益生菌是促进健康的微生物，在肠道微生物组学领域也被认为是下一代生物疗法。乳酸菌（Lactobacillus），乳球菌（Lactococcus），芽孢杆菌（Bacillus），链球菌（Streptococcus），双歧杆菌（Bifidobacterium），小球菌（Pediococcus）和丙酸杆菌属（Propionibacterium）是众所周知的益生菌。

酵母（如啤酒酵母，卡里斯伯格葡萄球菌和布拉氏酵母）和真菌（如黑曲霉和米曲霉）也被视为益生菌。

然而，最常见的益生菌属是乳杆菌和双歧杆菌。到2020年3月，乳杆菌属包含261个遗传多样性物种。最近，一群科学家根据全基因组测序将其重新分类为25属。当前分类学分类的更新可能有助于理解益生菌有益健康的机制。

除调节肠道功能外，益生菌还通过其在人体内的生物学机制与多种其他健康益处相关联，例如大脑功能，增强免疫力，降低胆固醇和促进代谢稳态。益生菌可以产生短链脂肪酸，维生素，酶，有机酸和抗菌肽。这些化合物参与人体的生理功能。

《益生菌补充剂市场-2020-2025年全球展望与预测》报告说，人们对免疫健康的关注增加导致COVID-19大流行期间益生菌补充剂的市场增长。

最近关于“益生菌市场-增长，趋势和预测”的报告预测，到2024年，全球益生菌市场将达到768.5亿美元，在2020年至2025年的预测期内复合年增长率为8.15％。

该报告还指出，由于在益生菌强化食品中对显着应用的需求不断增长，细菌市场将以最快的复合年增长率增长。

益生菌通过它们在体内的生物学机制提供各种健康益处。“人类微生物组计划”报告说，人体中其他细菌细胞的数量约为人体细胞数量的10倍。这些细菌还包括有益微生物，它们在维持人类健康方面也起着至关重要的作用。益生菌会产生短链脂肪酸，酶，乳酸，还会分泌杀死致病细菌菌株的抗菌肽。这些细菌素被认为是“天然防腐剂” 。

益生菌也与营养物与病原体竞争，从而抑制在结肠腔框致病细菌粘附，从而改善粘液产生，这反过来又增强了免疫系统刺激肠上皮屏障。

益生菌减少通过胆盐水解酶[毒素]，并通过其它的酶活性提高体内的养分生物利用度。一些益生菌甚至有可能分泌有助于疾病治疗的特定抗癌和抗氧化代谢产物。

内源性补充益生菌可以帮助抗生素治疗后肠道微生物组的补充。与抗生素一起使用或在抗生素治疗后食用益生菌可以预防与抗生素有关的腹泻。

除了增强消化健康，益生菌还与大脑功能有关，有助于治疗肠易激综合征，降低血液中的低密度脂蛋白水平，预防女性的阴道和尿道感染（酵母/细菌），预防胰腺炎和改善胰腺健康，促进呼吸道健康，抑制肿瘤发生，调节免疫反应，促进代谢稳态。

此外，益生菌有助于治疗代谢紊乱，如糖尿病、非酒精性脂肪肝和心血管疾病、癌症、口腔念珠菌感染和牙周炎。

因此需要知道自己缺乏哪些益生菌，以及整齐肠道菌群状况来选择合适的菌株和益生菌属是不同应用的关键。

益生菌的生物学作用可以基于它们的代谢过程进行解释，描述益生菌在人体中的重要性，即益生菌的生理作用。此类影响分为以下几类：  

益生菌通过直接或间接影响抑制或激活信号通路调节的信号通路，参与代谢调节。益生菌粘附于肠粘膜进行定植的能力及其与先天免疫反应的相互作用可以调节肠上皮细胞的屏障功能，从而为宿主带来健康益处。这些调节机制有助于对抗病原体，从而提高免疫力（免疫调节），增加抗氧化能力，改善肠道转运，增强神经反射（神经调节），调节血管内皮功能和血压，降低胆固醇水平，保持健康细胞和受损细胞的动态平衡。

益生菌活性的关键方面是合成活性代谢物。如：通过多种机制合成短链脂肪酸（乙酸、丁酸、丙酸），维生素（枯草芽孢杆菌合成B2、K2，B.megaterium 合成B12），菌株特有机制产生的信号分子（唾液乳杆菌LDR0723, BNL1059, RGS1746和CRL1528 菌株相关的细胞因子）。

益生菌可以提高微量营养素的生物利用度及其代谢。铁以Fe²⁺形式吸收显著；然而，在肠粘膜中，铁与脱铁蛋白结合，脱铁蛋白将Fe²⁺转化为Fe³⁺（铁蛋白）。肠道微生物群中的益生菌有助于将Fe³⁺还原为Fe²⁺，促进十二指肠对铁的吸收。

摄入乳酸菌可通过胞外酶提高铁的吸收率和相对铁的生物利用度。益生菌在增强钙吸收以及通过结肠发酵改善钙吸收方面起着重要作用。益生菌参与维生素D的合成和吸收。这些例子解释了益生菌在提高人体维生素和矿物质的生物利用度方面的作用。

益生菌的预防机制有助于预防疾病，降低感染、1型过敏、病毒感染和癌症的风险。此外，还有益生菌预防在细菌性阴道病治疗中的作用。重要的是，一些介入性临床试验正在进行，以了解益生菌预防的有效性。一些正在进行的临床试验是益生菌预防微生物组调节和预防严重感染。

​

益生菌科学涵盖了从微生物学到食品加工的各个方面，并且已在营养保健品和功能食品，牙科保健疗法，皮肤护理，肿瘤学，肠胃病学，免疫学和神经内分泌学等各个领域得到了应用。

通常，益生菌是口服给药的，并且可以以功能性食品，膳食补充剂和药物（药用益生菌）的形式在市场上买到。但人们更喜欢食物而不是补充剂/药物。

粮农组织/世卫组织2002年报告指出，食品中益生菌的生存能力必须足以赋予健康。另外，据报道，益生菌食品应至少含有10⁶ CFU / g的活的微生物的生存力。然而，益生菌的稳定性是口服摄入靶向结肠时最需要考虑的问题。有必要在胃肠道（GI）转运过程中维持其生存能力，以提高其功效。

此外，益生菌需要在加工，储存和消化过程中防止各种压力因素的影响。益生菌的不同菌株显示出其能力的变化，例如功能特性，稳定性和功效。益生菌的稳定性可以通过各种策略来改善，例如通过预处理，诱变，选择性压力处理以及通过组学技术进行基因改造等来适应环境和选择。

然而，一些这些方法中的可能改变的益生菌的潜力，并且还遗传修饰的菌株不能很好转化到食品应用。事实证明，封装是保护益生菌以确保其稳定性而不改变天然菌株特性的最佳方法。

益生菌的包封提供了保护作用，这些包封材料通过增强抗逆性来稳定益生菌在加工，储存和作用部位时的稳定性。因此，封装过程也赋予了靶向递送。配方是针对目标给药系统的关键考虑因素之一，可以通过适当设计工艺来开发。

有许多方法可将益生菌输送到结肠的降结肠。例如聚合物/脂质涂覆的，pH控制的，磁性/酶触发的和基于配体受体的递送系统。牛奶，酸奶，奶酪，冰淇淋，蜂蜜，巧克力和发酵食品（大米/水果/蔬菜）是益生菌的天然递送系统。

此外，益生元是支持益生菌递送至结肠（如包封剂），并在所有情况下，不易消化的食物成分，滋养微生物的益生菌。天然的益生元包括生香蕉，洋葱，大蒜，甘蔗，朝鲜蓟，和菊苣和雪莲果[根部]，并且是市售的如抗性淀粉，菊粉，乳果糖，乳糖醇，乳果糖，低聚果糖（FOS），低聚木糖，低聚半乳糖。

通常，微生物的生存能力高度取决于多种因素，如基质，贮存温度，湿度，pH值，和氧水平。包封基质提高了益生菌的抗逆性。因此，当两种益生菌以基质形式组合时，协同合生作用方法可确保共同施用的益生菌的稳定性。同样，这有助于在整个保质期内保持益生菌的潜力。

通过口服途径摄入的益生菌在消化道中会遇到多种压力环境。例如，人类消化系统的pH值是可变的。大约，口腔的pH值为6–7，胃的pH值较低，为1–3，小肠和大肠的pH值在6到7之间。由于胃的低pH条件和小肠的高胆盐含量，维持到达大肠（结肠作用靶点）的益生菌的活性是一个挑战。

因此，在任何功能性益生菌食品的开发过程中，益生菌的适当保护是至关重要的。除人体条件外，其他因素，如：加工温度、封装/基质材料的pH值、产品中的氧气水平、其他竞争细菌的存在以及代谢物的毒性等，都会影响益生菌的生存能力。在这种情况下，在储存期间，产品的温度和水分含量是需要考虑的主要因素。此外，干燥的益生菌的再水化和溶解度行为与它们的生存和复苏有关。

已经开发了各种技术来提高益生菌对外界胁迫的耐受性，从而通过食物基质修饰和采用过程工程方法来增强肠道微生物群的定植。在这方面，食品基质的选择和配方是技术性能和益生菌稳定性的关键考虑因素。

将益生菌封装为粉末制剂可以保护这些活的微生物，提高其稳定性，并在靶向给药方面提供益处。

重要的是，在优化益生菌封装方法的过程中，必须在封装过程前后建立微生物稳定性、功能性、安全性、有效性和靶向能力。

Yoha et al., Probiotics & Antimicro. Prot. 2021

上图解释了根据FAO/WHO指南评估食品用益生菌所涉及的各种筛选部分。为了保持益生菌的特性，封装方法应该考虑以下几个方面。

​

已经探索了各种技术来封装益生菌（下图）。尽管所有这些方法的重点是保护益生菌的生存能力/稳定性，但每种技术的概念都是独特的，并对产品质量有直接影响。

Yoha et al., Probiotics & Antimicro. Prot. 2021

加工条件被认为是主要因素，是负责保留质量和活力的胶囊益生菌。此外，不同的壁材料已被探索作为保护/涂层剂用于封装益生菌。

它们来源于膳食纤维、多糖、蛋白质和合成聚合物。

通常，选择取决于它们的功能性、成膜能力、稳定性、溶解性、消化率和释放特性。为了获得所需的性能，还可以使用壁材的组合或乳化剂/填充剂的添加。

然而，大多数已建立的益生菌封装方法只考虑了益生菌的生存能力，而没有考虑益生菌的功能或特性。在益生菌的封装/干燥过程中，细胞的表面性质及其功能性会受到影响。这可能会影响益生菌的特性，如聚集（自聚集和共聚集）特性、肠粘液粘附能力、拮抗活性和胆盐水解酶活性。

因此，未来的研究除了探讨微囊化益生菌的生存能力外，还需要探索微囊化益生菌的功能特性，从而更好地关注微囊化益生菌的健康益处。

未封装的益生菌（游离细胞）在高温、高操作压力、剪切应力和低胃pH下失去活力，进而导致益生菌细胞计数和性能的耗尽。

封装过程可以通过将益生菌包埋在保护壁材料/基质中来保护益生菌。益生元材料，如FOS、菊糖和填充材料，如麦芽糊精（MD）、乳清蛋白（WP）、乳清分离蛋白（WPI）、乳清浓缩蛋白（WPC）、海藻酸钠、明胶，并在改善益生菌在不同外部环境中的稳定性方面发挥了重要作用。

下图详述了据报道用于封装益生菌的不同壁材料。

Yoha et al., Probiotics & Antimicro. Prot. 2021

在通过胃肠道的不利和波动条件的运输过程中，包埋可以为益生菌提供显著的保护。

例如微胶囊化对益生菌的贮藏稳定性和贮藏后性能有显著的影响。且胶囊化益生菌的后酸化过程比非胶囊化益生菌慢。

一项关于抗生素与胶囊型益生菌（抗生素敏感型益生菌）合用效果的研究显示，胶囊型益生菌对抗生素耐药病原体的治疗效果有所提高。此外，抗生素治疗可以杀死目标病原体以外的有益细菌；因此，为了滋养肠道微生物，益生菌的补充是必要的。

封装的益生菌有一个由海藻酸钠或其他合适的生物相容性材料组成的保护壳，可以抵御抗生素。生物相容性脂质涂层提供肠道微生物的生物界面超分子自组装，用于增强口服给药和治疗。

研究人员和工业界已经探索了不同的封装方法来封装感兴趣的不同成分。作为公认的优点，胶囊益生菌可以提供更好的范围，有针对性的 “交付”。本节解释了每种技术的概念以及最近在益生菌的封装效率、生存能力和稳定性方面的应用。

下表总结了不同的封装技术。

传统方法

新型方法

Yoha et al., Probiotics & Antimicro. Prot. 2021

益生菌的封装可以保护细胞直至到达结肠的生存能力，从而提高了到达肠道远端（胃肠道下部）后益生菌功能的有效性。益生菌递送的确认可以首先通过体外研究使用模拟的静态体外消化或动态体外消化系统（模拟器）来完成。这些可以为目标交付提供概念证明。此外，需要对益生菌的体内研究来获得对这种益生菌的现实看法以及对健康影响，功效和安全性进行深入研究的需要。

可以在控制温度，pH和连续摇动条件下，使用模拟消化液（例如模拟唾液（SSF），模拟胃液（SGF）和模拟肠液（SIF））进行体外消化研究。尽管如此，这些还是很少地模仿消化过程（下图）。

Yoha et al., Probiotics & Antimicro. Prot. 2021

de Almeida Paula等人评估了在模拟的GI条件下植物乳杆菌的双过程微囊化对益生菌存活的效率。报告说，与游离细胞（25％）相比，微囊化植物乳杆菌中的细胞活力更高（80.4 ％）。

静态模型只能代表胃肠道中的生化过程，但不能提供动态环境，例如对胃的恒定物理力（轴向和剪切力），胃排空，用于肠蠕动的非自愿肌肉的同步收缩，反馈机制，以及餐食和常驻微生物区系的影响。为了解决这些挑战，已经开发了动态体外消化模型。

人类上消化道的动力学模型模拟了上消化道运输的事件。该模型由胃（胃）和十二指肠反应器组成，可用于验证从人，动物和发酵乳制品中分离出的益生菌的存活率。该模型考虑了进餐时胃中存在pH值以及小肠中的胆汁盐的pH值变化。特别是，它证明了膳食以及包封基质对益生菌生存力的影响。

模拟人肠道微生物生态系统（SHIME®）是计算机控制的模拟人胃肠道模型。该模型由五个反应器组成，这些反应器模拟从胃到大肠的降结肠。胃反应器通过胃蛋白酶消化模拟酸性环境，小肠反应器为消化过程提供胆汁条件，大肠的三个反应器模拟结肠的不同区域（上升，横向和下降），有助于研究结肠的差异。微生物过程。

研究使用SHIME®评估了藻酸盐-壳聚糖微囊化嗜酸乳杆菌的靶向递送，确认了益生菌在目标部位的成功递送。

胃肠道模拟器（SIMGI®）是一种多隔室的GI模型，旨在模拟胃，小肠和大肠（具有上升，横向和下降结肠隔室）的消化过程。SIMGI®系统可以处理结肠菌群的增殖。 

一项研究补充植物乳杆菌CLC17对多酚代谢的影响。他们将SIMGI®模型用于模拟的GI消化，并通过qPCR（定量聚合酶链反应）和16S rRNA基因序列分析对微生物群组成进行了定量。结果推断该菌株可以成功地在结肠区域的区室中递送。

另一项使用SIMGI®模型研究了纳米银颗粒对人体肠道菌群的影响，并报道纳米颗粒不影响人体肠道菌群的代谢活性。

人工结肠（ARCOL）是模拟结肠（大肠）消化的单室模型。它可以与任何其他动态上层GI系统一起使用。肠道菌群的组成及其活性可以使用ARCOL模型进行研究。此外，该模型中存在的透析纤维模仿了微生物代谢产物的被动吸收。

TNO胃肠模型（TNO）系统具有TIM-1（由胃，十二指肠，空肠和回肠组成）和TIM-2（大肠）两种模型。Marteau等首先研究了使用TIM-1的乳酸菌的存活率，并报道了它可用于验证胃肠道转运过程中益生菌的生存能力。

Cordonnier等使用TIM -1和ARCOL动态仿真器研究酿酒酵母的存活动力学以及CNCM I-3856及其对肠道菌群的影响。结果表明，益生菌菌株在上消化道中具有较高的存活率，而该菌株对结肠条件更敏感。

Venema等使用TNO GI模型（TIM-1系统）研究了多层包被的益生菌菌株（加氏乳杆菌PA 16/8，长双歧杆菌SP 07/3和双歧双歧杆菌MF 20/5）的存活率-胃和小肠的体外模型。他们报告说，胃存活率双歧杆菌和乳杆菌分别以72％和53％的比例被递送到小肠。因此，与未包衣的益生菌菌株相比，益生菌菌株的肠溶衣提供的活细胞递送增加了20–40倍。

胃肠道模拟器（GITS）是模拟人类胃肠道状况的单个生物反应器。

Sumeri等使用GITS研究了不同的益生菌（嗜酸乳杆菌La-5，约翰逊乳杆菌NCC533，干酪乳杆菌Shirota和鼠李糖乳杆菌GG）的存活率，并报道了嗜酸乳杆菌La-5和约翰逊乳杆菌NCC533对胆汁盐表现出更高的抗性，而干酪乳杆菌菌株Shirota和鼠李糖乳杆菌GG的生存能力降低。

胃肠道消化模拟器（GIDS）-一种半动态体外胃肠道模型，其模拟“禁食模式”，即空腹消化-添加样品前不含消化液。唾液在喂入胃反应器之前被人工添加到外面，以模拟口腔消化。

Adouard等人专门为益生菌开发了这个模型，并建立了它来评估整个人类胃肠道的益生菌生存能力。GIDS系统为识别到达结肠的目标菌株提供了有效的见解。

Moumita等人使用定制的体外GI模型研究了胶囊化乳酸菌的GI耐受性。对游离型和包封型乳酸菌进行了消化，观察到包封型乳酸菌在消化过程中的变化。

嗜酸菌NCIM-2660与游离菌相比表现出更高的抗性。除了封装外，抗应力/耐应力条件与应变有关。设计体外胃肠道模型，观察益生菌菌株在10.25小时（包括2小时胃、0.25小时十二指肠、3小时空肠、4小时回肠和1小时盲肠5个隔室）的释放和活力，并观察益生菌菌株的释放。在SGIF（模拟胃肠液）中，在pH值（6.0–6.5）范围内释放益生菌菌株，因此，在小肠的空肠腔中发现了活性益生菌。

Parthasarathi等人开发了一种工程化的小肠系统，以研究肠吸收和灌注过程以及粘膜层的干扰。它由一个与蠕动泵、pH计、供体、受体和缓冲循环室相连的灌注室组成。小动物（大鼠/鸡）的小肠可与该模型相吻合，该模型模拟了精确的体内模型。

Parthasarathi等人在这种工程化小肠系统中使用大鼠小肠来研究生物活性化合物的肠道通透性，并报告所开发的系统非常适合肠道通透性的被动扩散。

利用这种方法研究了纳米胶囊化玉米醇溶蛋白-白藜芦醇的生物利用度，改进后的方法可以推广到益生菌。

其他一些系统，如M.I.D.A.（婴儿消化器官模型）、动态胃模型（DGM）、人类胃模拟器（HGS）、DIDGI® 系统和工程化胃和小肠（ESIN）已被用于评估食物的消化率、溶解特性、营养素的吸收和生物可利用性，包括药物应用。

在BALB/c小鼠中评估了逐层包裹的凝结芽孢杆菌的靶向递送，并报告了逐层涂层可提高益生菌的存活率。此外，他们还利用猪小肠进行了粘液粘附和肠道定植研究，并通过使用活体成像系统（IVIS）软件进行生物发光成像，观察到益生菌在短时间内与肠组织良好粘附。

Coelho Rocha等人通过口服给药研究了C57BL/6小鼠体内微囊化和非微囊化乳酸菌的存活情况，并通过共聚焦显微镜和qRT PCR（定量逆转录-聚合酶链反应）分析了小鼠的肠道切片。结果确保在肠的不同部分存在活的乳酸菌。研究人员观察到，包封乳酸菌和非包封乳酸菌在十二指肠和空肠切片中均有较高的相对表达，而回肠和结肠切片中仅在包封乳酸菌中观察到相对表达。

上述体内研究实例可证实益生菌在作用靶点的递送；尽管如此，还需要证据证明它们的健康主张/功效/健康用途路径。

包囊技术的范围提供了货架稳定的益生菌。然而，监管问题存储期间与在环境条件下益生菌的贮存稳定性产生。市场上的大多数益生菌产品都需要冷藏。但事实上，即使是胶囊形式，也应至少在打开包装后进行冷藏以保持益生菌的效力，因为大气中的潮湿条件会导致代谢发酵或降解。

尤其是在益生菌果汁中，由于高有机酸含量需要冷藏，因此酸性胁迫是一个挑战。

通过选择特定的弹性基因型益生菌（如形成孢子的益生菌）可以克服这一挑战。包封方法与益生菌的选择性菌株一起，即使在非冷藏条件下也将提高货架期。

在应用的基础上，益生菌在各种疾病的治疗中起着至关重要的作用，如本文前面的部分所述。有趣的是，益生菌在病毒感染中的作用-“抗病毒益生菌”是医学界的一个新概念。最近许多研究都集中在使用益生菌的急性呼吸道感染的治疗，考虑到涉及通过肠道-肺轴肠肺串扰科学。

益生菌的免疫调节和预防机制可用于治疗/预防病毒感染。众所周知，肠道益生菌介导的免疫调节通过细胞因子的分泌来上调呼吸道粘膜免疫，从而预防呼吸道病毒感染。

有几个关于益生菌防治呼吸道感染的干预临床试验报道（NCT01782755，NCT03449459，NCT03636191和NCT03683927）。

最近，国家卫生委员会建议益生菌用于COVID-19感染的患者，以维持肠道菌群的平衡并预防继发性细菌感染。此外，已经在我国临床试验注册中心（ChiCTR2000029974）下注册了临床试验，以评估丁酸梭状芽孢杆菌胶囊和凝结芽孢杆菌的有效性和安全性片治疗新型冠状病毒性肺炎患者并研究其作用机制。对益生菌及其新发现的认识不断提高，可能为改善人类健康的解决方案铺平道路，并且封装作用仍然至关重要。

这篇文章阐述了益生菌在人类健康中的作用以及为实现所需益处而对益生菌进行封装的必要性。

通过提供对人类口腔胃肠道的复杂途径和一系列应激环境的理解，来解释对封装的需求。益生菌的封装已被证明具有保护益生菌和促进其靶标递送的潜力。

益生菌的包封，靶向递送以及菌群检测方法以及包封对益生菌的作用等面临的挑战，是益生菌从研究进入商业化所必须解决的。

相关阅读：

益生菌的简单入门指南

生命早期微生物接触和过敏风险：如何预防

肠道微生物群的老化及其对宿主免疫力的影响

参考文献