《食品科学》：扬州大学黄玉军教授等：基于主成分分析和熵权TOPSIS筛选预防“三高”潜力的功能性乳酸菌

高血糖、高血脂、高血压（三高）是导致心血管疾病的重要诱因，已成为全球性公共健康问题。“三高”的产生与体内多种酶的功能活性密切相关。其中α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶是血糖代谢的重要调节酶，α-葡萄糖苷酶能水解葡萄糖苷键，释放葡萄糖，而α-淀粉酶可以促进淀粉糖苷键水解。研究表明，抑制α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶活性可以延缓碳水化合物的消化和葡萄糖吸收，是预防高血糖的重要策略。由胰腺分泌的胰脂肪酶（PL）是参与膳食脂肪消化的主要酶类，靶向抑制PL能减少食物中脂质的消化吸收并减少脂肪组织的脂滴积累，已成为预防高血脂的有效途径。血管紧张素转换酶（ACE）能催化无活性血管紧张素I转化为血管紧张素II，使缓激肽失活，进而升高血压，因此抑制ACE活性是预防高血压的重要策略。除相关功能酶的作用外，氧化应激也是“三高”的重要诱因。氧化应激产生大量活性氧，导致脂质、蛋白质和DNA的氧化损伤，进而导致胰岛素抵抗、β细胞功能障碍，最终破坏血糖和血脂稳态，加速高血压和糖尿病的进展。

合理预防和控制“三高”是改善人类健康和缓解公共卫生医疗压力的重要措施，传统上对“三高”的防治策略主要依靠药物作用，如卡格列净、达格列净、利拉鲁肽等，但这些药物普遍存在难以克服的副作用，如高钾血症、肾功能恶化、酮症酸中毒风险等。因此寻找一种安全可靠的食疗策略降低“三高”风险十分必要。乳酸菌作为一类功能性益生菌，摄入后会对宿主的身体健康产生积极影响。近年来乳酸菌的降血糖、降血脂、降血压、抗氧化、抗炎等多种功能活性被广泛报道，使其在预防“三高”疾病方面展现出巨大潜力。

主成分分析（PCA）和熵权TOPSIS是两种常用的数据评价方法。例如，Aktepe等采用PCA筛选出16 株具有良好发酵活性的乳酸菌，用于后续发酵剂相关研究；Liu Chuling等采用熵权TOPSIS方法从传统红曲产品中筛选出具有降“三高”综合能力的红曲霉菌株。熵权TOPSIS假设指标相互独立，评价过程易出现重复加权，受极端值影响较大，但其优势在于能保留原始数据全部信息。相比之下，PCA可以降低数据维度，简化数据结构，提高分析效率，但PCA假设数据是线性可分的，对于非线性关系的数据处理效果欠佳，且权重确定较为抽象。因此为提高评价结果的稳定性与可靠性，可引入熵权TOPSIS，并利用Spearman和Bland-Altman检验两种评价方法，进一步提高数据评价的准确性与客观性。

扬州大学食品科学与工程学院的杨小龙、黄玉军*、王凯等研究聚焦“三高”健康问题，利用熵权TOPSIS联合PCA法筛选安全、高效、具有抗“三高”潜力的乳酸菌，以期为具有预防“三高”功效发酵制品的开发提供菌种资源，也为“三高”疾病的防治提供新的食疗策略。

1 具有耐酸耐胆盐特性的乳酸菌筛选

乳酸菌菌株的耐酸性在很大程度上决定了该菌株承受胃液消化进入肠道发挥益生作用的能力。胃液的pH值会随饮食时间变化，进食前，人体的胃液pH值可低至1.5，而进食后pH值高达6以上，但通常情况下pH值在2.5～3.5之间，食物在胃中消化的时间一般为2～4 h。人肠道胆盐水平一般在0.03%～0.3%之间，菌株对胆盐的耐受性是衡量乳酸菌能否在肠道中发挥作用的重要指标。因此，选择耐酸性和胆盐耐受性评价作为菌株的初筛指标。

如表1所示，76 株乳酸菌的耐酸性在20.16%～82.63%之间，胆盐耐受性在26.61%～115.71%之间，这与Li Kexin等报告的研究结果相似。根据76 株乳酸菌的耐受性结果，从pH 2.0和胆盐0.3%中取前35%的菌株，共得到20 株具有良好酸和胆盐耐受性的菌株，进行后续酶活抑制能力及抗氧化活性实验。

2 菌株的抗“三高”能力评价

2.1 α-淀粉酶抑制能力

如图1A所示，20 株乳酸菌对α-淀粉酶的抑制能力在1.88%～66.64%之间，其中7 株乳酸菌的α-淀粉酶抑制率高于30%。L.Pc 02和L.P 06的α-淀粉酶抑制率分别为66.64%和59.02%，高于其余18 株乳酸菌。Xu Yazhou等报道了43 株乳酸菌的α-淀粉酶抑制率，其中29 株抑制率大于30%，最高为60%，这与本研究结果一致。

2.2 α-葡萄糖苷酶抑制能力

如图1B所示，20 株乳酸菌对α-葡萄糖苷酶的抑制率在19.65%～95.33%之间，菌株L.C 01、L.H 02、L.P 06具有最高的α-葡萄糖苷酶抑制率。Reuben等发现各种乳酸菌菌株表现出8.44%～94.41%的α-葡萄糖苷酶抑制率，Wang Hongyu等发现10 株乳酸菌的葡萄糖苷酶抑制率在29.04%～85.16%之间，Xu Yazhou等报道的16 株乳酸菌的α-葡萄糖苷酶抑制率为30%～60%，Basharat等报道的3 株乳酸菌α-葡萄糖苷酶抑制率最高，为59.45%，这些研究与本研究的实验结果基本一致。

2.3 PL抑制能力

如图1C所示，20 株乳酸菌对PL的抑制率在66.57%～89.84%之间，其中L.P 06的PL抑制率为77.71%，处于中间水平；L.F 01和grx08的PL抑制率分别为89.84%和88.07%，高于其余乳酸菌。Ban等报告了5 株乳酸菌的PL抑制能力，其中4 株乳酸杆菌的抑制率在84.3%～88.6%之间，而乳酸乳球菌的PL抑制率仅有19.1%，这些与本研究实验结果基本一致。本研究中多数乳酸菌具有80%以上的PL抑制率，表明乳酸菌具有调血脂、抗肥胖的潜力。

2.4 ACE抑制能力

包括grx08在内的20 株乳酸菌ACE抑制率如图1D所示，在61.84%～89.86%之间，L.P 06最高，为89.86%，高于grx08的76.65%和其余乳酸菌。Chen Yongfu等发现59 株乳酸菌中，32 株乳酸菌的ACE抑制能力超过60%，10 株乳酸菌的ACE抑制率超过70%，Abiad等发现30 株乳酸菌中有7 株ACE抑制率大于70%，这些研究表明高ACE抑制能力的乳酸菌具有降血压、保护心脏等潜力。

2.5 菌株抗氧化能力

本研究对20 株乳酸菌的CFS和IC的抗氧化能力进行了测定，如图2所示。乳酸菌CFS对DPPH自由基的清除率在27.62%～91.03%之间，CFS对羟自由基的清除率在39.92%～92.94%之间，且CFS的T-AOC为1.88～8.75 mmol/L（以FeSO4当量表示），其中L.P 06的CFS对DPPH自由基清除率为83.77%，羟自由基清除率为83.02%，T-AOC为7.159 mmol/L；乳酸菌IC对DPPH自由基的清除率在2.14%～38.74%之间，对羟自由基的清除率在11.62%～48.57%之间。L.P 06的IC具有最高的T-AOC，L.Pc 02的IC则具有最高的DPPH自由基清除能力和羟自由基清除能力，相对其余乳酸菌而言，L.P 06和L.Pc 02整体表现出与作为对照的实验室专利菌grx08相当的抗氧化能力，这说明乳酸菌L.P 06和L.Pc 02具有缓解氧化应激的潜力。此外，L.F 16和L.P 10的CFS都表现出较高的DPPH自由基清除能力和T-AOC，这可能与一些特定的代谢产物有关。Ragul等发现乳酸菌IC对DPPH自由基的清除率在4.20%～32.83%之间，IC对羟自由基的清除率在2.89%～46.37%之间，这与本实验测定的结果基本一致。

3 熵权TOPSIS联合PCA综合分析

3.1 PCA评分

PCA能防止降维计算中指标高度相关性导致的信息重叠和覆盖、减少变量数量和计算时间、提高计算效率、确保了数据信息的相对完整。如图3所示，PCA共得到4 个特征值大于1的PC，共占总变异系数的84.95%（其中PC1占比38.21%，PC2占比20.83%，PC3占比15.36%，PC4占比10.55%）。PCA能全面直观地评估每个菌株的功能潜力，通过观察菌株本身和相关指标向量间的关系，判断菌株的优势指标和劣势指标，结果表明，L.P 06在降血糖和降血压方面表现出较高潜力，L.Pc 02在降血糖方面表现出较高潜力，grx08在降血脂方面具有较高潜力。基于每个PC的得分及相关方差贡献权重，进行PC综合评分，结果见表2，每种菌株的总得分均已列出。Li Kexin等的PCA结果共提取4 个PC，占总变异系数93.27%，从5 株乳酸菌中确定了3 株乳酸菌的抗肥胖潜力，Lin Jiaxin等采用PCA法从16 株乳酸菌中选择5 株具有潜在抗高尿酸血症的新型乳酸菌，本研究在此基础上扩大了菌株筛选范围的同时，并仅将功能潜力相关的指标列入数据分析范围，这有助于筛选特定功能活性的益生菌。

3.2 熵权TOPSIS评分

熵权TOPSIS是一种混合多标准决策分析方法，它集成了熵权法和基于理想解相似性的优先排序法，最大程度上减少指标权重的主观性，使评价结果更客观。熵权法计算所得各指标权重见图4，α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶权重之和为31.28%，PL抑制能力权重占比9.14%，ACE抑制能力权重占比5.35%。

通过熵权TOPSIS法得出各指标相应的权重和正负理想解（表3）。菌株越接近正理想解，其在多个标准上的表现越好，该值离负理想解越远，它与备选方案在多个标准上的最差性能越远。通过比较各菌株的评价标准值和两种理想解之间距离，对菌株的相对优缺点进行评估，可用于菌株多维功能筛选中明确每个菌株的具体价值，筛选出最优菌株，即L.P 06和L.Pc 02（表2）。Liu Chuling等利用熵权TOPSIS法从9 株红曲霉菌株中得到一株降血糖、降血脂、降血压综合得分最高的菌株。

3.3 熵权TOPSIS联合PCA相互验证

PCA侧重于揭示不同功能指标间的内在联系和贡献权重，而熵权TOPSIS法则侧重于对菌株进行综合性能的绝对排序。联用熵权TOPSIS和PCA可以提高评价结果的客观准确性和公正性。两种评价结果如表2所示。

根据熵权TOPSIS和PCA对20 株乳酸菌的评分结果，植物乳植杆菌L.P 06和副干酪乳酪杆菌L.Pc 02的PC得分为1.126、0.783，熵权TOPSIS评分为0.796和0.790，L.P 06和L.Pc 02由于自身突出的抗“三高”潜力而在两种评价结果中均表现出巨大优势，表明它们在降血糖、调血脂、控血压方面具有进一步开发应用的潜力。本研究利用Spearman检验和Bland-Altman对熵权TOPSIS和PCA的评价结果进行相关性检验和一致性评价，能有效减轻主观判断和数据本身特征对最终筛选结果的影响，增强了评估体系的科学和客观完整性。

对比两种评价方法的排名结果，经Spearman检验，两种方法排序相关系数为0.893，排名顺序高度正相关，表明PCA和熵权TOPSIS对该组数据的分析具有高度稳定性和代表性。Bland-Altman图是一种用于评估两种方法或结果一致性的数据可视化方法，图5中每个点代表了一个菌株的平均排名和位差，横轴为菌株两种评价方法的平均排名，纵轴为菌株两种评价结果的差值，一致性限度上限和一致性限度下限定义了差值的95%一致性区间。Bland-Altman图显示95%的菌株排名位差在±5位以内，离群菌株仅有grx08，进一步分析发现，grx08主要优势集中在PL抑制率方面，主要劣势在降血糖方面，同时由于熵权TOPSIS法降血糖能力的信息熵明显小于降血压和降血脂，这是导致方法间位差达6位的主要原因。相较于grx08，L.P 06因其突出的降血糖、降血压能力和良好的降血脂能力，L.Pc 02因其突出的降血糖能力，两株乳酸菌从所有菌株中脱颖而出，体现出极好的抗“三高”功能潜力。在L.P 06、L.Pc 02和grx08之外，L.H 02和L.Pc 06在各方面没有突出效果但各指标均保持在平均水准之上，因此位列在专利菌grx08之后。综上，通过比较两种评价方法的结果与内在联系，可对表现出一定优势的乳酸菌进一步分析其功能潜力，结合专业背景知识以提高筛选方法的精准性和客观性。

4 益生菌特性评价

4.1 模拟胃肠液的转运耐受性

通过模拟胃肠液转运进一步评估菌株L.P 06和L.Pc 02经过胃肠道消化进入人体发挥益生作用的能力。如表4所示，两株乳酸菌经过模拟胃肠液转运后的存活率仍超过80%，具有良好耐受胃肠液的能力。

4.2 菌株自聚集能力和疏水性

在烃-水两相分离过程中，菌株会经历疏水分配，可以根据水相中菌株细胞数量的变化表征细胞表面的疏水性。菌株自聚集一般是指同一菌株结合形成细胞簇的现象，有助于生物膜的形成和宿主肠道的定植，并阻止病原菌株的黏附和侵袭。3 株乳酸菌对乙酸乙酯的疏水性在25.31%～55.91%之间，菌株的自聚集能力在10.36%～17.00%之间，这与Wang Hongyu等报道的乳酸菌疏水性（7.11%～56.63%）和自聚集能力（4.38%～12.23%）结果一致。

5 菌株的抗生素敏感性和溶血性分析

具有抗生素耐药性的乳酸菌可能会将相关的抗生素耐药基因转移到其他肠道细菌。抗生素敏感性和溶血性在很大程度上代表了乳酸菌的安全性，是乳酸菌应用于食品药品行业的前提。

乳酸菌对7 种常见抗生素的敏感性结果如表5所示，质控菌株金黄色葡萄球菌25923对抗生素的抑菌圈直径均在质控范围内，表明实验所使用的培养基和药物是有效的。L.P 06和L.Pc 02都对青霉素、氨苄西林和氯霉素敏感，对诺氟沙星耐药。Hummel等研究发现，发酵乳制品及相关发酵食品来源的乳酸菌通常不存在对青霉素、氨苄青霉素、红霉素和氯霉素的耐药性，对这些抗生素耐药的菌株大多数存在于肉制品来源的菌株中；Wei Benling等的研究发现3 株乳酸菌对青霉素和氯霉素敏感，对红霉素存在中介敏感，对诺氟沙星耐药，与本实验结果基本一致。溶血是指药物制剂诱导的溶血和红细胞裂解等反应。如图6所示，与金黄色葡萄球菌相比，两株菌都没有出现溶血圈。

6 结 论

本研究首先从76 株乳酸菌中，根据耐酸耐胆盐特性分析筛选出20 株候选菌株（含实验室专利菌grx08），随后从α-淀粉酶抑制能力、α-葡萄糖苷酶抑制能力、PL酶抑制能力、ACE抑制能力和抗氧化活性等抗“三高”相关功能进行系统评价，利用PCA联合熵权TOPSIS相互验证，综合分析，最终筛选出两株具有突出抗“三高”潜力的乳酸菌——植物乳植杆菌L.P 06和副干酪乳酪杆菌L.Pc 02。进一步研究表明，这两株菌在胃肠液耐受性、疏水性、自聚集能力和溶血性等方面均表现良好，可以作为抗三高功能性食品的候选菌株。本研究通过验证PCA和熵权TOPSIS两种数学评价方法的结果，深入分析了主要优势菌株的功能特性和应用潜力，最终筛选出两株具有抗“三高”潜力的乳酸菌，为评价方法学应用于筛选不同功能类型的乳酸菌提供了科学参考，也为进一步验证乳酸菌的体内功效提供研究基础。

作者简介

1

第一作者

杨小龙 硕士研究生

杨小龙，硕士研究生，就读于扬州大学食品科学与工程学院，2023级食品工程专业，主要研究方向为食品微生物。

2

通信作者

黄玉军 教授

扬州大学食品科学与工程学院副院长，硕士生导师，研究方向为乳品科学，乳酸菌资源开发利用及功能食品开发，主持国家自然科学基金、国家863计划等科研项目。获授权专利15 项，研发成果涉及乳酸菌发酵乳制备技术，研究成果获江苏省科技进步二等奖等荣誉。

引文格式：

杨小龙, 黄玉军, 王凯, 等. 基于主成分分析和熵权TOPSIS筛选预防“三高”潜力的功能性乳酸菌[J]. 食品科学, 2026, 47(7): 119-129. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250928-228.

YANG Xiaolong, HUANG Yujun, WANG Kai, et al. Screening of Lactobacilli strains for their potential for preventing hyperglycemia, hyperlipidemia, and hypertension based on principal component analysis and entropy-weighted TOPSIS[J]. Food Science, 2026, 47(7): 119-129. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250928-228.

实习编辑：刘芯；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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