)制主要分為破壞細(xì)胞膜和抑制基因表達(dá)兩方面[6]。帶正電的多肽通過靜電吸引結(jié)合到帶負(fù)電的細(xì)菌細(xì)胞膜上，其C-端具有α-螺旋結(jié)構(gòu)，通過疏水作用與磷脂結(jié)合，磷脂插入細(xì)胞膜，破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致孔的形成[7]。細(xì)菌素和肽聚糖結(jié)合，抑制肽聚糖合成，形成孔洞，參見圖2。Zhang等[8]研究發(fā)現(xiàn)，凝結(jié)芽孢桿菌CGMCC 9951產(chǎn)生的細(xì)菌素可以誘導(dǎo)單增李斯特菌細(xì)胞膜損傷，導(dǎo)致酶、核酸、蛋白質(zhì)、三磷酸腺苷和鉀離子等[9-10]細(xì)胞內(nèi)容物發(fā)生泄漏。細(xì)菌素還可以通過抑制基因表達(dá)來抑制致病微生物的生長(zhǎng)。有些凝結(jié)芽孢桿菌產(chǎn)生的細(xì)菌素還可以通過跨膜作用進(jìn)入細(xì)胞，干擾細(xì)胞的正常生命活動(dòng)。凝結(jié)芽孢桿菌CGMCC 9951產(chǎn)生的細(xì)菌素還可以插入DNA螺旋槽和DNA相結(jié)合，從而影響DNA的結(jié)構(gòu)和功能，導(dǎo)致基因組DNA的失活，進(jìn)而抑制致病微生物[8]。凝結(jié)芽孢桿菌CGMCC 9951可以產(chǎn)生一種環(huán)狀結(jié)構(gòu)的細(xì)菌素，環(huán)狀結(jié)構(gòu)可維持細(xì)菌素結(jié)構(gòu)完整性并增強(qiáng)生物活性，有利于其加工、儲(chǔ)存和應(yīng)用。

圖 2 凝結(jié)芽孢桿菌抑制消化道中致病菌Fig.2 Bacillus coagulans inhibits pathogenic bacteria in the digestive tract

此外，凝結(jié)芽孢桿菌還可以通過調(diào)節(jié)消化道環(huán)境來促進(jìn)益生菌生長(zhǎng)并抑制致病菌，進(jìn)而改善機(jī)體消化道微生態(tài)。凝結(jié)芽孢桿菌有利于形成一個(gè)厭氧和酸性的消化道環(huán)境，這種環(huán)境不適合致病菌生長(zhǎng)，從而促進(jìn)了益生菌的生長(zhǎng)。凝結(jié)芽孢桿菌可以產(chǎn)生L型乳酸，降低消化道環(huán)境pH，抑制致病菌，并為乳酸菌等益生菌提供更有利的生長(zhǎng)環(huán)境。凝結(jié)芽孢桿菌作為兼性厭氧菌，可以消耗消化道中的游離氧，減少氧化還原反應(yīng)。凝聚芽孢桿菌RK-02產(chǎn)生的細(xì)胞外多糖（Extracellular Polysaccharides，EPS）是由四種不同的單糖（葡萄糖、巖藻糖、半乳糖和甘露糖）組成的單一雜聚體，這類生物分子具有清除消化道中的通過各種代謝反應(yīng)形成的活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）的能力，因此它們具有抗氧化和自由基清除活性[11]，從而消耗消化道中氧氣，形成厭氧環(huán)境。Ara等[12]研究表明，食用凝結(jié)芽孢桿菌能夠增加消化道中特定益生菌的數(shù)量，包括乳酸桿菌和雙歧桿菌。凝結(jié)芽孢桿菌可以提高腸道菌群中的物種豐度[13]，如通過暫時(shí)性地增殖乳酸菌、總需氧菌和總厭氧菌以及降低腸道中的腸桿菌科的細(xì)菌數(shù)量[14]，以此來改善消化道微生態(tài)和調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)。此外，凝結(jié)芽孢桿菌還通過增加擬桿菌門細(xì)菌和減少厚壁菌門微生物，緩解了過敏原誘導(dǎo)的腸道菌群失調(diào)[15]。Wang等[16]研究使用了包含凝結(jié)芽孢桿菌的益生菌合劑，通過恢復(fù)腸道粘膜微生物生態(tài)，促進(jìn)短鏈脂肪酸產(chǎn)生，增加IL-10的表達(dá)和腸屏障功能，從而減少了細(xì)菌對(duì)腸道深部組織的侵襲，維持了宿主微生物的平衡進(jìn)而減輕結(jié)腸炎癥狀[17]。

另一方面，凝結(jié)芽孢桿菌可以競(jìng)爭(zhēng)性地抑制部分消化道中的致病菌，例如耐萬古霉素腸球菌[18]，從而維持消化道微生態(tài)的穩(wěn)定。凝結(jié)芽孢桿菌通過種群競(jìng)爭(zhēng)[19]來抑制致病菌在消化道中定植和侵襲來降低致病菌感染風(fēng)險(xiǎn)[20]。一項(xiàng)研究表明，凝結(jié)芽孢桿菌可以被用于預(yù)防沙門氏菌感染，它們會(huì)在腸道內(nèi)與沙門氏菌競(jìng)爭(zhēng)，并增強(qiáng)宿主粘膜免疫系統(tǒng)，延遲沙門氏菌向淋巴結(jié)、脾臟和肝臟的滲透，減少炎癥介質(zhì)，減少氧化應(yīng)激，并減少血液和生化變化，提升宿主對(duì)沙門氏菌的免疫能力[21]。通過調(diào)節(jié)消化道微生物區(qū)系豐度，凝結(jié)芽孢桿菌還可以減輕鉛對(duì)腸道絨毛的損傷[22]。

凝結(jié)芽孢桿菌通過改善消化道微生態(tài)對(duì)消化道疾病具有防控作用[23]，例如急性腹瀉、腸易激綜合征、便秘和結(jié)腸炎，因此食用凝結(jié)芽孢桿菌逐步應(yīng)用于大健康產(chǎn)業(yè)[24]，參見表1。

表 1 凝結(jié)芽孢桿菌在消化道上的益生應(yīng)用Table 1 Probiotic application of Bacillus coagulans in the gastrointestinal tract

2 凝結(jié)芽孢桿菌的促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化吸收作用及機(jī)制

2.1 凝結(jié)芽孢桿菌促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化吸收作用

凝結(jié)芽孢桿菌的益生特性還包括促進(jìn)機(jī)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收。Stecker等[35]研究發(fā)現(xiàn)，在濃縮牛奶等蛋白質(zhì)中添加凝結(jié)芽孢桿菌GBI-30，6086可以促進(jìn)氨基酸吸收并顯著促進(jìn)精氨酸和異亮氨酸吸收，進(jìn)而提升蛋白質(zhì)消化吸收速率。這對(duì)于那些由于衰老或消化道損害等因素而無法吸收較大劑量蛋白質(zhì)的人具有一定意義。凝結(jié)芽孢桿菌還可以促進(jìn)機(jī)體消化吸收乳糖，緩解乳糖不耐受癥。凝結(jié)芽孢桿菌還有利于淀粉和脂肪在機(jī)體內(nèi)的分解。

2.2 凝結(jié)芽孢桿菌促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化吸收機(jī)制

凝結(jié)芽孢桿菌可以通過酶的產(chǎn)生影響消化道中參與消化吸收的物質(zhì)產(chǎn)生以及改善腸道細(xì)胞健康，來促進(jìn)機(jī)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，參見圖3。Aulitto等[36]研究顯示，凝結(jié)芽孢桿菌MA-13可以產(chǎn)生β-半乳糖苷酶和α-半乳糖苷酶用于分解乳糖。凝結(jié)芽孢桿菌產(chǎn)生的半乳糖苷酶可以分解乳糖進(jìn)而有效緩解乳糖不耐受癥。凝結(jié)芽孢桿菌不僅可以產(chǎn)生α-淀粉酶和脂肪酶，還可以通過分解葡萄糖等糖類產(chǎn)生乳酸[37]，其中混合糖可以提高產(chǎn)乳酸效率[38]，該菌還可以分解木質(zhì)纖維素水解物[39]。凝結(jié)芽孢桿菌IPE22能夠分泌足夠活性的淀粉酶，充分水解淀粉后并進(jìn)一步產(chǎn)生乳酸[40]。凝結(jié)芽孢桿菌GBI-30，6086菌株已被證明能產(chǎn)生多種酶，將蛋白質(zhì)和碳水化合物降解成小分子肽和游離氨基酸，從而促進(jìn)小腸上部的新陳代謝，提高了蛋白質(zhì)利用率，改善結(jié)腸的腸道環(huán)境，減少有毒代謝物[41-42]。此外，凝結(jié)芽孢桿菌還可以改善腸道細(xì)胞健康，從而促進(jìn)機(jī)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收。凝結(jié)芽孢桿菌可以通過減少炎癥，顯著改善腸道細(xì)胞健康，從而通過改善絨毛吸收區(qū)域的腸道細(xì)胞發(fā)育來增強(qiáng)機(jī)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收。凝結(jié)芽孢桿菌還可以刺激腸道蠕動(dòng)，減少胺等有害物質(zhì)的產(chǎn)生，改善消化道代謝環(huán)境，從而促進(jìn)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收。

圖 3 凝結(jié)芽孢桿菌影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化吸收Fig.3 Bacillus coagulans influences digestion and absorption of nutritional materials

3 凝結(jié)芽孢桿菌的免疫調(diào)節(jié)作用及機(jī)制

3.1 凝結(jié)芽孢桿菌免疫調(diào)節(jié)作用

改善機(jī)體免疫能力同樣也是凝結(jié)芽孢桿菌的益生特性。凝結(jié)芽孢桿菌食用后可以顯著調(diào)節(jié)人體免疫系統(tǒng)平衡，調(diào)節(jié)人體免疫功能。Shinde等[43]研究發(fā)現(xiàn)，在正?；蜓装Y條件下，凝結(jié)芽孢桿菌MTCC 5856芽孢都可以通過減少促炎細(xì)胞因子IL-8的分泌和增加抗炎細(xì)胞因子IL-10的分泌，對(duì)HT-29細(xì)胞產(chǎn)生顯著的免疫調(diào)節(jié)作用。滅活的凝結(jié)芽孢桿菌GBI-30，6086還可以提高運(yùn)動(dòng)后人體的中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞水平，影響促炎和抗炎細(xì)胞因子，從而提高人體免疫能力[44]。

3.2 凝結(jié)芽孢桿菌免疫調(diào)節(jié)機(jī)制

首先，凝結(jié)芽孢桿菌可以直接調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞。Jensen等[45]研究發(fā)現(xiàn)凝結(jié)芽孢桿菌GBI-30，6086能夠激活人體免疫細(xì)胞，以此改變了免疫激活和抗炎細(xì)胞因子及趨化因子的產(chǎn)生。凝結(jié)芽孢桿菌可以通過產(chǎn)生乳酸來影響免疫系統(tǒng)，乳酸通過與潘氏細(xì)胞和腸道基質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的乳酸受體Gpr81結(jié)合，以Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路刺激腸道干細(xì)胞增殖[46]。凝結(jié)芽孢桿菌直接作用于癌細(xì)胞，誘導(dǎo)癌細(xì)胞死亡，從而可以應(yīng)用于癌癥的治療。凝結(jié)芽孢桿菌的熱滅活培養(yǎng)上清液能更有效地誘導(dǎo)結(jié)腸癌細(xì)胞凋亡，可考慮用于結(jié)腸癌的輔助治療。與非癌性HEK 293T細(xì)胞相比，凝結(jié)芽孢桿菌Unique IS2使人體結(jié)腸癌、宮頸癌和慢性髓性白血病細(xì)胞系的細(xì)胞增殖分別降低了22%、31.7%和19.5%，促凋亡蛋白BAX增加，抗凋亡蛋白Bcl2減少，線粒體膜電位降低，細(xì)胞色素C釋放增加[47]。

其次，凝結(jié)芽孢桿菌還可以通過調(diào)節(jié)免疫蛋白來提高機(jī)體免疫能力。腸道堿性磷酸酶（Intestinal Alkaline Phosphatase，IAP）是一種由腸道上皮細(xì)胞表達(dá)的內(nèi)源性蛋白，IAP的表達(dá)功能喪失與腸道炎癥增加、生物失調(diào)、腸屏障結(jié)構(gòu)受損、細(xì)菌移位以及隨后的系統(tǒng)性炎癥有關(guān)[48]。凝結(jié)芽孢桿菌可以通過刺激腸道IAP活性來緩解腸道炎癥[49]。凝結(jié)芽孢桿菌13002可以提高血清免疫球蛋白水平、上調(diào)IFN-γ和IL-4來保護(hù)粘膜屏障和維持Th1/Th2的平衡以及促進(jìn)益生菌生長(zhǎng)，以此減少烷化劑環(huán)磷酰胺對(duì)人體的損傷，進(jìn)而提高人體免疫力[50]。Anaya-Loyola等[51]研究發(fā)現(xiàn)，凝結(jié)芽孢桿菌GBI-30，6068可以調(diào)節(jié)免疫蛋白TNF-α、CD163、G-CSF、ICAM-1、IL-6、IL-8、MCP-2、RAGE、uPAR和PF4等，從而提高免疫能力，緩解上呼吸道和消化道癥狀。凝結(jié)芽孢桿菌還可以通過促進(jìn)半胱氨酸-天冬氨酸蛋白酶基因等凋亡基因的表達(dá)來誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡[52]。凝結(jié)芽孢桿菌通過調(diào)節(jié)免疫蛋白來緩解炎癥，因此運(yùn)用于臨床。包含凝結(jié)芽孢桿菌的益生菌混合物作為類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎治療的輔助補(bǔ)充劑，有利于緩解疾病癥狀[53]，使紅細(xì)胞沉降率（Erythrocyte Sedimentation Rate，ESR）[54]和C-反應(yīng)蛋白[55]水平顯著降低。凝結(jié)芽孢桿菌通過刺激抗炎細(xì)胞因子、誘導(dǎo)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞、調(diào)節(jié)Th1/Th2平衡和抗菌物質(zhì)的分泌而進(jìn)行炎癥的免疫調(diào)節(jié)。凝結(jié)芽孢桿菌的免疫調(diào)節(jié)作用機(jī)制見圖4。

圖 4 凝結(jié)芽孢桿菌免疫調(diào)節(jié)作用Fig.4 Immunomodulatory effects of Bacillus coagulans

近年來，食物過敏受到人們廣泛關(guān)注[56]，部分研究揭示了凝結(jié)芽孢桿菌的抗過敏機(jī)制，為未來凝結(jié)芽孢桿菌在抗過敏方面的應(yīng)用提供了理論支撐。凝結(jié)芽孢桿菌09.712能顯著改善上皮屏障功能，促進(jìn)淋巴細(xì)胞增殖。凝結(jié)芽孢桿菌通過誘導(dǎo)CD4+Foxp3+Tregs和IL-10的產(chǎn)生而改變Th1/Th2/Treg平衡，從而抑制對(duì)蝦原肌球蛋白致敏。包含凝結(jié)芽孢桿菌09.712的益生菌混合劑還可減輕食物過敏引起的粘膜疾病[57]。食物過敏原（如蝦原肌球蛋白）的攝入誘導(dǎo)了脾臟中過敏T細(xì)胞的分化，隨后小腸中的炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，最終導(dǎo)致過敏細(xì)胞因子的產(chǎn)生，杯狀細(xì)胞過度增殖和隱窩細(xì)胞凋亡。而益生菌混合劑的攝入可能通過mTOR信號(hào)通路調(diào)節(jié)消化道代謝，特別是氨基酸代謝途徑，誘導(dǎo)抗過敏T細(xì)胞分化，抑制炎性細(xì)胞浸潤(rùn)[5]。凝結(jié)芽孢桿菌可以分解食物中的過敏原，從而降低過敏風(fēng)險(xiǎn)[58]。

4 凝結(jié)芽孢桿菌的其他益生特性及機(jī)制

凝結(jié)芽孢桿菌還可以直接影響人體消化道中其他物質(zhì)的產(chǎn)生，如膽汁酸、膽固醇和短鏈脂肪酸等，從而對(duì)人體產(chǎn)生益生作用。膽汁酸是膽汁的重要組分，由肝臟分泌至消化道中，幫助消化吸收飲食中的脂質(zhì)，但食用豆?jié){會(huì)顯著增加次級(jí)膽汁酸的產(chǎn)生，如脫氧膽酸和ω-鼠李酸，這會(huì)影響消化道環(huán)境，不利于機(jī)體的消化吸收，并提高肝臟和結(jié)腸的癌癥風(fēng)險(xiǎn)[59]。但是，凝結(jié)芽孢桿菌和豆?jié){的一起服用可以抑制次生膽汁酸的產(chǎn)生，改善了消化道中膽汁酸的代謝，改善了消化道環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)機(jī)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收[60]。凝結(jié)芽孢桿菌還可以降低人體消化道中膽固醇的含量。凝結(jié)芽孢桿菌MTCC 5856通過多種機(jī)制，包括膽鹽去結(jié)合、吸收膽固醇、促進(jìn)膽固醇與靜息細(xì)胞和死亡細(xì)胞結(jié)合等，在消化道中幫助去除富含膽固醇的食物（蛋黃、肝臟和黃油）中的膽固醇，從而降低膽固醇[61]。除此之外，凝結(jié)芽孢桿菌還可以產(chǎn)生短鏈脂肪酸，如丁酸和丙酸，丁酸能夠抑制肝臟中膽固醇的生物合成，丙酸可以抑制脂肪酸的合成，最終降低膽固醇的生物合成速率，從而降低膽固醇水平[62]，改善了消化道中的膽固醇代謝[63]。

5 結(jié)論與展望

鑒于有效的益生作用和產(chǎn)芽孢賦予的極強(qiáng)抗逆性，凝結(jié)芽孢桿菌被認(rèn)為是一種具有廣闊開發(fā)前景的益生菌。研究表明，凝結(jié)芽孢桿菌的益生特性是多種機(jī)制綜合協(xié)調(diào)過程的結(jié)果，涉及機(jī)體消化道微生態(tài)、代謝和免疫系統(tǒng)。通過對(duì)機(jī)制的深入探究，逐漸形成機(jī)制網(wǎng)絡(luò)，有利于為未來凝結(jié)芽孢桿菌的廣泛應(yīng)用提供全面的理論支持。但是，凝結(jié)芽孢桿菌的益生特性機(jī)制探究的還不夠深入，未來可以在小分子代謝產(chǎn)物、影響免疫功能的代謝產(chǎn)物、細(xì)菌素等互作機(jī)制方面進(jìn)一步探究。評(píng)估菌株的安全性和益生特性是在食品行業(yè)應(yīng)用的前提條件，因此作為益生菌，不同來源的凝結(jié)芽孢桿菌安全性的評(píng)估仍需要受到關(guān)注，盡管有部分關(guān)于凝結(jié)芽孢桿菌安全性的研究，但相關(guān)研究還不夠全面。后續(xù)研究中，可以通過對(duì)基因組中活性抗生素耐藥基因、毒力因子基因和毒素編碼基因的檢測(cè)，進(jìn)一步探究凝結(jié)芽孢桿菌的安全性，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需要。