《食品科学》：海南大学张家超教授等：益生菌功能发挥的物质基础与研究新范式

益生菌是指当摄取足量时，能够对宿主健康产生有益作用的活性微生物。益生菌作为一种微生态制剂，在人类健康领域中的应用已有较长历史。随着肠道微生态研究的不断深入，益生菌已从传统发酵食品中逐步发展为在疾病干预、代谢调控和免疫稳态维持等领域具有潜在应用价值的重要研究对象。近年来，高通量测序和微生物组学的发展显著推动了对益生菌-肠道微生物-宿主互作的认识。大量动物实验和临床研究表明，特定益生菌可通过调节炎症反应、改善代谢紊乱以及增强黏膜屏障功能，对宿主健康产生积极影响。比如，植物乳植杆菌能够调节高脂饮食小鼠的葡萄糖耐受性及胰岛素敏感性；罗伊氏黏液乳杆菌I5007可显著减轻小鼠结肠炎模型中的疾病活动及结肠炎症。

然而，尽管相关研究迅速增多，但现有证据仍主要集中于特定适应症，且普遍存在证据力度不足、结论不一致的问题。由于个体间微生物组存在显著差异，多数益生菌制剂缺乏广泛且稳定的疗效。目前多数研究仍以表型改善、菌群结构变化和菌株定植稳定性作为主要评价指标，对于益生菌发挥作用的直接物质基础认识不足。在人群研究中，特定菌株或其代谢产物与临床终点之间的因果链条仍十分缺少。这种机制上的不确定性不仅限制了合理菌株筛选和终点的确立，也导致不同临床试验的结果存在较大差异。此外，许多研究亦缺乏对相关活性成分分子通路的深入验证，致使其确切的作用物质基础与分子机制仍不明确。因此，仅从菌群结构层面解释益生菌功能已难以满足机制研究和精准应用的需求。海南大学食品科学与工程学院的张增、拜依辰、张家超*基于当前益生菌研究领域的空白，系统解析益生菌功能发挥的物质基础，包括菌体结构成分、代谢产物及其介导的宿主信号轴，成为当前研究的重要方向。同时，传统以经验筛选和单一模型为主的研究范式正逐渐被多组学整合和多模型验证的新策略所取代。由此可见，从物质基础出发并结合研究范式的演变，对益生菌功能进行系统总结具有重要意义。

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益生菌发挥作用的物质基础

阐明益生菌菌株功能的分子机制，是解析特定益生菌菌株如何介导宿主健康获益、推动其从经验性应用走向精准化开发的关键前提。益生菌的促健康作用并非仅表现为肠道微生态结构的变化，而往往由其具体分子组分与代谢产物介导，包括菌体表面的黏附相关因子、菌毛与胞外多糖，以及细胞壁成分等。同时，益生菌生成或参与转化的短链脂肪酸、胆汁酸衍生物、色氨酸衍生物、维生素等有益代谢物，可作为信号分子或底物影响宿主免疫与代谢通路。此外，益生菌在肠道生态系统中的营养竞争、拮抗抑制与交叉互养决定其定植能力及定植抗性，从而影响功能能否稳定表达。基于上述框架，将从细胞表面、代谢产物与生态相互作用3 个维度解析益生菌的物质基础（图1）。

1.1 细胞表面

1.1.1 表面结构及黏附相关因子

益生菌的细胞表面与细胞壁富含多种结构成分，这些成分可以作为效应分子作用于宿主。此类成分主要包括肽聚糖及其片段、磷壁酸、胞外多糖、表层蛋白、菌毛与纤毛，以及其他细胞壁相关蛋白。由于这些成分最先与肠道黏液层或上皮组织接触，因此在介导益生菌的肠道黏膜黏附以及调节宿主免疫反应中发挥关键作用。例如，乳杆菌和双歧杆菌所具有的黏附性纤毛或表面蛋白，能够结合肠道黏液或者上皮细胞表面受体，从而促进菌株在肠道黏膜表面的黏附与定植稳定，并竞争性阻断病原体的附着位点。某些特定表面蛋白（如聚集促进因子）能够调控益生菌的聚集行为，在物理空间上阻隔并抑制病原体。这种竞争性排斥作用有助于增强宿主对肠道病原体的固有抵抗力。类似地，表层蛋白可通过空间位阻效应干扰病原体黏附，从而降低其在肠道中的定植能力。

1.1.2 细胞壁微生物相关分子模式（MAMPs）及其受体轴

益生菌表面的MAMPs能够激活宿主的模式识别受体，从而参与先天免疫信号的激活与校准。肠道上皮细胞的TLR及免疫细胞可以识别多种此类分子特征。例如，TLR2可以识别革兰氏阳性菌细胞壁中的脂磷壁酸和肽聚糖等结构，而TLR4则可识别特定细菌多糖或胞外多糖。唾液乳杆菌产生的纯化肽聚糖可以通过树突状细胞的TLR2信号传导，在促进抗炎因子白细胞介素（IL）-10产生的同时，抑制肠炎状态下过量的IL-12分泌，从而发挥免疫调节作用。除膜受体外，胞质内的NOD样受体同样参与对益生菌结构组分的感知。与之类似，益生菌分泌的胞外多糖也可作为TLR2、TLR4的配体。如德氏乳杆菌产生的胞外多糖可以激活肠道细胞的TLR2、TLR4信号，抑制核因子κB（NF-κB）和丝裂原活化蛋白酶（MAPK）通路，从而减少IL-6和IL-8等促炎症细胞因子的产生。

除前述成分外，益生菌表面的蛋白质因子也能与宿主免疫细胞发生相互作用，参与免疫调节。以嗜酸乳杆菌的S层蛋白SlpA为例，此蛋白可以与树突状细胞上的树突状细胞特异性细胞间黏附分子-3结合非整合素（DC-SIGN）结合，促进IL-10的分泌，并引导免疫反应向调节性方向或辅助性T细胞2（Th2）型反应偏移，从而协助维持肠道免疫稳态。体内实验表明，缺少S层蛋白的嗜酸乳杆菌突变株的抗炎作用显著减弱，进一步证实了S层蛋白-DC-SIGN信号轴在肠道免疫调节中的关键作用。此外，益生菌表面蛋白质因子也可直接作用于肠道上皮细胞受体。例如鼠李糖乳杆菌GG的分泌肽P40和P75能够与肠道上皮细胞的表皮生长因子受体结合，进而激活与细胞存活相关信号通路。通过这些通路，P40和P75可抑制上皮细胞凋亡，并经由蛋白激酶C及MAPK依赖性机制增强紧密连接完整性，从而有效巩固肠道物理屏障功能。

需要指出的是，益生菌表面结构成分的免疫调节效果具有高度的情境依赖性。低水平MAMPs对TLR的温和刺激通常促进免疫耐受与调节性T细胞分化，而高强度刺激则可能引发炎症反应。因此，益生菌的剂量、给药时机及宿主生理状态均可能显著影响其免疫调节效果。在人体研究中，解析上述机制仍面临方法学挑战。目前多数机制证据来源于无菌动物模型或体外细胞培养，在临床研究中难以直接检测益生菌干预后肠道组织内TLR的活化状态。尽管如此，在特定的疾病情境下仍可观察到相关的间接证据。例如，在新生儿坏死性小肠结肠炎中，罗伊氏黏液乳杆菌DSM17938具有显著的保护作用。其可通过脂磷壁酸被TLR2识别，从而减少炎症细胞因子的产生、减轻组织损伤。在成人炎症性肠病患者中，如大肠杆菌Nissle 1917等的部分菌株可通过强化黏膜屏障、调节先天免疫识别等方式发挥有益作用。

总体而言，现有证据已充分表明，微生物的结构元件构成益生菌发挥功能的核心物质基础，在黏附、竞争性排斥病原体定植及黏膜免疫精细调控中发挥核心作用。未来研究需整合基因组学、结构生物学与高纯度分子检测技术，在特定结构成分与理想免疫调节或屏障功能之间建立明确的对应关系。

1.2 代谢产物

除了结构相互作用外，益生菌亦可通过其产生的多种代谢产物影响宿主生理。这些小分子物质作为化学信使，参与调节肠道免疫信号、代谢通路以及肠-脑轴通讯。益生菌代谢产物的主要类别包括短链脂肪酸、吲哚和色氨酸代谢产物、胆汁酸衍生物、维生素、氨基酸代谢产物、共轭脂肪酸等。这些化合物可以与宿主受体交互，例如G蛋白偶联受体（GPCRs）和核受体等，进而产生系统性的生理效应。

1.2.1 短链脂肪酸

短链脂肪酸，尤其是乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐，是益生菌代谢产物中研究最为深入的一类。乳杆菌、双歧杆菌等肠道共生菌以膳食纤维等益生元为底物进行发酵，产生短链脂肪酸。短链脂肪酸在人体内扮演着多重重要角色，例如为结肠上皮细胞提供能量、增强肠道屏障完整性以及调节免疫反应等。特别是丁酸盐，可以通过诱导调节性T细胞和抗炎细胞因子进而增强黏膜免疫耐受。

在作用机制上，短链脂肪酸可结合宿主细胞表面的多种GPCRs，例如GPR41、GPR43与GPR109A。这些受体在肠上皮细胞、脂肪细胞、肠内分泌细胞和免疫细胞中均有表达。基于小鼠模型的研究发现，肠道菌群产生的丙酸盐和丁酸盐通过激活结肠免疫细胞的GPR43受体，可促进叉头框蛋白P3（Foxp3＋）调节性T细胞的增殖，从而抑制促炎性反应。同样，在GPR109A相关动物模型和免疫细胞实验中，丁酸盐被证实可通过GPR109A受体作用于树突状细胞和巨噬细胞，推动其向抗炎表型分化，从而诱导产生IL-10的调节性T细胞，并抑制结肠炎症甚至结直肠癌的发生。此外，短链脂肪酸还可通过抑制组蛋白去乙酰化酶，在免疫细胞内直接调节基因表达，进一步促进抗炎微环境的形成。

除免疫调节外，短链脂肪酸对宿主代谢也具有显著影响。例如，丙酸盐可通过GPR41、GPR43作用于肠内分泌细胞，刺激肽YY和高血糖素样肽-1的释放，从而调节食欲和葡萄糖稳态。在代谢疾病模型中，提升短链脂肪酸水平可改善胰岛素敏感性和脂质代谢；这些效应部分源于GPCRs介导的信号传递以及脂肪组织中能量消耗的增加。

1.2.2 吲哚和其他色氨酸代谢产物

部分益生菌通过代谢色氨酸产生的吲哚衍生物同样有着重要的生理功效。肠道菌群可以代谢色氨酸并将其分解为多种化合物，如吲哚-3-甲醛、吲哚-3-乙酸、吲哚-3-丙酸和吲哚-3-乳酸等。这些代谢物可作为芳香烃受体（AhR）的配体。AhR是一类表达于多种免疫细胞中的核转录因子，其激活是肠道微生物调节黏膜免疫反应的重要机制之一。在小鼠定植和肠道炎症相关模型中，将能够代谢色氨酸生成吲哚-3-甲醛的乳酸菌菌株（如罗伊氏黏液乳杆菌）定植于小鼠体内，可通过AhR依赖性途径促进IL-22的分泌，增强黏膜屏障功能，预防肠道炎症。在一项肿瘤小鼠模型及免疫检查点抑制剂干预实验中，肿瘤内定植的罗伊氏黏液乳杆菌释放的吲哚-3-甲醛可直接激活CD8阳性T淋巴细胞AhR信号，增强干扰素-γ的表达，从而显著提升免疫检查点抑制剂疗效。包括短双歧杆菌、长双歧杆菌婴儿亚种在内的双歧杆菌，与多种乳酸杆菌能由色氨酸经芳香乳酸脱氢酶途径产生吲哚-3-乳酸，可激活AhR和羟基酸受体3，调节人外周免疫细胞反应；具有产生吲哚-3-乳酸的短双歧杆菌在慢性应激抑郁小鼠中能够通过降低神经炎症，改善行为学表型；乳杆菌来源的吲哚-3-乳酸还可以缓解结肠炎，改善菌群失衡。基于肠上皮细胞实验和动物炎症模型，唾液乳杆菌等细菌可以通过产生吲哚-3-乙酸，激活肠上皮AhR-多聚ADP-核糖聚 合酶1轴，促进DNA修复，缓解肠道炎症。吲哚-3-丙酸主要由厌氧梭状芽孢杆菌产生，在动脉粥样硬化人群与模型中与疾病表型相关。动物干预实验和细胞机制研究进一步表明，外源补充或提升内源吲哚-3-丙酸可以通过促进巨噬细胞ATP结合盒转运载体蛋白介导的胆固醇反向转运而抑制动脉粥样硬化。

此外，嗜黏蛋白阿克曼菌作为新一代益生菌的代表，能够通过调节宿主色氨酸代谢，上调AhR靶基因，如IL-10、IL-22，从而减轻结肠炎症反应。在小鼠结肠炎模型中，嗜黏蛋白阿克曼菌能增强AhR信号传导与IL-22的产生，并改善肠道炎症。这些研究结果与临床观察结果一致，即炎症性肠病患者通常出现色氨酸代谢紊乱和IL-22水平降低。因此，针对AhR-IL-22轴的益生菌或后生元为溃疡性结肠炎等疾病提供了一种潜在的机制性治疗途径。

1.2.3 胆汁酸及其代谢产物

部分乳杆菌和双歧杆菌能够产生胆汁盐水解酶（BSH），该酶可催化初级胆汁酸的去结合反应。这种微生物介导的生物转化过程改变了胆汁酸的组成，进而能够激活宿主体内的特定受体，例如在回肠和肝脏中高度表达的法尼醇X受体（FXR）以及G蛋白偶联胆汁酸受体5（TGR5）。通过调节胆汁酸组成，益生菌可间接调控主导代谢和炎症反应的相关信号通路。

动物模型和酶学功能验证表明，嗜酸乳杆菌通过BSH使胆汁酸脱结合，促进胆汁酸的排泄，同时通过抑制胆固醇7α-羟化酶的表达，降低胆汁酸的合成，最终改善胆汁淤积性肝损伤。此外，特定次级胆汁酸水平的升高可以激活肠道L细胞上的TGR5受体，从而促进胰高血糖素样肽-1的释放并增强胰岛素敏感性；同时，肠道上皮细胞中FXR受体的激活则有助于降低肠道通透性，并抑制固有免疫细胞中炎症相关基因的表达。结肠炎实验模型已经证实，FXR或TGR5激动剂具有抗炎作用。在巨噬细胞中FXR的激活可抑制TNF-α和IL-1β的产生；而在树突状细胞和巨噬细胞中，TGR5信号传导则促使它们向调节型、产生IL-10的状态转变。因此，通过增加TGR5活性或调节FXR信号的益生菌可减轻肠黏膜炎症，进一步解释了益生菌在炎症性肠病中的潜在保护作用。

1.2.4 维生素、多胺和神经活性化合物

益生菌能够合成多种必需维生素，包括VB和VK，以及具有生物活性的氨基酸衍生物。双歧杆菌和乳酸杆菌能够合成叶酸和VB12，可能对宿主结肠内的维生素水平产生积极影响。基于动物模型及代谢组学、线粒体功能检测等机制验证，青春双歧杆菌能够产生烟酸，通过肠-肌肉轴提升骨骼肌线粒体数量和活性，从而改善老年肌少症。

多胺类物质，例如亚精胺和腐胺，是另一类对肠道健康至关重要的微生物代谢产物。罗伊氏黏液乳杆菌ZJ617通过提供S-腺苷甲硫氨酸（SAM）底物，促进肠道微生物合成亚精胺，缓解由高脂饮食诱导的动物模型的代谢综合征症状。双歧杆菌和乳酸杆菌产生的亚精胺通过自噬增强IFN-γ＋CD4＋ T细胞免疫反应，有效促进乙型肝炎病毒的清除。

益生菌产生的神经活性化合物在肠-脑轴研究领域引起了广泛关注。例如，短乳杆菌、鼠李糖乳杆菌和双歧杆菌可以将谷氨酸盐转化为γ-氨基丁酸（GABA）。临床前研究显示，肠道中的GABA可能通过与肠神经系统受体或迷走神经通路间接影响大脑功能。小鼠行为学实验表明，鼠李糖乳杆菌JB-1能够改变小鼠大脑特定区域的GABA受体表达，并减少焦虑样行为。在动物模型中，鼠李糖乳杆菌KY16可以增强肠嗜铬细胞对5-羟基色氨酸（5-HTP）的合成，并通过脑5-HT1A受体激活脑源性神经营养因子、酪氨酸激酶受体B，最终减轻压力引起的抑郁样行为。

1.3 生态相互作用

益生菌不仅通过直接作用于宿主发挥功效，还可通过重塑肠道微生物生态系统间接调节健康。换言之，其物质基础不仅包括自身的结构和代谢产物，还涉及与其他微生物的协同或拮抗相互作用，这些相互作用能够改变微生物群落的结构与功能。

“交叉互养”是其中一种重要机制，即一种微生物的代谢副产物可作为另一种微生物的营养底物。益生菌菌株能够与共生菌进行交叉互养，从而促进有益化合物的产生，并稳定微生物群落。比如，双歧杆菌属通过发酵复杂多糖，产生乙酸、乳酸以及部分寡糖降解物。这些产物可作为如普拉梭菌、霍氏真杆菌和厌氧杆菌等丁酸产生菌的底物，进一步转化为丁酸。在这一交叉互养过程中，乙酸、乳酸等连接了双歧杆菌与丁酸产生菌，丁酸则进一步为结肠上皮细胞供能，并通过GPR109A、GPR43及组蛋白去乙酰化酶抑制等途径参与屏障保护和抗炎调节。在婴儿肠道中，母乳低聚糖降解产物也是交叉互养的重要物质基础。长双歧杆菌婴儿亚种、两歧双歧杆菌等可利用或释放岩藻糖、唾液酸、乳糖衍生寡糖片段、乙酸和乳酸等小分子底物，促进双歧杆菌群落内部及其与其他共生菌之间的营养共享。在成年人肠道中，双歧杆菌能够降解膳食植物聚糖，释放如阿拉伯糖、木糖、半乳糖等简单糖类或寡糖片段，以供丁酸盐产生菌及其他有益微生物作为底物利用。由此可见，益生菌并非孤立作用，而是以其产生的物质为介导，通过微生物群落的协同效应放大其影响，最终实现增强肠道屏障功能与减轻炎症反应等积极效应。

“定植抗性”也是益生菌保护宿主的重要手段，可分为被动和主动两类机制。在被动防御层面，益生菌通过菌毛、黏附素、表层蛋白和胞外多糖等表面结构与黏液层或上皮受体结合，占据黏膜表面生态位，也可通过消耗诸如单糖、寡糖、氨基酸、胆汁酸衍生物及微量元素等利用营养物质，限制病原微生物定植所需的营养来源，从而实现竞争性排斥反应。主动防御层面，益生菌可以通过分泌抗菌化合物抑制其他微生物的生长。乳酸菌可生成乳酸、乙酸等有机酸，有效降低局部pH值，从而为沙门氏菌、大肠杆菌等pH值敏感性病原体营造不利的生存环境。此外，益生菌还能分泌由核糖体合成的窄谱抗菌肽，例如细菌素和微菌素，特异性抑制病原菌的生长。乳酸乳球菌分泌的乳链菌素能够抑制单核细胞增生李斯特菌等革兰氏阳性病原体；大肠杆菌Nissle 1917菌株分泌的微菌素能特异性与肠道内的肠杆菌竞争。这些分子通过实现“天然抗生素”的作用，减少病原体数量。

“群体感应干扰”也是益生菌影响微生物生态的另一重要机制。病原菌通常利用酰基高丝氨酸内酯（AHLs）、自诱导肽（AIPs）或自诱导因子-2（AI-2）等信号分子协调生物膜形成、毒力因子表达和群体迁移。益生菌中的芽孢杆菌属会分泌脂肽、环状肽或内酯酶等物质，破坏金黄色葡萄球菌AIP系统或假单胞菌的AHL信号传导，从而减少形成生物膜和产生毒素。一项研究表明，枯草芽孢杆菌衍生的脂肽能够降解金黄色葡萄球菌的信号分子，从而降低其毒力，并使病原体更容易受到抗生素的攻击。乳酸菌也被报道能够分泌酶，使革兰氏阴性病原体使用的AHL信号失活，从而抑制其群体行为。动物双歧杆菌能抑制肠道中革兰氏阴性菌产生的AHLs，从而减轻其对肌酸转运的限制，改善宿主肌肉功能。

从生态学角度来看，肠道菌群和益生菌可互相促进彼此的生长，这可以通过上述的交叉互养实现，也可以通过调节环境实现。例如，小鼠服用鼠李糖乳杆菌GG不仅能增加乳酸杆菌的数量，还能增加粪便中双歧杆菌和拟杆菌的丰度。这可能是由于鼠李糖乳杆菌GG产生的多糖片段或细胞外囊泡支持了这些菌属的生长。在一些炎症性肠病实验中发现，多菌株益生菌能增加诸如粪杆菌或普雷沃菌等共生菌的数量，这些菌属可以产生抗炎代谢物。柠檬明串珠菌可以抑制与植物乳植杆菌HNU082竞争的菌种数量，调节肠道生态位，从而促进其在肠道内的定植。这些变化表明，引入益生菌可以重塑微生物群落组成，使其趋向于健康状态。

常见益生菌代谢产物及其作用通路如表1所示。

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研究方法与范式的演变

2.1 益生菌筛选的传统模式

2.1.1 人工筛选

最初发现益生菌通常依赖人工筛选方法，从天然来源如发酵食品、乳制品、人体肠道等样本中分离并初步鉴定潜在菌株。研究人员通常使用选择性培养基培养样本，挑取菌落，并通过传统的微生物学检测方法进行形态学、显微镜观察和生化检测，以识别候选菌株，随后再通过使用多种检测方法以确认分离株属于已知的安全菌群，包括革兰氏染色、形态观察以及基本的生化检测。尽管人工筛选耗时、通量低，但长期以来一直是发现益生菌的核心方法。人工筛选能够从有安全食用历史的环境中分离出自然适应的菌株。例如鼠李糖乳杆菌GG、长双歧杆菌等许多经典益生菌都是基于人工筛选，从健康人体或发酵乳中分离出来。然而，人工筛选费时费力，且偏向于筛选出在实验室培养基上生长良好的微生物。在培养皿上，生长迅速的菌株可能会排挤生长较慢或较稀有的微生物，而那些需要特定营养物质或基于共生关系生长的微生物可能会被遗漏，直到基于DNA的分析方法出现后才得以发现。尽管如此，人工筛选仍然是益生菌资源开发的第一步。现代技术如聚合酶链式反应（PCR）和快速鉴定工具的应用，使菌落鉴定更加高效，但涂布培养和菌落挑取方法仍为获取候选益生菌菌株提供了不可替代的初步途径。

2.1.2 体外评价

在获得候选分离株后，传统筛选方案会对益生菌特性进行评价，以预测其在宿主肠道中存活和发挥作用的能力。常用指标包括耐受胃酸和胆盐的能力、黏附肠黏液或肠上皮细胞的能力、抗病原体活性以及基本安全性等。除了存活能力之外，体外评价还包括功能性特征的检测，例如通过共培养实验评估菌株抑制病原体的能力，检测其分泌有机酸或细菌素的潜力，或者评估有益酶的产生，如BSH或乳糖酶等。此外，还可以在细胞培养中测试菌株的免疫调节信号，例如诱导巨噬细胞产生抗炎细胞因子，以及通过抗生素敏感性和无毒基因测试安全性等。通过这些方法，研究人员能够在大量分离株中筛选出具有最优益生菌特性的候选菌株。

尽管传统体外评估具有不可替代的价值，但也存在局限性。绝大多数体外评价是简化模型，无法完全模拟人体肠道环境的复杂性。例如，在试管中表现出的高耐酸性并不总是能保证菌株在体内通过胃肠道时存活，因为诸如胃排空速率和食物基质等因素会发挥作用，造成额外的影响。同样，在琼脂平板上表现出的对病原体的强抑制作用也不一定能够转化为在肠道生态系统中对病原体的有效抑制。

2.1.3 动物模型

传统流程中的最后一步是在动物模型中进行体内测试。这类研究对于证明其在生理条件下的安全性和有效性至关重要。在研究中，经常使用啮齿动物、猪或其他模式生物评估益生菌的效果。通过这些模型，研究人员可以探究某种益生菌是否能够减轻疾病严重程度、改善肠道屏障功能或调节免疫反应，从而为后续的人体临床研究提供重要依据。许多经典益生菌的健康功效也是通过动物实验首次得到验证。以炎症性肠病相关模型为例，在右旋糖酐硫酸钠诱导的结肠炎小鼠中，长双歧杆菌可降低临床炎症表现并保护紧密连接相关蛋白表达，提示其对上皮屏障具有保护作用；此外，婴儿双歧杆菌在同类模型中亦可通过维持屏障稳态、调控炎症细胞因子并重塑肠道菌群从而缓解结肠炎症状。此外，布拉氏酵母在沙门氏菌感染小鼠中，能够改变肠黏膜固有层免疫细胞组成，体现出其对先天与黏膜免疫反应的调节潜力；在坏死性小肠结肠炎相关模型中，布拉氏酵母也被用于评估其对炎症与微生态失衡的改善作用。除单菌株外，复合益生菌制剂同样常通过动物模型进行功能验证，例如VSL#3复合益生菌制剂在结肠炎相关肿瘤发生模型中被用于评价其对炎症与肿瘤进程的影响，并为进一步转化研究提供依据。总体而言，动物实验不仅能在整体水平上验证“是否有效”，还可围绕通透性、紧密连接蛋白、炎症因子谱以及免疫细胞分化等指标解析作用机制，因此许多经典益生菌的健康功效也往往是在动物实验阶段首先得到证实并形成可检验的假设框架，继而推进到人体研究。

尽管传统动物模型颇具实用价值，但其局限性亦为学界所公认。以小鼠为例，其肠道pH值、饮食结构和微生物群落组成与人类存在差异。这些因素都可能影响益生菌的实际功效，如影响益生菌在肠道的定植效率及功能表达。

2.2 多模态研究方法的兴起

2.2.1 单细胞分选

益生菌的单细胞层面研究与筛选是方法学上的重大进步。传统培养技术可能会掩盖少数菌株的行为特征，或忽略在平板竞争中处于劣势的菌株。液滴微流控技术通过实现高通量的单个微生物细胞分离与培养，彻底改变了这一局面。基于液滴的微流控平台将单个细菌封装于油包水微滴中，高效构建了数千至数百万个微型生物反应器。每个微滴可作为单个细胞的独立培养腔室，使其在隔离快速生长菌群的条件下形成微菌落。

该方法具有以下几项显著优势：1）实现真正的单细胞分离，避免竞争压力，揭示混合培养中易被掩盖的表型特征；2）可模拟原生微环境，即通过在微滴内调控营养物质、pH值、氧气浓度等参数，复现传统培养中难以实现的生态位条件，从而促使常规平板无法培养的菌种生长；3）支持大规模并行处理，此技术每小时可生成数百万微滴，实现对超大规模菌库或群落样本的快速筛选；4）兼容集成化工作流程，将封装、孵育与检测整合于芯片系统，并可对目标微滴进行分选以供下游分析。

单细胞筛选技术已经在益生菌研究中开始探索，并展现出良好的应用前景。研究人员已利用液滴微流控技术分离出特定功能的肠道细菌。例如，一项研究使用微流控装置将单个肠道微生物与特定细菌代谢的底物共同封装，而后通过荧光传感器识别发生代谢反应的液滴，并对目标液滴进行分选，从而回收功能菌株以进行鉴定。在另一案例中，一种共流微流控液滴系统能够封装单个肠道细菌，并展示了其在维持菌株活性以及筛选金黄色葡萄球菌抑制菌株方面的能力。这些方法极大地扩大了寻找新型益生菌的范围，发掘了此前未被识别但具有益生菌潜力的物种，其中一些可能代表了具有新机制的下一代益生菌。此外，单微生物基因组学也已实现高通量、菌株分辨率的基因组获取，可在无需分离培养的情况下从人类肠道微生物群中获得大量单菌基因组并解析菌株多样性与相关互作，为功能菌株挖掘与机制研究提供了新的技术路径。

总体而言，单细胞筛选实现了从平板培养法到功能驱动型技术的范式转变，具有更高效率、更低偏差及更强功能导向性。通过捕捉微生物群体的表型异质性与稀有功能特性，该技术极大拓展了候选益生菌的资源库，不再局限于传统培养条件下易增殖的常规菌株。

2.2.2 多组学技术

组学技术的兴起对益生菌研究领域产生了深远影响。基因组学、转录组学、蛋白质组学及代谢组学等技术体系，为微生物功能与宿主互作机制提供了多层次解析视角。基于多组学数据，研究人员能够依托系统化的生物学认知而非经验性试错筛选和设计益生菌制剂。过去数十年来，高通量组学平台蓬勃发展，其与益生菌研究的深度融合已催生诸多重要发现。

在多模态研究方法中，基因组学通常作为初步手段，为益生菌功能潜能的预测提供基础。通过对益生菌菌株进行全基因组测序，研究者能够全面解析其遗传构成，并识别可能赋予特定功能的基因。例如，通过计算机模拟可识别BSH基因、黏蛋白降解基因、维生素合成基因或黏附素基因等，从而预测有益性状。有研究采用机器学习模型分析了近3.2万个乳酸菌基因组，并预测出逾13万 个具有潜在健康活性的次级代谢产物生物合成基因簇。此外，通过比较基因组学分析，研究者发现具有abfA基因簇的长双歧杆菌菌株能够通过促进阿拉伯甘露糖利用缓解功能性便秘。不仅如此，宏基因组学分析也被用于疾病预测和菌株功能筛选。例如，研究人员基于宏基因组数据建立了炎症性肠病预测模型，在验证队列中预测准确度达到79.55%，而在扩大健康队列后，模型仍保持较高准确率（曲线下面积＝89.75%）。此类分析能精确定位编码新型抗菌物质或信号分子的菌株，使实验研究工作集中于最可能产生治疗效益的对象。基因组数据可用于安全性评估，例如标示毒素或抗生素抗性基因的缺失，对于非传统食用菌株的下一代益生菌筛选尤为关键。通过这种基因组驱动的策略，益生菌研究从经验性探索逐步向精准、功能导向的筛选方法转型。

在益生菌功能研究中，转录组学与蛋白质组学分析能够在基因组信息基础上揭示菌株在特定条件下的作用机制。通过RNA测序技术，可比较益生菌在胃肠道环境与实验室培养条件下激活的基因表达差异，从而反映其对宿主环境的适应性响应。蛋白质组学不仅能验证预期功能性蛋白的分泌情况，还可识别宿主因益生菌作用而调控的蛋白质。

由于益生菌的许多有益作用通过代谢产物实现，代谢组学研究尤为关键。通过测定共培养体系或体内环境的小分子谱，研究人员能够将益生菌干预与健康效益相关的代谢物变化建立关联。例如，代谢组学可证实益生菌促进短链脂肪酸生成、降低促炎毒素及内毒素水平，从而明确其抗炎与肠道屏障保护作用。多组学方法已被应用于追踪动物模型中益生菌或合生元补充剂如何改变肠道微生物代谢及宿主生理状态。

多组学整合研究进一步实现了从基因组到代谢物层面的整体分析。在此类研究中，益生菌不仅影响自身定植和代谢，还可引起宿主及共生菌在多重分子水平上的全局性变化。例如，研究可同时进行宏基因组测序以追踪菌株定植和群落置换，宿主转录组分析以检测免疫通路或屏障相关基因的激活状态，以及血液或粪便代谢谱分析以评估小分子代谢变化。在抗生素破坏肠道菌群后，多菌株益生菌干预显示出差异化影响：部分受试者表现出定植抗性，而益生菌组的群落恢复速度较自然恢复组更缓慢且不完全。这些结果表明，多组学方法能够揭示单一检测手段易遗漏的复杂关联，为益生菌的精准化应用提供重要指导。

此外，多组学技术已将益生菌范畴拓展至候选菌种，帮助识别以往未被归类为益生菌的健康相关微生物。通过基因测序和非培养依赖性研究，研究者识别出以往未被视为益生菌的健康相关微生物。例如，源自肠道宏基因组研究的嗜黏蛋白阿克曼菌和普氏粪杆菌，被发现与肥胖、糖尿病及炎症呈负相关。与主要促进整体肠道健康的传统乳杆菌或双歧杆菌不同，这些微生物鉴于其靶向功能现被称作“新一代益生菌”。与传统益生菌相比，新一代益生菌并非主要来源于长期食用经验或传统发酵食品筛选，而是多由人群微生物组关联分析、宏基因组挖掘及临床功能验证等识别，其功能物质基础往往更依赖特定生态位适应特征和疾病相关分子机制，例如黏蛋白利用、外膜蛋白介导的受体互作、丁酸生成和抗炎分泌因子等。通过组学驱动的相关性分析发现此类新一代益生菌具有更特异的作用机制。整合研究正进一步探索这些新一代益生菌，比如代谢模型可预测嗜黏蛋白阿克曼菌利用的底物及其释放的有益代谢物；定植宿主的转录组学数据揭示了其如何上调与促进黏液再生及紧密连接相关的基因。这些多组学知识为开发针对代谢类和炎症性疾病的高精度益生菌奠定了坚实的理论基础。

2.2.3 器官芯片模型与人源化动物

为更精确模拟人体对益生菌的反应，研究者们开发出先进的体内与体外实验系统，以克服传统细胞培养或动物研究的部分局限性。其中两项重要进展为器官芯片微流体模型与人源化动物模型。这些方法标志着实验设计范式的重大转变，能够在临床前试验中更真实地复现人体肠道环境与微生物群落。

器官芯片设备是通过微加工技术构建的微型生物工程系统，其内部培养有活体人类细胞，能够模拟真实器官的三维结构与生理微环境。针对肠道研究的肠道芯片通常采用微流控腔室结构，腔室内壁铺植例如人源肠道上皮细胞等的细胞，并通过灌注培养液模拟血液流动与营养梯度。部分高端装置甚至能够施加周期性机械拉伸以模拟肠道蠕动节律。该技术可在受控条件下实现与活体微生物群落的长期共培养。此类芯片通过持续灌注维持人源细胞与微生物的界面稳定性，既能保证细菌群落活性，又可延长细胞存活周期，这一优势是传统静态插入式细胞培养体系难以实现的。多项研究证实，肠道芯片系统支持肠道细胞与复杂微生物群的长期共生培养，所产生的宿主基因表达谱和微生物活性数据与体内实验结果高度吻合。

器官芯片技术有效弥补了传统模型的若干缺陷。传统的二维细胞培养等体外模型缺乏真实肠道组织的流体环境与三维结构，且难以有效维持厌氧菌群活性。而动物模型与人体存在物种差异，且无法实现细胞层面的实时观测。相较之下，器官芯片提供了一种易于操作且基于人体生物学的实验平台。以肠道芯片为例，该技术能够模拟关键生理特征，如肠道氧梯度、流体剪切力对细胞的作用，以及空间组织结构等。与静态培养相比，具有蠕动功能的芯片模型能提升黏液分泌量并促进上皮细胞更充分的成熟化，更贴近实际情景。因此，肠道芯片对细菌定植的响应模式可高度模拟真实肠道反应。目前该技术已被应用于益生菌-宿主互作研究。研究者可将特定益生菌株导入芯片，在可控可调的实验环境中监测屏障完整性、细胞因子释放或病原体过度生长等指标。此类模型可用于探究特定益生菌如何增强肠道屏障功能或调控免疫细胞在人体组织中的募集，从而为临床试验提供机制层面的理论依据。此外，也有研究人员基于人源肠-肝器官芯片技术，系统揭示了动物双歧杆菌通过合成功能代谢物金盏花苷E，实现与格列本脲协同“增效减毒”，从而缓解2型糖尿病。

正如前文所述，传统动物模型在评估益生菌功效时存在局限性，而人源化小鼠模型为解决这一问题提供了重要工具。这类模型通过在小鼠体内引入人类基因、组织或细胞，或移植人类微生物群，从而重建更接近人体生理环境和疾病特征的实验体系。例如，有研究团队通过系统优化冻存人胎肺组织的移植策略，构建了肺-免疫系统双人源化小鼠模型，并解析了人肺组织的免疫微环境及其在病毒感染后的免疫应答特征。研究人员在人源化小鼠中测试了人类生物钟基因突变的影响，评估了基因突变小鼠在模拟冬季光照的条件下的抑郁样行为。与传统小鼠相比，人源化小鼠在免疫反应、代谢通路、药物反应乃至疾病表型上更贴近人类，使其在益生菌研究中具有独特优势。利用人源化小鼠模型，研究者可在接近人体环境的条件下评估益生菌的作用。例如使用无菌动物模型，这些动物出生时完全不携带微生物群落，因此可以接种人类的肠道菌群。这种方法可在受控的微生物环境中评估宿主或菌群对益生菌定植的贡献作用。由此，研究者可将单一菌株或人类粪便菌群移植至无菌小鼠体内，进而观察其对宿主的效应。例如，移植肥胖人群肠道菌群的无菌小鼠，其脂肪积累量显著高于移植瘦削人群菌群的小鼠，这从因果关系层面证实了微生物在肥胖发生中的作用。同时，人源化菌群小鼠可用于探索益生菌与人类特异性代谢通路及免疫信号的相互作用机制，为下一代益生菌的开发提供更可靠的体内证据。通过与多组学分析结合，人源化模型能够追踪益生菌对宿主转录组、代谢组及微生物组的影响，实现从分子水平到系统功能的整体性解析。因此，人源化小鼠模型不仅弥补了传统动物实验在人体可转化性方面的不足，还为益生菌在复杂微生物生态系统及人类特有生理环境中的作用机制提供了强有力的平台，为精准化益生菌开发与临床干预策略奠定了坚实基础。

2.2.4 临床试验中的功能与安全性评价

临床试验是益生菌功能与安全性评价的最终环节。近年来，随着多模态研究方法的深入应用，益生菌临床试验的设计与分析更加精细和靶向化。在传统临床终点指标之外，越来越多的实验开始引入分子水平的终点指标，如微生物组、代谢组或免疫学标志物，从而形成从科学发现到疗效验证的完整闭环。在这一背景下，多项临床研究已证实益生菌在多种疾病或功能调节中的潜在价值。例如，乳杆菌和双歧杆菌被报道可抑制幽门螺杆菌黏附、改善非酒精性脂肪肝病进程，并在神经系统损伤或心理健康调节中发挥积极作用。在口腔疾病领域，一项随机对照实验显示，接受放疗的头颈部肿瘤患者口服唾液链球菌K12后，严重口腔黏膜炎的发生率显著降低。在肿瘤相关并发症管理中，含长双歧杆菌的益生菌混合制剂通过调节肠道微生物群及其代谢产物，减轻肝脏炎症与纤维化，并与肝细胞癌患者术后总体生存率提高相关。此外，益生菌相关食品或后生元产品亦逐渐进入循证评价体系，例如含乳酸菌代谢物的后生元制剂Probio-Eco被证实可改善功能性便秘； 另一项为期8 周的随机对照研究发现，每日摄入益生菌发酵乳制品可影响海马体谷胱甘肽水平及其与其他脑区的功能连接。

近年来，新一代益生菌逐步进入临床验证阶段，其中嗜黏蛋白阿克曼菌尤具代表性。该菌株通过宏基因组关联研究发现其在代谢性疾病患者体内数量减少，并已得到临床前模型验证。2019年，研究团队在肥胖成年人中开展了嗜黏蛋白阿克曼菌补充剂的人体随机安慰剂对照实验。结果显示，3 个月干预后受试者胰岛素敏感性提高约29%，胰岛素水平与总胆固醇显著下降，同时体质量和脂肪量呈下降趋势。此外，在免疫治疗领域，一项人体研究报道，口服补充丁酸梭菌可改善晚期肾细胞癌患者对免疫检查点抑制剂疗法的应答。

精准化是当前益生菌临床研究的另一显著趋势。大量证据表明，个体对同一益生菌干预的反应存在明显差异。例如，Zmora等发现，根据个体基线微生物组的差异，某些受试者的肠道会对特定益生菌株产生定植抗性。这表明若不考虑个体微生物组或饮食差异，对某一人群有效的益生菌可能对另一人群收效甚微。因此，越来越多临床试验过程中引入多组学监测已成为常态，包括粪便宏基因组测序以验证菌株存留情况，以及代谢学分析以识别应答相关生物标志物。这种实验内多模态监测不仅能够解释总体疗效差异，也可发现益生菌在特定亚群体或通过间接代谢途径发挥作用的潜力，从而为下一代益生菌干预策略提供科学依据。

针对益生菌功效声明，临床证据的严谨性要求日益提高，高影响力的临床试验已树立新标准。尽管部分实验仍采用大规模普适性设计，但更多研究转向机制驱动型模式。例如，基于长双歧杆菌具有神经活性潜能的临床前证据，对肠易激综合征患者施用该菌株后，不仅监测临床症状，还通过功能性磁共振成像评估脑部活动。此外，工程化益生菌作为合成生物学与微生态治疗的交叉方向，也已进入早期临床探索阶段。然而，工程化益生菌在安全性评估、伦理监管及生产一致性等方面仍面临诸多挑战，距离广泛临床应用尚需进一步验证。

2.2.5 多模态研究方法的挑战与局限

尽管单细胞筛选、多组学整合、器官芯片和人源化动物模型显著推动了益生菌功能机制研究，这些新兴方法仍存在一定局限。相较于传统筛选和动物实验，多模态研究方法能够提供更高维度、更接近人体生理状态的证据（图2）。然而，其技术复杂度、成本、标准化程度和结果解释难度也相应增加。

单细胞分选和液滴微流控技术有助于发现稀有菌株和特定功能菌株，但其结果受培养条件、底物设计和筛选指标影响，且难以完全模拟肠道中多菌协同和复杂生态位环境。多组学技术虽然信息量丰富，但普遍存在成本高、批次效应明显、数据整合复杂和标准化不足等问题；随着组学层级增加，宿主-微生物数据整合需要更复杂的统计方法，且仍需加强分析流程标准化。器官芯片为益生菌-宿主互作提供了人源化可控平台，但目前仍难以完整重建人体肠道中的复杂免疫细胞组成、神经内分泌调控、多器官互作和长期稳定的厌氧菌群环境。人源化动物模型虽能够提高临床前研究的可转化性，但其“人源化”程度受宿主遗传背景、供体菌群差异、移植流程、饮食和饲养环境等因素影响，不同研究之间的可比性和重复性仍有限。

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结 语

综上所述，益生菌的促健康效应源于具体的分子基础与生态互作，无论是短链脂肪酸、胆汁酸衍生物、色氨酸代谢物，还是细菌素、表面结构蛋白与信号分子，均构成益生菌发挥功能的物质基础与因果链条。这一认识标志着益生菌研究已从经验描述阶段，迈入以机制解析为核心的精细化发展阶段。然而，将机制层面的发现稳定转化为可重复的健康效应，仍面临显著挑战。未来研究亟需从“菌株优先”的筛选逻辑，转向“机制优先、生态场景化与人群分层并重”的研究范式。在进入临床阶段评价之前，应在更具人体相关性的模型中完成因果路径的验证，特别是结合人源化动物模型或器官芯片系统，以重建真实的人源黏膜-微生物界面，从而降低临床转化风险并提高预测准确性。此外，益生菌的功能能否在人体内稳定发挥，高度依赖宿主既有的微生物组结构、代谢状态及生活方式背景。这种显著的个体差异提示，传统以群体平均效应为导向的实验设计，可能低估或掩盖特定亚群中的真实疗效。因此，未来临床研究应系统整合基线微生物组与多组学特征，采用分层化的实验设计，更准确地识别获益人群。展望未来，人工智能与系统生物学的融合有望成为益生菌精准应用的重要推动力。通过整合宏基因组、转录组、代谢组以及临床与饮食数据，基于知识图谱和因果推断构建个体模型，对菌株组合、代谢物产出及膳食底物进行可解释、可迭代优化的预测。这一模式有望将益生菌干预从经验性选择升级为具有可预测性的精准微生态调控策略，最终推动益生菌从“泛健康产品”走向真正意义上的机制驱动型微生态治疗。

第一作者

张增副研究员

海南大学食品科学与工程学院

张增，硕士生导师，本硕博均毕业于海南大学食品科学与工程学院，现任职于海南大学食品科学与工程学院，主要研究方向为益生菌精准改善宿主健康机制研究，目前以第一作者在Cell Reports、Gut Microbes、npj Biofilms and Microbiomes、Food Research International、Engineering、食品科学、Food & Function、Ecotoxicology and Environmental Safety等期刊上发表论文10 篇；授权国家发明专利4 项；获海南省自然科学一等奖和二等奖。

通信作者

张家超教授

海南大学食品科学与工程学院 院长

张家超，博士生导师，本硕博均毕业于内蒙古农业大学食品科学与工程学院，加州大学圣迭戈分校Rob Knight实验室访问学者，现任海南大学食品科学与工程学院院长，热带多糖资源利用教育部工程中心主任，中国食品学会青委会副主任委员。研究方向是热带健康食品生物制造。获国自然青年科学基金项目（A类、B类和C类）资助，入选海南省“南海名家”资助计划和海南自由贸易港高层次人才。近年来以通信作者在Cell Host & Microbes、Nature Communications、Cell Reports、Microbiome、ISME Journal和食品科学等国际高水平期刊发表SCI论文70余篇，授权国家发明专利13 项；获国家科学技术进步二等奖，全国五一劳动奖章、新时代青年先锋、海南省自然科学一等奖、第十届海南省青年科技奖和海南省五四青年奖章等。

引文格式：

张增, 拜依辰, 张家超. 益生菌功能发挥的物质基础与研究新范式[J]. 食品科学, 2026, 47(14): 1-16. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20260317-133.

ZHANG Zeng, BAI Yichen, ZHANG Jiachao. Material basis and emerging research paradigms of probiotic functions[J].Food Science, 2026, 47(14): 1-16. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20260317-133.

实习编辑：辉煌；编辑：阎一鸣；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

为进一步促进动物源食品科学理论的完善与创新，加速科研成果向实际生产力的转化，助力产业实现高质量、可持续发展，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、中国食品杂志社与海南大学、海南热带海洋学院、江西农业大学共同举办的“2026年动物源食品科学与人类健康研讨会”，将于2026年11月14-15日（11月13日报到）在中国 海南 海口召开。

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